虚拟现实系统的特点
虚拟现实系统的特点范文第1篇
在高校的专业设置中，计算机网络专业是一个实用性较强的课程，学生在接受教育是不仅要熟练地掌握计算机网络的理论知识，而且更要熟练地掌握计算机网络实用的网络技术，这就要求教师在教学的过程中保证学生实际动手操作能力的提高及应用网络技术的掌握。针对现高校在教学中存在的问题，高校在进行教学中引进了虚拟机技术，它构建了一个相对虚拟的网络实践环境，使得学生能够进行更好地理论与实践的学习。
一、虚拟技术简介及特点分析
（一）虚拟机技术的简介
在教学的过程中利用虚拟机技术可以在一台计算机上模拟出多台机器，并且模拟出的机器能够进行独立的操作，各台机器独立的拥有硬盘、CPU、内存等其他硬件。在使用模拟的机器时可以向对待正常机器对其尽心格式化、分区、应用软件安装及安装系统等操作，并且这些操作不会影响或者破坏真实主机的硬盘分区及数据等信息。
（二）虚拟机的主要特点
虚拟机的特点主要有以下几点。第一点，在计算机上使用虚拟机技术可以虚拟出多台计算机，并且虚拟出的机器各自独立，机器之间可以进行独立或者并发运行，虚拟机与主机可以进行文件共享、对话及应用网络等操作。第二点，在利用虚拟机技术进行虚拟机器时，机器的硬件都属于标准硬件，这大大的降低了兼容性问题及难找驱动程序等问题的发生概率，方便了在同一系统中主机之间的信息共享。第三点，由于在虚拟的过程中使用的虚拟硬盘实质上是一个或者多个文件，这就使得虚拟机具有还原系统、保存系统状态机快速恢复等特点。同时由于主机系统与虚拟机系统之间存在良好的隔离性，所以在对虚拟机进行操作时不会对主机产生不良影响。第四点，由于在利用虚拟机技术进行虚拟机器时，机器的硬件都属于标准硬件，所以各个虚拟机之间可以进行克隆操作及系统克隆映像。第五点，由于虚拟机器的硬件是利用虚拟机技术的得出的，所以虚拟机具有相对比较灵活的扩展性，对硬件的操作也较为随意。此外，虚拟机还能进行视频捕捉及屏幕截图等操作。
二、虚拟技术在计算机网络实践教学的主要应用
（一）计算机网络系统底层操作的实践教学
首先，在虚拟机刚开启时，点击F2功能键即可进入BIOSSETUP的界面，从而使学生详细的了解BIOS的开机系统启动顺讯。设备禁用及时间设置等各项参数。同时让学生学会利用U盘或者光盘等设备来启动计算机。学会使用硬盘分区软件及硬盘格式化软件等底层软件。
（二）计算机网络多操作系统的实践教学
现阶段，在高校的计算机基础实践的教学领域中，绝大多数的高校仍使用WINDOWS操作系统，知识简单地介绍Linux和UNIX等操系统的理论知识。而通过利用虚拟机技术则可以使学生掌握使用其他多种操作系统的能力，同时也减小了实验室计算机多个操作系统的负面影响。在一台主机上利用虚拟机技术可以模拟出多台操作系统运行独立的虚拟机，在虚拟机系统崩溃时可以在不影响主机的前提下直接进行删除。同时，若主机系统崩溃时也可以在重装系统之后再加入之前做好的虚拟机系统，从而不应现虚拟机系统的使用。此外，由于在虚拟机系统的操作不会对主机产生影响，所以这大大的保证了主机系统的安全性。在虚拟机完成操作时也可以通过映像功能来恢复系统，进而较少计算机的损害，以及进一步的方便了教师进行操作系统的操作。
（三）计算机网络的网络实践教学
利用虚拟机技术在工作时，各个虚拟出的机器在理论上属于一台计算机，所以虚拟机与主机、虚拟机与虚拟机之间以及虚拟机与其他计算机之间都是等价的。教师在教学的过程中可以在主机上模拟出多台虚拟机，在主机上创建一个虚拟的网络环境，使得学生能够在一台机器上进行多种网络配置，从而大大的增加实验室设备的利用效率的同时减少硬件设备的损害程度，以及不断增强学生们的实践动手能力。同时，由于学生在操作虚拟机时不会破坏主机的操作系统，所以学生可以在虚拟机上尽情实践，从而提高学生们的实践效果。
（四）计算机安全实践教学
虚拟现实系统的特点范文第2篇
系统级虚拟化的核心是虚拟机管理器。一般来说，虚拟机管理器有监控模式、主机模式和混合模式三种实现方式。监控模式下虚拟机管理器直接运行在宿主计算机的物理平台上，位于处理器的最高特权级，所有的虚拟机则运行在较低的特权级。主机模式下虚拟机管理器运行在操作系统上，虚拟机管理器可以充分利用宿主操作系统所提供的设备驱动和底层服务，但宿主操作系统的介入可能会导致系统性能损失。混合模式集成了监控模式和主机模式的优点，既可以利用主机操作系统的现成设备驱动实现虚拟机的设备使用模型，又不会丢失监控模式的高效率。混合模式的典型代表是英国剑桥大学开发的Xen虚拟机。构成可信计算虚拟化计算环境应用框架的实体包括物理可信平台模块（Trusted Platform Module，TPM）、可信BIOS、虚拟机管理器、可信系统软件、前端虚拟TPM驱动、后端驱动、虚拟TPM管理器、虚拟TPM实例和TPM驱动。物理TPM是整个系统的信任根，同时为特权虚拟机（运行于处理器最高特权级即VM＃0）提供服务。在启动过程中可信BIOS完成对硬件、虚拟机管理器、特权虚拟机的完整性度量。虚拟机管理器完成对各个虚拟机中虚拟机装载器、可信系统软件和操作系统内核文件的完整性度量。可信系统软件为各虚拟机提供可信运行控制等服务。前端虚拟TPM驱动与后端驱动通信传递可信服务命令。虚拟TPM管理器维护虚拟TPM实例，接收后端驱动发送的命令传递到相应的虚拟TPM实例中，必要时通过TPM驱动调用物理TPM提供的服务。虚拟TPM实例对应相应的虚拟机，为虚拟机提供可信服务。TPM驱动对应于物理TPM，与物理TPM通信传递相应的可信服务命令。
