虛擬現實技術及其應用
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虛擬現實技術及其應用范文第1篇
前言
隨著科學技術的迅猛發展，我們進入到了一個信息和技術多元化的時代，對于21世紀來說，在科學技術界，最具有發展潛力的計算機應用技術要堪稱網絡技術、多媒體技術以及本文中要探究的虛擬現實技術。虛擬現實（Virtual Reality），其英文簡稱為VR，最早是在1989年由美國VPL公司創造的一個新詞。虛擬現實技術主要是利用計算機生成的虛擬環境進行仿真和交互，因此在當今社會，人們對虛擬現實技術給予了高度的重視，并把其成為改變世界未來的重要技術，其地位僅次于互聯網技術。近年來隨著人們對虛擬現實技術的深入研究，其已經被廣泛應用到多種領域，如教育、軍事、建筑設計漫游、醫療以及產品設計等，并且為這些行業的發展帶來了豐厚的經濟效益和社會效益。
對于虛擬現實技術在虛擬校園中的應用也是近幾年來的一個研究熱點。眾所周知，校園文化、學習氛圍對教育的巨大影響及其作用。老師、同學、學友，教室、課堂，實驗樓等等，校園的一草一木，每一次活動無不潛移默化地影響著我們每一個人，伴隨我們健康、快樂的成長。從某種程度上來說，我們從校園中得到的收益遠遠超出書本所給予我們的。因此在網絡技術的發展推動下，利用虛擬現實技術仿真我們的校園環境是社會發展一大亮點。
一、虛擬現實技術
（一）虛擬現實技術概述
虛擬現實技術（Virtual Reality）是一種綜合性的技術，在計算機領域來說，虛擬現實技術稱得上是一項新技術，它是建立在多種科學技術的基礎上，例如計算機圖形技術、網絡技術、多媒體技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、微電子技術、人機交互技術以及仿真技術等多種技術，同時虛擬現實技術也包綜合運用了如光學、數學、力學、機構運動學等各種學科。在虛擬現實技術的實際應用中，人們是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，從而為使用者提供關于觸覺、視覺、聽覺等多種感官的模擬，讓使用者產生如同身歷其境一般的感覺，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。因此虛擬現實技術的興起，不僅為智能工程的發展提供了新的界面工具，加強了人機交互界面的發展速度，同時還提供了新的描述方法用于各類工程的大規模數據可視化方面。總的說來虛擬實現技術不僅已經對人們的生活產生極大影響，還是21世紀重要的發展學科。
（二）虛擬現實技術的三個主要特征
1.浸沒感（Immersion）
浸沒感又可以稱為臨場感，它是指當使用者身處在模擬環境中時，用戶有一種主人翁的感覺，有真實的存在性。真正理想的虛擬環境，應該達到使用者無法分辨現實與虛擬的目標，用戶在虛擬環境中不會有雜亂的思想，而能夠全身心的投入到計算機技術創建的虛擬世界中去，要讓使用者感覺到周圍的一切都是真實的，要保證虛擬環境中所聽到的、看到的、聞到的以及嘗到的都感覺起來和真的一樣，不會出現與現實生活中的差別。
2.交互性（Interactivity）
交互性是指使用者身處模擬環境時，其對環境內物體的可操作程度以及觸摸這些物體時得到的自然反應程度。例如，當使用者去品嘗模擬環境中的虛擬飯菜時，鼻子可以聞到飯菜的香味，嘴巴可以品嘗到飯菜的味道。當使用者用手去直接抓模擬環境中虛擬的物體時，手會產生卻是有握著東西的感覺，并且還可以明顯感覺處物體的重量，當使用者手握東西而在空中移動時，被抓的物體也能立刻隨之移動。
3.想象力（Imagination）
虛擬現實技術依據計算機三維建模技術，不僅可以真實再現我們生活中的場景，還可以具有廣闊的可想象空間，能夠不斷拓寬人類的認知范圍，可以隨人們的意愿而構造出客觀不存在環境，甚至是一些現實生活中根本不可能發生的環境，也就是說虛擬現實技術具有較強的想象力。
二、虛擬校園
虛擬現實技術利用計算機生成的三維空間，為人們建造一種虛擬環境，提供人與計算機進行交互的機會，這對于世界的未來發展來說，虛擬現實技術必然會給社會帶來重大變革。隨著虛擬現實技術被廣泛應用于各個領域，極大改變了人們以前的慣，近年來將虛擬現實技術應用在虛擬校園中更是受到眾多人的青睞，尤其是虛擬校園在現在很多高校的使用，例如北京大學、浙江大學、西北大學、上海交通大學、中國人民大學、西南交通大學等高校，都采用VR技術建設了虛擬校園，利用虛擬現實技術已經成為高校發展的一種趨勢。
（一）虛擬校園概述
