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强跃国内外虚拟现实技术的发展及教育应用研究
盐城师范学院
毕业论文
2012－2013学年度
信息科学与技术学院计算机科学与技术（师范类）专业
班级09
（1）学号09261130
课题名称国内外虚拟现实技术的发展及其教育应用研究
学生姓名 强跃
指导教师 张德成
2013年3月10日
摘要
虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、想象力、多感知性等特点，在教育、娱乐等领域有着广阔的发展前景。
文章通过虚拟现实技术产品在技能培养、知识学习、情感体验等实例，分析、研究了美国虚拟现实技术的优势，并对我国虚拟现实技术研究现状进行了探究，找出与美国的差距，并对虚拟现实技术的发展方向进行了展望，以期指导我国的虚拟现实技术产品开发。
关键字：
虚拟现实技术；美国；教育应用；比较；展望
Abstract
Virtualrealitytechnologyhasimmersion,interactivity,imagination,multi-sensationfeature,therearebroadprospectsfordevelopmentinthefieldsofeducation,entertainment,etc..Throughvirtualrealitytechnologyproductsintheskills,knowledge,emotionexperienceandexamplesoftheUnitedStatesofAmerica,thevirtualrealitytechnologyanalysis,advantage,andtheresearchstatusofthevirtualrealitytechnologyinChinatoexplore,tofindoutthegapwiththeUnitedStates,andthedirectionofdevelopmentofvirtualrealitytechnologyisprospected,virtualrealitytechnologydevelopmenttoguideourperiod.
Keywords:
Virtualrealitytechnology;theUnitedStates;education;comparison;Prospect
目录
1虚拟现实技术的概念及特性1
2美国虚拟现实技术的研究现状1
2.1美国虚拟现实技术的发展概述1
2.2美国虚拟现实技术产品在教育方面的应用2
2.2.1以技能培训为目标的应用2
2.2.2以知识学习为目标的应用2
2.2.3以情感体验为目标的应用2
2.3美国虚拟现实技术的优势3
2.3.1资金优势3
2.3.2政策优势3
2.3.3技术优势4
2.3.4教育优势4
3我国虚拟现实技术的研究现状4
3.1我国虚拟现实技术的发展概述4
3.2我国高校对虚拟现实技术的研究现状4
3.3虚拟现实技术在中国的产品5
3.3.1北建工建筑与环艺虚拟仿真系统5
3.3.2农场狂想曲5
3.3.3虚拟实验室6
4中美在虚拟现实技术之间的比较7
4.1美国虚拟现实技术对我国的启示7
5虚拟现实技术的展望8
5.1虚拟现实技术所遇到的瓶颈8
5.2虚拟现实技术的展望8
6结论9
参考文献10
致谢11
随着科学技术的进步，虚拟现实技术的应用也越来越广泛。
虚拟现实技术凭借着它的沉浸感、交互性、想象力、多感知性等特点在未来的教育领域中拥有着广阔的发展前景。
笔者主要通过对美国虚拟现实技术在政策、经济、科技、教育上的优势的研究，以期对我国虚拟现实技术的发展有所帮助，并对虚拟现实技术的未来进行了展望。
1虚拟现实技术的概念及特性
虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）是一项综合性技术[1]，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。