关键技术
针对系统级可信计算虚拟化计算环境应用结构框架的特点，需要部署的关键技术包括：虚拟机可信计算服务实现、信任链传递和虚拟可信平台模块实例的迁移技术。本节详细说明以上关键技术。 面向虚拟机的可信计算服务实现在可信虚拟平台架构中，一个平台只有一个物理TPM，但有多个虚拟机，需要为每个虚拟机创建一个虚拟TPM实例。虚拟机使用前端虚拟TPM驱动和虚拟TPM实例交互。其中，前端TPM驱动运行在需要访问虚拟TPM实例的虚拟机中，即VM＃N；后端驱动运行在具有特权的虚拟机VM＃0中。虚拟TPM管理器负责创建、保存、恢复和删除虚拟TPM实例。虚拟TPM管理器分别接受来自后端驱动、虚拟TPM实例和虚拟TPM管理器控制台的命令或数据。必要时虚拟TPM管理器负责与物理TPM的交互。虚拟机可信计算服务由虚拟TPM实例直接面向虚拟机提供服务，每个虚拟TPM实例中存储与虚拟机对应的密钥、完整性度量值、完整性度量日志等资源，并提供相应的可信计算服务。物理TPM完成以下三个功能。1）对应管理特权域，为管理特权域提供可信计算服务；2）虚拟TPM实例资源的保护。利用物理TPM，保护存放在计算存储介质虚拟TPM实例资源，保护密钥存放于物理TPM内；3）虚拟TPM实例真实性证明。在远程证明过程中，远程挑战者为了确保虚拟机管理器不能修改虚拟机行为和认证报告，可再次验证虚拟TPM实例的运行环境是可信的。挑战者除了验证虚拟平台实例对PCR的签名外，还需验证物理TPM对PCR的签名，从而验证虚拟机和物理平台的整体安全性。由于虚拟TPM实例运行于特权管理域中，特权管理域必须提供安全性保证，保证每个虚拟TPM实例中的资源不被非授权修改和窃取。 信任链传递传统可信计算平台信任链的建立是基于物理TPM或BIOS实现的，从信任根代码开始运行，在信任当前部件的前提下，对下一个将要执行的部件进行度量，确定下个部件可信后将控制权转交给它。启动过程通过“先度量，后执行”的方式运行，建立起信任链。由于运行在虚拟机管理器之上的虚拟机可以多次重启和关闭，信任链传递演变成“树型”结构。虚拟机管理器作为启动后相对固定的度量根，度量虚拟机启动过程的完整性，因此虚拟机管理器自身完整性显得尤为重要。虚拟可信平台模块实例的迁移由于虚拟机频繁迁移，可信虚拟平台在虚拟机迁移过程中如何保证其安全性是一个关键问题。传统的可信度量根是与物理平台进行绑定的，不能移动到另一个平台上。在虚拟平台中，虚拟机的可信度量根（即虚拟TPM）没有与物理平台进行绑定，这样虚拟TPM就可以被复制、迁移或删除。为了防止虚拟环境下未授权的虚拟可信度量根的复制、迁移或删除，需要采取如下措施。首先，远程挑战者需要对虚拟机进行安全认证（类似于平台安全认证），同时希望评估虚拟机迁移的可能性和可以迁移的新主机平台。远程挑战者不仅需要认证虚拟机和虚拟机管理器，而且需要认证其迁移组件和迁移控制器。在确定迁移控制器运行在可信的配置上后，远程挑战者获取虚拟机的迁移策略。迁移策略主要包括以下几个方面：对目标物理平台的要求，包括可信平台模块厂商、可信平台模块版本号等；对目标虚拟平台的要求，如虚拟机管理器厂商、虚拟机管理器版本号、虚拟机管理器架构等；对系统架构的一些要求，如目标平台安全级别不能低于当前平台；目标平台和当前平台拥有者相同。当迁移控制器决定需要移动一个虚拟机，迁移管理员通知迁移系统迁移事件发生。具体迁移步骤包括：首先挂起虚拟机；然后将虚拟机的状态进行打包存储；接下来创建迁移会话；之后传输虚拟机状态包；最后删除虚拟机。由于一个虚拟可信平台模块包含了虚拟机的许多秘密信息，所以在迁移过程中，虚拟可信平台模块必须被严格保护，进而保证这些信息只对授权实体可见。从源平台到目标平台，虚拟机状态包的迁移，必须在安全的迁移传输协议下进行。
结语
虚拟现实系统的特点范文第3篇
关键词：虚拟仪器，嵌入式系统，通用串行总线
0 引言
虚拟仪器是以计算机作为测试仪器的硬件平台，通过调用不同的软件实现特定的测试功能，达到仪器的多功能快速切换，从而实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。随着后PC时代的来临，业界对虚拟仪器的智能化和小型化的要求越来越高。嵌入式系统的发展使得基于嵌入式微处理器和实时操作系统的嵌入式虚拟仪器能够满足恶劣工作环境下的便携虚拟仪器的需要。同时，基于USB总线的仪器设备克服了现有PC总线虚拟仪器的不足，具有即插即用、热插拔的优点，满足自动化工业测量的要求，特别适合现场信号的测试。因此，基于嵌入式计算平台和USB总线技术，设计具有数据融合和USB总线协议的通信能力的虚拟仪器成为构建测试系统的新思路。
1 传统虚拟仪器及其缺点
