论文部分内容阅读
摘要：随着虚拟现实技术的研究与发展，虚拟现实技术在教育领域的应用越来越广泛，传统机械工程的教育与虚拟现实技术的结合越来越重要，本文介绍了虚拟现实技术的基本特征以及应用到的关键技术；介绍重点介绍了虚拟仿真实验系统与VR教材在机械工程教育中的应用。
关键词：虚拟现实；机械工程；虚拟仿真实验；VR教材
虚拟现实技术（virtual reality，VR）是计算机图形学与人机交互技术的发展成果，能够使用户在虚拟环境中感受并融入真实、人机和谐的场景，VR技术可以使用户能直接对虚拟环境中的物体进行观察或操作，同时也提供视觉、听觉和触觉等多种直观丰富的自然反馈信息[1]。机械工程教育与VR技术的结合，为机械工程学科的教学带来显著变革，使模糊抽象的机械更直观具体。
1 虚拟现实技术的特征与关键技术
1.1虚拟现实技术的特征
虚拟现实技术典型的特征主要归纳为“3I”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。
（1）沉浸感
沉浸感是指虚拟场景对人体的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等多种感觉器官产生欺骗，给参与者带来临场的感觉；使参与者感觉自己是虚拟场景中的一部分，而不是旁观者。参与者感到被虚拟场景包围，可以在虚拟环境中自由移动，与物体产生作用，有一种身临其境的感觉[2]。
（2）交互性
交互性是指在虚拟环境中为参与者提供人性化的操作界面和反馈，参与者能够通过专门设备，对模拟环境进行考察，同时对模拟环境中的物体进行操作。例如用户去操作虚拟环境中的物体时，可以感受到物体的重量，被操作的物体会随着用户的动作发生运动。
（3）构想性
构想性是指通过沉浸感和交互性，使参与的人随着环境状态和交互行为的变化而对未来产生构思，增强创造与想象能力。
1.2虚拟现实关键技术
虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、人机交互技术、传感技术、网络技术、高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来，是这些技术进一步的集成，虚拟现实的关键技术包括以下几个方面。
（1）环境建模技术：建立虚拟环境是虚拟现实技术的核心内容， 环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据， 并根据应用的需要， 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型[3]。
（2）立体声合成与立体显示技术：由于人们听到的声音到达两只耳朵的时间和距离有所不同，我们需要靠声音的相位差以及强度的差别来确定声音的方向。
（3）触觉反馈技术：在虚拟环境中，人们能够与虚拟物体直接接触，感受到如同真实世界的感觉，需要在交互设备中设置一些触点来模拟人体能感受到的触觉，从而产生犹如身临其境的感觉。
（4）交互技术：虚拟现实中的人機交互已经不再是键盘和鼠标的传统模式，利用数据头盔、数据手套等复杂的传感器设备，进行三维交互，语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。
（5）真实感实时绘制技术：真实感实时绘制技术的主要任务是模拟真实物体的属性，形状、物理特性、表面粗糙度以及物体间的相对位置、遮挡碰撞关系等。
2 虚拟现实技术在机械工程教育中的应用
2.1虚拟仿真实验系统
在机械工程实验教学中，涉及许多设备和零件如数控机床、车床、铣床，这些设备结构复杂，零件众多，而且在实际的操作过程中有一定的危险性，同时受限于场地经费等因素，学生接触到实物比较困难。虚拟仿真实验教学系统就是通过三维软件制作出设备各零件的三维模型；然后对模型进行材质的编辑，对模型进行贴图，使模型具有真实感；然后利用unity3D等虚拟现实开发工具进行图形资源整合、实时渲染、物理仿真，呈现出与真实环境相同的虚拟操作环境，实现实验室中操作的效果。虚拟仿真实验教学系统可以集文字、图像、三维模型、三维动画和声音于一体，为学生提供一个人机交互的、开放式的虚拟环境。在虚拟仿真实验教学系统中，通过电脑模拟现实的实验环境，将主要知识要点附加到三维模型之上，综合三维动画、三维模型、三维交互等多种形式，实现知识内容的三维可视化及实验实训的互动模拟。在系统中学生可以直观的看到各个机械设备的内部结构，熟悉机械设备的工作原理与操作方式；还可对设备进行装配拆卸，熟悉设备的安装拆卸流程，从而对机械工程学习有更加清晰直观的认识[4]。