它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过一定装置，自然的对虚拟现实世界进行体验和交互作用。
简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。
虚拟现实技术主要有四个特性：
（1）沉浸感：
主要是指让计算机产生一种虚拟的环境，让参与到其中的人有一种和现实世界一样的感觉，就如身临其境一般[2]。
（2）交互性：
主要是指用户对计算机模拟出的虚拟环境中的物体具有可操作性和从虚拟环境中的物体上得到的反馈。
（3）想象力：
主要是指虚拟现实技术它具有很广阔的想象空间，不仅可以模拟出现实存在的世界，而且还可以模拟出不存在的环境。
（4）多感知性：
主要是指这项技术不仅能够让我们感受到视觉和听觉这两种一般计算机就可以给我们的感觉外，还可以给我们运动感觉，味觉等一般计算机难以模拟出的感觉。
2美国虚拟现实技术的研究现状
2.1美国虚拟现实技术的发展概述
美国是虚拟现实技术的发源地,他在虚拟现实技术方面的技术是世界上最先进的。
由于虚拟现实技术具有很高的学科综合性，所以在美国研究虚拟现实技术的机构很多。
比如：
国家科学基金会（NSF），美国航空航天局（NASA），美国国防部（DOD）还有美国卫生与福利部（HHS）等。
国家科学基金会（NSF）成立于1950年，是美国科技体系中一个最主要的组织。
它主要由7个部门组成,VR技术项目最多的部门是计算机、信息科学和工程学部。
工程学部中与VR技术关系最为密切的是人机互动计划（HCI）。
人机互动计划支持对人机互动系统的设计和评估研究。
美国国家航空航天局（NASA）成立于1958年，在当今的空间开发机构中规模是最大的。
NASA已经建立了航空、VR教育系统等各种有关VR技术的系统。
NASA一共由10个部门组成，其中对VR技术研发贡献最多的是艾姆斯研究中心（ARC）。
美国国防部（DOD）主要研究的是美国的国防技术。
美国国防部对VR技术的研发和应用非常的重视。
在美国军方的科研活动中占据重要地位的是国防高级研究计划署（DARPA）。
进入21世纪以后，DARPA启动DARWARS项目，加速新一代训练系统的研发和部署。
事实上推动美国的虚拟现实技术进步的最重要的力量是美国的各所知名高校。
最早也是最著名研究虚拟现实技术的是北卡罗来纳大学，他们运用计算机图形和VR技术首创了VR儿科治疗法。
同时他在外科手术仿真，建筑仿真[3]方面也有着领先的地位。
而在人工智能机器人等方面的先锋则是美国著名大学麻省理工学院。
他们建立了BOLIO环境，虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统就是基于这个环境。
在新概念的研究中，华盛顿大学的人机界面技术实验室也有着领先的地位。
乔治梅森大学通过对VR技术的研究研制出了一套在动态虚拟环境中的流体实时房展系统。
2.2美国虚拟现实技术产品在教育方面的应用
2.2.1以技能培训为目标的应用
美国的国防科研主要靠的是美国的国防部。
在第二次世界大战后，国防科技在美国的科技创新体系中长期占据主导地位，联邦政府科研经费的50%左右[4]是拨给了国防科技。
虚拟现实技术在美国国防部十分的受重视。
VR技术在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习等方面都发挥着重要的作用。
美国空军正在构建一个新的由虚拟现实技术支撑的虚拟现实基地——圣安东尼奥联合基地。
这个基地最主要的功能就是培训所需要的相关人员。
比如这个基地可以培训飞行员，它可以给需要培训的飞行员们生成一个和真实环境一样的虚拟环境。
让学员们感觉到他们身处的环境正是飞机操作的环境。
利用虚拟现实技术可以让飞行员们减少飞行中的意外，而且可以节省经费，将更多的国防支出用在其他项目的研究上面。
2.2.2以知识学习为目标的应用