目前比较流行的虚拟仪器系统基本上是基于PCI/ISA总线的插卡式虚拟仪器。通过将特定的仪器功能制作在数据采集卡上，然后将其插入计算机的扩展槽中，在计算机的软硬件支持下完成测试任务[1]。相对于传统的仪器而言，虚拟仪器使用户可以根据具体的应用需要，设计自己的仪器系统，实现了仪器的定制化和多样化。但是，基于PCI/ISA总线的虚拟仪器存在着明显的缺点：一方面在插入数据采集卡时需要打开主机箱，由于主机上的PCI插槽有限，直接接入主机的现场测试信号对计算机的安全造成很大的威胁;同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，并且由于采用插卡模式，不便于与笔记本电脑相连，进行现场数据信号的测试;另一方面，由于通用PC机主要用于办公室环境，它的电气和机械设计不以工业应用为目的，系统的可靠性差。此外，通过PC机上的Windows操作系统不是实时多任务操作系统，是为了便于用户管理和利用计算机资源而设计的。传统虚拟仪器的测试不可避免地存在着丢失数据的危险。因此，实时性、可靠性比较差。
2 嵌入式虚拟仪器的体系结构
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[2]。
构建基于嵌入式系统的虚拟仪器需要解决的技术问题集中在系统平台的构建和特定的虚拟仪器应用程序的设计等方面。基于嵌入式软/硬件环境，系统的体系结构如图1所示。
图1嵌入式虚拟仪器的体系结构
嵌入式系统的硬件平台是嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件环境，它以嵌入式微处理器为中心，配置存储器、输入与输出(I/O设备)、通信模块等必要的外设，并根据特定的应用进行高效率地设计。针对虚拟仪器的特定应用，在以嵌入式微处理器为核心的基础上，增加数字信号处理(DSP)芯片，对高速的数据流处理进行优化和数学计算，具有独立控制和实时处理的优点，可以使嵌入式微处理器从数据处理任务中解脱出来，更高效地完成其他任务，起到了加快数据采集和信号处理的作用。
嵌入式系统中的软件部分以嵌入式操作系统为核心，向上提供应用编程接口(API)，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包括BSP、USB驱动程序等。其中，嵌入式系统所使用的实时多任务操作系统(RTOS)，采用优先级调度策略和时间片轮转调度策略的任务调度机制，能够充分保证系统的实时性和可靠性。虚拟仪器的应用程序是图形化界面和人机接口层与外界进行通信的，主要功能是对系统的测量参数进行设置和测量数据波形显示与分析。基于嵌入式技术，可以把虚拟仪器的硬件集成在嵌入式电路板上，软件固化在Flash存储器上，完成A/D转换、D/A转换以及数字滤波和数字信号处理等功能。通过虚拟仪器的应用程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，实现不同场合的测试应用，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。
3 基于USB总线的虚拟仪器系统
基于USB总线的嵌入式虚拟仪器具有使用方便、数据传输速度快、连接灵活的特点。可以采用星型的拓扑结构构建分布式测试系统，如图2所示。
图2嵌入式虚拟仪器的USB总线系统
该系统主要由PC机、USB集线器和嵌入式虚拟仪器组成。系统的体系结构设计按照智能模块的设计思路进行，智能模块的作用是完成特定应用的测试功能。利用USB总线的优势可以实现测试方案的灵活配置和测试功能的自由扩展，即当需要添加新测试功能时，只需开发支持USB接口的相应测试功能的嵌入式虚拟仪器模块即可。USB系统中嵌入式虚拟仪器部分的USB总线接口和逻辑设备组合在一起就构成了USB设备接口，提供了传送和接收数据包的总线接口，并管理虚拟仪器设备的各种工作状态。USB设备接口的开发是USB外设开发的关键，它涉及到USB协议和规范的具体实现。USB系统软件中的USB驱动程序是开发的一个难点。虚拟仪器设备可以定义为人机接口设备(HID)类，这样PC机可以直接使用Windows操作系统内置的HID类驱动程序。PC机的通信应用程序使用VisualC++调用API函数和HID驱动程序进行通信，完成和嵌入式虚拟仪器通信的功能。当插入嵌入式虚拟仪器时，主机检测该设备并通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。
转贴于 USB技术和虚拟仪器技术结合在一起是计算机仪表领域研究的热点，基于USB总线接口设计的嵌入式虚拟仪器具有良好的系统扩展性。嵌入式虚拟仪器可以独立完成特定的信号处理和分析，又可以通过USB总线系统组合在一起，构建大型的测试系统，完成复杂的测试功能。
图3 硬件逻辑图
4 硬件系统设计
嵌入式虚拟仪器从功能模块上分为：信号调理和模数转换电路、嵌入式控制模块、存储系统、液晶显示模块、USB总线接口逻辑等部分，详见图3。信号调理部分主要是为了使输入的信号满足采样的电压幅度，降低系统中影响信号质量的噪声干扰。模拟信号调理电路可以根据输入的模拟信号频率、幅度、通道数等选择合适的芯片，设计时应充分考虑抗干扰的性能。在微处理器和USB控制器的设计有两种方式可供选用：一种嵌入式微处理器加上专用的USB通信芯片组成;另一种是采用具有USB通信功能的嵌入式微处理器。此外，由于采样速率较高，因而需要设计大容量的缓存，可以在同样采集频率下保存较长的连续采样信号，便于分析处理。
