虚拟现实技术在艺术类实验教学中的运用

    徐睿

    

    摘要：随着计算机网络科学和多媒体应用技术的高速发展，我国高校计算机网络教学已成为现代学校必不可少的教学手段，全国很多高校已建成符合现代化教学的计算机实验室。但目前针对高校艺术类实验室教学资源紧张，仪器设备使用率较非常高，为保证更加完善的教学，将虚拟现实技术合理地运用到高校的实验室建设中已成为近几年的发展趋势。

    关键词：虚拟现实 艺术类实验教学 实验室

    引言

    近几年来，随着高校教学的深化改革，越来越多的课程需要使用计算机机房，教学中存在实验室设备不足和机器老旧的现象，严重影响实验课程的教学效果。为解决这一问题，网络虚拟实验室逐渐进入了高校的教学中，通过虚拟仿真技术对海量的信息资料进行模拟展示，再通过设备进行实践教学的虚拟操作，这样不但节省了实验室的仪器成本，而且提高了设备的使用率，明显改善教学环境。学生们通过虚拟仿真实验室不仅可以学习各种网络信息，而且还可以利用人机交互功能进行实践，增强学生们的动手能力。

    一、虚拟现实技术的概述

    虚拟现实技术virtual Realty，英文简称VR，于20世纪60年代发明的一项高新技术，它是在计算机图学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感技术等多种高科技技术基础上发展起来的，是指以计算机技术为核心，综合使用交互设备融合视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术。虚拟现实由两部分构成，“虚拟”与“现实”。虚拟指的是通过VR技术和设备模拟出来的三维空间，而并非真实的。现时指使用者进入系统里亲身的感受，仿佛身临其境的感觉，可以是听觉、视觉和触觉等。虚拟现实技术的主要特征有：交互性、想象性和沉浸感。

    虚拟现实技术目前通过设备的连接具有视觉、听觉、触觉的感应，它的主要目标就是真实的体验和方便自然的人机交互。虚拟现实，就是利用电脑模拟产生一个三维虚拟世界，通过设备的连接提供使用者视觉、听觉、触觉等感官模拟，让使用者有身临其境之感。今后还将延伸到味觉、嗅觉等感官体验，给使用者带来全新的体验。虚拟现实的感官模拟功能对提高实验类课程的教学质量有着重要作用，它可将传统实验课无缝移植到三维网络教学平台开展教学活动。

    二、虚拟现实实验室的优点

    将虚拟现实技术运用到实验室中，改变了以往对实验室的观念。虚拟实验室可以通过互动的、分布的、高效率的解决教学环境所需的平台，非常合理有效地利用各种数据资源。在计算机网络虚拟系统的全新研究和设计方法中，学生可以通过亲身体验去总结获得一种新的学习模式，从被动的教师讲授式学习转换为自主创新式的主动学习。它的主要优点是节省了实验室仪器设备的经费，打破了时间和空间上的约束，简化了整个实验的过程，给实验教学提供了更新的技术支持。

    （一）利用VR技术对各种物体进行模拟探索，以及各种场景环境和物体之间实验效果的展现。这一技术不仅可以制作出各种室外的自然风光和风景名胜，还可以虚拟物理、化学等实物实验操作过程。学生可以通过网络技术门不出户地搜索到自己所需的空间，独立地通过电脑鼠标键盘来完成各种实验的操作。在这个过程中掌握相关的信息技术，同时满足对不同学科知识的学习，减少对仪器设备的依靠，同样对实验的过程具有一定的认知了解，大大降低了实验的教学成本。

    （二）提高了工作效率，经过计算机虚拟过程的操作可以快速得到相应的数据结果，省去了实验室中对仪器的准备工作。实验实践教学，发挥学生的主观能动性。针对高校学生的教学，虚拟现实可以利用仿真技术在实验室中构建虚拟的网络教学平台，再进行交互式的学习，充分发挥学生的自主动手能力改变原有传统的教学模式，它可以帮助学生们学习到更多的专业类技术。同时遇到问题时，可以采用远程互动的功能，在同一个虚拟环境下共同完成人机交互的科研研究。通过这个技术，实现了多人同时参与同一项目，完善了设计师与作品之间的互动性。

