第30卷第1期2009年3月
上 海 海 事 大 学 学 报Journal of ShanghaiMariti m e University
Vol .30 No .1Mar .2009
文章编号:1672-9498(2009)0120063206
应用3D 虚拟现实仿真辅助集装箱码头堆场闸口规划
秦天保,张 旖
(上海海事大学交通运输学院,上海 200135)
摘 要:为辅助某大型集装箱堆场的闸口规划,确定合理的车道数及集卡等待缓冲区长度,利用
Flexsi m 仿真软件,给出模型的体系结构、组成和流程,建立规划中的该大型集装箱码头堆场3D 虚拟现实仿真模型,明确在不同设计方案下闸口可能出现的排队等待状况.仿真试验显示,如果按照常规调配集卡,2个出闸口将出现不平衡现象,而通过堆场部署智能交通诱导系统以及建立与客户互联的车辆进港预约系统,能极大地缓解闸口的压力.利用计算机仿真辅助闸口规划,可以给规划人员和决策者提供更加丰富的决策信息.
关键词:闸口规划;集装箱码头;仿真;虚拟现实中图分类号:N941.5 文献标志码:A
Applyi n g 3D vi rtual reality si m ul ati on to
gate pl ann i n g of cont a i n er ter m i n al yard
Q I N Tianbao,ZHANG Yi
(School of Trans port &Communicati ons,ShanghaiMariti m e Univ .,Shanghai 200135,China )
Abstract:I n order t o aid a large container ter m inal yard in its gate p lanning t o deter m ine the app r op riate carriage way nu mber and the waiting buffers ’length,a 3D virtual reality si m ulati on model of the large con 2tainer ter m inal yard is created based on Flexsi m p latfor m.The architecture,component and p r ocess of the model are als o put for ward and all kinds of the situati on of waiting lines in different designs are quantified .According t o the ex peri m ental results,extre me unbalanced workl oad will e merge at the t w o checkout gates if the trucks cannot be scheduled perfectly .The p ressure at gates can be relieved greatly by i m p le menting intelligent r oute guidance syste m and vehicle booking syste m connecting the cust omer .The computer aided gate p lanning si m ulati on can give p lanners and policy makers more decisi on 2making inf or mati on .Key words:gate p lanning;container ter m inal;si m ulati on;virtual reality
收稿日期:2008207217 修回日期:2008209210基金项目:上海市重点学科建设项目(S30601)
作者简介:秦天保(1971—),男,上海人,副教授,博士,研究方向为复杂系统建模与仿真、管理信息系统,(E 2mail )qtbhappy@https://www.doczj.com/doc/226013324.html,
0 引 言
集装箱码头闸口是集装箱卡车(以下简称集
卡)进入和离开集装箱码头堆场的接口,由多个车
道和对应的检查点组成.集卡进出闸口时,要在闸口检查点进行箱检、过磅和数据交换.闸口分为进闸口
和出闸口,分别用于集卡进入和离开堆场.
近年来,随着集装箱运量的大幅增加,许多港口闸口处出现车辆排长队的拥挤现象,不仅严重影响集疏运秩序,而且增加安全隐患,引起客户普遍不满.因此,在集装箱码头规划中,闸口规划日益受到重视.集装箱码头闸口规划是集装箱码头规划的重要内容,其重点是在满足码头集卡车流需求及保证客户服务水平的情况下,确定设置多少车道(以及对应的检查点)才能使闸口建设投资最少.
现有的集装箱码头规划仿真研究主要集中在前沿泊位与堆场的装卸、运输资源利用等方面.CAN2 ONACO等[1]应用离散时间仿真研究前沿集装箱装卸优化问题;YE O等[2]应用AW E2SI M仿真程序研究釜山港拥挤改善问题;LEE等[3]仿真研究采用集卡实时定位技术对堆场集卡调度进行动态规划的后果;JUNG等[4]仿真研究堆场场桥调度优化问题;尚晶等[5]仿真研究集装箱码头集卡调度策略;辜勇等[6]仿真研究集装箱码头堆场系统的运作流程;张涛等[7]仿真研究集装箱堆场资源配置优化问题;仅有少数文献仿真研究集装箱码头闸口规划问题,如于越等[8]仿真研究集装箱堆场闸口规划优化问题.
目前,在集装箱码头闸口规划实践中,闸口车道数主要采用解析公式确定,最常见的是交通部《海港总平面设计规范》[9]提出的公式.但仅根据该公式确定闸口车道数,规划人员和决策者无法考查集卡随机到达以及闸口检查时间随机变化时车辆的排队等待情况,因而无法事先确定对集卡的服务水平,也无法确定闸口处为集卡预留的排队长度(缓冲区)是否合理,对提升客户满意度和合理设计闸口缓冲区长度非常不利.而采用计算机仿真技术(离散事件仿真)能够检验不同车道配置下集卡的排队等待情况,有助于确定最佳闸口车道数以及合理的缓冲区长度.
本文以山东某港集装箱码头闸口规划为例,说明如何运用计算机仿真技术辅助集装箱码头闸口规划.仿真软件平台为Flexsi m,能直观地展现集装箱码头现场运作状况,使规划人员和决策者对不同规划设计下的现场情形有身临其境的感觉.
1 研究背景
规划中的某港集装箱码头堆场平面布局见图1.可以看出,该码头堆场设计1个进闸口和2个出闸口.闸口规划是该码头整体规划的子项目之一,即确定1个进闸口和2个出闸口的车道数.根据《海港总平面设计规范》提出的公式,初步计算出进闸口1设置30个车道,中间出闸口2设置16个车道,右侧出闸口3设置12个车道
.
图1 某港集装箱码头堆场平面布局
港方希望了解初始闸口设计是否满足设定的绩效指标,即高峰时段进、出闸口每车道平均排队长度,每车道最大排队长度,车辆平均等待时间,车辆最长等待时间以及车辆不同等待时间的分布比例是否符合港方设定的范围.此外,港方也希望通过3D 虚拟现实仿真观察闸口处为车辆排队预留的缓冲区长度是否足够.
为此,利用Flexsi m开发针对该码头规划的集装箱码头堆场运作仿真系统.虽然研究重点是闸口处的车流情况,但由于出闸口处的车流受堆场箱区布局、堆场场桥装卸效率以及内外卡争用场桥等多种因素影响,须建立整个集装箱码头堆场的模型(该模型还可用于堆场内车流仿真以评估堆场内道路规划的合理性,本文仅讨论闸口规划).
2 系统体系结构
开发的集装箱码头仿真系统体系结构见图2,系统由用户界面、存储系统和模型3部分组成
.
图2 集装箱码头仿真系统体系结构
2.1 用户界面
用户界面由若干窗体组成,与用户交互,可进一步分为输入界面、输出界面与控制界面.输入界面用于向系统输入各项参数并存入存储系统中;输出界面用于系统输出各项参数;控制界面用于控制模型运行,包括启动模型与调节运行速度等.