隨著我國教育體制的不斷改革，我國各大學校紛紛進行調整，尤其是當前的各大高校，出現了多校區模式，而這種模式會給學校的日常管理與規劃帶來很多的不便，再加上我國加大對高校的建設力度，高校的規模也在不斷擴大，這導致其發展建設任務非常巨大，高校的管理迫切需要現代化。隨著信息時代的到來，我們可以利用計算機網絡技術、虛擬現實技術和三維地理信息系統技術在計算機網絡上建構虛擬校園，以三維可視化的界面和虛擬現實場景界面使得虛擬校園中的各種設施和服務都是給人一種身臨其境的感覺，從而對學校的教學、管理、科研以及生活服務等有關信息資源進行統一整合和集成，從而建立一個統一用戶管理、統一權限控制和統一資源管理的現代化校園。這種超越時間、超越空間的虛擬校園可以極大提高高校校園的管理水平，同時這種虛擬現實技術還可以極大促進遠程教育的發展，最終為數字大學的建設奠定良好的基礎。
（二）虛擬校園建設方案
1.三維場景建模
三維場景建模就是指依靠計算機，將真實環境中的主要建筑物，例如建筑物、路燈、人工湖模型、樹木、規劃綠地等都按照物體的實際尺寸構成一個虛擬環境。常用的三維場景建模軟件有3DS MAX、Auto CAD、Pro/E、Solid Edge、Solid Works等。其中3DS MAX 是一種非常優秀的三維動畫造型軟件，目前被廣泛用于建筑、游戲、廣告等多個領域;Auto CAD是一個功能齊全、應用廣泛的圖形軟件包。一方面它具有豐富的繪圖和繪圖輔助功能，而且操作簡單，可視化強，另一方面Auto CAD不僅能夠熟練處理二維繪圖，其三維空間內的建模和渲染功能也日益完善。
2.實時漫游系統設計
實時漫游系統設計就是要對三維場景中實時漫游控制，這個實現過程主要是利用視景開發庫和程序開發語言來完成的。在實時漫游時，我們可以借助虛擬現實建模語言（VRML語言）并結合Java語言、或通過Vega、Virtools等實現。其中虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）是虛擬現實技術、Internet技術和多媒體技術這三種新技術的綜合點。虛擬現實建模語言主要由Vega庫和Lynx圖形化用戶接口組成，是一種可以開發的平臺。在運用過程中時，通過Lynx的圖形界面我們可以建立實時驅動中所必需的對象，例如：通道、場景、窗口等，還可以設定我們實時驅動時的對象初始化參數以及它們之間的相互關系。在程序運行過程中，我們可以利用Vega類函數來實現計算機與用戶交互中的選擇功能以及其他方面的特殊要求等。Virtools軟件的功能非常多，而且很強大，首先其是一套整合軟件，可以將現有常用的檔案格式例如2D圖形或是音效、3D的模型等板塊整合在一起;其次Virtools含有豐富的互動行為模塊，可以對3D環境實現虛擬實景進行編輯，從而可以根據需要制作出許多具有不同用途的3D產品，例如我們常見的網際網絡、建筑設計、教育訓練、計算機游戲、交互式電視等。
三、結語
綜上所述，如今虛擬現實技術依靠其巨大優勢受到了我們人類的廣泛認可與高度評價，在未來的發展中，虛擬現實技術還將會繼續影響我們的生活，改變我們的思維方式，讓我們對自己喜歡的現實生活場景可以長久的保留下來，并可以主動參與其中去構建心中所想的事物。因此虛擬現實技術必然會成為改變未來社會發展的一大科學技術。
參考文獻
[1]張志安.基于VR技術的虛擬校園系統的設計與實現[J].光子學報.2011（05）.
虛擬現實技術及其應用范文第2篇
關鍵詞 教育信息化；虛擬現實；教學方法；電氣類課程
中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2013）27-0038-02
在教育信息化大背景下，為了達到應用現代化的信息資源與技術手段來提高人才培養質量的目的，許多高校努力探究各種教學改革途徑，進而產生出許多以教育信息化為指導的教學方法，最有代表性的有多媒體技術的應用、互聯網資源共享平臺的應用、構建主義學習理論在教學中的應用等，但這些都沒有克服電氣類課程專業性強、理論抽象、教學與現實相分離等特點給課堂教學帶來的困難，如教學過程不夠靈活、不夠生動形象，學生學習興趣不夠強烈，理論無法聯系實際等。建構主義認為“情境”的體驗對學習者構建知識是非常必要的，而傳統教學很難或者根本無法提供給學生這種真實的“情境”[1]。虛擬現實技術恰恰可以提供這種“情境”。
將虛擬現實技術應用于高校電氣類課堂教學中，能夠形象生動地表現教學內容，有效營造一個能夠跟隨技術發展的教學環境，提高學生掌握知識技能的效率，實現課堂教學的情景化、興趣化，達到優化教學過程、提高教學質量的目的。
