虛擬現實理論與技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 坦克模擬器穿森林，過雪地。使用這種模擬器，可使受訓者在1 h 內獲得比6 個月實車駕駛還要多的經驗。該系統被美國國會列為“絕對禁止出口”的項目。、進行軍事指揮人員訓練 利用VR 技術，根據偵察情況資料合成出戰場全景圖，讓受訓指揮員通過傳感器裝置觀察雙方兵力部署和戰場情況，以便判斷敵情，定下正確決心。美軍曾經使用過許多作戰模擬系統來培訓軍事人員，并取得了顯著的效果。如美國海軍開發的“虛擬艦艇作戰指揮中心”【12】就能逼真地模擬與真實的艦艇作戰指揮中心幾乎完全相似的環境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓軍官沉浸在“真實的”戰場之中。目前，美軍更進一步采取措施，通過設置“軍官虛擬現實教程”來強化人員培訓。這種“軍官虛擬現實教程”的訓練效果大大超過以往陸軍聯合訓練中心所實施的作戰模擬訓練和實戰演習的方法，僅需5 個月左右時間就能培訓出既具備戰術專家素質，又能指揮與控制所屬部隊進行作戰的軍官。為了統一建模方法和數據格式，美陸軍部推行了“作戰模型改進計劃”，設想在一個統一的管理機構下建立一個具有層次結構的陸軍作戰模擬系列，將陸軍各兵種的作戰模型全部納入這個體系中，以培養適應未來戰爭需要的陸軍軍官。 “Virtual warship mand center in battle”of U． S． Navy、提高指揮決策能力在作戰指揮決策領域，VR 技術的應用主要包括兩個方面: 1) 通過對獲取的情報數據在三維戰場環境上合成逼真的三維戰場態勢場景，有利于指揮人員更加形象直觀地把握整個戰場態勢，輔助指揮人員進行決策。 2) 采用基于VR 技術的作戰方案分析系統對指揮決策人員提出的決策方案進行仿真分析，以便更好地為決策人員服務。美國海軍實驗室( NRL) 自主開發的Dragon 系統可以提供72 h 內90 km 90 km 范圍內的DTED( 數字地形數據) 5 級( 1 m 分辨率) 特征數據和圖像特征，在作戰之前就能夠快速將復雜戰場態勢可視化，使指揮員及其參謀人員能靈活使用二維或三維動態顯示系統，更有效地制定任務計劃和演練，評估行動路線，保持對戰場態勢的認知。、縮短武器裝備的研制周期 眾所周知，在高新技術武器開發的過程中大量地采用VR 技術，設計者可方便自如地介入系統建模和仿真實驗全過程，讓研制者和用戶同時進入虛擬的作戰環境中操作武器系統，充分利用分布交互式網絡提供的各種虛擬環境，檢驗武器系統的設計方案和戰技術性能指標及其操作的合理性，縮短了武器系統的研制周期，并能對武器系統的作戰效能進行合理評估，從而使武器的性能指標更接近實戰要求。美國第四代戰斗機F － 22 和JSF 在研制的全過程中由于采用了VR 技術，實現了三維數字化設計和制造一體化，使研制周期縮短50%，節省的研制費用超過93%。由于采用VR 技術，在系統設計的初期，就能夠向飛行員提供直接體驗新設計優點的“虛擬”系統，并能隨時按照訂貨方要求現場修改設計，美軍利用這一技術成功設計了“阿帕奇”和“科曼奇”武裝直升機的電子座艙等【13】。 最近，美國諾斯羅普格魯曼造船公司正在使用VR 技術設計下一代航空母艦“吉拉德R福特”號。這是美國海軍40 多年以來第一次全程采用基于VR技術的計算機軟件而非圖紙進行設計的航空母艦。 The simulation training system for product design、信息網絡虛擬戰 信息網絡虛擬戰是以計算機成像、電子顯示、話音識別和合成、傳感等技術為基礎實施的信息欺騙。它通過信息網絡某一節點，把己方計算機與對方聯網，或戰前通過各種途徑將VR 技術植入敵方的指揮控制信息系統中，把己方的虛擬信息即假情報、假決心、假部署傳輸給敵方，迷惑敵人，誘敵判斷失誤。 向敵指揮官和士兵發布敵方軍官假命令，使敵軍事行動陷入混亂。這種戰法，能使敵方在三維聲像環境中，看到酷似實物的立體交戰圖像，使敵方不會產生錯覺，增大了欺騙的真實性。由于VR 技術在軍事上能把接受者投放到一種逼真的、為作戰而設置的現實中，可以模擬未來戰場各種復雜情況，從而使敵改變決心和部署。1994 年4月，隨著美軍第一支數字化部隊的建立，美軍就開始著手運用VR 技術進行模擬對抗性演習，并專門成立了“VR 技術欺騙戰”研究小組，由其具體負責技術研制和實驗。 美國國防科技委員會認為: 美國在沙漠風暴、巴爾干半島、阿富汗和伊拉克戰爭的低傷亡率，很大程度上是源于平時的作戰模擬訓練，在這種模擬訓練系統中充分運用了VR 等一系列技術，全方位、多層次、多角度實現戰場態勢的綜合表現。