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2.2 模型
模型是系统主体,
运行产生的输出数据存入存储系统中,并通过输出界面显示给用户.采用3D 仿真软件Flexsi m 建立该集装箱码头的模型,模拟的流程包括外卡集疏运与堆场装卸流程以及内卡岸边装卸与堆场装卸流程.内卡岸边装卸与堆场装卸流程包括内卡在岸边与堆场箱区循环行驶以及执行装卸作业.外卡集疏运与堆场装卸流程见图3.
图3 外卡集疏运与堆场装卸流程
模型中出闸口的运行效果见图4,通过该虚拟
现实场景可形象、直观地评估闸口处的排队情况以及预留的集卡排队长度是否足够.
图4 出闸口运行效果
本文研究的集装箱码头系统的主要建模元素包
括集装箱、集卡(外卡和内卡)、岸桥、场桥、车道、闸口检查点和队列(包括闸口处、岸桥处、场桥处的集卡队列);起装饰作用的辅助建模元素包括海、集装箱船、堆场箱区.这些建模元素与Flexsi m 建模构件
的对应关系见表1.
表1 系统建模元素与Flexsi m 建模构件对应关系
系统建模元素
Flexsi m 建模构件流动实体
集装箱
Fl ow Item
外卡TaskExecuterFl ow Ite m 内卡
TaskExecuterFl ow Ite m 移动资源
场桥TaskExecuter 岸桥TaskExecuter 固定资源
车道Net w orkNode 闸口检查点
Pr ocess or
闸口前的队列、岸桥下的队列和场桥下的队列
Queue
可视化装饰物
海、船和箱区等
V isualTool 用传统仿真软件对移动资源建模时,场桥和岸桥的移动与装卸活动(包括3D 可视化)等往往不能很好地表达,而Flexsi m 采用独特的任务序列机制,能灵活、方便地对移动资源建模.Flexsi m 用任务执行器TaskExecuter 表示场桥和岸桥等用于搬运与装卸流动实体的移动资源,可为任务执行器分配由若干任务(如移动、卸下和提升等)组成的任务序列(若有多个任务序列,则这些序列可排队等待调度),执行器收到任务序列后依次执行序列中的任务.
Flexsi m 使用Fl ow Ite m 建模集装箱等流动实体,外卡和内卡兼具流动实体与移动资源的特性,因此,使用特殊的Fl ow Ite m 表示,即TaskExecuterFl ow 2Ite m.TaskExecuterFl ow Ite m 兼具TaskExecuter 和Fl ow Ite m 的特性.固定资源是不移动的资源,包括车道、检查点和队列等,分别用网络节点Net w ork Node (多个节点连接可表达车道)、处理器Pr ocess or 和队列Queue 表达.2.3 存储系统
存储系统由Flexsi m 内部提供的全局表组成,用于存放各种输入、输出数据.该存储系统也可用外部数据库替代.
3 输入参数设定
系统输入的参数通过输入界面存入存储系统.其中,仿真时间为18000s,即5h;前1h 作为预热期,属低峰时段,进闸口集卡到达率设为高峰时段的2/3;后4h 为高峰时段,也是数据收集期.仿真运行
次数为10次.重、空车比例为重车50%(其中拉重
箱53%,拉空箱47%),空车50%.高峰时段进闸口
5
6第1期秦天保,等:应用3D 虚拟现实仿真辅助集装箱码头堆场闸口规划
集卡到达率为3400辆/h,到达时间间隔服从指数分布,其均值根据到达率计算为1.06s.
其他主要参数包括进闸口单车检查时间(随机)、出闸口单车检查时间(随机)、堆场轨道吊场桥装卸效率(随机)、集卡在堆场内各条车道的行驶速度以及每个箱区分配的轨道吊场桥数量等.
集卡进出闸口的排队规则:集卡到达闸口后选择最短队列排队,然后进入该队列对应的检查点接受检查.
4 仿真结果分析
4.1 进闸口仿真结果分析
通过10次仿真运行,每次运行5h后得到绩效指标统计结果,见表2.
表2 进闸口绩效指标统计结果
绩效指标均值90%置信区间最小值最大值每车道平均排队车辆数/辆 5.07 4.45～5.68 3.70 6.36每车道最大排队车辆数/辆12.2011.15～13.2510.0016.00单车平均等待时间/s193.96169.31～218.61139.91247.78单车最长等待时间/s413.24377.22～449.25339.53560.75等待时间0～3m in的车辆占比0.490.40～0.580.270.70等待时间3～6m in的车辆占比0.430.35～0.510.260.70等待时间6～9m in的车辆占比0.080.02～0.140.000.29等待时间>9m in的车辆占比0.000.000.000.01
从表2的排队长度看,高峰时段每车道平均等待车辆数均值(5.07辆)与最大等待车辆数均值(12.20辆)略微偏高,但尚属合理范围.未来由于采用新技术,闸口检查效率将进一步提高,排队长度有可能缩短.
此外,由于进闸口处车辆等待缓冲区位于堆场外侧,有足够长度供车辆排队等待,因此,从车辆排队长度指标看,目前进闸口设计30个车道可行.
从等待时间看,高峰时段单车平均等待时间均值(193.96s)和单车最长等待时间均值(413.24s)属合理范围,因此从车辆等待时间指标看,目前进闸口设计30个车道也是可行的.
从不同等待时间的车辆占比看,高峰时段车辆等待时间在0～3m in的占49%,3～6m in的占43%,6～9m in的占8%,超过9m in的占0%,等待时间分布较合理,因此,30个车道的方案可行.另外,港方也认为表2所示的绩效指标能够满足要求,因而,确认进闸口设置30个车道的初始设计方案.
4.2 出闸口仿真结果
出闸口的情况较为复杂,因为有2个出闸口,不同的车辆调度分配比例会导致全然不同的排队拥挤程度.此外,出闸口处的车辆等待缓冲区设在堆场内部,因此,对车辆排队长度更加敏感.
4.2.1 合理调配方案
假设对集卡的调度合理且完美,使得集卡总是能选择2个出闸口中最短的队列排队(即假设集卡能够把2个出闸口看作1个出闸口).此方案的目的是考察2个出闸口的车道总数(初始设计为28条)是否能满足要求.仿真结果见表3.
表3 合理调配方案的仿真结果
绩效指标均值90%置信区间最小值最大值每车道平均排队车辆数/辆 3.67 3.17～4.18 2.36 5.03每车道最大排队车辆数/辆8.807.55～10.05 6.0012.00单车平均等待时间/s132.32114.04～150.6181.31180.38单车最长等待时间/s292.42252.77～332.06194.57419.16
从表3的排队长度看,每车道平均排队车辆数均值(3.67辆)和每车道最大排队车辆数均值(8.8辆)都较为合理,不会出现排长队现象.
从缓冲区设置角度看,按照每车车长18m和车辆间隔1m计算,所需的缓冲区长度约170m(按最大队长均值8.8辆即9辆计算,实际最大队长可能超过此数),而港方原设计方案中,中间出闸口预留的缓冲区长度为150m,右侧约80m.为此,一种方法是修改设计,加大缓冲区长度,特别是加大右侧出闸口缓冲区的长度;另一种方法是采取措施,降低高
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峰期车辆负荷和车辆到达率.