1 虛擬現實技術
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），原來是美國軍方開發出來的一項計算機技術，主要用于軍事上的仿真[2]，直到20世紀80年代末才作為一個較完整的體系被正式提出，90年代后其內容逐步成熟與發展。目前已在許多領域得到廣泛應用，如機械、化工、醫藥、軍事、汽車等領域，主要用于模擬現實生產過程、動作原理等，幫助相關人員進一步了解其工作原理，進而對系統做出優化設計，達到節約成本、提高工作效率的目的。
虛擬現實技術充分利用計算機硬件與軟件資源的集成技術，提供一種實時的、三維的虛擬環境，這個虛擬世界是人工建造的，存在于計算機內部[3]。在這個虛擬環境中，能實時產生與真實環境相同的感覺，人們可以直接觀察虛擬環境中物體的變化，并與虛擬環境中的物體之間進行自然的交互，這也就大大改進了人機交互的效果，同時體現了人機交互的一個發展要求。
虛擬現實技術的主要特征可概括為：1）實時交互性，即參與者可以對模擬環境進行一定程度的考察與操作；2）多感知性，即對于參與者的各種操作，虛擬系統可以產生相應的反應，供參與者觀察或感知；3）存在感，指參與者感到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度；4）自主性，指虛擬環境中物質動作的程度服從于自然規律或者遵循設計者想象的規律。這些特點總體上體現了虛擬現實技術能夠真實地模擬現實情境的獨特優越性，也是其得到快速推廣應用的主要原因。
虛擬現實技術是多媒體技術發展的高級階段，其人機交互方式得到重大改進，即人可以進入由計算機生成的虛擬環境中，與虛擬環境中的物體、事件進行交互作用，這種變革對使用者產生的影響是深遠的。21世紀將是虛擬現實技術廣泛應用的時代，教育教學領域應充分利用虛擬現實技術的優越性，為提高教學質量與效率服務。
2 傳統教學模式分析
創新人才的培養離不開教育的創新，除了教育觀念創新和教學內容創新外，還包括教學方法、手段與模式的創新。隨著信息技術、計算機技術以及教育教學理論的不斷發展，在傳統教育模式的基礎上，不斷涌現出多種現代化的教學模式。1）傳統教學模式：形式死板，不足以激發學習興趣，陳述知識面窄，授課效率低，理論不能聯系實際。2）多媒體教學模式：文字表述過多，知識呈現抽象，不足以激發學習興趣，授課普遍稍快，不利于消化，理論不能聯系實際。3）網絡教學模式：涉及知識面廣，呈現形式多樣化；對學生自主學習性要求較高，缺少教師指導，學習積極性不高；學習效率低、理論不能很好地聯系實際。4）構建主義教學模式：是一種基于“情境”體驗的知識構建的學習方法，而現實教學中很難提供這種真實的“情境”。5）基于虛擬現實技術的教學模式：脫開文字與靜態原理圖，動態地呈現整個工作過程，視覺感受強烈，有助于抽象知識的理解，激發學習興趣。
可見，相比于傳統教學模式，現代化的教學方式在內容、形式、手段上有了很大的突破，克服了傳統教學的一些弊端，但普遍存在一個問題就是不能夠提供一個“真實情境”來幫助學生進一步理解問題，理論難以聯系實際。同時也帶來另外一些問題，如對學生自主學習性要求較高，對教學條件的依賴性強等。虛擬現實技術正好能夠解決“真實情境”的問題，同時由于在教師的指導下學習，便于管理學生，學習效率高，教學成本低。
3 虛擬現實技術在教學中的應用
電氣類課程課堂教學過程中，尤其需要改變傳統的教育觀念，摒棄那種“滿堂灌”的教育觀，給學生創造一個生動、有效的自主學習環境，才有助于理解抽象的理論性和專業性強的知識，進一步提高掌握實際技能的效率。這在很大程度上離不開技術的支持，而虛擬現實技術則可以滿足這種需求，為學生提供很好的自主學習環境?？梢哉f虛擬現實技術給教育領域注入新的生機和活力，由于它的諸多特點，為教育界開展教育創新提供了有益的幫助。
鑒于電氣類專業的實際教學情況與自身的教學感受，結合學生對于傳統課堂教學模式的反應，總結出目前急需進行教學改革的兩個基本問題：1）對于理論性強的課程，文字表述過于繁瑣且不利于理解，所配靜態插圖（原理圖）不能說明整個動態的工作工程，不夠形象直觀；2）試驗設備有限且較為單一化，大多數為驗證性實驗，對于理論知識的實際應用接觸較少。上述問題也是目前普通高等院校工科類專業教學中普遍存在的，因而虛擬現實技術的應用將是非常必要的。下面以電氣控制與PLC教學為例，說明具體的應用方法。
3.1 虛擬動畫演示