在美国许多大学都使用虚拟现实技术进行教学活动，他们通过虚拟现实技术去营造一个跟随技术发展的教学环境，这样能够提高学生们掌握知识、技能的效率，从而使教学过程得到优化，教学质量得到提高。
虚拟现实技术在美国对教育产生的影响体现在很多方面。
首先，虚拟现实技术开创了一个与以往不同的学习场景，彻彻底底的打破了我们所知道的空间、时间的限制。
学生们通过虚拟现实技术，就可以超越空间的限制，进入到他们想要观察的物体的内部进行观察。
比如学生们学习胚胎发育的整个过程，他们可以突破空间上的限制直接进入胚胎内部进行观察。
他们也可以突破时间上的限制，因为胚胎的发育要经历很长的时间，但是通过虚拟现实技术，在很短的时间内就可以呈现出来给学生们观察。
2.2.3以情感体验为目标的应用
第二人生（SecondLife）是当今世界上最大的基于虚拟现实技术的虚拟现实游戏。
它的总部位于旧金山的林登实验室，它于2003年推出的一款以“合作、交融和开放”为特色的大型3D模拟现实网络游戏。
在这个游戏中，每个人可以建立自己的一个虚拟的“第二人生”，与同在这个虚拟世界中的其他人发生各种各样的关系，实现自己在第一人生中没能实现的梦想。
“第二人生”有以下三个特点：
（1）独特性：
我们不可以只是简单的把“第二人生”看作是一款游戏，它与普通的网络游戏有很多的不同。
它完全和我们的现实生活是一样的，有的时候它甚至比我们的现实生活还要丰富多彩。
在游戏里面玩家们可以随意的去创造自己喜欢的东西，里面的房屋、桌子、汽车等许多我们生活中常见的东西都是由玩家自己自由的去创造。
（2）可交易性：
与其他的网络游戏最大的不同之处在于“第二人生”中所使用的货币“林登元”可以通过交易系统兑换成为真正的美元。
随着游戏受到越来越多的人的欢迎，“第二人生”似乎超越了一个游戏的范畴，现实社会中各种不同职业的人都会来到这里开拓一块属于自己的领地。
他们很多人把在虚拟社区里所做的生意当作了他们现实生活中的一部分来经营了。
“第二人生”让许多普通人成百万富翁的梦想得以实现。
（3）玩家多元化：
由于第二人生自身技术的日趋完善，越来越多的玩家加入到了游戏中，这同时也吸引了许多的商家机构入驻到其中。
英国最早的也是最大的通讯社路透社也加入到了其中。
他们的目的是将现实世界中的东西带入到游戏中，再将“第二人生”带入到真实的世界中，他们要在这个社会中担任一个积极的角色。
全球最大的信息技术和业务解决公司IBM更是将“第二人生”当作新事业在经营。
IBM在游戏里面购买了一块属于自己的领地，用于推销他们的产品。
而美国最大的网络在线书店亚马逊也将自己的业务拓展到了“第二人生”中，他们在游戏中开设了自己的书店，以方便众多的网友来购买书籍[5]。
2.3美国虚拟现实技术的优势
2.3.1资金优势
美国之所以在虚拟现实技术方面都有着巨大的优势。
首先就是在于它的经济优势，截止2012年4月17日美国的GDP总量已经达到了令人瞠目结舌的150940.30亿元，其总量是排名第二的中国72981.47亿美元的2倍还要多[6]。
他的人均GDP也是稳居世界前列，正是由于庞大的财力的支撑，美国政府才可以投入如此多的资金用于科学技术的研究。
2.3.2政策优势
克林顿政府早在1993年的时候为了确保美国在未来的时间里在信息技术研究[7]上的领导地位，就颁布实施了“国家信息基础设施”，正是这个计划为美国在分布式虚拟现实技术的研究上奠定了重要的基础。
布什政府时期，对信息技术的发展支持的力度更加的大，每年达到24亿美元[8]，而奥巴马在担任总统后，他就任命了查普拉为国家首席技术官，而查普拉的主要职责就是让美国政府更好的利用信息技术，使信息技术在美国的经济和国家竞争力[9]中占很重要的位置。
2.3.3技术优势
美国有这世界上最为强大的国防工业体系。
由于美国孤悬海外，所以拥有相对独立和平的环境，在工业革命时期抓住了第二次科技革命，在1884年就成为了当时世界上的头号工业强国一直延续到现在。
美国在国防科技领域对于创新能力是非常的重视的。
美国研究机构一心致力于创新。