该嵌入式虚拟仪器以三星公司的S3C44B0X微处理器为核心，该处理器基于ARM7TMDI内核，并自带8通道10位A/D转换器。配以TI公司的TMS320C5416作为数字信号处理器，采用Philips公司的PDIUSBD12作为USB接口芯片。S3C44B0X微处理器与USB接口芯片PDIUSBD12通过并行接口进行数据传输，数据交换采用中断方式。系统的工作原理如下所述：输入信号首先进入模拟信号调理电路进行采样，进而送入S3C44B0X微处理器的A/D模块进行转换，并将得到的数字信号存储到系统的SDRAM存储器中。随后，接口控制器PDIUSBD12从SDRAM存储器里顺序读出数据并通过USB控制器发送到USB总线上，传输给PC机。同时，还可以在S3C44B0X微处理器控制下，利用DSP芯片进行数字滤波后，进行数字信号的分析和处理，并将结果在LCD上进行显示。
5 软件系统设计
在嵌入式虚拟仪器中，将信号采集到系统中并不意味着任务已经完成，还需要利用软件完成信号分析的工作。因此，嵌入式虚拟仪器的软件系统包括数据采集、存储、处理、显示以及USB通信等。软件系统流程图如图4所示。
图4 嵌入式虚拟仪器的软件流程图
虚拟仪器软件的最大特点是模块化，根据系统具体要求编制各子程序用于解决各个子任务，然后再将它们集成到一套完整的应用系统中。虚拟仪器中有对多个输入的信息进行数据融合的功能。如何由采集到的数据最大限度的提取出有用信号都属于数据融合的范畴。可以采用的算法有：加权平均法、卡尔曼滤波、D2N证据推理法、最优算法、遗传算法等。此外，虚拟仪器应用程序还包括信号的频域分析如DFT、FFT等频谱分析功能，以及信号的时域处理包括数组数据的积分、微分、卷积和相关计算，以及统计分析计算、数值分析和计算和数字滤波器等。
整个系统的USB驱动程序可分为两部分：一部分是嵌入式虚拟仪器的USB驱动程序;另一部分是PC主机端的USB驱动程序。嵌入式虚拟仪器的USB驱动程序是软件系统中最重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信和控制功能。采用C语言在嵌入式开发平台下进行驱动程序的设计。智能虚拟仪器的USB驱动程度应提供四种功能：从主机中接收数据;向主机发送数据;启动和重新设定参数以及能够产生同步的控制信号。为此，需要完成如下操作：
①设备复位，硬件初始化，配置PDIUSBD11的寄存器;
②通过读取PDIUSBD11中断输出管脚的状态，判断是否有PDIUSBD11中断;
③如果有中断，则读取PDIUSBD11中断寄存器，否则，转步骤⑤;
④进入中断处理程序，根据中断的类型，执行相应的数据传输操作;
⑤判断设备是否需要挂起，若是，则将设备挂起，直到被USB总线唤醒;
⑥重复执行步骤②。
PC主机端的USB驱动程序由USB主机控制器(HCD)、USB驱动(USBD)和USB设备驱动程序组成。USBD和HCD称为USB系统软件，完成USB协议相关的操作和USB设备的总线枚举，一般由操作系统提供。针对本嵌入式虚拟仪器的USB设备驱动程序可以按照HID类的规范进行驱动程序的编制，主要完成与USBD软件层接口以及管理设备的数据通信管道等工作，实现USB设备的一些特定初始化工作，并将用户应用程序的请求转化为对相应USBD驱动程度的调用。通过对用户应用程序提供API函数，从而屏蔽USB实现的细节。另外，为了扩展嵌入式虚拟仪器的功能，充分利用已有的虚拟仪器的技术，可以采用PC机作为嵌入式虚拟仪器的数据处理和协调中心，构建基于USB总线的分布式测试系统。这时，PC机作为虚拟仪器平台来分析、处理和显示数据，其高级开发语言采用Lab2View，提供人机交互、显示多窗口虚拟仪器界面、提供测试控制、数据输入和结果输出，并模拟产品面板，实现仿真功能。这是一般的虚拟仪器研究的内容，在此不作详细讨论。
6 结束语
虚拟仪器技术是计算机技术、现代测试技术和电子仪器技术相结合的产物，正向着智能化、开放式体系结构的方向发展。本文提出的基于嵌入式计算平台和USB总线技术的嵌入式虚拟仪器符合这一发展趋势，具有很好的开发与应用前景。
参考文献
1杨乐平。虚拟仪器技术概论[M]。北京：电子工业出版社，2003。
2陈章龙。嵌入式技术与系统———IntelXScale结构与开发[M]。北京：北京航空航天大学出版社，2004。
3程兴亚。基于嵌入式系统的虚拟仪器设计[J]。微计算机信息，2004，120(12)：63-64。
4邱宁。利用USB总线的虚拟逻辑分析仪[J]，自动化仪表，2003，24(9)：21-24。
虚拟现实系统的特点范文第4篇
关键词：VR技术；教育
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0207-02