从等待时间看,单车的平均等待时间的均值(132.32s)和单车的最长等待时间均值(292.42s)都较为合理,不会出现长时间等待现象.这说明,在合理调配集卡选择队列最短的闸口离开的情况下,从等待时间看,2个出闸口共设28个检查通道可行.
以上是合理调度集卡的情况,如果不能合理调度,情况会有所不同.
4.2.2 固定分配方案
4.2.2.1 仿真结果
假设集卡均匀分布到各排(从左到右)箱区作业,且1～7排箱区的集卡从中间出闸口离开,8～11排箱区的集卡从右侧出闸口离开,相当于64%的集卡流量从中间闸口离开,36%的集卡流量从右侧闸口离开.
之所以假设1～7排箱区的集卡从中门离开,是因为这些箱区的集卡占集卡总数的64%(7排除以箱区总排数11排得到),而中间闸口的出口通道占出口通道总数的57%,这2个比例比较匹配,容易实际组织调度.
设计本方案的目的是考察在本方案的假设条件下,2个出闸口各自分配的车道数(即中间16道,右侧12道)是否合理.仿真结果见表4.
表4 固定分配方案的仿真结果
绩效指标均值90%置信区间最小值最大值
中间出闸口每车道平均排队车辆数/辆23.0722.19～23.9421.8126.74每车道最大排队车辆数/辆60.1058.05～62.1556.0068.00单车平均等待时间/s781.30748.92～813.68731.83921.29单车最长等待时间/s1607.141556.69～1657.601503.351771.18
右侧出闸口每车道平均排队车辆数/辆0.970.93～1.010.80 1.02每车道最大排队车辆数/辆 2.00 2.00～2.00 2.00 2.00单车平均等待时间/s30.7530.21～31.2928.9232.01单车最长等待时间/s84.0180.21～87.8175.4193.81
从表4的排队长度看,2个出闸口的排队长度极度不平衡.中间出闸口出现排长队现象,平均队长均值达23.07辆,最大队长均值达60.10辆,根据最大队长计算出的缓冲区长度远远超过港方原设计方案的预留长度;而右侧出闸口却很空闲,平均队长均值只有0.97辆,最大队长均值只有2辆.从等待时间看,2个出闸口的车辆等待时间也极度不平衡.中间出闸口出现长时间等待现象,平均等待时间均值达781.30s,最长等待时间均值达1607.14s;右侧出闸口却很空闲,平均等待时间均值只有30.75s,最长等待时间均值只有84.01s.
上述结果说明,简单地将1～7排箱区或某几排箱区的外卡划归中门离开的做法不合适,必须在2个出闸口对外卡流量进行合理分配,才能如合理调配方案那样在两处达到平衡.
4.2.2.2 对出闸口规划的建议
从上述2个出闸口试验方案结果看,在合理调度集卡的情况下,2个出闸口共设置28个检查通道的规划方案基本可行,2个闸口均不会出现排长队的情况.但若不能合理调配车流,分流措施不当,就会出现一处闸口排长队而另一处闸口很空闲的情况.
在实际运作中,要做到合理地调配集卡从合适的出闸口离开很困难,因此,建议采用智能交通的组织方式,对2个出闸口采取监控措施,并对中间出闸口流量进行实时交通诱导,避免出现负荷不均的现象.一般在2个出闸口设置感应线圈和视频摄像头,经过算法处理后,得到这2个闸口的交通流量饱和度,辅以监控人员的人工判断,再发布交通信息并对中间箱区的出港车流进行交通诱导.若中间出闸口流量偏大,负荷较高,就发布中间闸口拥堵的信息,诱导中间箱区的车流由右侧出闸口离开;反之,则诱导中间箱区车流由中间出闸口离开.如果基础条件允许,将中间出闸口的检查通道增加到18道,右侧不变.这样,留出一定余量,调度更加容易.
采用上述技术手段合理调度集卡,根据合理调配方案的结果,发现出闸口的缓冲区不够长,特别是右侧出闸口缓冲区过短.因此,应该将2个闸口的检查点适当外移,以延长内侧缓冲区长度.
假设由于地理条件的限制,无法进一步延长缓冲区长度,可以采取措施熨平高峰,分散车辆的到达时段,降低高峰期车辆到达率,从而缩短闸口排队长度.建议采用计算机化的车辆进港预约系统,并与运输单位联网,按计划发布和接受预约进港信息,对不
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按预约时间进港的车辆处以一定金额的罚款.此举可有效熨平高峰,已经过国外港口的实践证明.
此外,闸口检查时间也是影响闸口排队情况的关键因素之一.如果由于各种限制因素,上述措施无法实现,那么,要考虑采用技术手段提高出闸口的检查效率,或者适当增加闸口检查通道(检查点),以缩短排队长度.5 结 论
相对于传统解析法,利用计算机仿真辅助闸口规划可向规划人员和决策者提供更丰富的决策信息.通过仔细考查仿真得到的闸口处车辆排队长度和等待时间等指标,规划人员可直观地评价闸口服务水平及闸口缓冲区设计,从而弥补解析法的不足.