2.2VR版机械专业教材
VR版教材在传统教材的基础上，对机械专业教材中的零件图建立相应的三维零件模型库，通过移动端设备软件扫描课本插图后，可在设备上浮现出对应的三维立体的动态画面，能够对画面进行触控操作，对各类零件进行全方位的旋转缩放，可对三维模型进行拆解，配合动画与声音，让学生直观的观察掌握机械的内部结构。VR版教材将机械零件直观立体的展示在学生面前，通过与虚拟模型的主动交互，亲身经历与感受机械的拆解、装配、驱动与操控，获得真实的实践体验，加深学生对于机械结构原理的理解。同时VR版教材通过移动端设备使用，使学生不限时间与地点的进行自主学习，提高了学习的积极主动性，使学生更好的掌握所学知识。
3 结束语
虚拟现实技术的出现， 给机械工程教学提供了一种有效的辅助工具，通过虚拟仿真的知识传达方式实现更有效的知识认知与理解，它充分发掘了现有机械装备的潜力，既缓解了当前机械实训场地不足的问题，又提高了实训的安全性，可使学生在高沉浸感的虚拟环境下掌握机械设备的工作原理、内部结构、设计加工制造流流程，增强了学生的学习兴趣，提高了教学效果。
参考文献：
[1]赵沁平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学：信息科学， 2009， 39（1）：2.
[2]赵沁平， 周彬， 李甲，等. 虚拟现实技术研究进展[J]. 科技导报， 2016， 34（14）：71-75.
[3]刘贤梅， 李勤， 司国海等， 虚拟现实技术及其应用[J]. 大庆石油学院学报， 2002， 26（ 2） 112- 115
[4]邸馗，于天彪，陈培媛，等. 虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用_邸馗[J]. 实验技术与管理， 2014（10）：10-12.
关键词：虚拟现实；机械工程；虚拟仿真实验；VR教材
虚拟现实技术（virtual reality，VR）是计算机图形学与人机交互技术的发展成果，能够使用户在虚拟环境中感受并融入真实、人机和谐的场景，VR技术可以使用户能直接对虚拟环境中的物体进行观察或操作，同时也提供视觉、听觉和触觉等多种直观丰富的自然反馈信息[1]。机械工程教育与VR技术的结合，为机械工程学科的教学带来显著变革，使模糊抽象的机械更直观具体。
1 虚拟现实技术的特征与关键技术
1.1虚拟现实技术的特征
虚拟现实技术典型的特征主要归纳为“3I”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。
（1）沉浸感
沉浸感是指虚拟场景对人体的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等多种感觉器官产生欺骗，给参与者带来临场的感觉；使参与者感觉自己是虚拟场景中的一部分，而不是旁观者。参与者感到被虚拟场景包围，可以在虚拟环境中自由移动，与物体产生作用，有一种身临其境的感觉[2]。
（2）交互性
交互性是指在虚拟环境中为参与者提供人性化的操作界面和反馈，参与者能够通过专门设备，对模拟环境进行考察，同时对模拟环境中的物体进行操作。例如用户去操作虚拟环境中的物体时，可以感受到物体的重量，被操作的物体会随着用户的动作发生运动。
（3）构想性
构想性是指通过沉浸感和交互性，使参与的人随着环境状态和交互行为的变化而对未来产生构思，增强创造与想象能力。
1.2虚拟现实关键技术
虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、人机交互技术、传感技术、网络技术、高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来，是这些技术进一步的集成，虚拟现实的关键技术包括以下几个方面。
