虚拟现实技术及其应用精选(九篇)

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第1篇：虚拟现实技术及其应用范文

【关键词】虚拟现实技术 高校教育 应用 局限性

一、虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术（Virtual Reality）主要借助计算机技术及其硬件设备，实现一种使用者可以通过多种感官感觉到的虚拟场景或物体，简称VR或灵境技术。

虚拟现实研究的历史可以追溯到上个世纪50年代，有学者在这方面展开探讨。1965年，Sutherland在《Ultimate Display》一文中正式提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想；90年代是虚拟现实技术的大发展阶段，虚拟现实的内涵随着技术设备发展而不断深入，基于图形渲染、基于图像渲染建模技术和基于互联网的分布式虚拟现实技术得到长足发展；应用范围也随着研究的深入而不断扩展，从原来的军事模拟和宇航训练逐步扩展到工业制造、远程医疗、互动娱乐、商业宣传、教育等诸多领域。

二、虚拟现实系统的四个层次

虚拟现实技术的三个基本特征是“Immersion”（沉浸）、“Interaction”（交互）、“Imagination”（构想），其中交互性和沉浸性是虚拟现实的最重要的特征。当前 虚拟现实技术在各个领域都有应用，因为不同的需要，所以成形的虚拟现实系统也各不相同，但根据其虚拟特征倾向，可以划分为四个层次：

1.桌面式虚拟现实系统，又称为简易虚拟现实系统。利用普通计算机便可以实现虚拟环境的输出，在显示上直接利用计算机屏幕或投影来让参与者观察，交互上直接用键盘或鼠标来与系统进行控制。这一类虚拟现实易受周围真实环境的干扰，沉浸感较差，严格来说不能称之为“虚拟现实系统”，但由于结构简单，成本较低，所以比较普及，特别是在建筑和工业设计、游戏开发、教育培训中应用广泛。

2.沉浸式虚拟现实系统。这类系统主要利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音设备、力与触觉传感器、头盔式显示器或立面投影器等，以排除外界干扰，将参与者与外界真实环境完全隔离，使其完全沉浸在虚拟世界中。这类系统比较复杂，价格昂贵，难以普及，一般用在航空和军事训练等高端领域。

3.分布式虚拟现实系统。一般是沉浸式虚拟现实系统的发展结果，利用网络将几个不同位置的虚拟现实系统连接起来，充分利用不同区域的各种资源，为某一共同目的协同创造一个虚拟环境，用于更复杂任务的研究。

4.增强式虚拟现实系统，也称为混合虚拟现实系统。允许参与者看见现实环境中的物体，将真实环境和虚拟环境叠加融合在一起，形成对真实物体更多的解读。该类型系统主要借助于位置跟踪技术和穿透型头戴式显示器，将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境精确融合，以达到虚拟和现实有机结合的目的，这是今后的主要发展方向。

VR技术的应用范围非常广泛，在国外VR技术的教育应用非常普遍，涉及各个不同的用途和层次，而且也并非只有发达国家应用，发展中国家在教育中应用VR技术也日益增多。在美国，许多大学将虚拟现实技术引入到课程教学中，如美国休斯敦大学建立的“虚拟物理实验室”可让学生通过计算机模拟包括万有引力定律在内的各种力学实验，并且可以让学生控制重力大小、方向等各种参数的变化；北卡罗莱纳大学开发的“化学虚拟实验系统”则可以让学习者手动操控分子运动，使分子结构按照使用者的操作进行组合，并产生相应现象反馈，加深学习者对分子结构的理解。

三、虚拟现实系统在高校教育中的应用

在我国，有许多高校将虚拟现实技术与WEB技术结合起来，展开基于网络的教育应用。如北京航空航天大学开发的虚拟北航和华中师范大学开发的数字校园，都可以使用户通过WEB在计算机生成的虚拟校园中进行漫游和交互操作；而清华大学、山东大学、华南师范大学等-🔥js1996注册登录则将虚拟现实技术与网络课程结合起来，为课程教学提供仿真和模拟操作，加深学习者的感性认识和理解。

纵观国内外虚拟现实与教育的结合实验项目，我们可以总结出其大致的应用形式：其一是实验仿真，利用虚拟现实技术打造实验仿真平台让学习者“亲身体验”实验操作或动手训练，学习者不必真正面对危险的、昂贵的或不可能实地操作的实验项目或环境，这种虚拟现实环境既可满足大部分教学和训练的要求，又可大大减少经费的投入。其二是虚拟现实课件（教学演示），教师直接将仿真平台在课堂上进行教学演示，为课堂教学提供直观生动的内容，加强学习者的感性认识。其三是空间仿真，通过虚拟现实技术还原某一物理空间，并且允许使用者对虚拟空间进行控制。例如数字化校园可以允许使用者按照自己的路线在虚拟校园中进行实时漫游，虚拟图书馆可以允许读者随意地翻阅书本。

四、目前虚拟现实在教育中应用的局限

在这些实验案例中，不难发现，当前教育中应用的虚拟现实系统有以下几个方面的局限：

一是大多为简易型虚拟现实系统。建立在PC机和屏幕显示的基础之上，交互也大多限于鼠标和键盘操作，研发也仅限于软件层面的开发，究其原因，一方面是因为教育应用中经费的限制以及使用者数量巨大，另一方面则是因为PC机的普及和计算性能越来越优越，足以满足当前阶段使用者的需要。

二是大多为单人场景平台。也就是在某一位使用者进入该虚拟环境时，周围看不见协作者或伙伴，是孤独的沉浸，只考虑了虚拟环境中的人机交互，却极少顾及虚拟环境中的人际交互。

三是针对教学活动的虚拟现实系统更多地关注知识内容本身，对虚拟环境和虚拟教学手段较少关注。例如多数虚拟实验系统中，只呈现实验操作对象模型，对实验室的环境少有顾及，系统的真实感大打折扣；且虚拟操作过程正确与否仅限于系统提示，少有外界互动沟通机制。

虚拟现实技术虽然研究已久，技术也相对成熟，但是，目前高校教育中，虚拟现实技术的应用并不普遍。要想把这种技术更好地和教育结合起来，其在教育中的应用形式和应用方法还有很多细节需要进行进一步的研究。

参考文献：

[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[2]杨忠伟，康瑞存，谢青.虚拟现实技术的研究[J].测绘与空间地理信息，2009，32（2）：161-163，166.

[3]郭天太.虚拟现实技术在高等教育中的应用及其意义[J].宁波大学学报，2006，28（1）：103-106.

[4]于静洋，蔡坤.虚拟现实技术及其在高校教学中的应用[J].教育信息化，2006，（4）：74-75.