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(编辑 陈锋杰)
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2009年1月23日上午,上海海事大学育海航运公司总经理苏飞、宣传部长彭东恺等一行4人在振华长
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技术创新 《微计算机信息》2012年第28卷第10期 120元/年邮局订阅号：82-946 《现场总线技术应用200例》 博士论坛 基于虚拟现实技术的虚拟农场的研究和实现 Research and Implementation of Virtual Farm Based on Virtual Technology (南京农业大学工学院) 李东阳 LI Dong-yang 摘要:本系统基于虚拟现实在农业方面的应用,在VC++6.0的软件平台、在Win32框架下,使用C 语言和行业领域中最为广 泛接纳的2D/3D 图形API---OpenGL,创建一个以真实农场为模板的虚拟农场,通过DirectInput 接口实现逻辑方向盘与计算机的交互性,并通过Socket 编程使系统具有网络传输信息的功能,从而实现相应的远程控制,和现实的农场进行交互。实验系统成功创建了一个三维果园、仓房场景、漫游小车及附属设施,可以根据应用的侧重不同进行改善,从而实现虚拟现实技术在农业方面的相应应用。 关键字:虚拟现实;OpenGL;虚拟农场;交互性;网络通信中图分类号:TP311文献标识码:A Abstract:A system that a virtual farm based on virtual reality technology is created using C language and OpenGL-most widely ac -cepted 2D/3D API,in VC++6.0platform and Win32framework ,is introduced in this paper.This system realizes the interaction be -tween computer and logic steering wheel through the DirectInput interfaces,and it has the function of the transmission of information online to communicate with the reality farm so as to achieve remote control,with the method of Socket programming.This trail sys -tem consists of a 3D orchard,warehouse,a small card wandering in the farm and so on,and it can be improved according to differ -ent application to realize all kind of application in agriculture based on virtual reality technology.Key Words:Virtual reality;OpenGL;Virtual farm;Interactivity;Network communication 文章编号:1008-0570(2012)10-0010-02 1引文 虚拟现实(VR)技术最早在20世纪中期由美国VPL 探索公司和它的创始人Jamn IJaIlier 提出这一概念,后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备,开始研制低成本的虚拟现实系统,推动了该技术硬件的进步。虚拟现实,又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。他综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。虚拟现实具有多感知性、浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)。在医学、娱乐、教育、科研、军事、航天、城市规划、工业仿真等很多方面都有广泛而重要的应用。但在农业方面却是空白,因此本文就虚拟现实在农业方面的应用进行了研究和探讨。图1、图2、和图3展示了虚拟现实的应用例子及本文所研究的虚拟农场场景图。 图1模拟天宫一号图2城市规划图图3虚拟农场本文研究了基于虚拟现实技术思想的三维虚拟农场的系统的创建,借助于OpenGL 和C/C++语言在VC++6.0的开发环 境下、在Win32程序框架下实现系统的搭建。系统可分为三个部分:三维场景、人机交互、数据通信。系统的三维场景通过创建天空盒、地面、纹理贴图和导入3D Max 创建的3D 模型;人机交互主要是通过Direct SDK 里提供的DirectInput 实现;数据通信则是通过套接字网络编程接口创建C/S 模式的通信连接,实现数据的传输。 研究结果表明通过创建农场的三维场景确实能够给农业装备的研发和测试提供一个非常真实的平台,解决农业装备研发和测试所需的环境的季节性弊端。 2虚拟现实 OpenGL 遵循C 语言的调用约定,可以与Visual C++紧密接口。有七大功能:建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、:纹理映射、位图显示和图象增强、双缓存动画。OpenGL 还能实现深度暗示、运动模糊等特殊效果。本文将利用这些功能来搭建虚拟农场场景并且实现控制。 OpenGL 被设计成独立于硬件、 以流水线的方式工作,其工作流程和绘图的流程如图4和图5所示。 图4OpenGL 工作流程 图5OpenGL 绘图流程 因此首先当系统收到WM_CREATE 消息后,要首先对OpenGL 进行设置 李东阳:学生 10--
基于虚拟现实技术的景物仿真 毕业 基于虚拟现实技术的景物仿真摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是1种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉1体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。本设计是1个基于VRML（虚拟现实建模语言）的虚拟校园系统，它要求实现虚拟现实中基本的场景建立和在场景中漫游，本程序建立场景所需的建筑物均在3DS MAX 中建立，然后以VRML97的格式导出并保存为.wrl文件，这样在VrmlPad编辑器中可以打开这些文件了。然后在VRML编辑环境下，通过添加材质、纹理、传感器、声音、动画等来完善该虚拟校园系统，并通过内联(Inline)、锚点(Anchor)造型节点来实现室外与室内的链接和切换。最后在VRML浏览器中通过键盘和鼠标的移动来漫游观看该虚拟系统。为了使场景漫游更真实，还须在场景图中设置碰撞节点，从而防止观察者从场景中的物体（如教学楼）中穿过或进入不可见的视角观察。关键字：虚拟现实；VRML；漫游；场景；碰撞检测。 Scenery Simulation base on Virtual Reality Technology Abstract: Virtual Reality(VR), It is a immersing type base on the communication that could be calculate. Concretely to say, adopt taking technology of the computer as the core modern Hi-Tech turn into lifelike look ,listen,sense of touch integrated specific fictitious environment of range, users carry on the reciprocation , influence each other with the target in the fictitious environment by way of nature through the essential equipment, thus produced and came personally the feeling and experience of the true environment equally. It is a system of virtual reality school based on VRML technology，and it demands realizing that the basic scene is set up and one can roam in the scene of virtual reality, This procedure sets up buildings of the scene in 3DS MAX then exports and saves them in the format of .wrl files. Under the environment of VrmlPad, we can open these files and perfect the scenes by adding material，texture，sensors，sounds and interpolators.By the node of inline，anchor,we can realize linking or transfering between different scenes.In the end,we can roam the virtual reality system through the movement of the keyboard and mouse in the VRML explorer.In order to approach Reality,a node of collision must be set up to prevent observer from wear or enter impossible visual angle which can’t be observed from object of scene. Keywords: Virtual Reality;VRML;roaming;scene;Collision detecting. 