（1）环境建模技术：建立虚拟环境是虚拟现实技术的核心内容， 环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据， 并根据应用的需要， 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型[3]。
（2）立体声合成与立体显示技术：由于人们听到的声音到达两只耳朵的时间和距离有所不同，我们需要靠声音的相位差以及强度的差别来确定声音的方向。
（3）触觉反馈技术：在虚拟环境中，人们能够与虚拟物体直接接触，感受到如同真实世界的感觉，需要在交互设备中设置一些触点来模拟人体能感受到的触觉，从而产生犹如身临其境的感觉。
（4）交互技术：虚拟现实中的人機交互已经不再是键盘和鼠标的传统模式，利用数据头盔、数据手套等复杂的传感器设备，进行三维交互，语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。
（5）真实感实时绘制技术：真实感实时绘制技术的主要任务是模拟真实物体的属性，形状、物理特性、表面粗糙度以及物体间的相对位置、遮挡碰撞关系等。
2 虚拟现实技术在机械工程教育中的应用
2.1虚拟仿真实验系统
在机械工程实验教学中，涉及许多设备和零件如数控机床、车床、铣床，这些设备结构复杂，零件众多，而且在实际的操作过程中有一定的危险性，同时受限于场地经费等因素，学生接触到实物比较困难。虚拟仿真实验教学系统就是通过三维软件制作出设备各零件的三维模型；然后对模型进行材质的编辑，对模型进行贴图，使模型具有真实感；然后利用unity3D等虚拟现实开发工具进行图形资源整合、实时渲染、物理仿真，呈现出与真实环境相同的虚拟操作环境，实现实验室中操作的效果。虚拟仿真实验教学系统可以集文字、图像、三维模型、三维动画和声音于一体，为学生提供一个人机交互的、开放式的虚拟环境。在虚拟仿真实验教学系统中，通过电脑模拟现实的实验环境，将主要知识要点附加到三维模型之上，综合三维动画、三维模型、三维交互等多种形式，实现知识内容的三维可视化及实验实训的互动模拟。在系统中学生可以直观的看到各个机械设备的内部结构，熟悉机械设备的工作原理与操作方式；还可对设备进行装配拆卸，熟悉设备的安装拆卸流程，从而对机械工程学习有更加清晰直观的认识[4]。
2.2VR版机械专业教材
VR版教材在传统教材的基础上，对机械专业教材中的零件图建立相应的三维零件模型库，通过移动端设备软件扫描课本插图后，可在设备上浮现出对应的三维立体的动态画面，能够对画面进行触控操作，对各类零件进行全方位的旋转缩放，可对三维模型进行拆解，配合动画与声音，让学生直观的观察掌握机械的内部结构。VR版教材将机械零件直观立体的展示在学生面前，通过与虚拟模型的主动交互，亲身经历与感受机械的拆解、装配、驱动与操控，获得真实的实践体验，加深学生对于机械结构原理的理解。同时VR版教材通过移动端设备使用，使学生不限时间与地点的进行自主学习，提高了学习的积极主动性，使学生更好的掌握所学知识。
3 结束语
虚拟现实技术的出现， 给机械工程教学提供了一种有效的辅助工具，通过虚拟仿真的知识传达方式实现更有效的知识认知与理解，它充分发掘了现有机械装备的潜力，既缓解了当前机械实训场地不足的问题，又提高了实训的安全性，可使学生在高沉浸感的虚拟环境下掌握机械设备的工作原理、内部结构、设计加工制造流流程，增强了学生的学习兴趣，提高了教学效果。
参考文献：
[1]赵沁平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学：信息科学， 2009， 39（1）：2.
[2]赵沁平， 周彬， 李甲，等. 虚拟现实技术研究进展[J]. 科技导报， 2016， 34（14）：71-75.
[3]刘贤梅， 李勤， 司国海等， 虚拟现实技术及其应用[J]. 大庆石油学院学报， 2002， 26（ 2） 112- 115
[4]邸馗，于天彪，陈培媛，等. 虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用_邸馗[J]. 实验技术与管理， 2014（10）：10-12.