針對課堂教學內容的抽象性，可以利用虛擬現實技術制作模擬動畫，實現對重點內容的工作原理、工作過程甚至整個系統的動作過程的動態模擬。相比于單一的文字陳述與靜態的工作原理框圖，模擬動畫具有繽紛清晰的動態畫面，人機交互的動態參數修改操作的特點，它能夠幫助學生進一步理解某一內容或系統的工作原理、性能特點，進而牢固掌握所涉及的知識。此外，這種脫離單一文字的動態畫面式教學模式還有助于激發學生的學習興趣，樹立良好的整體學風。在實際教學過程中這種虛擬動畫可以重復播放、不斷改進，達到節約成本、多次使用、輕松教學的效果。此方法在電氣控制與PLC課程教學中已有使用，教學效果良好。圖1為干簧式水位開關工作原理動畫演示過程截圖。
3.2 虛擬實驗系統的建立
在電氣類人才培養過程中，實驗實訓設備多少與先進程度很大程度上決定了人才培養的質量。在實驗設備有限的情況下，可以建立虛擬實驗系統，來模擬真實的實驗室環境與設備，供學生操作與使用。這種虛擬實驗系統的建立有幾大優點。首先，能夠代替實際的實驗設備，節約教學成本。其次，它完全存在于計算機中，可以方便地使用，不必受時間空間的限制，能夠更好地理論聯系實際，加強對所學知識的及時消化。如在講授完理論知識需要配合實驗時，教師可以在課堂上進行虛擬實驗，達到一個現場鞏固知識的目的。再次，虛擬實驗系統的建立還具有豐富實驗資源、簡化實驗管理、全面向學生開放等特點。
電氣控制與PLC課程教學中，PLC的編程思想是靠大量的實驗項目訓練出來的，在實驗資源較少的情況下，建立虛擬實驗室供學生練習是非常必要的。虛擬實驗其近乎真實的實驗環境比純粹的軟件仿真更為真實，便于學生理解。圖2為混合溶液PLC自動控制虛擬實驗界面。
4 總結
隨著信息時代的到來，虛擬現實技術具有廣闊的應用前景，特別是在教育領域中的應用更是處于起步階段，具有較大的挖掘潛力。本文初步探究了虛擬現實技術在獨立院校電氣類課程教學改革中的應用，以電氣控制與PLC課程為例，提出幾點具體的應用措施，其方法也在實踐教學過程中初步實施，取得良好的效果。但由于所掌握的技術的不成熟與實際條件的限制，所提出的方案沒有得到全方位的開發，所取得的效果不是非常突出，還需要以后進一步的研究與完善。
參考文獻
[1]李建華.基于構建主義的教育模式探究與實踐[J].西南民族大學學報：人文社科版，2005（10）：351-354.
[2]鄒湘軍，孫健，何漢武等.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報，2004（9）：1905-1909.
虛擬現實技術及其應用范文第3篇
關鍵詞： 虛擬現實技術；汽修；信息化
中圖分類號： G712 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2017）02-0089-04
隨著網絡通信和互聯網技術的日益普及，高等職業教育信息化也成為發展的必然趨勢，越來越多新興的信息化教學手段應用于高職教育。目前，信息化教育模式有以多媒體為媒介的幻燈片、視頻、語音等傳統視聽教學系統，有以網絡通信為主的遠程面對面授課系統，有以互聯網技術為主的在線網絡課堂教學模式，有以新興的移動互聯網為主的掌上課堂教學模式，也有以虛擬仿真技術模擬現實教學系統等等。當前的信息化教育模式已由傳統的音響媒介階段向網絡信息化、通訊多元化、媒體多元化方向轉變，因此，新興的信息化教學模式應用于高職汽修專業也成為必然要求?；谥悄芙K端設備的迅猛發展，起源于上世紀八、九十年代的虛擬現實（VR）技術也在教育領域有了廣泛的應用，并逐漸在汽車維修專業教學中開始使用[1]。
所謂的虛擬現實技術是指采用計算機圖形技術、仿真技術、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術等生成一種模擬真實世界中人類主觀構造的環境以及可見和不可見的環境，用戶借助特殊的輸入輸出設備，與虛擬世界中的物體進行自然的交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。
一、傳統汽修教學存在的問題
1. 實訓設備費用高昂，校方難以及時更新
隨著科技的飛速發展，汽車行業日新月異，各種發動機電控系統、底盤控制系統新技術層出不窮，汽車維修專業設備儀器費用昂貴且更新較快，動輒幾萬甚至幾十萬的實訓設備，學校一次采購以后往往要使用十幾年甚至幾十年，因此會出現學校培養與社會需求專業人才技能脫節的現象，所以要求學校層面要對更新實訓儀器有足夠的經費支撐，而目前所有高職院校所面臨的狀況是教育經費投入的不足[2]。
2. 實訓場地受限，多種汽修設備無法安裝