虚拟现实技术通过模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能，使人能够沉浸在计算机所生成的虚拟世界里面，并且能够通过语言、手势，感官等自然方式与计算机进行实时交互，创造了一种以人为主的虚拟空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破时间和空间以及其他客观的限制，感受到真实世界中无法亲身体验到的经历。虚拟现实技术可以广泛用于学习情景的创设，增加学习内容的形象性和趣味性，进而实现模拟训练。通过VR进行学习和教育，不光可以减少现实空间中某些训练操作的困难和危险，更可以使训练造价得到大幅度降低。因此，我们说，虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的一项技术。
1 虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统按照不同的标准有不同的标准，通常情况下可以分为三类：
第一种：桌面虚拟现实系统
桌面虚拟现实系统是一款基于普通PC平台的小型的虚拟现实系统，它主要是利用图形工作站和立体显示器，产生虚拟情境，参与者可以使用数据手套、三维鼠标、力反馈器或者其他手控输入设备，实现虚拟现实技术。计算机的屏幕是参观者观察虚拟境界的一个窗口，立体显示器用来观看三维虚拟场景的立体效果，它所带来的立体感能够使参与者产生一定的投入感。桌面虚拟现实系统主要包括VR立体图形显示、效果显示、人机交互等几部分。
桌面虚拟现实系统虽然没有完全沉浸式的效果和性能，但是因为成本相对较低，所以应用的比较普遍。因此，桌面虚拟现实系统被认为是初级的虚拟现实技术的应用，也是投入虚拟现实技术研究的初级阶段。
第二种：沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统提供参与者完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界中的感觉。它的特点就是：利用头盔显示器把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟视觉，同时，它利用数据手套把用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感。系统采用语音识别器让参与者对系统主机下达操作命令，与此同时，头、手、眼均有相对应的头部跟踪器、手部跟踪器、眼睛视向跟踪器的追踪，能够使系统达到尽可能的实时性。
第三种：分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统（DVR）是基于网络虚拟环境，在这个环境中，多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机和网络对这个虚拟环境进行观察和操作，从而实现与其他用户的交互，并共享信息。分布式虚拟现实系统的特点就是可以实现实时交互，资源共享，用户互动。当然虚拟现实系统最基础的特点就是模拟现实，有真实感。
2 国外VR教学的研究现状
目前，国外的一些公司已经研究出来应用虚拟现实技术的教育系统，而且国外的一些学院已经已经开始使用VR教育系统。zSpace首席执行官Paul Kellenberger表示：“zSpace一体式教育系统更先进，使用起来更加简单。我们想颠覆学校使用技术的方式，我们并非生活在一个扁平的世界。作为一个企业，我们的目标是让尽可能多的人了解这种互动和虚拟现实体验，zSpace教育解决方案让学校将这一切都变成可能。zSpace由一台单独电脑和VR显示器组成，并配备有触控笔，帮助学生操纵虚拟3D物体，加强学习体验。此外，zSpace还成立了专门的STEM实验室。在美国，已有上万的学生正使用zSpace STEAM（science科学， technology技术， engineering工程， art艺术， mathematics数学）实验室课件进行学习。此外，坐落在德克萨斯州的Trinity University也将VR设备用于校园文化的推广和普及上，并取得不错的效果。
3 国内VR教学的研究现状
北京微视酷（VRschool）科技有限公司是中国专业的VR教育软件研发机构，他们利用其领先的VR技术，结合教学实际需求，成功自主研发了“IES沉浸式课堂”系统，为国内教学提供了VR（虚拟现实）教育应用整体解决方案，成为未来学校和智慧课堂的教育改革技术先锋。2016年4月5日下午，北京中关村第二小学与北京微视酷科技有限责任公司合作的VR虚拟现实“IES沉浸式教学系统”公开课正式开讲。现在国内提出把VR技术应用在教育领域的公司还包括：新东方、百度、巧克互动、网龙、安妮股份、厦门创壹软件等。其中，新东方和乐视在2015年达成初步合作意向，双方将在英语课堂实现VR教学。安妮股份也启动了虚拟现实项目，以虚拟现实技术开发儿童教育产品。百度则计划2017年在贫困山区的学校构建一些VR教室。此外，一家名为“巧克互动”的创业公司，也宣布将VR应用在英语教学上，试图实现在虚拟场景下的在线直播功能；厦门创壹软件则研发了全国最大的虚拟现实三维互动在线教育云平台；网龙近期也宣布正在从硬件、技术和资源三个层面着手，研究VR在教育行业的落地。因此，VR技术将会进一步走入人们的生活，不仅在游戏领域，也将会越来越多的应用在教育、医学等其他领域。2016年4月8日，VR及虚拟仿真实践教学信息技术应用研讨大会在广东工业大学举行。研讨会上，上海曼恒数字有限公司的技术专家与广东工业大学的学术专家进行了专题演讲，同时，双方合作成立的VR&AR技术研究联合中心以及虚拟仿真技术研究中心也在研讨会上揭牌。这意味着，VR技术将在教育领域寻求更深的合作空间。