目录前言 1 1 虚拟现实介绍 2 1.1 虚拟现实的定义 2 1.2 虚拟现实系统的发展历史 2 1.3 虚拟现实系统的应用 3 1.4虚拟现实系统的发展方向 4 2 系统开发环境介绍 5 2.1 VRML概
浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用 东北师范大学计算机学院 2014级教育技术系王鹏 2014012016【摘要】本文旨在简要介绍虚拟现实技术（含增强现实等分支技术）的定义及其发展现状，通过理论陈述、历史发展及部分实例进行分析，着手于软硬件两方面，结合其他领域中已有的优秀实例，对虚拟现实技术在教育领域的应用提出部分建议。 【关键词】虚拟现实增强现实三维技术教育软件开发 现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展，人们不满足于二维平面等级的人机交互界面，开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标，发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别，输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时，人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串，再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像，时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景，而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一，就是虚拟现实技术。 一虚拟现实综述 虚拟现实（Virtual Reality，后文或简称VR）的定义目前为止依然众说纷纭，笔者较为认可的定义如下：一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统。用来实现VR系统的技术被称为VR技术。何谓高度仿真呢？目前为止在技术层面能达到的、符合人们日常生活中实际体验的标准包括如下几个方面： 1 真实性 真实性是VR技术的主要目标。VR旨在用计算机构建真实世界以让用户获得拟真体验，生成的虚拟物件一般要高度仿照真实世界的尺寸、材质等，能够做到静物的“以假乱真”，相应的运动规律也要按照真实世界设置参数，如重力加速度或化学反应速率等，使得它们在变化时看起来仍不失真。 2 交互性 一般来说，交互性是指用户对虚拟世界中物体的可操作程度，和从自然环境中得到信息反馈的程度。计算机系统中生成的虚拟世界不可能仅接受工作人员输入的基本建模参数，也应当接受来自用户的实时输入信息，并给出相应的反馈。例如，用户可以通过特殊的控制器（如摇杆、特制键盘）、体感装置（如传感服、眼球测位仪）以及语音等向系统发送指令，相应地也就要求系统为用户提供多元化的输入接口，输入模式也应当尽可能贴近人类的自然活动。 3 沉浸性 沉浸性是指，用户在体验虚拟世界的时候，不光要体验到场景及运动规律的真实感，也应当同时意识到自己能够沉浸到虚拟世界中，而非一个世界之外的控制者、操作者。理想的VR系统应当以用户为第一视角构建，并能让用户产生真假难辨的感觉。
《VRML虚拟现实技术在数字校园系统中应用研究》文献综述 摘要：教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了数字校园，阐明了数字校园的地位和作用。虚拟数字校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。将虚拟现实技术应用在数字校园系统的开发，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。它在数字校园的应用，可以大大提高校园展示效果，也能够体现校园个性方面的优势，对校园今后的推广及展示带来非常大的帮助 关键词：虚拟现实；数字校园；基本概况 前言 教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。建设虚拟三维数字校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉[1]，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。三维虚拟校园可直接嵌入到大学的网站，直接通过网络浏览器察看，其丰富的、人性化的信息查询等功能，有效提高大学的美誉度，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。 一、虚拟现实技术的发展状况的研究 虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪90年代初崛起的一种实用技术，它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的虚拟环境，可以真实地模拟现实中能实现的物理上的、功能上的事物和环境[2]。在虚拟现实环境中可以直接与虚拟现实场景中的事物交互，产生身临其境的感受，从而使人在虚拟空间中得到与自然世界同样的感受。该技术的兴起，为科学及工程领域大规模的数据及信息提供了新的描述方法。虚拟现实技术大量应用于建筑设计及其相关领域，该技术提供了“虚拟建筑”这种新型的设计、研究及交流的工具手段[3]。 在虚拟现实的发展过程中总结出虚拟现实系统应具有以下四个特征：（1）多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。（2）存在感。指用户感动作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。（3）交互性。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。（4）自主性。指虚拟环境中物体依据现实世界物理运动定律动作的程度[4]。 虚拟现实技术自诞生以来，其应用一直受到科学界、工程界的重视，并不断取得进展，虚拟现实蕴藏的技术内涵与艺术魅力不断地激发着人们丰富的想象思维和创造的热情。从本质上讲，虚拟现实技术就是一种先进的人机交互技术[5]，其追求的技术目标就是尽量使用户与电脑虚拟环境进行自然式的交互。因此，虚拟现实技术为我们架起了一座人与数字世界沟通的桥梁。 二、虚拟现实技术在数字校园系统的应用解析 目前，数字校园存在有2个定义，并分别带来不同的研究与实践。一种定义是从信息、网络和媒体技术发展角度，数字校园被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息主体；另一个事从因特网、虚拟现实技术、网络虚