基于汽修專業的特殊性，實訓教學中往往需要購置體積較為龐大的儀器如車架大梁校正儀、整車涂裝室等專業設備，這會使原本就緊張的教學用房雪上加霜，導致許多實訓項目無法進行，或者只能由教師進行視頻播放教學，這與高職院校汽修專業工學結合、理實一體的教學模式發展趨勢相背離。
3. 實訓設備操作不熟練，可能造成設備損壞或導致危險
學生實訓過程中，由于都是初次接觸操作，容易發生安全事故或損壞實訓設備，導致學校在安全保障和設備維護方面加大經費投入。同時，基于學生和設備安全方面的考慮，老師會對某些實訓項目進行簡化或干脆取消，導致正常的實教學產生較大的局限性。
4. 汽修專業部分課程講授局限性較大
基于實訓設備的局限性，部分課程如汽車自動變速器的換檔液壓控制過程、液力變矩器工作原理、發動機各傳感器內部的工作原理、汽車電氣系統工作過程等知識點難以用傳統教學方法如PPT、視頻演示等講授清楚，學生很難獲得感官上的認知，難以掌握抽象的原理性知識。
5. 傳統教學方式較為枯燥
傳統的汽車維修教學方法，理論講授基本都是“填鴨式”教學，內容枯燥乏味，缺乏與學生的互動性，實訓講授也受場地、設備等條件所限往往“空講”、“演示”居多，動手偏少，教師缺乏對學生的吸引力，學生缺乏上課的趣味性，經常出現教師講課與學生聽講不在同一頻道上，玩手機、睡覺現象增多，課堂管理困難[3]。
二、汽修專業虛擬仿真教學的特點
1.直觀性：能夠直觀、立體的觀察汽車零部件的工作原理，能夠全方位了解汽車修理的操作步驟、工藝以及故障診斷流程。
2.全面性：可以完成傳統實訓設備無法完成的試驗，可以模擬汽車在各種工況下可能出現的故障，因而可以了解汽修過程中遇到的各種疑難雜癥。
3.交互性：基于VR的特點，可以通過外部操作設備如鼠標、鍵盤等完成虛擬汽車整車的拆裝與維修工作。
4.安全性：利用操作設備進行模擬操作，避免了實訓過程中的安全隱患。
5.趣味性：實現學生身臨其境的感覺，互動性增強，最大限度激發學習者興趣。
6.經濟性：虛擬設備取代實訓臺架，大大節約教育經費。
7.便捷性：可以利用互聯網進行資料查詢、數據參數的實時反饋。
三、虛擬現實技術在汽修專業教學中的應用
1. 在汽車維修專業理論授課中的應用
傳統的授課方法中，教師僅僅利用多媒體及實訓臺架進行知識講授，這種方式有較大的局限性，比如發動機內部的構造及工作原理無法動態展示，尤其是汽車電子方面的工作原理、電控系統的控制流程等知識更加晦澀難懂?？梢岳锰摂M現實技術通過計算機創建一個虛擬存在但與現實工作情境完全一致的模型，通過人機交互操作了解和學習汽車各零部件的工作過程[4]。
我們以自動變速器的工作過程為例說明VR在理論授課中的應用。液力變矩器中泵輪、導輪、渦輪三者的相互作用，液壓油的流向以及變矩的過程是僅僅依靠演示文稿與視頻講解比較困難，此時可以通過VR軟件創建一個液力變矩器模型，學生可以從各種角度觀察三元件的結構形式及液壓油渦流、環流的形成過程，同時又可以將扭矩的增大過程淺顯易懂地表達出來。同樣，行星齒輪機構、濕式多片離合器也可通過VR展示其內部的結構、工作過程。通過VR的增強展示，學生會對本知識點有多方位的感官認知，理解更加透徹，大大提升了學習效率。
此外，利用虛擬仿真授課的過程中，VR軟件能對學生的操作流程進行跟蹤記錄，教師會有針對性的對學生易犯錯的地方進行教學指導，并有針對性的提出教學改進方案，這樣使得理論教學更有目的性。同時，VR軟件的使用也給教師在課堂管理、學生平時表現的記錄上提供了一種簡單便捷的途徑。
2. 在汽車維修專業實訓授課中的應用
汽修專業中的實訓授課是教學工作的重中之重，VR軟件在實訓教學中可以替代昂貴的實訓設備，也可以完成不方便操作的實訓項目，節約了時間和經費。下面介紹幾種典型的汽修相關實訓課程中的VR應用案例。
（1）汽車維護保養中的應用
利用VR技術開發一款軟件，其中軟件包含發動機維護、底盤維護、車身維護以及電氣設備維護四大模塊總成，同時含有工單考評和資料查詢功能。學生可以通過軟件選擇任意一個總成進行維護實訓的虛擬操作，比如對發動機更換機油和三濾、進行車輛輪胎動平衡試驗等，完成操作后填寫電子工單，軟件對操作過的項目進行時間記錄并對過程進行考評，對該項目的操作熟練程度和流程準確性及時反饋，方便學生及時糾錯。通過資料查詢功能，使學生對不熟練或者不會的維護項目及時查閱或觀看視頻，反復進行操作直至掌握該項目的維護流程[5]。
（2）駕駛培訓中的應用