每年的国防科学和技术计划都会被美国国防部都滚动发布，主要是为了吸引规模不是很大但是具有高科技的公司为他们工作。
2.3.4教育优势
还有我们不得不提的就是其他国家望尘莫及的强大的教育优势，美国有着许多世界上著名的大学，比如哈佛大学，耶鲁大学，普林斯顿大学等等，这些大学在许多科学研究领域都有这很强的竞争力，他们当中的许多学生都会成为社会中的精英。
他在高等教育方面的优势是其他的国家无可比拟的，据最新的统计美国拥有3600多所大学，7660万人正在接受着教育[10]。
其教育的普及率之高也是推动科技发展的一大动力。
而现在美国正在逐步深化他在这方面的优势，继续加强教育。
3我国虚拟现实技术的研究现状
3.1我国虚拟现实技术的发展概述
我国正式研究VR技术是在80年代末90年代初，由于我国虚拟现实技术的起步比较的晚，所以我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比差距还是比较大的，但是随着我国科学技术的迅速发展，虚拟现实技术已经得到了非常高的重视，许多的知名企业都表示了对它的兴趣和关注[11]。
我国国家科委国防工委部已经将虚拟现实技术的研究发展作为国家重点项目，而在我们国内也有许多高校也对虚拟现实技术进行了研究，并取得了一些不错的研究成果。
研究机构包括北京航空航天大学[12]、浙江大学、中科院计算所、清华大学、武汉大学和华南农业大学等[13]。
在国家政策方面，根据我国当前的国情，制定了VR技术的研究计划。
九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。
在紧紧的跟随着国际先进技术的同时，我国国内一些知名重点院校，已经将大量的人力和物理投入到了VR领域的研究工作
3.2我国高校对虚拟现实技术的研究现状
2000年5月24日西安工业大学成立了虚拟现实工程技术研究中心。
该中心的成立，充分发挥学校电子信息工程学院和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势。
它的主要研究有虚拟人的技术研究、虚拟现实引擎的设计与实现等。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究、最被认可的单位之一，他主要研究了虚拟实现与可视化新技术。
这项技术可以用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。
清华大学通过VR技术制作的“布达拉宫”最为出名。
它和国内的几所知名高校在虚拟样机上有着比较成熟的研究成果[9]，在工业仿真中，利用虚拟样机技术可对模型进行各种动态性能分析，并且能够改进设计预案，将不再采用传统的实物样机试验，而是用数字化形式代替。
这样做可减少产品开发费用和成本，提高产品质量。
浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。
这个系统采用了层面叠加的绘制技术和预消隐技术，让人有一种物体就在自己眼前的真实的感觉，同时这套系统的交互方式也很简便，使得实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。
3.3虚拟现实技术在中国的产品
中国的虚拟现实技术经过了二十几年的发展，在许多的领域取得了进步，开发了适合我们自己使用的应用产品。
3.3.1北建工建筑与环艺虚拟仿真系统
这个仿真系统是由恒曼数字集团为其打造的完全沉浸式CAVE（Computer–AidVirtualRealityEnvironment）系统。
该系统是国内的首个沉浸式虚拟仿真系统。
它是基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，将触觉、视觉、听觉等融为一体。
该系统通过借助虚拟现实交互设备，让参观者者有一种身临其境的感觉。
自从这个系统建成以后，在很大程度上改善了其学校的科研条件。