２００８年第３期（下半月）软件导刊?教育技术 进的重要信息。主题资源式网站为了能够使学习者准确、迅速、便捷地获取相关信息，对其进行可用性测试是十分必要的。依照ＩＡ可用性测试的部分理论，对于主题资源式网站信息构建的评价主要从整体结构、分类和搜索３个方面进行。 （１）整体结构评价。主题资源式教育网站结构是指站点作为一个整体的完善度，包括站点的形式、内容、功能等。具体评价指标包括：①站点结构是否全面反映这个教育网站的目标；②要确保建立主题资源式教育网站的全部需求都能准确反映在网站结构中；③站点结构和学习者期望相适应的程度；④网站内容结构设计是否科学、合理。 （２）分类评价。分类在这里是指内容对象分类的一致性、系统性和完整性。分类评价主要是衡量：①同一类目里子类的相似程度。同一类目里子类必须具备极大的相似性，但要避免内容重叠，造成信息冗余；②同级类目之间应坚持最低相似性原则；③下级类目对上一级类目内涵的表达程度；④子类应全面、系统地反映父类所要表达的内容信息。 （３）搜索评价。建立搜索系统来搜索需要的信息内容，具体的评价指标包括：①是否提够有效的站内搜索；②搜索信息的方法是否简单、清晰；③搜索结果的相关性怎样；④无效搜索出现的频率。 此外，学习者测评也是十分必要的，学习者在网上浏览、检索信息的过程中会对网站内容信息组织的优劣、链接有效性、导航正确性产生最直观的感受，获得的测评结果（即可通过用户体验以用户信息反馈的形式表现出来）对网站的改进和完善具有重要的参考价值。 ５结束语 ＩＡ信息构建理论不仅仅是一种理论，一种方法，更是一种理念。在美国，ＩＡ设计已成为网站开发的必备内容。在我国，利用ＩＡ进行网站设计还只是刚刚起步，但是ＩＡ理论指导主题资源式教育网站建设具有重要意义，它将给我们带来一个精心组织、图文并茂、便于导航、标记醒目、多种选择、全新面孔的教育网站。 参考文献： ［１］Ｐ．Ｍｏｒｖｉｌｌｅ，Ｌ．Ｒｏｓｅｎｆｅｌｄ．ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＷｏｒｌｄＷｉｄｅ Ｗｅｂ［Ｍ］．Ｏ$Ｒｅｉｌｌｙ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ，１９９８． ［２］ＡｌａｎＧｉｌｃｈｒｉｓｔ，ＢａｒｒｙＭａｈｏｎ．ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ－Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｆｏｒＰｕｒｐｏｓｅ：ＭａｎａｇｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＫｎｏｗｌｅｄｇｅＥｃｏｎｏｍｙＳｅｒｉｅｓ［ Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＦａｃｅｔＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００４．［３］ＬｏｕｉｓＲｏｓｅｎｆｅｌｄ．ＨｏｗＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＣａｎＨｅｌｐ［ＥＢ／ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｅｂｗｏｒｄ．ｃｏｍ． ［４］王国琴，郑小芳，甘利人．ＩＡ的底层信息组织与概念空间［Ｊ］．现代 图书情报技术，２００４（６）． ［５］赖茂生．关于信息构建（ＩＡ）的十个问题［Ｊ］．江西图书馆学刊， ２００４（１）． ［６］甘利人，王晓蓉．可用性测试方法在ＩＡ研究中的应用［Ｊ］．情报理论 与实践，２００４（４）． ［７］杨艳萍．网站信息构建评价［Ｊ］．初探情报理论与实践，２００４（４）． （责任编辑：沈正道） 收稿日期：２００７－１１－０８ 作者简介：梁琨（１９８１～），男，四川巴中人，西南大学计算机与信息科学学院教育技术学２００５级硕士研究生，研究方向为现代教学传媒技术；黄小 丽（１９８２～），女，江西新余人，湖北经济学院教育技术部助理实验师，研究方向为教育技术学。 １虚拟现实技术概述 虚拟现实从本质上讲是一种先进的计算接口技术，是由计算机和电子技术创建的新世界，是一个看似真实的模拟环境。 它将现实世界中存在或者不存在的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，再根据视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等因素的协同作 虚拟现实技术在教育中的应用探讨 梁 琨１，黄小丽２ （１．西南大学计算机与信息科学学院，重庆４００７１５；２．湖北经济学院教育技术部，湖北武汉４３０２０５）摘 要：虚拟现实技术是一种辅助教学手段，它改变了单一外部刺激的教学模式，有利于知识的获取与保持，能 有效地促进学生认知结构的形成和发展，使人们的认识观念、教育观念发生根本性的变化。探讨了虚拟现实技术及其在教育教学中的应用优势及其对教学产生的影响。 关键词：虚拟现实技术；教学手段；教学模式；知识获取中图分类号：Ｇ４３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－７８００（２００８）０３－００８０－０３ 技术应用 ８０
基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发 科技项目可行性报告
目录 一、项目提出的目的及意义………………………………………… 二、与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析……………… 三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析）……………… 四、该项目的技术创新点…………………………………………… 五、现有工作基础和条件…………………………………………… 六、申请的基础条件（包括主要研究成果）……………………… 七、进度安排和实施方案（包括运行机制）……………………… 八、预期成果和考核目标…………………………………………… 九、推广及应用前景………………………………………………… 十、经费概算及来源…………………………………………………十一、结论……………………………………………………………附件---虚拟现实沉浸技术实验室条件建设需求……………………
一、项目提出的目的及意义 互联网、虚拟现实和人工智能被喻为改变人类认知世界的三大信息技术。 互联网从少被社会广泛认知，到今天对社会生活的全面颠覆与渗透不过二十余年。如今互联网+已为国家战略。当互联网在我们生活中掀起一个又一个骇浪时，虚拟现实正悄然从幕后走向前台。今天虚拟现实正演绎着当年互联网对人类生活，从无足轻重到全面颠覆的革命性过程。科技以虚拟现实给人类生活再创造出一次惊喜己为期不远。虚拟现实技术与教育： “虚拟现实”（Virtual Reality，英文缩写VR）技术，利用计算机硬件+软件资源+传感器的一种集成技术，构成实时三维图形生成的技术、仿真技术、多传感交互技术以及显示技术等，生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，演练者（操作人员）根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，以及用于操纵环境中的对象，如在真实世界中一样地与该环境中的人和事物进行行为和思想等的实时交流，并产生逼真的身临其境感。虚拟现实技术不是相关技术的简单组合，而是一种创新性的综合，并且在思想方式上有质的飞跃。 虚拟现实技术对教育产生不可估量的作用，主要理由如下： 1.虚拟现实技术创建全新的教育环境 人们普遍认为，虚拟现实技术将使21世纪的教育发生质的变化。虚假现实技术支持下的教育之所以会发生质的变化，是因为虚拟教育环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。所谓虚拟教育环境，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟教育的人工环境，它可以是某一现实世界的基础或设施的真实实现，也可以是虚拟构想成的世界。在21世纪，可能兴办起依托虚拟现实技术的各种新型的学校教育，如基础教育、军事教育、各类培训教育，许多学员在虚拟环境中接受各种教育体验与训练。由虚拟现实技术所支撑的教育系统将使得人员可以在虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。与现实教育基地或设施相比，在虚拟现实技术支持下的虚拟教育环境大致有如下特征和优势： 1.1仿真性 学生通过虚拟设施训练，与在现实教学基地里同样方便。这是因为虚拟环境无论对于现实的环境或是对于想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的程度（例如可视场景应随着视点的变化而变化），甚至比真
VR虚拟现实技术在教育领域的前景展望 VR虚拟现实技术能迅速火起来，是基于它突破了人们对三维空间在时间与地域上的感知限制，以及市场需求愿景的升级。此技术可广泛地应用到城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、地质灾害、教育培训等众多领域，可提供切实可行的解决方案，从而降低成本与风险。作者蒋燕玲则看好VR虚拟现实技术在教育培训领域里的应用。众所周知，教育行业从最早单一枯燥的说教与图文教学，随后融入了视听媒体，
再到后来计算机在教育中的普及应用后复合媒体的发展，但都未能突破二维图像的界限。 什么是VR虚拟现实技术？这是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。简单地说，是以VR虚拟计算机技术为主，利用计算机一些特殊设备进行输入输出，来营造一个人体各感官都可感知如亲临其境的三维虚幻世界。 戴上VR眼镜，就可以进入虚拟现实的空间里，想去哪儿分秒间抵达，虚拟与现实只在一镜之间，这仿若科幻电影中才有的高科技，随着VR虚拟现实技术的崛起悄然间这种愿景将改变着我们的生活方式。每一次教育的变革都是由科技推动的，试想如果VR+教育会产生怎样的反应呢？下面作者就从三类教育现状进行分析。 1.学校教育 有没有发现，游戏对学生有着特别的吸引力，而印在书本上的图文与课堂上多媒体的展示，相比而言，前者明显更能吸引学生的眼球与注意力，甚至长时间专注其中，而后者学习一会儿就渐显疲态，继而分心。因为前者生动形象不断变换的场景容易吸引学生尽情投入，比起单一的印在书本上枯燥的图文和空洞的说教，或是多媒体的展示中被要求被动观看强制性的学习，远远不如进入游戏角色与场景中游弋在虚拟的世界里，明显学生的专注力在虚拟情境中更持久。