第2篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词： 虚拟现实；摄像机跟踪；虚拟演播室；色键；视频公开课；虚拟课堂

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2014）02-0077-04

数字虚拟演播室是虚拟现实技术在影视节目制作上的一项技术应用，随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进，虚拟演播室进入了成熟的实用阶段。传统的色键技术只是将演播室拍摄的主持人进行抠像，并没有记录主持人和摄像机的位置及透视关系，所以画面立体感不强，一般只适合制作两维的合成画面节目。而虚拟演播室是将摄像机拍摄到的画面进行抠像然后和事先制作好的虚拟场景进行合成，摄像机拍摄时使用跟踪技术，从而可以使得摄像机拍摄的画面可以和虚拟场景完美融合，不管是摄像机运动还是主持人的活动，合成的画面都会展现自然的立体效果。[1]

一、虚拟演播室技术的形成、发展及其原理

1.虚拟演播室技术的形成

虚拟演播室技术来源于虚拟现实技术。虚拟现实技术实际上就是采用技术的手段营造出一个虚拟的环境，给人以真实的感觉。换句话说，就是使用技术的手段欺骗我们的感官，让我们把虚拟的环境当成是真实的世界。在这个人为营造的虚拟世界里，我们可以实现所有我们想要的事情，可以这么说：“只有想不到，没有做不到”。沉浸其境、实时交互作用、自由构想构成了虚拟现实的基本特征。[2]

“沉浸 + 交互作用 + 构想 = 虚拟现实”，虚拟现实是信息科学领域中的新技术，由于其广泛的实用性，引起多学科领域的重视。现在不仅在军事、建筑、医疗、教育、娱乐、培训等方面得到应用，而且正在步入电影及广播电视制作系统之中，形成了虚拟演播室技术。

2.虚拟演播室的发展

1978年，Eugene L.首先提出“电子布景”的概念，他认为将来的电视节目制作不需要真实的布景，演员在一个空演播室里就可以完成节目制作，所有的布景都是使用电子系统生成的。欧洲IMP和VAP公司在1994年的IBC展览会上首次公开推出了虚拟布景系统。1997年的NAB上，以生产军用和商用飞行模拟器而闻名的美国Evans & Sutherland公司推出了Mindset虚拟演播室系统，该系统以其优越的性能、简便的操作以及低廉的价位获得了一致好评，并被NAB评为当年的十大数字产品之一。

许多虚拟演播室厂家一直进行这一技术的开发研究，并不断把自己的产品推向市场，国外的相关产品有GMD公司的3DK系统、Orad公司的Cyberset系统、Accom公司的Elset系统、Evans and Sutherland公司的MindSet系统、Discreet Logic公司的Vapour系统等等，其中以色列两家公司的RT-Set和ORAD系统在业内处于技术领先地位。目前国内也有大洋、新奥特、奥维讯、宏源等多家厂商推出成熟的虚拟演播室产品，其性能并不逊色于国外产品。

虚拟演播室技术发展的历史很短，而且远未达到我们的期望。但由于它比实景演播室系统更具有优势，所以被业界广泛推荐。除了省时省力以外，虚拟现实技术给我们提供了极大的发挥想象的空间，我们可以把想象中的情景变成现实，制作出超出观众想象的新颖的电视节目画面。 [3]

3.虚拟演播室实现原理

虚拟演播室技术主要由摄像机和主持人的跟踪与定位、色键抠像及三维虚拟场景的制作等组成。它的基本原理是：用摄像机拍摄前景图像，通过帧延时后，利用色键技术与经过数字处理的高清晰度背景图像合成，而背景图像的生成受跟踪摄像机的控制。这样当摄像机进行变焦、俯仰、摇移等操作时，背景图像也会作相应的改变。通过这种色键合成技术产生的合成图像，比传统色键产生的图像要生动、真实得多。虚拟演播室的原理如图1所示。

“虚拟演播室”中的一项关键技术是如何判断摄像机、主持人、计算机虚拟场景之间的对应位置关系。为了解决这种复杂的位置关系，我们需要绑定摄像机的运动信息，实现真实摄像机和虚拟场景的信息交互。对于摄像机而言，它的运动状态有推、拉、摇、移、升、降、变焦、调焦、光圈、旋转，共10个参数，除调焦与旋转外，其他8个参数在理论上讲都是可以做到精确跟踪的。目前虚拟演播室系统中较为流行的跟踪技术主要有机械传感器和图形识别两种方式，这两种跟踪方式就是下面所要讲到的红外线跟踪技术和图形辅助定位技术。

二、数字虚拟演播室的技术发展

1.红外线跟踪技术

红外线跟踪技术采用红外线技术来确定演播室里摄像机和主持人的位置信息。我们事先将红外线接收装置放置于演播室的顶部，在摄像机和主持人身上安装红外线接收器，这样就可以获取摄像机和主持人在演播室里的位置信息。红外线跟踪技术配合”像素级”深度键之后，主持人可以在虚拟场景中自由移动，可以走到虚拟景物的前面或后面，甚至可以走到虚拟景物的里面。

2.图形辅助技术

图形辅助定位技术就是使用图形识别技术来对演播室里的摄像机和主持人的相对位置进行判断，从而得到他们的位置信息。节目拍摄之前，我们在虚拟演播室蓝箱上方安置一台小型辅助摄像机，在虚拟演播室蓝箱对面的墙面或者天花板上安置方格图案。这样一来，当节目录制的时候，我们在蓝箱上方安装的辅助摄像机就会拍摄到演播室摄像机和主持人在方格图案背景前面的画面，通过对辅助摄像机画面分析，便可以得到演播室摄像机和主持人在节目拍摄过程中的位置信息。[4]

3.高清深度键技术

以前我们是使用“图层”深度键技术来处理主持人在虚拟场景中的位置关系，虚拟场景中的虚拟物体被分别放置在几个不同的图层里，主持人在虚拟场景中的位置是不可能做到连续变化的。目前最新的高清深度键技术中，虚拟场景画面中每一个画面象素都有其对应的空间位置信息，那么主持人在虚拟场景中自然可以随意走动。高清深度键技术可以让节目中的主持人、虚拟物体、真实物体表现出动态的位置关系，使得虚拟场景效果变得更加完美和真实。

4.无限蓝箱技术

无限蓝箱技术又被称为“垃圾色块”技术。一般来说，虚拟演播室的蓝箱的面积都不会太大（如图2所示），主持人一旦走动范围过大超出蓝箱便会造成穿帮。所谓的无限蓝箱就是指当演播室摄像机在运动中拍摄画面超出了蓝箱本身的时候，系统可以把蓝幕以外的画面使用虚拟场景画面进行自动填充。这样一来演播室摄像机便可以不受蓝箱面积所限，自由进行运动拍摄，无限蓝箱技术无疑从技术层面上把演播室面积进行了扩展。另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。[5]

5.三维遮挡

三维遮挡技术可以让演播室中的主持人和虚拟场景中的某个虚拟物体（如讲台、桌子、椅子等）互相遮挡形成透视关系，这样一来主持人在虚拟场景中的真实感得到了大大提升。

6.其它新技术

其它新技术还有很多，如虚拟阴影及镜像反射（如图3所示）、虚拟模糊滤镜、虚拟运动滤镜等等。

三、数字虚拟演播室系统的分类

随着虚拟演播室技术的发展，针对其不同的应用领域，其系统类型可大致分为以下几种类型。

1.三维系统

三维虚拟演播室系统是目前档次最高的技术、最先进的系统，它最大的特点就是可以实时生成全三维的虚拟场景。全三维的虚拟场景的实时渲染需要具有强大运算能力的硬件支持，所以，三维虚拟演播室中一定有性能强大的图形工作站或者图形处理设备对虚拟场景进行实时三维渲染。该系统采用镜面反射、虚拟阴影以及高清深度键等新技术，可以实现完真的三维虚拟场景效果。[6]

2.二维系统

二维虚拟演播室系统实现成本较低，适合类似-🔥js1996注册登录这样经费相对紧张的单位。该系统的虚拟场景一般为二维图像，演播室中的摄像机通常是固定机位，所以实现起来相对三维系统来说要简单许多。对于教育领域来说，对绚丽的画面效果相对要求不高。该系统适合-🔥js1996注册登录用于制作网络视频公开课，可以很方便地将教师讲课过程中所涉及到的各类教学资料穿插合成在视频画面中。