模擬駕駛實習的核心是要和真車的駕駛感一致，相比傳統駕駛模擬器的顯示器式交互模式，VR頭顯式模擬器具有更好的沉浸感，而且駕駛訓練不受時間、天氣等外界因素的影響，目前已有駕校引入基于VR的駕駛模擬器并投入使用，并取得良好的教學效果。VR的應用亦可推廣到高校汽修專業的駕駛實習中，使用過程中通過對VR軟件的設置，視頻顯示系統模擬天氣、光線、行人、路面等不同路況，但油門、剎車、離合器、方向盤、檔位操作、燈光儀表操作等均與實車一致，這樣營造一種真實的實車訓練情境。VR的使用不僅降低了學校駕駛培訓的費用投入、降低了能源消耗、避免了環境污染，而且可以節約培訓學時，提高學生駕駛的熟練程度。可以預測，未來VR技術的應用甚至可以取代實車考試，完全顛覆了學校中的駕駛實習考試模式，這也大大節約了學校車輛購置的費用。
（3）汽車綜合故障診斷中的應用
利用VR軟件進行汽車故障虛擬設定，從而進行綜合故障診斷教學與考核也是虛擬現實在汽車維修上的重要應用方式之一。例如講授“汽車發動機起動困難故障診斷排除”這一知識點時，利用開發的VR軟件模擬整車的起動工況，并設置故障點，通過穿戴設備了解并掌握發動機起動過程中油路、氣路、電路、點火等各系統的工作過程，分析各環節對于起動過程的影響，并通過虛擬軟件記錄預判的故障點，這樣可以強化知R的預習過程，然后配合教師的多媒體講解及分析，進一步加深學生對于知識點的掌握程度。實訓過程中教師可以操作軟件設置任意故障如切斷油路、拔掉空氣流量計、起動機不轉等，學生通過之前的預習以及聽課過程能獨立操作軟件完成故障的排除，實現發動機虛擬狀態下正常起動。
以上僅僅為VR技術在故障診斷應用中的一例，諸如發動機不良、變速器故障、制動失效、轉向不靈等故障診斷中亦可以使用以上方法完成理論和實訓教學過程。通過以上學習方法，學生可以反復練習，并可進行一些探索性操作，從而熟練掌握維修技能，提高學生的創造力，同時，在虛擬操作過程中可以避免整車維修的危險性和拆裝過程中的無效操作，將有效的課堂學時用在汽車故障診斷排除這一教學核心上。
（4）汽車試驗中的應用
VR技術軟件能完成汽車道路試驗、碰撞試驗、側滑及轉向試驗、動力及底盤性能試驗等各種工況的模擬，學生在軟件中選定汽車模型，輸入試驗所需的各種可變參數如車重、軸距、車輪定位參數等，配合人機交互及穿戴設備模擬整車的試驗工況，計算機根據各參數計算分析整車的動力學與運動學等方面的性能，并將試驗結果反饋到輸出設備，給出駕駛者直接的感官體驗，讓學生對于汽車的各種性能有立體化的感受。同時，對汽車試驗各參數進行修正，進行重復性操作，可以針對不同的試驗參數評價不同工況下汽車的性能，最終獲得汽車在何種參數及工況下性能最佳，有效降低了試驗損耗。
四、虛擬現實技術教學存在的問題
1. VR技術本身的不足
VR技術終歸是關于計算機和人之間的通信互聯技術，只能對教學活動起到輔助作用，不能完全取代傳統的教學方式，模擬情境與真實情境之間總是存在一定的差異，例如VR技術無法提供汽修過程中的拆裝手感、駕駛學習中的路面對汽車的沖擊晃動感覺，嗅覺、聽覺、觸覺經驗在汽修中所起的作用也是VR技術無法實現的。另外，虛擬操作雖然可以避免安全事故發生，但無法培養學生操作過程中的“安全手感”，不能讓學生養成遵守操作規范的習慣，不利于未來職業素質的養成。因此，要正確處理虛擬教學與真實教學的關系，以傳統教學方式為主，輔以現代的科技手段，讓汽修專業教學達到事半功倍的效果[6]。
2. 對汽修專業教師要求更高
VR技術是一種更高層次的多媒體技術，因此對汽修專業課老師的計算機水平有著較高的要求，而目前多數高職院校的現狀是有汽修經驗的老教師教學信息化水平較低，而新引進的青年教師實訓經驗又不足，因此需要建立“以老帶新”、“新老幫扶”，并輔以新多媒體技術軟件開發及應用的職業技能培訓體系。VR技術走進課堂更是對傳統教學方式的一種“顛覆”，而“一只粉筆一本書”的教學方法已在高校教師中根深蒂固，突然變革教學方式，如何讓教師接受并平穩過渡也是教學改革的問題之一。
3. 學生自主學習空間過大，課堂管理難度加大
基于穿戴設備的使用方式和局限性特點，授課方式往往以學生探索性自主學習為主，教師只能起到輔助作用，但由于學生對于新知識的無認知性，導致其在自主學習時有較大的盲目性，容易與授課重點相背離，學習效果也大打折扣。另外，高職學生的自控能力較差，面對較為新潮的教學設備和教學方式，容易出現關注點不在學習而在新奇事物上，影響學習效率。而且學生不是在教師視線下學習，教師無法及時制止學生精力不集中或做與上課無關的事[7]。
4. 設備購置及后期維護問題
前期購置VR教學設備費用較為昂貴，一套沉浸式VR裝置包括計算機、工作站、穿戴設備等大概需要30萬元，目前高職院校辦學經費普遍較低，無力承擔多套實訓設備的購置費用，而且后續的升級、維護工作也需要大量的經費支持。目前普遍存在高校對設備管理維護不到位導致部分教學工作無法開展，實訓設備利用率低的問題，投入大量資金購買的VR設備如何能保證持續有效地投入到課堂當中，也是提高教學質量的問題之一。
