教育培训与科研

1.教育培训

虚拟现实技术在教育培训领域的应用十分广泛。由于装备了多种传感器与驱动器，它能让学习者直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互，并能以多种形式参与到事件的发展变化过程中去，最大限度地参与到训练过程中。多通道信息的共同影响有助于提高参与者的关注程度，因此，这种提供多通道信息的虚拟学习环境，将为参与者掌握新技能提供全新的途径。

虚拟现实技术在教育培训方面的应用主要有以下几个方面。

（1）仿真教学与实验

在学习机械制图、工程制图课程时发现，老师通过语言描述的结构形状往往难以想象，但如果配以实物模型，那么学习效率将大大提高。虚拟现实技术在理工科课程教学中的作用类似于制图课上的实物模型，原本抽象的概念以可视化的形式展现在学生面前；原本难以获得的试验场景可通过计算机绘制并呈现；原本昂贵或危险性较大的实验可通过模拟仿真的方式轻易实现。引入虚拟现实技术，不仅可以展示机械装置的复杂构造，还能模拟实际加工过程中的故障及成因。学生可通过在虚拟仿真系统中的反复试验，加深对专业知识的认识。

（2）特殊教育

前面已经介绍过手势系统对于聋哑人参与虚拟现实系统的特殊作用，虚拟现实系统的多通道交互性，可弥补残疾人在日常生活中由于某种技能的缺失而导致的交流不畅。例如，残疾人戴上数据手套后，就能在计算机和传感器的支持下将自己的手势翻译成讲话的声音；戴上目光跟踪装置后，就能将眼睛的动作翻译成手势、命令或讲话的声音；通过三维手势语言训练系统，弱智儿童可以很快地熟悉符号、字和手势语言的意义。

（3）专业培训

战斗机价格高昂，动辄数千万甚至上亿美元，然而端坐其中的飞行员身价也不低。我国某战斗机飞行员的培养经费大约需要四百多万人民币，由此可见特种飞行员的身价堪称贵比黄金。究其原因，是由于教练机与训练场地高昂的造价成本与训练费用，如果在训练过程中出现战机的损毁，那么飞行员的培训成本将进一步提高。

为降低培训成本、提高安全系数，研究者可构建真实的虚拟训练场，根据培训目标搭建实验平台、设置试验项目，从而使人们可在安全、逼真的虚拟培训基地中反复操练各种危险或真实再现性较差的训练项目。

以战斗机或民航客机飞行员的培训为例，将真实客机起降训练作为飞行员的日常培训项目显然是不现实的，如图8-28所示，我们在日常训练中引入了飞机驾驶员训练模拟器。交互式飞机驾驶员模拟器是一个小型的动感模拟设备，它由高性能计算机、三维图形生成器、三维声音设备、传感器以及产生运动感的运动系统组成。舱体参照真实飞机内部进行设计，前方配有显示屏幕、仪表盘、指示灯、飞行手柄和战斗手柄等常用装置。当受训者使用该模拟器时，作为系统中枢的计算机系统将负责接收飞行员的各种操作输入，管理和计算飞行的状态、轨迹，控制仪表、指示灯的信号等。这些信息经过分析处理后被传输给视觉、听觉、运动等各个虚拟现实子系统，用来实时地生成相应的虚拟效果，从而带给飞行员与在真实飞机中同样的感受。该技术也常用于民航客机驾驶员或汽车驾驶员的培训过程，如图8-29所示。

在医学培训过程中，虽然可以通过动物试验和医生见习等方式提升医生处理复杂手术的水平，但医生见习和实习复杂手术的机会有限，而且，某些特殊的手术流程或患者情况，也很难在现实试验中找到相同的试验对象。利用虚拟现实系统则可以使医生不受标本、场地、经费等的限制，反复实践不同的操作预案。

在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。在实施复杂的手术前，先用外科手术仿真器模拟手术台和虚拟的病人人体，医生可通过头盔显示器检测病人的血压、心率等指标，用带有位置跟踪器的手术器械进行演练，部分实验器械甚至可提供手术时虚拟肌肉的真实阻力。根据演练结果，医生就可以制订出实际手术的最佳方案。

图8-28 虚拟现实用于飞行员培训

图8-29 虚拟现实用于驾驶员培训

2.科学计算可视化

计算机的诞生和网络的普及使人类进入了信息时代，如今更推动人们走入“大数据”时代。面对海量的科研数据，如何从中得到有价值的结论和规律，是我们研究的重点。

科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或一般图形学的原理与方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，并以直观的形式表示出来，也可以利用虚拟现实技术，通过输入/输出设备检查这些“可见”的数据。如图8-30所示，科学计算可视化通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。

图8-30 虚拟现实用于晶体结构展示