3.虚拟出席

虚拟出席可以将远地的实时画面和本地演播室的画面完美合成在一起。也就是说，虚拟出席可以实现身处异地的两个人坐在同一个虚拟场景中进行互动交流。成品节目中，人们看起来他们是在同一个地方进行互动交流的。这一功能也适合用于网络视频公开课的制作，如教师在教学活动的过程中便可将身处异地的专家随时请到身边与之交流。[7]

4.移动场景

移动场景是一个很有意思的功能，在节目拍摄中，我们可以随意将需要的视频或动画放置在虚拟场景里的任意物体上。当演播室摄像机运动拍摄时，虚拟场景中物体上的视频或动画的画面会随之发生透视变化。

5.高清数字视频

随着视频技术的发展，电视节目从模拟信号走向了数字型号，视频画面的清晰度也从标清走向了高清、全高清。对于目前的数字虚拟演播室系统而言，全高清的节目制作已经成为一种趋势。

四、虚拟演播室的教育应用

数字虚拟演播室系统的应用非常广泛，如影视节目制作、电视广告、综艺节目、现场访谈、体育赛事转播、财经互动、气象预报、远程教育等应用领域。而目前数字虚拟演播室在教育领域的应用也愈发的广泛和深入。随着多媒体教学的日趋普及，传统的教学方式已经逐渐不能满足现代教学的需要。多媒体教学以其生动形象、灵活多样的表达方式越来越受到学生的喜爱。那么我们想到更多的是如何将教师所进行的多媒体教学活动过程完美记录下来，制作成网络视频课，以便放在互联网上供大家分享。

目前很多-🔥js1996注册登录都在研究制作网络课程，从早期的简单录制教师上课画面以及教师电脑画面的分屏网络课件（如电大系统应用于远程教育的TOD课件、IP课件）到现在的全智能录课系统，[8] 网络视频公开课制作在很多-🔥js1996注册登录已经变得非常普及。虽然网络视频公开课的制作因为应用了智能录课系统而变得异常简单，但是其形式也仅限于全程简单录制，教师上课讲到的内容并不能很直观地穿插在画面中。而数字虚拟演播室在这方面可以很简便地做到将穿插教学中的各种图片、动画、视频和教学活动画面进行无缝叠加。所以在现代化教学模式中，数字虚拟演播室可以将教学活动及相关教学资源进行高度集成、融合，方便快捷地制作出高质量的网络视频公开课。[9]

随着虚拟现实技术以及网络技术的发展，在不久的将来，我们还会看到虚拟演播室可以通过网络将各个学习移动终端连接起来（如智能手机、iPad平板电脑、笔记本等），学生可以通过这些移动终端向位于虚拟演播室的教师提问，教师可以通过虚拟教学系统将提问学生的视频转发到所有在线的移动终端上，以这样的方式突破空间的限制，实现虚拟课堂教学。

五、结束语

技术永远都在进步，数字虚拟演播室也不例外。虚拟演播室技术取代了传统的色键抠像技术，制作技术手段也愈发先进，从二维虚拟演播室到三维虚拟演播室，随着网络技术的不断发展，通过网络还可以实现虚拟演播室和终端用户的互动交流。只要我们能想到的，从技术层面来上说，就一定可以实现。技术永远是为我们所服务的，随着对数字虚拟演播室技术研究的不断深入，其实际应用一定会越来越广泛、越来越深入；随着虚拟现实技术的研究不断深入，数字虚拟演播室会走向互联网和移动终端互动，从而改变我们的生活。

参考文献：

[1]方莉萍.电视节目制作中的虚拟演播室技术[J].中国有线电视， 2007（Z2） ：920-923.

[2]魏伟，马歌.虚拟现实技术在高等教育中的应用和展望[J].中国教育信息化，2012（1）：83-84.

[3]李昌.浅析虚拟演播室的发展[J].现代电视技术， 2011（6）：112-113.

[4]王宇飞.虚拟演播室的类型及其在电视节目制作中的优势[J].中国有线电视， 2004（Z2）：112-114.

[5]孙墀.网络直播数字三维虚拟演播室系统改造方案[J].广州大学学报（自然科学版），2012（2）：65-69.

[6]朱巍峰，李震阳.数字化三维虚拟演播室系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2010（12）：213-216.

[7]何一辉.虚拟演播室系统与网络课程资源建设的研究[J].中国教育信息化，2012（1）：23-25.

第3篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词：虚拟现实技术；优势；水文地质研究

中图分类号P64 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）66-0124-01

水资源作为维持人类生存必不可少的一种资源，任何水资源问题的出现都将威胁到人民的生命安全。因此，水文地质研究工作一直是国家工作中的重要环节。虚拟现实技术作为一项行之有效的高科技研究手段，随着近来水资源问题的频发，在我国的水文地质研究工作中得到了极为广泛的应用，并为我国的水文地质研究工作起到了极大的作用。本文就阐述了虚拟现实技术的相关问题以及其应用优势和条件，分析了其在我国水文地质研究工作中的应用，并谈论了其在水文地质研究工作中的研究步骤。

1 虚拟现实技术相关问题分析

虚拟现实技术是信息时代的高科技产物，它是由美国人在上世纪80年代末创造出来的，其英文缩写为VRT。这种虚拟现实技术主要是通过计算机的应用来实现的，它使用计算机营造一种虚拟逼真的环境来模拟人在真实界面中的活动，从而实现对于人的听觉、视觉、运动等行为的把握。在应用这种虚拟技术时，研究人员首先借助一些特制的装备，将自己沉浸在这种虚拟环境里，获得比较真实的感受；然后，通过使用虚拟的设备对虚拟环境中的对象进行操作，最终实现一种比较立体的工作构想。

这种虚拟现实技术在应用中具备非常多的优势，而这些优势主要可以从几个方面来分析：首先，VRT具有实时表达的功能，它能够根据时间、地点的转换来反映事物的变化。再者，它还具有立体表达的功能，可以实现对于事物多个侧面的展示，并且还能够精细地展现事物各个方面的细微差别。此外，VRT还可以模拟尚不存在但有可能出现的事物，从而得到虚拟的研究结果，为现实世界的研究提供信息支持。

但是，虚拟现实技术的工作要获得健康的运行，还必须具备一些必要的条件。最为重要的就是，VRT作用的发挥必须依靠大量的信息资料，信息资料的储备越丰富，其虚拟工作的结果也就越贴近于现实，进而也就可以更好地为各项工作提供借鉴。

2 虚拟现实技术在水文地质研究中的应用

近年来，随着信息技术的快速发展，再加上水文问题的频发，虚拟现实技术在水文地质研究工作中得到了极为广泛的应用。本文接下来就简单阐述几点其在水文地质研究工作中的具体应用情况，以及其应用的步骤。

2.1 虚拟现实技术在水文工作中的应用

首先，VRT利用其虚拟技术中三维可视化的功能，可以真实地展现含水层以及隔水层在低下的分布，同时呈现出含水层厚度以及其空间变化。再者，虚拟现实技术还利用其虚拟系统对地下水流的运动规律，以及水运动的特点、流向、流速与流量等做出真实的展现，有时还可以展示储水量的变化。此外，VRT技术在地下水水质的检测工作中也发挥着极大的作用。VRT技术通过虚拟地下水在天然的状态下的变化，分析出影响水质变化的主要因素，从而达到对于水质的保护性管理。而且，它还可以虚拟一个地下水的水质实验室，通过对一些相关的资料进行分析，从而模拟出地下水流的变化，以及含水层的相关特征，并通过展现地下水流中溶质的变化及发展，为地下水水质管理提供一些新的管理思路。最后，VRT技术还在水文地质的环境研究中发挥着作用。虚拟现实技术通过其技术中虚拟为出现事物的功能，达到对于水文地质的环境变化的模拟，比如对于地下水沉降规律的模拟、地面沉降实时的检测等，从而使工作人员掌握到地下水文环境有可能发生的变化，进而针对这些变化采取一些保护措施。在水文地质环境中的虚拟现实技术应用，还可以用来对水资源实施科学的规划。