他不仅可以满足专业学生的实验和毕业需求。
而且还可以一些教学任务，为相关的教师进行实验提供支持。
图3-1北建工建筑与环艺虚拟仿真系统
3.3.2农场狂想曲
农场狂想曲是由香港中文大学研发的一个教育游戏，这个游戏能够给学生们一个虚拟的环境，让他们在这个虚拟的环境中学习知识。
在研发这款游戏的时候，香港研究资助局也给予了八十万的资金的支持。
这款游戏具有很强的虚拟性。
让学生们在游戏时就感觉自己正身处于农场中。
这款游戏关于气候的系统做的也很逼真，让学生身处于自己的所居住的地方就能够感受到世界各地的气候。
学生通过这款游戏可以了解一种农作物的生长周期和怎么样经营农场，但是他们却只需要比真实环境下千分之一的时间就行了。
农场狂喜曲也有着很强的交互性，玩家和玩家之间可以互相的交流，系统也会在不同的阶段给予玩家不同的任务。
通过这个游戏学生们可以学习到生活中接触不到的事物，而且在游戏中学生们做的每一个决定都会影响游戏中的气候的变化，所以同时也能提高保护环境的意识。
在后来香港中文大学又在农场狂想曲的基础上开发了“农场狂想曲2”在这个游戏中，学生们可以学到更加多的和现实社会相同的知识。
比如游戏里面农作物的收购价是会受供需关系和认为关系而变化的。
而且国家的政策也会对收购价产生影响。
这样就会让学生们对民生问题有所关注。
在游戏里不同的地方气候不同，土壤不同，所种植的农作物也不同，这样让学生们足不出户了解世界。
这款游戏的最主要的目的就是让学生们在虚拟环境中学习到知识，再将所学到知识运用到现实生活中。
图3-2农场狂想曲
3.3.3虚拟实验室
虚拟实验室是一种基于VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。
当身处在虚拟实验室中，学生不但可以在虚拟实验台上操作自己的实验，而且还可以自主研究和设计自己想要做的实验，这样对于提高学生的各方面的能力有着很大的好处。
当学生们身处虚拟实验室中时，他们更易获得有关实验的知识。
未来实验室建设的发展方向就是虚拟实验室，因为很多高校在经费器材等方面普遍都有着很大的困难。
而虚拟实验他突破了传统意义上的时间和空间的限制，无论是学生还是教师，都能过随时随地的进入到虚拟实验室，进行各种实验，这样有助于提高实验教学质量。
国内也有很多机构正在研发虚拟实验室，比如中国航天科技集团第一研究院。
他们正在进行航天器的虚拟测试来进行航天器设计的验证及试验方案评估。
4中美在虚拟现实技术之间的比较
表1中美虚拟现实技术的比较
中国
美国
发展现状
发展上升期，产品有“虚拟校园”和“飞行仿真实训系统等”。
发展迅速，技术领先。
代表产品有“第二人生”和“圣安东尼奥联合基地”等。
政策
国家开始重视其发展，鼓励学校企业对其研究。
国家投入大量资金支持三届总统提出重点发展。
技术
起步较晚，技术相对落后，正在奋起直追。
技术世界领先，已经涉及到了肌肉感觉。
教育方面应用
应用比较少，只有少数学校和政府机构使用。
运用广泛，许多高校在研究和使用其产品。
未来发展
发展迅速，应用前景良好，将会在世界虚拟现实技术占有一片天地。
优势明显，发展领先，产品遍布世界各地。
4.1美国虚拟现实技术对我国的启示
美国虚拟现实技术凭借着它良好的政策，先进的技术和深厚的教育底蕴一直处于世界领先。
所以我国需要从中吸取经验，来提高我国的虚拟现实技术。
（1）完善政策
我国首先要制定虚拟现实技术发展规划和完善的政策体系。
通过之前的了解我们知道VR技术在美国信息技术领域的诸多重大战略规划均涉及，而且政府下属的各大部门都制定了关于VR的发展计划。
我国虽然在一些政策中将VR技术列为重点发展和资助领域，但是缺少对VR技术的详细的发展规划。
所以我们想要在VR技术上有所发展，就必须结合我国当前的国情制定出一套长远的有效的政策方针规划。
我们可以在扩散VR技术的过程中去发现其中的不足之处，然后加以改进。
再推广VR技术的时候，我们要加强其商业化程度，利用这个大的市场去使我们的技术慢慢走向成熟。
（2）加强资金投入