五、結語
虛擬現實技術雖然在教育方面的應用處于起步階段，但是在高校教育尤其是汽修實訓教學中體現出的優勢較為明顯，解決了傳統教學中遇到的教學資源緊張、安全性等難題，有利于提高學生的創新性以及團隊協助能力，將枯燥的實車維修實訓變為互動、啟發、探索學習型實訓，使計算機變成實訓臺架，互聯網變成實訓室，完成傳統教學方式的轉型升級。同時，虛擬技術的特點也決定了其存在缺陷，因此需要將傳統教學方式與之相結合，使兩者相輔相成。在未來的高校汽修專業教學中，信息化手段多樣化成為必然趨勢，VR技術作為信息化手段之一，它的應用前景也將非常廣闊。
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虛擬現實技術及其應用范文第4篇
摘要：隨著制造業規模化、自動化及復雜化程度的加深，虛擬制造技術應運而生，它是現代科學技術與生產技術發展的產物，它的主要作用是通過計算機虛擬模型來模擬產品的制造過程，進而對產品性能進行預測、檢測和評價。本文首先對虛擬制造技術的內涵及關鍵技術進行分析，然后進一步展望了虛擬制造技術在鋼管行業應用的前景。
關鍵詞：虛擬制造 鋼管行業 仿真
虛擬制造技術是20世紀80年代首先由美國提出的一個新概念，它的作用主要體現在制造系統正式運行之前對其進行評估和預測，對產品的開發、制造、營銷及回收進行監控及協調。隨著社會經濟的發展，鋼管行業也逐漸融入世界市場，面臨著來自世界市場的競爭壓力，虛擬制造技術在鋼管行業的應用將會給鋼管行業帶來新的機遇和調整。
一、虛擬制造的內涵
先進的信息技術、仿真技術和計算機技術是虛擬制造的基礎，其工作思想正是依靠這些技術在產品的設計階段對制造活動中的人物、信息及具體過程進行全面的仿真，以便對制造過程進行有效的評估及預測，并在正式運行之前發現可能存在的問題并采取防范補救措施，最終目的是提高生產效率，降低企業成本，縮短企業的生產周期，進而提高企業的整體競爭力。
虛擬制造是結合多學科、多領域知識的一項技術，在計算機上體現的虛擬制造系統是整個技術的核心，它擁有產品和制造過程的全部信息，包括虛擬設計、制造和控制產生的數據、相關知識和模型信息。按功能分類，虛擬制造系統包括以下三種子環境：
1.虛擬制造設計中心：為虛擬設計、虛擬制造向設計者提供各種工具，以便設計出符合標準的產品模型。2.虛擬制造加工中心：研究開發產品制造過程模型和環境模型，對產品的生產計劃和工藝規劃進行可行性評估。3.虛擬制造控制中心：對產品設計、產品原型、生產計劃、制造模擬和控制策略進行評價。
二、虛擬制造技術的關鍵技術
1.建模技術。虛擬制造系統的建模是生產模型、產品模型、工藝模型的信息系統。生產模型是在加工過程中，各類實體對象模型的集合，它可以分為靜態描述和動態描述兩方面，靜態描述即對系統的生產能力和市場特征的描述，動態描述則是在靜態描述的基礎上對產品生產的全過程進行預測。產品模型包括毛坯、中期產品模型、目標產品模型，完備的產品模型是產品實施過程中全部活動集成的保證。工藝模型是將工藝參數與產品設計數學結合起來，它反應了生產模型和產品模型之間的交互作用。
2.仿真技術。仿真技術就是對復雜的現實系統進行“仿真”，依靠計算機對現實系統進行抽象和簡化并形成仿真模型并運行該模型，得到一系列統計數據。產品仿真和加工過程仿真是產品制造過程仿真的核心，產品仿真就是在產品設計和生產的上游反饋和評估設計結果，加工過程仿真包括切削過程仿真、裝配過程仿真和檢驗過程仿真等。
3.虛擬現實技術。虛擬現實技術營造的是一種動態的虛擬環境，人可以借助一定的借口進入到該虛擬環境，參與和操縱該環境中的仿真物理模型，并且能夠和過去的、未來的甚至虛擬的人物進行交互，這種動態的交互需要更多的技術及設備支持。在生存過程中使用這種虛擬現實技術，使得人從主觀上對虛擬產品和制造過程產生存在感，加深人們對虛擬過程的正確理解和直觀感受。
三、虛擬制造技術在鋼管行業的應用展望
1.虛擬制造技術在軋輥設計與制造中的應用。軋輥在鋼管制造中有重要的地位，它是冷軋或熱軋無縫鋼管或其他各種形式的鋼管的基礎，但是軋輥的設計和制造受到多種因素的制約。虛擬制造技術可以對軋輥的設計、加工、裝配的各個環節統一建模，并實現設計開發建模仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真，鍛造過程仿真切削過程仿真及檢驗過程仿真，從而克服傳統軋輥設計制造模式周期長、制造成本高的缺點。虛擬的軋輥設計和制造過程使得鋼管生產廠家不受時間和地域的限制，通過計算機網絡進行設計和加工，共享資源，在軋輥設計與制造的各個環節都能發揮作用，這將有助于提高軋輥設計與制造的效率，進而降低鋼管企業的生產成本。