2.2 VRT技术水文地质工作中的研究步骤

虚拟现实技术作为一项高效的信息技术，它在水文地质工作中的具体实施过程是极其复杂的，工作人员必须将每一个步骤都严格的控制好，才能真正实现其作用的发挥。首先，工作人员必须按照技术要求，以及实际的数据特点，还有计算机自身硬件的承受能力，来建立一个虚拟的现实数据库，将所有的与当地水文地质有关的数据收集在内，比如气象数据、水文数据、地质资料等，使这个数据库为工作提供充足的数据。其次，工作人员还要根据水文地质条件来建设一个三维的地质模型以及地下水的水流模型，实现对于地下水的实时模拟。最后，工作人员还必须建立一些应对实际问题的专项模型以及实时的预测模型等，实现对于具体工作的模拟监控。

3 结论

虚拟现实技术作为一种高效的计算机技术，对于水文地质工作发挥着极大的作用，因此，工作人员必须加强对这种技术的研究及把握，推动这种技术的作用的发挥，实现对于水资源的保护及合理地开发。

参考文献

[1]刘凯，毋河海，胡洁.虚拟现实技术在地球科学中的应用现状与前景展望[J].河南大学学报：自然科学版，2007 (4).

第4篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词：机械设计;虚拟现实 技术

前言

伴随着科学技术的不断发展， 人类社会步入了崭新的世纪， 经济的全球化和社会的信息化， 促使市场竞争日益激烈， 制造企业为了在竞争中求得生存和发展， 必须以最快的上市速度， 最好的质量， 最低的成本和最优的服务， 满足不同顾客的需求。这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性， 对市场需求的变化做出快速反应， 虚拟现实技术由此产生。

1.虚拟现实的内涵和特点

虚拟现实是实际制造过程在计算机上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算机上群组协同工作， 实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟现实虽然不是实际的制造， 但却实现实际制造的本质过程， 是一种通过计算机虚拟现实来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 提高人们的预测和决策水平， 使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 发展到了全方位预报的新阶段。与实际制造相比较， 虚拟现实的主要特点是：

（1）产品与制造环境是虚拟现实， 在计算机上进行产品设计、制造、测试， 甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作， 而不依赖于传统的原型样机的反复修改;还可将已开发的产品（部件）存放在计算机里， 不但大大节省仓储费用， 更能根据用户需求或市场变化快速改变设计， 快速投入批量生产， 从而能大幅度压缩新产品的开发时间， 提高质量、降低成本。

（2）可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作、相互交流、信息共享， 减少大量的文档生成及其传递的时间和误差， 从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

2.虚拟现实技术在机械设计与制造中应用

（1）虚拟产品概念设计。概念设计（Conceptual Design）是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。概念设计是指对产品起始的设计构思，目的是为了捕捉产品的基本形态。概念设计是产品设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是概念设计决定的。虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语言识别和手势跟踪的输入方式，设计者可随时、方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并改变或修改产品的各种形态建模，并可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作，其目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息，从而达到满意的效果。虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，使设计师的设计思路和设计表达更加清晰、形象、逼真，让人更多了一种直观的、亲切的交互的感受。这样的开发设计大大减少了投放市场的风险性，保证产品开发一次性成功。设计时可以针对不同用户及爱好者的需求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。

（2）虚拟设计。虚拟设计（Virtual Design）就是设计人员设计一个虚拟的产品，来分析、研究、检查所设计的产品是否满足设计要求，有问题及时修改，使产品设计更为完善，或者说虚拟现实技术用于产品的开发设计。虚拟设计涉及到许多的学科和专业技术，属于多学科交互技术，在工程设计上，目前提出两种基于虚拟现实的工程设计方法。一种是利用现有的CAD 系统产生模型，再将其转换成虚拟现实软件支持的格式，然后将模型输入到虚拟现实软件的环境中，完成虚拟产品的设计，用户充分利用各种增强的效果设备，如头盔显示器等产生临境感。另一种是VR-CAD 系统，将虚拟现实技术引入CAD 环境，这种设计环境中的对象不仅具有外形，而且还有重量、材料特性、表面硬度以及一些内在的物理性能、功能作用等信息。对象之间相互作用时能反映出对象内部结构状态等随外部输入的实时改变。设计者直接在虚拟环境中参与设计，采用虚拟设计可以对产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力仿真设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题;同时可以检查运动构件工作时的运动协调关系。

（3）虚拟制造。虚拟制造（Virtual Manufacturing）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造技术在制造业中得以成功地推广应用，其中在航空航天、汽车等领域中的应用尤为典型。虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设备、工装和模具，甚至校车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。比如，通用电动车部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造夹模具工装设计和可维修性设计。此举显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。由此可见，虚拟制造用虚拟样机代替具体物理模型，对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试，对存在问题的地方进行修改，提高产品一次试验成功率，减少设计制造费用，缩短设计开发周期，降低研发成本，提高研发水平，保证产品质量。

4.结束语

现在，虚拟现实技术在工业领域中获得较为成熟的运用，但仍是初级阶段。可以预见得到，虚拟现实技术将逐渐应用到设计制作的各个环节中，为设计制造业的蓬勃发展提供无限动力。

参考文献：

[1]戴晴华，易迪升，田文胜，周小青，喻江波.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J].中国工程机械学报，2010（02）

[2]刘淑芬，高奇.虚拟制造技术在现代机械工程设计领域中的应用[J].装备制造技术，2009（06）

[3]王利华，包文育，张丹丹，侍红岩，刘丽娜.虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用[J]. 内蒙古民族大学学报（自然科学版），2007（01）

[4]刘美珍，刘剑雄，刘伟达.虚拟制造技术及其应用综述[J].机电产品开发与创新，2006（01）

第5篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词：虚拟现实技术；三维虚拟环境；人机交互；三维图形引擎；沉浸式

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）33-8066-03

伴随着制造企业信息化进程的不断发展，仿真建模在产品制造中的应用也由分散到集成，由局部到全局，并且更加注重可视化技术的应用和与用户之间的交互[1]。采用虚拟现实技术为相关装置构造虚拟环境可以摆脱传统仿真培训系统中所存在的一些不足，例如在软件仿真中，主要以图、图表、照片和现场录像等传统多媒体方式为表现手段，真实感和临场感都较为欠缺；而在物理仿真中，系统复杂、庞大难于实现，虚拟现实技术可以在很大程度上提高场景的沉浸感和真实感。

1　三维虚拟环境框架

虚拟环境的开发涉及了网络技术、并行处理技术、人工智能、高性能计算技术、模式识别、传感技术、计算机图形学、图像处理等技术，还涉及社会学、美学、气象、通信、物理、数学等学科，复杂程度可想而知。虚拟现实要达到实现自然实时交互和逼真的多种感觉的要求，其组成主要应包括几方面：虚拟环境生成系统，产生实时的图像；用以确定参与者位置和动作的定位跟踪系统；提供虚拟空间多用户协同交互功能的网络接口；含有CAVE、PowerWall、立体显示设备的沉浸式显示系统；提供立体声源和判定空间位置的音效系统；提供参与者感知力与压力的反馈的触觉和力反馈系统。