4 VR虚拟教学的特点
1）利用VR技术设计逼真的三维虚拟环境，能够使学生置身于虚拟的3D学习环境中，体验真机实训不可能观察到的各部件以及重要部件独立工作的原理，让学生能够自己动手操作仪器，更好地了解仪器设备的构造、安装与操作。
2）充分利用并行虚拟现实系统的可交互性，让学生与学生、学生与老师之间可以像正常教学那样互动的同时，体验平时不可能体验到的情境中，同时可以利用并行虚拟现实系统的共享性使所有学生可以共享资源，激发学习兴趣，提高学生的自主学习能力和操作能力。
3）学生可以不受时间和空间的限制，自己可以在任意的时间和地方利用VR教学设备学习，学习内容也可以根据自己的兴趣和天分而定。与传统的教学方式相比，节约了时间，提高了学生的学习效率，同时充分挖掘了学生的兴趣爱好。
4）支持远程应用及管理，VR教育系统的平台采用服务器与用户端的模式。学生和老师通过用户端申请账号和密码进行登陆，然后访问服务器，进行相应请求模型数据的传输。这样既可以教学，同时学生和老师都可以在设备上学习，并且得到真人“面对面”的教学，这样的教学方式比寻求家教更加方便，更加高效。
5 VR虚拟教学面临的问题
1）VR产品的价格与功能方面也存在悖论
功能越丰富，价格越高，买的人就越少；但走廉价路线的VR产品，又因产品性能不过关，用户体验不好等原因无法一直“红”下去。因此，以最低成本提供最好用户体验才是产品迭代的核心和必经途径。
2）内容与硬件质量不匹配
虚拟现实技术的研究人员不断地在提高硬件设备，但是由于VR设备比较昂贵，一般人都消费不起，因此不能够广泛地被大家所了解和使用，因此缺乏创新型的内容。教育重视内容，重视质量，重在新颖，内容是根本，技术是手段。但是目前的VR教育设备因为价格、技术等原因，很难推广，很少有人了解这个东西，因此，VR虚拟教学系统缺乏创新的内容，也无法做到实时的更新内容。学生在使用过程中，只会刚开始会有兴趣，等到熟悉虚拟设备的所有内容之后就会觉得乏味，枯燥，根本达不到丰富知识，激发创造力和潜力的效果。
3）长时间佩戴，学生依然会产生晕眩和不适感
眩晕是因为眼睛感受到的画面和身体感受到的运动不协调。有数据表明，头动和视野的延迟不能超过 20ms，不然就会出现眩晕。低于20ms 的延迟对于 VR 设备的技术要求很高，设备一方面要精确地测出头部转动的速度、角度和距离，还要及时渲染并显示出画面，这一切都需要在 20ms 以内完成。所以VR产品，一定要保证画面的稳定流畅和信息的同步。
解决眩晕的另外一个办法，就是降低余晖，低余晖头就是使物体的轨迹更加接近于物理世界的真实轨迹，在一定刷新率下不会产生让人能够觉察到的拖影。要达到这个目的，只能使用 OLED 等新型显示器，由于其每个像素都是主动发光的，所以 OLED 屏幕可以做到低余晖。
4）功能依然不够完善，用户体验需要加强
目前VR教育系统的研究仍旧处于初级阶段，它所包含的功能不够完善，我们看到目前国内的VR教育系统都是提供一些简单的三维场景，用来还原课程内容场景，让学生更好地融入到事件发生情境中，更好的理解一些公式及其原理。
5）缺乏庞大的资源库
一个完善的VR教育系统必须拥有庞大的资源库，才能够满足用户的需求。我们知道虚拟现实设备主要是通过对图像进行处理，然后通过从人体接受过来的感官信号对图像进行变换，然后利用显示设备 展现出3维立体影像。这些都需要庞大的存储区域才可以实现，同时我们对于完善的虚拟现实教学设备而言，他不仅要存放一种学科的全部理论知识点，3维模拟场景影像，还包括学生的学习记录，学生查询的相关资源，教师考核试卷资源等等。由此可见，VR教育系统必须要建立一个庞大的资源库，但是目前对于一般的学校而言，还不能做到，但是未来，我相信科研者肯定会解决这个问题。
6）对网络通信带宽有较高的要求
分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，这个特点正好满足多个学生和老师在虚拟情境中进行交互，共同学习。但是，在分布式虚拟现实系统中，网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带宽需求也随着增加。因此，分布式虚拟现实系统对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。
传统的教育模式已然不能够满足当今社会对人才的需求。传统的教育模式下，老师讲，学生跟，根本不能够发挥学生的个人特色和创新能力，因此这是一种被动的教育模式。在这种教育模式下，学生很难发挥积极能动性，学生的学习效率也不能达到最高。同时，在传统的教育模式下，一个老师带领很多学生，很难做到个个兼顾。因为每个学生接受新知识的速度不一样，领悟力也是参差不齐的，所以很难找到一个平衡点。更重要的是，老师的教学也有自己的个人特色，有些同学可以接受老师的教学方式，然而有些却不能接受，这也是很难调节的。另外，传统的教学教材都是教科书为准，涵盖的知识面比较窄，内容有限，不能够满足学生对大量知识的需求。