2.虛擬制造技術在熱軋無縫鋼管生產中的應用。在熱軋無縫鋼管生產中，虛擬制造技術的使用主要體現在管坯加熱工藝模擬和荒管再加熱工藝模擬，管坯加熱和荒管再加熱是熱軋無縫鋼管生產的關鍵環節之一。虛擬制造技術首先要建立以鋼管溫度為對象的控制模型，然后通過仿真系統對加熱爐的溫度和管坯的加熱時間進行仿真，該仿真過程是動態的，在收集實時監測數據的同時進行動態協調，并對加熱速度進行控制，使得達到最佳的管坯穿孔溫度或荒管再加熱溫度，最終實現在生存周期內不斷優化生存過程的目標。
3.虛擬制造技術在冷拔鋼管生產中的應用。虛擬制造技術在冷拔鋼管生產中的應用主要體現在為鋼管的無芯棒拔制生產過程進行建模仿真。為解決金屬在變形過程中因縱向延伸和橫向流動所導致的管壁內層金屬流動不均勻等問題，引入虛擬制造技術可以進行總體協調、動態優化，也可以對材料硬度、彎曲回彈、輪廓尺寸等問題進行仿真模擬。通過計算機模擬的這個模型，可以及時調整各項參數，減少失誤與浪費。
四、總結
虛擬制造技術的運用需要結合多學科、多領域的知識，它的使用離不開制造技術與仿真技術，它涉及到仿真、虛擬現實、數據繼承、優化等多個領域，可見虛擬制造技術在未來還有很大的擴展空間和發展前景，尤其是在鋼管行業中的應用潛力巨大，相信在未來會給鋼管行業的設計與制造帶來新的革命。
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虛擬現實技術及其應用范文第5篇
關鍵詞： 增強現實； 雙目立體視覺； 人機交互
中圖分類號： TP 391.9 文獻標識碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.004
引 言
增強現實（augmented reality，AR）技術是在虛擬現實（virtual reality，VR）技術上發展起來的一門新興技術，由于其廣泛的應用背景，因此吸引了國內外眾多科研人員加入研究，成為近年來的一個研究熱點。增強現實技術涉及到仿真技術、計算機圖形技術（computer graphics，CG）、圖像處理技術、交互技術及傳感器技術等領域，是一項綜合性十分強的研究領域[1]。與虛擬現實技術將用戶隔離在真實世界之外不同的是，當用戶在真實世界中的位置發生變化時，虛擬信息也隨之相應變化，虛擬信息與真實環境完美結
合，既避免了構建復雜真實環境的大量繁瑣工作，又可對真實環境進行變動，具有很強的實時可控性，
達到了亦真亦幻的效果。正是由于增強現實與真實環境緊密聯系的特性，使得增強現實技術在精密儀器
制造、醫療研究、市政規劃、文物保護、影視娛樂、軍事訓練、裝備維修等領域得到了廣泛的應用。
在研究工作中搭建了一套基于增強現實的維修系統，利用增強現實良好的虛實場景結合以及人機交互功能，通過計算機視覺技術、圖像識別技術以及建模仿真等技術，使該系統能夠完成圖像采集、立體實時顯示、三維注冊以及虛實融合等功能，改善了傳統意義上的人工維修帶來的培訓成本高、效率低下等問題，較之虛擬維修也更為真實可靠。表1為增強現實維修與虛擬維修的比較表。下面將詳細介紹該系統的開發環境和實現過程。
4 結 論
利用雙目視覺技術、增強現實技術搭建了一個增強現實維修系統。在以ARToolKit等軟件為工具的基礎上，根據增強現實維修的特點和硬件系統的要求，相對其他單目攝像機增強現實系統做了如下改進工作：
（1）將原一路攝像機采集景物圖像、圖像識別、三維注冊、虛實配準等增強現實過程變為了兩路立體景物圖像采集及相應增強現實過程。方法是利用雙線程控制雙攝像機完成圖像采集和相應的增強現實過程，并將虛實融合的圖像按照一定格式，分別存在緩存的不同地址，最后顯示立體圖像。
（2）ARToolKit模型調用支持VRML97語言描述的虛擬場景機模型，通過試驗，找到了通過3DS MAX構建虛擬維修模型，并將其轉換為VRML97格式虛擬模型的方法。所以虛擬維修電子數據庫的建立是通過3DS MAX來完成的，包括虛擬物體的零部件的模型、貼圖、動畫等。
由于增強現實的虛實結合的獨特性，在維修裝配等領域具有很大的發展潛力和應用前景。而其它技術領域如計算機圖形學、多媒體、人工智能等的不斷發展和完善，也為增強現實技術提供了新的應用領域和發展空間。
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