虚拟环境[2]框架的功能主要体现在：首先支持对象的属性和交互的订购，同时提供回调和事件的通知机制，支持HLA的各种时间管理策略，从而达到在全部联邦范围内的对象可以根据已给定的时序和消息传递关系来工作；其次是提供与各种对象定位、创建、删除等相关的服务，并且分类、统一组织管理不同功能和不同性质的仿真实体，即是对虚拟场景的结构和组织管理；最后还可以通过事件驱动和回调函数机制和场景对象组织、仿真对象管理功能集成，沉浸式人机交互设备和接口的集成。

根据软件模块[3]的分层结构，我们把系统分为三个层次，如图2所示，即用户界面层、交互层和数据服务，虚拟环境和仿真管理层。

界面层提供的用户界面输入可以接收用户对数据的访问请求，然后经环境和仿真层的相关转换成为对数据服务层的访问请求，然后数据服务层将其处理后通过中间层传送给界面层进行最终的输出。

实现虚拟场景的基础是三维图形引擎。现在，开发者较多使用可以提供功能强大模块的较为流行的绘制引擎，例如OpenGVS、CG2公司的Vtree和Multigen公司的Vega等，但是它们也存在很多不足：商业引擎开发缺乏灵活性，因为其一般都不提供底层开发接口，从而限制功能的扩展；商业引擎无法渲染出较为逼真的场景效果，浪费GPU的处理能力从而影响系统实时性；由于其功能繁多，产生冗余代码也多，影响其运行效率。

介于以上图形引擎的诸多不足，OpenSceneGraph（OSG）作为虚拟场景图形引擎，是一个跨平台的、开放源码的、高效的三维图形引擎，目前应用于高性能图形设计领域中，例如虚拟现实、游戏、仿真、科学可视化等。OSG不仅提供基于OpenGL的面向对象的框架，还有加快图形应用开发的附加功能模块和可扩展接口库。

2　基于情景上下文的虚拟交互

随着虚拟现实技术的不断发展以及人机交互在其中所占有的重要地位，虚拟环境和其参与者的人机交互作用赋予了新的内涵。沉浸式虚拟环境[4-5]让用户有一种“身临其境”的感觉，这也正是用户与对象之间进行交互的过程，其归根结底要解决如何操作和改造虚拟环境中的对象。

2.1　语义对象与交互行为

“信息透镜”概念指的是界面对象通过视图的不同缩放比例来显示相对应的外观信息，这是Jazz在可伸缩用户界面中提出的早期语义对象的概念；再如“按需提供细节（the　mantra　of　detail.on.demand）”的技术[6]是Ben　Shneiderman在信息可视化系统中提出的。

语义对象的定义可以从实现面向语义的高层交互隐喻的目标这个角度来诠释，一个语义对象由交互构件（interaction　component）、图形构件（graphics　component）、规则构件（rule　component）、和应用构件（application　component）　行为构件（behavior　componen0构成.在虚拟环境中的虚拟对象，它的语义一般包括一系列行为状态和规则事件。换句话说，存在于虚拟环境中为用户所感知的对象或者物体（包含其交互上下文的语义信息和外观几何信息）按照相应的规则反馈和相应所发生的交互事件，继而完成相应任务。

通过我们分析观察的上文所提及的事件，　在人机交互中多由用户所触发，一般分为虚拟场景中用户化身的位置变化即化身位置感应（PositionRps）和用户在虚拟对象[7]上进行各种交互操作的用户手势操作（GestOpt）。语义模型可以很好的解决场景图处理不好交互语义的问题，它是具有特定应用含义和组织形式的场景构成模式，达到易于操作处理用户界面的目的。

在实际操作中，我们一般会遇到的例如对象在化身可操作范围内时处于“可操作”状态，离开操作范围后变为“不可操作”状态，或者鼠标的各项操作和三维手势等。

1）规则构件[8]：在我们的现实世界里，有很多操作都会有特定的先后顺序，比如先倒水再喝水，在虚拟世界中我们把它看作是是否响应事件和如何响应事件，规则构件则表达了虚拟对象的交互规则和约束。另外，在现实世界里某些对象具有特定的供给属性，比方说人可以在水里游泳却不可以在陆地上，这就说明了水具有可以游泳的供给，而陆地不具备，所以规则构件还含有某些特定的供给属性，这也同时决定了某些对象的交互特性。

2）图形构件：在某些情况下，当我们需要对图形构件进行更进一步的抽象来实现高层交互语义时，接收的输入内容含有复杂的交互行为指令，这时图形构件就发挥了作用。它包含了虚拟对象的诸如纹理、颜色、材质、形状等属性、语音信息以及动态特征等，方便同一层次中的交互行为。

3）应用构件：当用户和虚拟环境发生交互时，当图形构件提供相应的视听觉方面的线索于反馈时，应用构件表达与之相关的应用任务，并由交互构件触发执行。

4）交互构件：交互构件可以处理基本的交互事件如点击和拖拽等，还可以处理完成给复杂的例如三维手势的交互性操作。它主要做了处理接收和交互分发的工作，处理接收转化用户的交互操作以及语义对象能够相应的交互事件，将其发送给行为构件来执行。为实现复杂的交互操作，分析和推理交互事件通过调用规则构件来进行。

5）行为构件：行为构件反应了虚拟环境中相应对象的各种行为，在人机交互的过程当中，通过调用图形构件的功能来实现执行对象的行为。这些行为描述了语义对象对对象状态变化和语义对象对用户交互动作的响应。行为构件接收交互构件所发来的查询命令，将反馈状态的信息发送给交互构件，交互构件因此来分析判断最终决定执行何种交互行为。

语义对象体系结构[9]中的各个构件之间通过查询规则状态、反馈对象的行为规则及状态或者功能调用来实现它们之间的通信，实现从输入“事件”到输出“反馈”的流程。在虚拟环境中，通过加入交互语义IS=来识别虚拟对象需要执行的交互任务。交互对象为Object，用谓词逻辑演算表达式来描述的触发交互行为的规则为rule，参与者和相应的交互对象所产生的动作为action，交互结果即所执行的交互任务为task，交互产后后的多感知通道级视听觉和触觉等的反馈为feedback。

综上所述，我们通过一张图来说明语义对象解析和响应交互事件的过程：首先，经过系统的分析整合，用户的实际操作封装成交互事件传递给正在交互的虚拟对象；其次，语义动作的生成，通过查询该虚拟对象的语义规则然后将交互事件附上特定的语义属性；最后，系统判断做动作反馈还是进行导航，还是选择、操作或者控制任务，如果是反馈，则包括纹理、材质或颜色等可视化表达信息和旋转平移等几何变换。

如何让用户根据实际感知来和虚拟环境进行交互？通过人机接口系统将虚拟环境中的压力、音响、图像等信息传送到这个封闭回路系统中的重要角色用户的感官，并及时的将用户的行为反应通过传感器进行测试来调整生成的序列。

所以，随着技术的日益完善，人已不再是被动的接受者于虚拟现实系统相对立，而是一个不可或缺的关键角色，这种观念引导着更加和谐的人与虚拟环境的关系，也让人机交互更加的人性化、真实化。

3　结束语

虚拟现实主要通过使用计算机及其外部设备生成虚拟环境，并且能够实现对其中的实体进行控制和交互操作。操作者能够很好地融入到虚拟环境中，达到一种身临其境的感觉。

它是集传感器技术、计算机图形学、计算机仿真、人工智能、人机接口等多种高科技为一体的人机交互技术。作为一种高级的人机交互技术，虚拟现实的研究主要围绕着提高系统的构想性、沉浸感、交互性来进行。随着对人类感知系统的不断深入研究，三维图形技术和多传感器技术的不断发展，虚拟现实作为一项实用技术，广泛的应用于很多领域，例如娱乐、训练、产品原型设计、教育、医疗、遥控操作等。

虚拟现实研究的热点也是重要的研究领域为虚拟环境，它是通过计算机生成听、视、触觉等感觉作用于用户，使用户产生“身临其境”感觉的交互式视景仿真系统。该文所构建的仿真虚拟环境的沉浸感还不足，可以通过结合虚拟现实技术中的传感器技术、人工智能等技术来加强，考虑逐步增加其它交互通道。

参考文献：

[1]　王晓伟.虚拟环境及其应用[J].计算机工程与应用，　1994，16（4）：60-63.