虚拟现实系统的特点范文第5篇
关键词：虚拟现实暴露疗法;浸润式;恐惧症;焦虑症
一、引言
虚拟现实（virtual reality，VR）是近年来迅速发展起来的一项技术。虚拟现实领域的先驱Burdea认为：“虚拟现实是合成的计算机用户界面，通过视、听、触、嗅等多种感知渠道对现实进行模拟”[1]。虚拟现实是一种可以创建和体验的计算机系统，它是通过一些特殊设备，如头盔式显示器、图形眼镜、数据手套、立体声耳机、追踪系统、三维空间传感器等，用计算机技术来生成一个视听触嗅等感觉逼真的虚拟时空世界。使用者可以通过传感器装置与虚拟环境交互作用，按照自己的意愿去改变虚拟环境，其感觉、动作与真实世界一模一样，有强烈的“亲临其境”的感受和体验。它强调的是逼真的感受、自然的交互作用、独特的想象性。早些年由于VR 设备和系统制作费用过于高昂，VR 技术只是应用于军事和工业设计等少数领域。随着计算机技术的发展，VR 设备和系统制作的成本大幅度下降，VR 技术也得到了越来越广泛的应用。在国外，一些研究者把VR 技术应用于心理治疗领域，并取得了良好的效果[2]。
暴露疗法是通过让患者长时间暴露于导致其症状出现的刺激中，使得患者产生适应过程而消除症状，并改变对刺激的感知和认识，建立新的行为模式的一种治疗方式。该方法基于Foa和Kozak的情绪加工理论[3]。传统的暴露疗法分为实景暴露和想象暴露，但是无论是实景暴露和想象暴露都有其一定的局限性。实景暴露往往实施起来难度较大，并且有一定的危险性。特别是在对恐高症病人的治疗上，如对其实施实景暴露则更加容易发生危险[4]，在对动物恐惧症的治疗上亦是如此;想象暴露则往往需要患者有良好的想象力，想象力较差的个体因无法达到很好的浸润效果而会影响到治疗的效果。
为了能够在暴露疗法中呈现较完善的暴露场景，往往需要虚拟现实对特定应激场景加以呈现，于是便促成了虚拟现实技术与暴露疗法相结合，我们称之为虚拟现实暴露疗法（virtual reality exposure therapy ，VRET）。
二、虚拟现实技术的分类
虚拟技术按照标准的不同可划分为不同的类别。按沉浸度来划分，可分为非浸入式、部分浸入式和完全浸入式。按其实现虚拟环境功能的高低，可分为桌面式、浸入式、分布式和混合实现系统[5]。
三、浸润式虚拟环境
（一）虚拟现实的浸润感
虚拟现实的浸润感，也叫虚拟现实的沉浸感，是指用户沉浸在虚拟现实系统中，完全体会到与真实场景所一致的情感体验。虚拟现实的浸润感一直是虚拟现实领域关注的重点，尤其在对用户体验要求较高的行业，如游戏、仿真训练等。
（二）浸润式虚拟环境的分类
根据研究人员对虚拟环境沉浸度的不同要求和构造虚拟环境的不同方式，构建虚拟环境所使用的设备差别很大。一般说来有两种常见的方式构建浸入式虚拟环境。
第一种是洞穴式虚拟现实系统，即利用计算机、多个投影系统、多个扬声器等设备构建虚拟环境[6，7] 。 它是一种利用多个立体投影设备，投影屏幕相互环绕的环境，使用者置身于立体投影机投影形成的三维屋子里，并能在其中自由活动。借助于其他传感设备，如立体眼和数据手套，使用者拥有立体视觉，可以从不同角度触摸甚至改变虚拟环境中的物体。
第二种是利用头盔呈现系统来实现虚拟环境。在头盔系统呈现计算机构环境的同时，可利用运动追踪装置提供头部或身体运动变化的信息[8]。头盔显示器固定在使用者的头部。头盔呈现系统实现的虚拟环境可以使观察者产生自我为中心的深度知觉或者外部深度知觉。配合其他的输入设备，可以为被试提供沉浸度较高的虚拟环境。
已有研究表明，无论是洞穴式虚拟现实系统还是利用头盔呈现系统来实现虚拟环境，都会给参与者带来较好的浸润感觉。如Krijn 等人利用组间设计对25名患有恐高症的患者进行治疗，并在治疗中对洞穴式虚拟现实系统与头盔式虚拟现实系统的浸润效果进行了比较。研究结果显示，无论是用洞穴式虚拟现实系统还是头盔式虚拟现实系统，所呈现出的虚拟情境均给参与者带来了较好的沉浸效果，二者的浸润效果并没有影响到最后的治疗结果[9]。
四、虚拟现实暴露疗法在心理治疗中的应用
（一）恐惧症
虚拟现实暴露疗法较多关注特殊恐惧症的治疗，例如蜘蛛恐惧症、 恐高症、飞行恐惧症等。
1.蜘蛛恐惧症
通过虚拟头盔显示器观看虚拟蜘蛛能有效治疗蜘蛛恐惧症。增强的虚拟现实暴露疗法还包含触摸实物的可能性（毛织物可以提供像蜘蛛的感觉）。
目前已有许多利用虚拟现实疗法治疗蜘蛛恐惧症的案例，其中包括一例关于蜘蛛恐惧症的控制实验研究。在研究中，28名患有蜘蛛恐惧症的成年人接受虚拟现实暴露疗法的治疗，并受到评估。治疗的过程包括给被试进行标准化的问卷测量、情绪stroop测验、行为回避测验，以及测量参与者看到活着的多毛毒蜘蛛时心跳的频率。各测试结果均表明，虚拟现实暴露疗法对蜘蛛恐惧症的治疗有很好的效果[10]。
2.恐高症
恐高症是最早应用虚拟现实暴露疗法来治疗的心理疾病之一。在国外已有较多应用虚拟现实暴露疗法对恐高症进行治疗的案例，其中较多的是个案研究，也有一部分采用随机、控制组实验进行研究。在一项研究中，Coelho等人采用个案研究的方法，通过呈现三个虚拟暴露场景对10名恐高症患者进行治疗，一年后回访发现，其回避行为、对高度的恐惧及态度均有显著好转[11]。在另一项研究中，Emmelkamp等人采用随机控制的组间实验，对33名被试采用虚拟现实暴露疗法和想象暴露疗法进行治疗，最后得出结论：虚拟现实暴露疗法与想象暴露疗法在减少焦虑和回避行为方面具有同样的效果[12]。