在美國國防科技委員會2000 年度的報告“Training Superiority and Training Surprise”中總結到“這個20 年前的新發明不用流一滴血就把我們的單兵和團隊訓練成了戰場上的王牌”【14】。、虛擬現實技術在化學教學中的應用現狀分析、ChemLab ChemLab 由美國Corel 公司于1996 年推出。它是一個交互式的化學實驗模擬工具， 通用的實驗裝置和步驟用于模擬一步一步執行化學實驗， 所示。該軟件以任務為主線，首先，由教師制定一系列學習任務和學習目標，學生在領會學習任務和目標的前提下，通過引導而最大程度地獨立完成實驗。ChemLab 的功能比較突出，但實驗器具和試劑偏少， 實驗模塊之間的自由構建功能體現不足，擴展功能也很有限并且不具備味覺和觸覺功能【15】。、IrYdium Chemistry Lab IrYdium Chemistry Lab 軟件由美國Carnegie Mellon大學基于Java 開發，有很好的跨平臺性，但運行速度不是很快。它的優點在于學生通過網絡來查看學習進度，充分利用空閑時間進行自主學習；將化學藥品的屬性直接展現在屏幕上，方便學生直接使用， 所示。但是該軟件只設置了部分實驗，實驗藥品和裝置都不是很充足，在實驗范圍的廣度上有待提升；針對學習者在實驗中可能產生的錯誤沒有做出預測，缺乏錯誤的提示和糾正功能。 lrydium chemistry lad 的試驗界面、浙江大學有機化學虛擬實驗室 浙江大學有機化學虛擬實驗室，是基于Web 的虛擬實驗，如圖3 .，該系統的實驗內容主要從基本操作、制備實驗和分離實驗三個方面， 實現對有機化學實驗的虛擬操作。整個實驗系統內容全面、界面清晰、操作步驟明晰并伴有操作提示， 能夠讓學習者在提示作用下快速完成實驗內容。但對于錯誤的實驗完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏對學習者能力的檢測與監測。 減壓蒸餾試驗、金華科仿真化學實驗室 金華科仿真化學實驗室，軟件界面設計靈活，實驗內容較豐富，實驗過程具有嚴謹的科學性和開放的交互性，既是化學課堂中的教學平臺，也是化學教師的課件制作平臺和學生的交互式學習平臺。該虛擬實驗系統由仿真化學實驗室、三維分子展示（）、中學化學小百科三部分組成。仿真化學實驗室的設計界面是二維結構，用戶可以按照自己的需要搭建實驗器材，獨自進行實驗。在實驗整體性上有自己的優勢， 并且能夠清晰地看到發光、氣泡等現象，不足之處在于它沒有對實驗過程中可能存在的錯誤進行分析，并給出錯誤提示和更正處理。、東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件 東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件， 囊括了整個初中化學實驗內容， 對全部實驗儀器做了總結并給出了圖形介紹，每個實驗內容實驗儀器展示、實驗介紹四個部分。該軟件通過實驗介紹闡述實驗的教學目標以及實驗的實用性和重要性， 用語音和圖形把實驗操作和注意事項展現給學生，最后通過學生自己的虛擬操作達到理解實驗的目的。整個教學過程思路清晰、目標明確，學生按照既定的操作步驟在操作提示的引導下自主搭建實驗器材， 獨立完成實驗，這既鍛煉了學生的動手能力，又能夠避免真實實驗的危險。此系統在實驗流程上還屬于線性的，缺乏發散思維和創新思維的引導， 通過既定的儀器完成既定的實驗任務是該系統的不足之處。從技術領域來說， 目前應用于化學學科教學中的虛擬現實系統大部分都是二維的結構， 金華科仿真化學實驗室以及東師理想初中化學虛擬仿真實驗室中涉及的分子結構模型是三維呈現。虛擬現實技術目前主要采用建模工具軟件，如3DS MAX、Multigen Creator、Maya、SolidWorks 等，進行環境建模；再利用虛擬現實技術開發工具和平臺提供的強大引擎和SDK 工具包實現場景的實時繪制、仿真和交互操作等功能；最后優化并生成特定文件格式的虛擬現實產品并發布。目前使用的虛擬現實技術的開發工具和平臺有Java3D、Open GVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools 等，不同的技術各有其特點。虛擬實驗系統在技術上已經很容易實現， 但在教與學的方式還需要進一步改善。以上系統都只是采用傳統的以教為中心的教學模式，整個學習過程只是按照既定的教學步驟而進行，不能對學生的思維進行引導；實驗過程中不能突出對學生技能的訓練，缺乏對學生的智慧技能以及協作學習能力的考察；對學生在實驗中所出現的錯誤沒有作出預測并及時更正也是以上系統所