[2]　王红兵.虚拟现实技术——回顾与展望[J].计算机工程与应用，2001，37（1）.

[3]　薛晓明，敬万钧，刘锦德.虚拟环境交互技术研究[J].系统仿真学报，2001（S2）：549-552.

[4]　雷超，戴国忠.三维交互体系结构的研究与实现[J].计算机研究与发展，2001，38（5）：557-562.

[5]　李自力.虚拟现实中基于图形与图象的混合建模技术[J].中国图象图形学报，2001（1）..

[6]　刘贤梅.虚拟现实技术及其应用[J].大庆石油-🔥js1996注册登录学报，2002（2）.

[7]　王炜，包卫东.虚拟仿真系统导论[M].长沙：国防大学出版社，2007.

第6篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词：地理教学；虚拟现实；教学手段；教学技术

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）48-0165-02

一、引言

虚拟现实技术最早起源于美国，由美国人拉尼尔在上世纪80年代最早提出，之后在国外迅速传播开来并得到飞速发展。目前已经在教育、军事以及医学等相关领域发挥了重要的作用。虚拟现实技术在我国的研究相对较晚，随着计算机技术和三维空间技术的不断发展，人机交互技术的不断完善使得人们能够与虚拟世界进行沟通和交流，并且让操作者和参与者能够感受到身在其中的感觉，直接与其中实物进行相互作用。虽然当前虚拟现实技术在我国的研究还处于起步阶段，但是我国很多科研院所和高校都已经认识到这一技术的发展前景，逐步将这一技术作为当前热点来研究。我国有关部门已经制订了对虚拟现实技术进行研究的计划，并结合我国国情开展其应用范围的拓展。

作为“科学之母”的地理学，其主要研究的是地球表层自然要素与人文要素相互作用及其形成演化的特征、结构、格局、过程、地域分异与人地关系等，其研究的地理空间内时空跨度很大的各类自然现象及其变化原因和形成的机理，包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和人类出现后发生的一系列变化。我国高校地理教学经过几十年的发展也不断改革创新，已经取得了一定的成果，但是，在教学手段上一些传统的教学方式如教师口头描述，使用地理挂图以及多媒体的应用等仍然在高校地理教学中广泛使用，新的教学手段的推广范围有限。地理学科对于学生理性思维的要求比较高，其中一些机制机理的内容如地质结构的演变过程、大气的运动过程以及降水的形成过程等都需要学生通过动态演变来接受教学内容，而教师仅仅口头描述或使用挂图很难达到良好的教学效果。这也是当前高校地理教学过程中一直存在着的教师“教”与学生“学”之间不能有效连接的现象。

如何使高校地理教学手段的改进和学生学习效率的提高相衔接，就使得虚拟现实技术在高校地理教学中有了发展的空间。如何将虚拟现实技术有效地应用到高校地理教学中去，发挥其强大模拟现实的功能，是高校地理教育教学工作者的首要任务。

二、虚拟现实技术概述

（一）相关概念

虚拟现实技术综合运用了计算机技术、人工智能技术、传感技术以及人机交互技术，利用计算机生成的三维图像模拟人体的视听嗅触等感觉，将人对虚拟世界的感触通过计算机自然的融入其中，从而实现人体对虚拟世界的体验。

（二）虚拟现实技术的基本特征

1.自主性。即失重现象。在虚拟环境中各种物体的运行规律遵循失重状态下物体运行规律，即任何物体在受到外力作用的情况下，都会改变自身原来的运行轨迹。

2.多感知性。在虚拟现实环境下，人体的各种感觉并未消失，视听味触等感觉依然存在，参与者身在其中仍然能够感知这些感觉，从而使得参与者能够有置身其中的感觉。

3.交互性。即人机交互功能。参与者和操作者能够利用操纵装置与相关装置进行交流和互动，也可以通过相关设备感知其中的内容，如物体的重量可以通过手来感知，并能实现物体的运动。

4.沉浸性。虚拟现实技术通过利用计算机模拟产生的三维立体图像，完全符合人体的感知感觉特征和相关的心理生理特征，能够使参与者和使用者在虚拟现实环境中感受到现实世界一样的感觉，进行交流和互动。

三、虚拟现实技术在高校地理教学中的应用

高校地理教学与现实密切联系，对于一些地理特征需要进行深入的分析和研究。虽然当前高校地理教学中已经应用了各种教学方法，但是对于虚拟现实技术在高校地理学科中的应用还有一定的差距。本文列举了几个高校地理教学中常用的地理知识与虚拟现实技术相结合的方法，以此来说明虚拟现实技术在高校地理学科教学中有非常重要的作用。

1.虚拟现实技术在地震教学中的应用。随着近几年地震在全世界的频繁发生，以及地震过后所产生的巨大社会影响。地震现象已经被世界各国高度重视，高校对于地震的研究也越来越深入。地震是由于地壳在其内在应力和外在应力的共同作用下，使得聚集的构造应力突然释放，以震源为中心，向四周以震动弹性波的方式不断传播开来，从而引起地面不断颤动的现象。作为教学和研究的重要领域的高校，在开展地震教学和研究中的作用越来越重要。在传统的高校地理教学，尤其是地震知识教学过程中，更多的是采用教师口头描述和讲解的手段进行，对于地震产生的机理和发生过程中的相关动态过程也只能采用平面图或立体图的方式，无法让学生直观地去观察，而只能通过想象和经验推断来学习，其效果并不十分理想。虚拟现实技术能够生动地模拟地震发生的机制和原理，让高校学生非常直观地观察并且感受地震不同震级所产生的不同灾害，让高校学生能够从不同角度对这一现象进行跟踪，增强学生对这一知识的理解的准确性，大大提高了这一学科的教学效果。

2.虚拟现实技术在地质结构教学中的应用。高校地理学科是一门非常直观的学科，其中一些教学内容如地震的产生、地壳板块的运动、地质结构的形成以及一些常见的自然灾害如火山、地震等的演变都是教学中的重点和难点。地质结构非常复杂，需要教师和学生有非常好的三维动态理解能力，但是由于资料和教师水平的限制，很难让学生一次就能理解相关知识。虚拟现实技术的应用能够很好地模拟地质结构的三维立体结构，模拟地质构造和板块运动过程中的各种现象，生动地再现岩层的演变过程，利用动态的效果成功地渲染这一地理知识的演变过程，并且能够利用虚拟现实技术中的传感设备获取大量数据，再现物体的原始形态和三维结构，将地质结构中的不同层次构造和任意角度的地质属性通过数据连接生动的表现出来，克服了传统教学中无法采用图像进行教学的弊端。虚拟现实技术在这一知识教学中的应用最大程度地实现了地质结构快速、大范围的重建问题，有效地提高了教学效率。