    （三）利用虚拟技术可以更有效地改善实验教学场地，学生不需要赶到实验现场，只要通过模拟装置在虚拟的空间对整个实验过程进行操作，减少了以往实验过程中出现的各种危险操作，同样具有身临其境的感受，实现人机交互的亲身体验。同时每个学生根据各自的需求独立地完成各种实训，给高校的教师和学生带来了全新的体验。

    三、虚拟现实技术在高校艺术类实验室的运用

    高校艺术设计专业学生实践教学中存在机房使用率高，教学任务量大，以及对新型设备的不断更新，实验教学场地十分有限，因此我校尽早建立虚拟现实实验室是十分有必要的。利用虚拟现实技术通过连接计算机方便学生随时随地进行实验操作，不需要更多的仪器设备，满足新设备实践的需求。

    虚拟现实实验室的构建是硬件和软件的有机结合。艺术类虚拟现实实验室的建设对计算机的配置要求较高，对电脑的硬件和软件都有一定的要求，目前主要采用的是图形工作站，在图形工作站里进行三维软件建模、灯光和动画效果等，然后通过传感器的集成技术，连接相应的仪器设备形成虚拟与现实交互的全新体验。我们可以安装各种虚拟软件，构建虚拟软件机房为学生提供自主学习的实验教学基地，通过虚拟演示操作的过程实现对软件技术的学习，常用的建模软件有：3Dsmax、Maya、Softimage、Flash、Vrml等。

    （一）动作捕捉仪实验室

    针对艺术类学生对虚拟现实实验室的使用，展现更为加多元化，它通过三维动态的画面对所要表现的设计方案进行全方位展示，同时实现人机交互的设计。我们在影视制作中，工作站通过连接动作捕捉仪系统，形成虚拟空间与现实人物的结合，它的工作原理是现实中人物的动作呈现在三维模拟形象的身上，更好地让使用者参与到实践体验过程中。我国很多影视作品中采用的动作捕捉系统，它有一套专用的设备穿戴在身上，根据运动物体的关键部位（如人体的关节处等）标记出点，多个动作捕捉相机从不同角度实时探测出标记的点，再根据实时数据处理传输到工作站中，使虚拟的物体与现实有机地呈现在观众面前。动作捕捉仪能够根据视觉的图形、图形、动画、文字和听觉的语言、音乐等与用户交互，带有一定的趣味性，能积极地鼓励用户的参与感（图1）。

    （二）VR遥控器实验室

    在游戏设计中，虚拟现实技术也起到了至关重要的作用，它推动了游戏产业的进步。在实验室中我们可以工作站连接相应的感应器，充分体验游戏的沉浸感。在三维游戏中选择扮演不同的角色，不同的场景与经历，它体现的不仅仅是娱乐，更是一种参与感与沉浸感。在虚拟的世界里奔跑、跳躍、滑雪、跳绳等各种动作。虚拟现实借助于各种高端的仪器设备，可以给人类呈现出更多完美的体验，包括在艺术设计作品的展览方面，也经常用到相关的技术。它能让观众更加主动地获取创作者所要表达的信息（图2）。

    （三）VR头盔显示器实验室

    目前各种艺术文化展览中，参与者佩戴高分辨路的头盔显示器在虚拟环境中进行观摩体验。头盔显示器根据两个眼睛的移动方向焦距的改变来进行运动，再发送到跟踪器上，数据反馈到工作站从而显示在屏幕中。基于艺术虚拟实验室的建设，头盔显示器连接发射区，在工作站中可以模拟景观设计、实景地图、旅游景点等，用户通过自身的感受沉浸在其中。它的特点是在三维虚拟的空间中，个人根据不同的路径选择游览整个中间，充分展现了虚拟现实互动的展示效果。2010年上海世博会中数字化展馆就运用了虚拟现实的表现方式，让参观者从现实走进虚拟，体验空间互动感（图3）。

    随着虚拟现实技术的不断发展，未来虚拟现实实验室的应用将会无处不在，无所不能，不受时间地域的影响。它的应用面会非常广泛，还将应用到教学的各个领域，给我们提供更多的教学方法和更好的展现效果。