政府也要给予研究虚拟现实技术的企业大力的支持与资金上的援助。
做任何的科学研究没有资金是行不通的，有了足够的资金才能够购买研究所需要的仪器，聘请专业的人员。
政府只有解决了企业的这个后顾之忧企业才能安心的去研究。
（3）加强科技创新
企业自身也要做好创新工作。
创新是一个企业进步的动力，没有创新就没有进步。
江泽民曾经讲过“创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力”。
继江泽民同志之后胡锦涛也明确提出了我们要建设创新型国家。
只有不断创新和奋发进去新才能增强综合国力，而只有综合国力增强了才能推动科学技术和社会的发展。
（4）鼓励学校研究
美国的虚拟现实技术发展的这么迅速很大一部分是由于其强大的教育优势，学校在科学研究这一方面有着得天独厚的优势，它拥有大批年轻有活力，有思想的充满朝气的学生。
而且许多的学校都有着几十年的文化底蕴。
学习研究氛围十分的浓厚，这样有助于科学研究。
5虚拟现实技术的展望
5.1虚拟现实技术所遇到的瓶颈
虚拟现实从出现到今天的成熟已经经历了一段坎坷的路程。
在以后的时间里，人们会发现虚拟现实技术在不知不觉中已经改变了我们的思维方式，让我们对自己、世界，甚至是时间和空间都有了新的看法。
我们想要发展虚拟现实技术就要克服以下几个问题：
（1）硬件的限制
一般情况下，想要实现一个高质量虚拟现实系统，外部设备的规格就要非常的高。
而且它的设备的精度舒适度等方面还有待提高。
（2）图形生成速度滞后
图形生成速度就是虚拟现实中场景要随着人的动作的变化而做出相应的改变。
而我们现在的技术想要做的很好还是很难。
（3）三维数据量大
虚拟现实技术中有很多的模型，其占用的空间很大，而我们现在的宽带的速度根本跟不上，而且这对计算机也会带来很大的负载。
（4）需要人性化
我们现在只能通过鼠标，键盘，头盔等简单的工具实现虚拟化，人就犹如机器人般，所以要增加人性化处理。
5.2虚拟现实技术的展望
VR技术从开始到现在已经快七十年了，经历了大半个世纪科学研究，它从一开始的简单的仿真到现在涉及到了人的感觉、触觉等。
未来的时间里虚拟现实技术主要可以朝着以下几个方面去发展：
（1）研制新型交互设备
VR技术需要借助一些交互设备才能与虚拟世界进行交流，仿佛让我们身临其境一般。
而这些交互设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。
但是如今的这些设备存在着种种缺点。
比如数据头盔的数据精度，分辨率等等还有待提高。
数据手套的延迟性，舒适度也是一样。
所以我们就需要研制出一种新型、价格便宜、性能好、舒适度高的人机交互设备[14]。
（2）三维图形生成和显示的实时性
由于科学技术的发展，我们在图形生成方面的技术已经日趋完善，但是如何将生成的图像在不降低他的质量而又能提高刷新频率又成为了一个难题[15]。
（3）大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。
网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户应用的、相关的虚拟情景环境。
分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求[16]。
6结论
随着科技的进步和社会的发展，虚拟现实技术会向我们展示它未来广阔的前景。
我国的科学工作者要借鉴美国在虚拟现实技术上的成功经验，努力钻研，不断创新，开发出属于我们自己的虚拟现实技术产品，并且将它用于教育领域。
参考文献
[1崔杏园，钱桦．虚拟现实及其演变发展［J］.机械工程师，2006
（2）:
22－24．
[2]尹玉亮，李培珍，康与云，虚拟现实技术及其应用现状[J].计算机与信息技术，2007（26），73.
[3]马明山，张明．虚拟现实技术在现代教育中的应用探讨[J].
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