3.虚拟现实技术在地理环境教学中的应用。传统的地理学科教学是将某一地理知识或地理环境单独拿出来进行讲解，忽视了整体地理环境的相互作用，人为地割裂了地理环境之间的关系。利用虚拟现实技术进行地理环境相关知识的教学，可以利用计算机和网络传感技术将现实中的地理环境按照一定的尺度进行虚拟设置，可以是大尺度也可以是中小尺度，将地理环境以及社会环境和政治经济环境全部进行虚拟化，让高校学生和参与者深入其中，进入到特定的三维地理空间中去，与该环境中的事物进行交流和互动，并且感受如果其中的某一个地理因子发生变化，将会引起什么样的相关变化。这种模拟现实环境的教学还可以按照操作者或者教学者的意愿调整地理环境，如可以调整云层的厚度和高度，设置雨天或雪天，根据太阳和月亮的升降变化调整光线的亮度等。由此可见，虚拟现实技术能够有效的将地理学科中的枯燥知识转变为生动的容易让学生接受的知识，为高校教师的教学提供了一个良好的教学平台，提高了教学效率。

4.虚拟现实技术在潮汐教学中的应用。潮汐在高校地理学教学中是非常重要的知识点。潮汐是在月、日引潮力作用下海洋水体发生周期性的伴随有潮位垂直涨落的水平运动。在国外，科研院所利用虚拟现实技术对潮汐数值进行模拟，得出可视化与虚拟现实系统，并且达到了预期的研究目的和效果。目前我国学术较高的高校地理教学中常采用潮汐数值模拟，即通过离散化潮汐运动的控制方程，用近似求解方法模拟潮汐运动特征，达到对潮汐场及其变化规律的认识，但这种方法缺乏直观性和形象性，而且使用的离散化潮汐运动的控制方程对于一般高校和学生不是很好掌握的，所以体现在整体上是教学效果差、学生感觉难等一系列效果。利用虚拟现实技术实现潮汐模拟达到可视化效果，可使师生在虚拟环境中交互操作该对象，真正实现了人与自然的交流与互动，得到潮汐变化的动态过程。

四、结语

从以上分析可知虚拟现实技术在高校地理教学中应用非常广泛，是加强高校地理科学教学质量和手段的最有效途径。借助于虚拟现实技术，高校地理科学不仅能更好地宣传自己、深化理论研究水平，而且能更好地为国民经济建设出力。虽然目前虚拟现实技术仍有许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍，但随着各种硬、软件的发展，这一技术会不断提高其逼真性、虚拟性和可普及性，可以预见在不远的将来，虚拟现实技术必将在地理科学教学中取得更广泛、更深入的应用，给地理科学带来重大的变化契机。

参考文献：

[1]杜军.虚拟现实技术在高校地理学科教学中的应用[J].山东师范大学学报，2012，20（2）.

[2]朱晓华，肖彬.高校地理科学中的虚拟现实技术及其应用[J].南京师范大学学报：自然科学版，2009，22（3）.

[3]马艳平，姜波，韦重韬.基于虚拟现实技术的三维地质仿真系统研究与实现[J].煤矿现代化，2013，（2）.

[4]王玲，谈晓军，王乘.虚拟现实技术在数字流域中的应用初探[J].水电能源科学，2014，22（2）.

第7篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词 计算机网络 前沿技术 技术分析

中图分类号：TP39113 文献标识码：A

1现代计算机网络的前沿技术分析

1.1 GIS与“数字地球”

GIS简称地理信息系统，地理信息系统通常泛指用于获取、储存、查询、综合、处理、分析和显示地理空间数据及其相关信息的计算机系统。随着人造卫星的出现和计算机的普及，地理信息系统在人们的生产和生活中扮演着更加重要的角色。以往的传统模拟地图仍然存在局限性，比如信息滞后、储存受限、传输方式单一和模拟能力有限等问题。而地理信息系统脱胎于地图，它与地图一样，也具有载负和传输地理信息的功能。同时它还具备了以下特点，（1）提高了空间信息的几何精度；（2）扩大空间信息储蓄量；（3）便于空间信息的转换和传输；（4）扩大地图制图功能；（5）便于精确、快速计算；（6）便于地图自动分析。GIS正在快速发展起来，但是它仍面临着地图学的挑战。随着信息科学的不断发展，GIS也对地图学提出了不少挑战并且推动地图学的发展。

数字地球是一种利用巨大地球空间数据对人类赖以生存的地球所做的三维、多级、多分辨率的数字化整体表达，它同时也为人类提供一个网络化的界面体系和超媒体的现实虚拟环境。数字地球概念的提出，是空间技术、信息技术及其应用技术发展到一定的产物。要在电子计算机上实现数字地球不是一件简单的事，它需要诸多学科的支持，特别是信息科学技术。数字地球被应用在多个方面，比如精细农业、智能交通、Cybercity、专家服务和现代大战等方面。数字地球的提出是全球信息化的必然产物，它是一项长期的战略目标，需要经过全人类的共同努力才能实现。同时，数字地球的建设与发展将加快全球信息化的步伐，在很大程度上改变人们的生活方式，并创造出巨大的社会财富，为人类社会的发展作出巨大贡献。

1.2虚拟现实技术

虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供体验者听觉、视觉，触觉等方面的感受，让其觉得身临其境一般。虚拟现实是多种技术的结合，包括实时三维计算机图形技术、广角立体显示技术、对观察者各种触觉，感觉网络输出输入技术。虚拟现实技术的应用比较广泛。在医学方面，虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，便于学生了解人体的各个器官结构，而且能让学生进行虚拟手术，便于学生的学习；在娱乐方面，丰富的感官享受和3D显示环境成为理想的视频游戏工具，令玩家能感觉身临其境，更加富有真实感；同时，虚拟现实技术在艺术领域具有的潜在应用能力也是不可估量的，它可以使观赏者更加了解艺术家的思想艺术；在军事航天方面，模拟训练一直是军事方面的重要课题，虚拟现实技术的应用可以让士兵们进行模拟军事演练，提高他们的战斗能力及应变能力。在其他方面，虚拟现实技术也得到广泛应用，比如还有室内设计、工业制造等等。虚拟现实技术的发展仍然存在着阻碍，比如没有真正进入虚拟现实世界的方法，如何输入的困扰，缺乏统一的标准和容易让人感到疲劳。

1.3网络技术云计算和下一代网

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。云计算的特点是超大规模化、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、便宜等等。云计算在现代社会得到广泛应用。同时，云计算是商业模式的创新，云计算通过互联网提供软件与服务，并有网络浏览器界面完成。云计算有三类典型的服务模式，分别是“软件即服务”，“平台即服务”和“基础设施即服务”。通过云计算衍生出来的技术还有云储存、云游戏等等。21世纪10年代，云计算作为一个新的技术趋势已经得到了快速的发展。云计算带来一个前所未有的工作方式，也改变了传统软件工程企业。

1.4智能信息处理技术

智能信息技术是近年发展起来的，它通过结合计算机技术、通信技术、电子技术及控制技术实现信息的采集、处理以及显示的自动化。随着经济的发展，网络的普遍普及，智能信息处理技术将得到更加广泛的应用。智能信息处理技术可分为智能数据采集、智能信息处理和智能数据显示三部分。它具有智能，准确，高效三个特点。它被广泛应用于语音处理、音像处理等数据处理。在这个信息化的时代，信息作为记载我们人类生活数据的载体，智能信息处理技术将会得到更大的重视。