VR虚拟现实技术在教育领域前景展望 VR虚拟现实技术在教育领域前景展望 VR虚拟现实技术在教育领域的前景展望 VR虚拟现实技术能迅速火起来，是基于它突破了人们对三维空间在时间与地域上的感知限制，以及市场需求愿景的升级。此技术可广泛地应用到城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学 、水利电力、地质灾害、教育培训等众多领域，可提供切实可行的解决方案 ，从而降低成本与风险。作者蒋燕玲则看好VR虚拟现实技术在教育培训领域里的应用。众所周知，教育行业从最早单一枯燥的说教与图文教学，随后融入了视听媒体，再到后来计算机在教育中的普及应用后复合媒体的发展，但都未能突破二维图像的界限。 什么是VR虚拟现实技术？这是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。简单地说，是以VR虚拟计算机技术为主，利用计算机一些特殊设备进行输入输出，来营造一个人体各感官都可感知如亲临其境的三维虚幻世界。 戴上VR眼镜，就可以进入虚拟现实的空间里，想去哪儿分秒间抵达，虚拟与现实只在一镜之间，这仿若科幻电影中才有的高科技，随着VR虚拟现实技术的崛起悄然间这种愿景将改变着我们的生活方式。每一次教育的变革都是由科技推动的，试想如果VR+教育会产生怎样的反应呢？下面作者就从三类教育现状进行分析。
1.学校 教育 有没有发现，游戏对学生有着特别的吸引力，而印在书本上的图文与课堂上多媒体的展示，相比而言，前者明显更能吸引学生的眼球与注意力，甚至长时间专注其中，而后者学习一会儿就渐显疲态，继而分心。因为前者生动形象不断变换的场景容易吸引学生尽情投入，比起单一的印在书本上枯燥的图文和空洞的说教，或是多媒体的展示中被要求被动观看强制性的学习，远远不如进入游戏角色与场景中游弋在虚拟的世界里，明显学生的专注力在虚拟情境中更持久。 试想学校教育遇上VR虚拟现实技术，是否会产生奇妙的反应呢？学生们戴上VR眼镜，仿若进入某个课程的虚拟场景的三维环境里，进行人、物、景的多重交互，即可重现历史场景或现实中肉眼无法观察到物体的多维展示。美国一个公司开发了教育类的VR虚拟产品，3D眼镜，一支电子笔与一台特制电脑就可以实现相当逼真的场景虚拟。如学生们坐在教室里，就可通过这些虚拟设备来访问历史古迹，电脑里虚拟的场景带学生亲临现场感知每个方位的场景，甚至与历史名人面对面站立领略其风采。 在学习化学时，分子原子的跃动，一些元素氧化的整个过程全部立体展示，学生只需摇摇头，晃动下身子，都可以达到近似现实的体验它们变换的效果，既形象直观，又规避了化学实验可能带来的危险，想起来就很新奇有趣。在做生物实验时，老师可以在虚拟场景中解剖动物，拆解动物身体内部构造，甚至可来回解析几次，学生也可以虚拟方式来完成解剖过程，这种沉浸式的学习方式是不是很真实过瘾，并可节约教育成本。甚至在教育条件欠发达地区，还可弥补上教学设备匮乏的短板。
虚拟现实技术在军事上的应用 李丽荣,陆宇平,王彦民 (南京航空航天大学自动化学院,南京210016) 摘要:虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、计算机仿真技术、传感器技术、计算机视觉和人的行为学研究等多项关键技术,是一门基于多种学科发展起来的计算机领域的高新技术。本文主要介绍了虚拟现实技术在军事领域的应用以及真三维立体显示技术,表明基于虚拟现实技术的军事仿真训练系统在飞行训练、海军潜艇训练、立体三维坦克作战指挥系统、立体三维直升机训练系统、立体三维海军作战指挥系统、立体三维实战演示系统等领域具有非常广阔的应用前景。 关键词:虚拟现实;军事;真三维立体显示 The App lication of V i r tua l R ea lity Techn i que i n M ilitary A ffa i r s L iL irong,Lu Yup i n g,Wang Yanm in (College ofAuto mati o n Engi n eering,Nanji n g Un i v ersity ofAer onauti c s&Astronautics,Nan jing210016,Ch i n a) Abstr act:V irtual reality technology is a ne w multi-d isci p li n e technology in the co mputer fil e d, i n volving co mputer graph ics,multi m ed ia,artifi c ial inte lligence,m an-co mputer i n terf ace,co mputer si m ulation,co mputer vision and human engi n eer i n g.The paper presents application of the virtual rea l2 ity technol o gy f or m ilitar y aff airs and the true3D vision techn i q ue.M ilitary si m ulati o n training syste m s base on the virtua l reality technol o gy has been f ound to have very w i d e applicati o ns i n fli g ht tra i n i n g, navy submarine training,3D tank ca mpa i g n co mm and syste m,3D he licopter tra i n i n g,3D navy co m2 mand syste m and3D co mbat de monstration syste m. K ey w ord s:virtual reality;m ilitary aff a irs;true3D visi o n 国家保持强大的现代化国防和军事威慑手段的一条重要途径就是要具备现代化的训练和演练水平。现代战争科技水平越来越高,综合性越来越强,耗资越来越巨大。提高军队的训练水平成为各国急需解决的问题,但进行实战训练,耗资太大,并且受到空域和场地的限制,某些训练项目还具有很高的危险性。这些新特点都迫切要求军事仿真训练系统的新突破,通过仿真技术以低廉的成本、逼真的效果最大程度地替代实兵训练与演练。 早期军事仿真训练系统的目的是对作战人员的武器操作技能进行训练,后来发展到训练作战人员的协同作战能力与战场对抗能力,并进一步发展为进行战术联合演练、训练作战人员指挥能力及选择最佳战术和作战方案的综合平台;仿真训练的手段和设施也由原来的单武器平台发展为多武器平台,并进一步发展成为大规模远程网络支持的多兵种武器平台环境。 军事仿真训练系统主要采用虚拟现实技术、网络技术和人机交互技术等。采用虚拟现实技术可以建立三维逼真战场合成环境,可为参与训练和演练的战斗员和指挥员提供高度逼真的战场环境;网络技术可以建立一个供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境,使处于不同地理位置的用 收稿日期:20050128
新兴媒体技术在教育领域中的应用 ——虚拟现实技术 摘要: 随着信息产业的快速发展，信息技术的创新研究也越来越收到重视，而作为信息技术发展重要驱动力的虚拟现实技术，也随之成为人们关注的热点之一。作为人与计算机生成的虚拟环境进行交互作用的一种手段，人们将虚拟现实技术看作是仅次于互联网的改变世界未来的重要技术。本文简单介绍了虚拟现实技术的内涵、特征、类型以及在教育领域中的应用。 关键词:虚拟现实技术、特征、形式、教育应用 一、虚拟现实技术的内涵 虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是由计算机生成的,通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互式视景的仿真。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的高级发展和突破,使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临真实环境的感受和体验,使人机交互更加自然、和谐。 二、虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术三个最突出的特征是：交互性、沉浸感、构想性。 1.交互性。也称互动性，用户根据各种已有线索做出反应，虚拟现实系统根据用户的具体行动及时生成新的三维场景，然后将新的信息反馈给用户。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。 2.沉浸感。虚拟现实技术可以模拟出三维虚拟环境，理想的虚拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的虚拟环境中，充分利用各种感官去听、察、嗅、触，觉得自己是环境中的一部分，自然而然会产生一种沉浸于其中的强烈之感。 3.构想性。虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 三、虚拟现实技术的形式 根据用户参与形式和沉浸的程度不同，可以把各种类型的虚拟现实技术划分为以下的四种类型： 1.桌面虚拟现实系统。桌面虚拟现实系统是利用个人计算机进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实等。 2.沉浸虚拟现实系统。高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等使参与者产生一种身临其境、全心