（二）焦虑症
患有焦虑症的患者通常会体验到更强烈的恐惧和担忧水平。已有研究表明，治疗焦虑障碍最有效的方法之一是暴露疗法。过去的几年中，临床和相关研究领域已经有研究者开始使用虚 拟现实手段制定特定的虚拟情景并将患者暴露其中从而引发其焦虑，达到治疗焦虑障碍的目的。
1.社交焦虑障碍
在一项采用虚拟现实暴露疗法治疗社交焦虑障碍的研究中，被试为36名平均年龄为26岁的男性。被试被要求进入到浸润式虚拟现实环境中——有5个虚拟人物的派对，其中4人坐在离被试比较远的地方，他们相互交谈，另外1名单身女性坐在离被试比较近的位置，接近参与者，介绍她自己后与被试发起交谈，交谈的过程由浅入深。该实验包括社交焦虑问卷前后测，在实验过程中有皮肤电导和心率等生理指标的记录。最终得出的结论是：通过短暂的虚拟现实互动，即虚拟现实暴露疗法，有社交焦虑的参与者的焦虑水平可以得到较大的缓解[13]。
2.考试焦虑障碍
在一项虚拟现实暴露疗法治疗考试焦虑障碍的研究中，有21名学生参加实验，其中11名学生为高考试焦虑，另外10名学生为低考试焦虑。虚拟情境按照考试准备的时间进行呈现——考生的家、地铁、考试地点。结果显示，高考试焦虑组的学生表示出更高的焦虑水平，在暴露于虚拟现实环境中时，高考试焦虑组的学生比低考试焦虑组的学生表现出更多的抑郁情绪。这一结果表明虚拟现实情境能够激发高考试焦虑学生的情绪反应，但是并没有证实虚拟现实暴露疗法对高考试焦虑的学生有治疗效果[14]。
五、虚拟现实暴露疗法在创伤后应激障碍治疗中的应用
所谓创伤后应激障碍（PTSD），是指经历异乎寻常的威胁性或灾难性应激性事件或情境后而引起精神障碍的延迟出现或长期持续存在，其特点是时过境迁的痛苦体验仍然挥之不去，持续回避与事件有关的刺激，并长期处于警觉焦虑状态[15]。Difede等人应用虚拟现实暴露疗法对一名患有PTSD的“911事件”幸存者进行治疗，结果显示，该患者在经过完整的虚拟现实暴露疗法治疗后，其PTSD症状显著减少了90%[15]。
六、对虚拟现实暴露疗法的评价
虚拟现实的暴露过程通过实际的暴露并伴随着可视化的图像和想象来共同完成。暴露疗法背后的原理是：通过暴露于恐怖的情境让人们有机会认识到他们的恐惧和担心是多余的;通过不断的练习，他们的焦虑也会逐渐减少。
（一）虚拟现实暴露疗法的优点
虚拟现实暴露疗法在增强和加速处理治疗过程方面比真正的暴露和想象技术有更多的优势。
与现实暴露相比，虚拟现实暴露可以完全进行控制：暴露的质量、频率和强度可以完全由治疗师在办公室执行，当病人无法忍受时，可随时停止。
另外，患者能够对特定的恐惧刺激进行反复暴露 。在Wiederhold的典型案例中，一名患者只害怕飞机着陆的过程。如果使用虚拟现实暴露疗法，在一个小时内患者可以练习多次着陆，而不用浪费时间去乘飞机旅行。此外，暴露的同时治疗师可以用不同的仪器监控病人的反应 （包括心理和生理反应），观察病人的症状是否有所减少。
与想象暴露相比，虚拟现实暴露疗法拥有高度的浸润感，可以给病人呈现出更有现实感的刺激，因为它有能力去刺激不同的感觉通道，如视觉、听觉、触觉等，从而帮助患者感到沉浸在现实的体验之中[13]。通过虚拟暴露，治疗师能够看到患者所看到的，可以准确地识别出引发患者焦虑的刺激。
总之，虚拟现实的灵活性允许治疗师定制特定的治疗体系以满足不同患者的需求。它的优点概括起来可以包括：交互性、灵活性、可控性、机密性、安全性、省时、节约成本和可重复性。
（二）虚拟现实暴露疗法的缺点
首先，虚拟现实暴露疗法与传统暴露疗法相比，由于其加入了虚拟现实系统而费用相对较高。虚拟现实系统需要运用大量的3D呈现技术，因此对硬件设施的要求较高，这样就带来了较高的实验成本。另外，在设备的维护上，需要投入大量的人力与物力。
其次，虚拟场景开发难度较大。虚拟现实暴露疗法往往建立在虚拟现实场景的呈现上，因此，需要虚拟现实场景有一定的逼真度，这样对开发人员的技术要求便很高。
七、对虚拟现实暴露疗法未来的展望
作为正在发展中的心理治疗方法，随着科学技术的不断进步，虚拟现实暴露疗法将会成为心理治疗领域未来发展的新方向。但是，单纯的暴露疗法往往对心理治疗所起到的效果并不很理想。因此，现在已经有学者将生物反馈技术应用于虚拟现实暴露疗法中，二者相结合，能起到较好的治疗效果。相信随着我们对虚拟现实技术的不断了解，将会有更多更加成熟的虚拟现实系统能够应用到心理治疗领域中来，为更多承受心理疾病痛苦的患者带来福音。
[1]Riva G，Botella C，Geron P，et al. Cybertherapy：Internet and virtual reality as assessment and rehabilitation tools for clinical psychology and neuroscience[M].Amsterdam：IOS Press，2004：37-54.
[2]许百华，赵业.虚拟现实技术在心理治疗中的应用[J].心理科学，2005，28（3）：654-655.