2结语

随着信息化时代的到来，我国的现代计算机网络的前沿技术发展速度明显增快，现代计算机前沿技术的发展关系着我们的日常生活、国家的文化发展水平，世界的先进程度等等。所以我国新一代也要致力于现代计算机行业的研究，探索出更加先进的网络技术，帮助我们解决生活中的问题，为世界网络文明发展做出贡献。

参考文献

第8篇：虚拟现实技术及其应用范文

关键词：虚拟现实技术 虚拟环境 计算机发展 新型计算机

计算机技术的不断发展与应用方面的不断提高使得虚拟现实技术也相应同步地快速发展。尤其是计算机的发展将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，更加带动虚拟现实技术的快速发展，对人类社会的发展产生深远的影响。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实技术的发展与应用离不开计算机技术的发展，两者是相辅相成的关系，如果要正确认识和剖析并把握虚拟现实技术的应用与发展，就必须深入研究计算机技术的变化与发展趋势，这样才能有利于我们未来更好的掌握与应用虚拟现实技术。

2 计算机技术在虚拟现实技术的应用

自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，传统计算机的性能受到挑战，开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口，新型计算机的研发应运而生，计算机技术的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。专家预计虚拟现实技术也会因此得到迅速发展。尤其是三维计算机图形学技术、采用多种功能传感器的交互式接口技术和高清晰度显示技术在虚拟现实的应用中起着重要作用。此外，智能化的超级计算机和新型高性能计算机不断发展。这会更有利于虚拟现实技术方面的快速发展。虚拟现实技术通过计算机对复杂数据进行可视化操作以及实时交互的环境。与传统的计算机人-机界面（如键盘、鼠标器、图形用户界面以及流行的Windows等）相比，虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。

3 虚拟现实系统的技术特点

3.1 虚拟现实有效地建立虚拟环境主要集中在两个方面，一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型，二是环境的可视化及渲染。

3.2 虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境，它是硬件、软件和设备的有机组合。

3.3 用户可通过自身的技能以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。

3.4 虚拟现实的关键是传感技术。

3.5 虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术，并需结合高速的动态数据库检索技术。

3.6 虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面，更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互，并在精神感觉上进入环境。它需要结合人工智能，模糊逻辑和神经元技术。

4 虚拟现实硬件设备与软件技术和计算机技术的融合

在虚拟现实系统中，硬件设备主要由3个部分组成：输入设备、输出设备、虚拟世界生成设备。此外系统还需要虚拟现实的相关技术。

4.1 虚拟现实的输入设备。有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中。虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、基于手的等多种形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人机交互设备中也是如此。基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备很多，在这类产品中最为常用的就是数据手套。

4.2 虚拟现实的输出设备。人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界能模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等。基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、听觉和触觉（力觉）3种。感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号，现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知的设备，基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。

4.3 虚拟现实的生成设备。在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚拟现实引擎”，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式的输入。

通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统四大类。

4.4 虚拟现实的相关技术。虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且虚拟现实系统能进行实时响应。要实现这种目标，除了需要有一些专业的硬件设备外，还必须有较多的相关技术及软件加以保证，特别是在现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统所需要求的情况下，相关技术就显得更加重要。虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术、环境建模技术、真实感实时绘制技术、三维虚拟声音的实现技术、自然交互与传感技术等等。

4.4.1 立体视觉显示技术。人类从客观世界获得的信息的80%以上来自视觉，视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主要的传感通道，视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节。

在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技术是虚拟现实的重要支撑技术。

4.4.2 环境建模技术。在虚拟现实系统中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。在虚拟现实系统中，环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模。但基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模，这方面的理论也较为成熟。

4.4.3 真实感实时绘制技术。要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟现实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感，而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘制技术。所谓真实感绘制是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。

4.4.4 三维虚拟声音的实现技术。在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，一方面可以在很大程度上增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以减弱大脑对于视觉的依赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使用户能从既有视觉感受又有听觉感受的环境中获得更多的信息。

5 总结

能看到虚拟现实技术对计算机技术的联系性非常紧密，并且虚拟现实技术对计算机设备的应用分类也越来越具体，越来越广泛。相应的计算机设备也应用到虚拟现实技术的对应环节上。虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一。它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待完善。可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。

参考文献：

[1]陈浩磊，邹湘军，陈燕，刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011.

[2]王延汀.谈谈光子计算机.现代物理知识，2004，（16）.

[3]陈连水，袁凤辉，邓放.分子计算机.分子信息学，2005，（3）.

第9篇：虚拟现实技术及其应用范文

1.1传统媒体、现代媒体工业设计教学解析

传统媒体工业设计教学多以黑板、粉笔、传统光电式幻灯机和教材等，教师抄写黑板费时费力，传统光电式幻灯机和投影器使用过于复杂，且制作投影片周期长。每年有不少教师得咽喉病，是吸入粉笔的粉尘和经常讲话导致。现代媒体工业设计教学给传统媒体带来了冲击，现代媒体多以幻灯机、投影仪、电视、电子计算机、语言验室等，优化了教学手段，提高了教学效率。

1.2新媒体导入工业设计教学应用的研究理念

新媒体的优势在于它可以对各种资源进行整合加工，能存储大量的教学资源以供利用，传播内容主要以文字、语言、图片、影像等进行组合传播，根据工业设计教学的特色选择合适的新媒体进行教学。因此新媒体导入工业设计教学应用的主要目的是为了使师生能更好地利用媒体对工业设计理解深入化、形象化、系统化。

二、新媒体环境下的工业设计教学应用的展示途径

2.1展示空间布局

工业设计教学一般分为四个特定环境：理论课教室、实践课画室、机房和学生毕设展厅，根据每个环境选择合适的新媒体技术设备设施进行配置与实施。

2.2展示技术选择

2.2.1全息投影技术

全息投影技术，也成为三维全息成像，是由透明的材料制造成四维锥体，利用光的折射和反射原理而显示的全方位的360度立体悬浮影像。利用此技术展示工业产品进行立体教学，更容易理解产品设计本身。也可用于毕设展厅，展示学生作品，节约传统媒体制作成本。

3.2.2网络课堂

网络课堂是利用网络实施在线互动培训的课堂，它不受地点、形式等的限制。方便学生能实时体验模拟真实的教学课堂，提供课堂教学资料的下载，也方便教师布置课下作业与在线考试等。

2.2.3微信微博

微信是手机媒体的app应用，可以发送语音短信、图片和文字等；微博深受欢迎；微博是微型博客的简称，是基于用户信息分享与传播的平台。在工业设计教学中，比如师生加入微信班级群，课上共看微博并参与讨论等。比如看设计师分享，优秀工业设计资料，了解最新的比赛信息，提供设计灵感等。

2.2.4触摸媒体

触摸媒体是无线通信和触摸技术结合的媒体。在工业设计教学中，液晶触摸显示屏可以替换黑板，用平板电脑来控制液晶触摸显示屏里课件的放大与缩小，显示屏可加书写功能。在毕设展厅中，学生可在液晶触摸显示屏体验工业产品设计方案，如观看产品色彩切换模式，了解毕设工业设计作品信息等。

2.2.5虚拟现实技术

虚拟现实技术是由一些三维的交互式计算机生成的环境[3]。虚拟现实技术可以做在现实中难以完成或需要高投入的工作。学生在机房可以学习虚拟现实技术，了解工业产品设计的开发模拟程序及其应用，省去工业设计方案带来的不必要的麻烦。

三、结论