虚拟现实技术在教育中应用的优势与挑战作者：范安琪袁玖根 来源：《发明与创新（职业教育）》 2019年第4期 范安琪袁玖根 （江西科技师范大学，江西南昌330038） 摘要：如今科技发展的越来越迅速，教育随着科技的发展也不断有新的教学媒体的出现。在多媒体技术后，虚拟现实技术(Virtual Reality）的出现无疑将对教学产生一定的影响。文 章主要探讨虚拟现实技术在教育教学中应用的优势与挑战。 关键词：虚拟现实技术；教育应用；优势与挑战 虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。 一、虚拟现实技术在教育中应用的现状 虚拟现实技术在20世纪80年代就开始应用于教育了，当时人们还对这方面的研究给予较 少的关注度。而现在世界上许多发达国家都设立了相关项目，如澳大利亚和新西兰于2009年合作成立的虚拟世界工作组和美国林登实验室的Second Life项目等。我国也有很多研究学者在 探索该技术运用于教学中的应用成果。 二、虚拟现实技术在教育应用中的优势 （一）更好地帮助学生学习知识与技能 运用虚拟现实技术可以在仿真的模拟环境中对知识和技能进行不断地巩固和重复学习训练，学习者将处于一个安全的环境中练习观察到的行为和机会，以促进学习者在高效率的环境下达 到预期的教学目标。采用情景记忆（Episodic Memory），这种包含有关生活经历的信息，如特别引人注目的教学活动。通常很难记住课堂上讨论过的学习内容，但是很容易记住教室的样子、老师的桌子的位置。在虚拟技术课堂上通过现代教育技术，创设生动、逼真的教学情境，使用 虚拟现实头戴式显示设备、手柄或传感手套等交互设备从视觉、听觉和触觉这三方面使学生如 临其境。情境记忆为学习者提供一种模式，使他们能够在此基础上掌握知识，发展能力，形成 感情并生成意义。 （二）个性化的学习环境提升学生学习兴趣 个性化学习环境的设计通过虚拟现实技术可以促进学生心流（Flow）的产生，心流是一种 精神状态的运作，在这种状态下，一个人完全沉浸在他所做的事情中，全神贯注。它包含了在 活动过程中的精神投入和持续的参与，是介于无聊和焦虑之间的理想状态。在传统课堂中很难 实现心流，但是通过虚拟现实技术却可以很好地进行相关教学设计。 游戏化学习就是采用游戏化的方式来学习，它是目前比较新颖的教学理论和教育实践。一 个人对一个事物感兴趣，他就会愿意去尝试，努力去做从而做得更好。那么把这个事物换成学习，当学习也变得有趣时，相信学习者也会学有所成。同样对比传统课堂，虚拟现实技术在这
虚拟现实技术试题（一） 1、虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。 2、虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的。 3、虚拟现实技术应该具备的三个特征:Immersion(沉浸) Interaction(交互) Imagination(想象) 4、一个典型的虚拟现实系统的组成主要由头盔显示设备\多传感器组\力反馈装置 5、从虚拟现实技术的相关概念可以看出，虚拟现实技术在人机交互方面有了很大的改进。常被称之为“基于自然的人机界面”计算机综合技术，是一个发展前景非常广阔的新技术。 6、根据虚拟现实对“沉浸性”程度和交互程度的不同，可把虚拟现实系统划分为四种典型类型沉浸式\桌面式\增强式\分布式。 7、有关虚拟现实的输入设备主要分为两类。三维位置跟踪器 8、在虚拟现实系统的输入设部分，基于自然交互设备主要有力反馈设备\数据手套\三维鼠标. 9、三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键设备之一，一般要跟踪参与对象的宽度、高度、深度、俯仰角(pitch)、转动角(yaw)和偏转角（roll）,我们称为6自由度（6DOF）。 10、空间位置跟踪技术有多种，常见的跟踪系统有机械跟踪器\电磁跟踪器\超声波跟踪器\惯性跟踪器\光学跟踪器。 11、所谓力反馈，是运用先进的技术手段将虚拟物体的空间无能运动转变成物理设备的机械运动，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面。该项技术最早应用于尖端医学和军事领域。 12、立体显示技术是虚拟现实系统的一种极为重要的支撑技术。要实现立体的显示。现已有多种方法与手段进行实现。主要有互补色\偏振光\时分式\光栅式\真三维显示 . 12、正是由于人类两眼的视差，使人的大脑能将两眼所得到的细微差别的图像进行融合，从而在大脑中产生有空间感的立体物体视觉。 13、HMD（Head_Mounted_Display）,头盔式显示器，主要组成是显示元件\ 光学系统 14、洞穴式立体显示装置（CAVE Computer Automatic Virtual Enviroment）系统是一套基于高端计算机的多面式的房间式立体投影解决方案,CAVE主要组成由高性能图形工作站\投影设备\跟踪系统\声音系统。 13、三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模技术，分别是基于物体的几何信息来描述物体模型的建模方法、涉及到物体的物理属性，行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作原理。 14、在真实感实时绘制技术中，为了提高显示的逼真度，加强真实性，常利用的方法有纹理映射\反走样 \环境映射。 15、在基于几何图形的实时绘制技术实现过程中，目前有下面几种用来降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的方法:预测计算法、脱机计算法、3D剪切法、可见消隐法、细节层次模型法。其中细节层次模型法应用较为普遍。16、为了保证虚拟环境的真实性，常需要对虚拟物体进行碰撞检测，实现方法有多种，但其中的层次包围盒法方法是碰撞检测算法中广泛使用的一种方法，它是解决碰撞检测问题复杂性的一种有效方法。 实时绘制技术\场景简化\快速消隐\纹理化对象\限时绘制\ 17、VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构
梧州学院 毕业设计（论文）任务书 课题名称基于虚拟现实技术的三维校园 漫游系统的设计与实现 系部计算机科学系 专业计算机科学与技术 班级07计本5班 学号0700608118 姓名王荣华 指导教师（签名）年月日教研室主任（签名）年月日
一、课题的内容和要求： 本课题从3D MAX的建模和渲染烘焙技术着手，采用成熟VRP-BUILDER虚拟现实编辑器模块进行二次开发来构建的三维校园漫游系统。基于3D和VRP技术的三维仿真漫游系统的开发方法，以梧州学院（北区）建立虚拟场景，实现了自动漫游、手动漫游、校园路径导航、校园景物的查看、校园信息查询、各种气候效果、各种实体的动态效果，并根据路线做了详细的碰撞检测。同时根据三维仿真漫游的特点，在自动漫游和手动漫游过程中，以现有场景为基础，通过视频、图片、音乐对虚拟现实系统做了补；给需要了解梧州学院校园地理信息的用户提供了极大方便。 二、设计的技术要求与数据（或论文主要内容）： 采用Polygon+NURBS高级建模的建模方法，各个模型采用简体模型来对整个校园建筑进行立体虚拟；用Bitmap位图+UVW Mapping坐标贴图、VRAY渲染方法还原校园的真实景象；采用Max-for-VRP导出插件将模型导入VRP-BUILDER虚拟现实编辑器模块，加入碰撞检测算法、VRP命令行脚本实现人机交互功能，保证系统的实用性；运用行走相机、动态漫游增加三维实景表现力，多角度查看学校环境；调试运行后由虚拟现实编辑器模块导出为EXE可执行文件实现系统的可移植运行。 三、设计（论文）工作起始日期： 自2011 年1 月10 日起，至2011 年4 月10 日止。 四、进度计划与应完成的工作： 1.收集资料进行需求分析时间:2011年1月 2.实时数据采集，建立三维模型时间:2011年2月初-----2011年2月底 3.运行和调试，系统设计及实现时间:2010年3月初-----2011年3月底 4.论文撰写时间:2011年4月 五、主要参考文献、资料： [1]陈珍.虚拟现实技术的教育应用初探.中小学电教.2009,7.8-9 [2]申蔚,曾文琪.虚拟现实技术（21世纪计算机科学与技术实践型教程）.北京:清华大学出版社.2009.3-20 [3]数字仿真与虚拟现实技术概述.https://www.doczj.com/doc/226013324.html,/showthread.php?t=3340700 [4]姜学智,李忠华．国内外虚拟现实技术的研究现状.辽宁工程技术大学学报.2004,23(2):238-240 [5]杨爱良等.反走样技术在计算机图形仿真中的运用.计算机仿真.2005,22(4):124-125