虚拟现实技术在化学实验教学中的应用研究
中图分类号：TP391.09 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）10-05-03
Application research of virtual reality technology in teaching of chemical experiments
Zhu Yahui1， Yan Yaxing2
（1. Mathematics and Computer Science， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039， China；
2. Chongqing Key Laboratory of Computational Intelligence， Chongqing University of Posts and Telecommunications）
Abstract： The application of virtual experiment spreads widely. The related technologies supporting it become hotspot in the research. The future development trends of the virtual chemistry experiments and virtual reality technology are analyzed in this paper. The theoretical foundations of U-nity3D techniques， the enhancing reality technology and the Kinect somatosensory interactive technology are discussed. Application and development trend of virtual chemistry experiments are introduced. Take the virtual technology fusion method as orientation， simulating real-time environment， the virtual experiments become simplistic， intuitive. Application prospects of virtual reality convergence technology in the field of virtual experiment technology have been proved. The virtual fusion technology is conducive to promoting the development of intelligent virtual chemistry experiments， which is a new starting point for reform of virtual experiments.
Key words： virtual reality； Unity3D； Kinect somatosensory interaction； actual situation fusion； VRML
0 引言
近年来，随着虚拟实验逐渐引入校园，其实现/开发技术不断得到更新和完善，这给虚拟实验教学的应用带来了巨大的便利。虚拟现实技术以它的开放性、仿真性、经济性、可重复使用性、共享性等优点在更多的领域得到应用，对其研究的目的在于利用所有可能的信息技术进行虚拟现实技术的开发，提高虚拟的自然性和高效性[1]。目前人与计算机交互的方式只局限于鼠标和键盘，由于这种技术的单一性阻碍了虚拟现实技术的进一步发展，虚拟实验中输入输出效率之间差距变得越来越大。随着计算机科学技术的快速发展，更高层次的虚拟现实技术理念对虚拟实验提出了更多要求，越来越多的科研人员开始对新的虚拟现实技术的多通道界面展开研究，目前的研究内容主要集中在虚拟现实技术、增强现实技术、体感交互技术相结合的研究。
虚拟现实技术的出现为促进虚拟实验的发展具有重要意义，虚拟现实技术作为新一代的虚拟实验开发技术，可以依靠实时模拟使用者的动作、化学器材和药品的识别以及化学反应变化识别来实现虚拟输入功能。这一特性很好地填补了现有人机交互技术的缺陷，并且促使虚拟现实技术成为虚拟实验领域中的一个研究热点，而体感交互技术也必将成为未来虚拟现实技术中发展的趋势。
同传统计算机技术相比而言，虚拟现实技术可以实现和多种技术相结合来控制终端，特别是未来的体感交互技术，用这种最自然的方式与终端进行交互的特点，贴近了虚拟实验对自然性的需求，虚拟现实技术对虚拟实验理念的实现起到了重要的推动作用。因此虚拟现实技术在虚拟实验领域中的应用对其今后的发展具有很大的必要性。目前虚拟现实技术存在着各种研究上的难点，如：没有完全对实验环境真实虚拟化，不能避免外界环境的干扰；还不能很好解决实验结果中存在的偏差和不能把握好实验操作的精准度；还不能提供较好的相互协作的学习方式，操作实验模式单一，多人操作实验时技术难度比较大等。 1 概述
对虚拟现实技术在虚拟实验领域的研究目前主要体现在基于三维虚拟实验平台、VRML中粒子系统化学实验、Flash3D技术游戏场景模拟等方面，其应用于增强现实技术化学反应特效制作及体感技术人机实验自然交互等很多领域[2]。
1.1 虚拟化学实验研究现状分析
近年来，虚拟现实技术已成为计算机科学与其他技术科学领域中研究和开发的热点。随着此技术的发展，虚拟实验在教育教学中发挥了重大作用，它具有知识综合性、教学创新性、实验应用性的特点[3]，提高了学生分析解决问题的能力。
目前，利用虚拟现实技术开发的虚拟实验呈上升趋势，采用虚拟融合技术开发的虚拟实验逐渐增多。由于体感交互技术近三年来逐渐兴起，采用Kinect体感交互技术进行虚拟实验的研究极少。技术融合为虚拟现实技术在虚拟实验提供了高级的集成性和交互型，给人以愈发逼真的场景体验，特别在化学实验中得到了十分重要的应用。虚实融合与体感交互对虚拟实验的有效支持将成为目前及未来研究的热点。
1.1.1 虚拟化学实验的特点[4]
虚拟现实技术越来越多地与增强现实技术、Unity3D技术、Kinect体感交互技术融合，对虚拟实验环境进行构建，实际应用中为实验教学开启了一种全新的教学模式，使虚拟实验具有了独特的特点。
⑴ 仿真性：虚拟化学实验是对真实实验环境的模拟，学生通过进行实验操作、技能训练和知识探究来学习真实世界的知识。
⑵ 强交互性：用体感交互技术与实验的交互会是完美的结合。
⑶ 开放性：是利用虚拟现实技术，实验内容打破了空间的局限，使学习者可以自由进入虚拟实验系统学习，交流和研究。
⑷ 节约成本，便于及时更新实验设备。
⑸ 多感知性。
⑹ 投入性：虚拟实验是真正的身临其境做实验。
⑺ 自主性。
1.1.2 虚拟化学实验的类型[5]
近年来，由于Unity3D三维引擎技术、Flash3D、VRML+Java、Kinect体感交互技术逐渐发展成熟，不断创造出具有特色的虚拟化学实验系统，随着虚拟现实技术的进步和发展可将虚拟化学实验分为三大类：
⑴ 基于平面简单动画仿真的虚拟化学实验平台；
⑵ 基于三维视觉效果的虚拟化学实验平台；
⑶ 基于三维交互设备的虚拟化学实验平台。
目前随着虚拟现实技术的融合与创新，直接影响着使用者对化学实验教学的喜爱程度。根据使用者参与虚拟实验形式的不同和沉浸程度的不同，把虚拟实验分为以下几种类型：
⑴ 桌面式虚拟化学实验；
⑵ 增强式虚拟化学实验；
⑶ 沉浸式虚拟化学实验。
1.2 虚拟现实技术发展现状分析
虚拟现实技术与仿真技术的发展密不可分，从早期的60年代虚拟现实思想萌芽阶段开始，到80年代虚拟实验概念理论的形成，再到今天虚拟现实理论的完善和全面应用，都在不断提升仿真技术的水平。目前在虚拟现实技术领域的基础研究主要集中在感知、虚拟融合技术和体感交互技术；实时三维图形图像生成技术、多功能的交互技术，高分辨率的动态环境建模技术；实时、现实三维动画技术和场景情感识别技术；立体显示和传感技术；快速、高精度三维跟踪技术以及系统集成技术等。
虚拟现实技术的发展提供了一种研究和思考的工具，仿真现实世界，化学实验教学中实现了“从计算机为主体”到“人为主体”的转变，实现了“适计算机化的单维信息空间”到“适人化的多维信息空间”的转变，从而产生了许多解决问题的新方法，其研究主要涉及到三个领域：
⑴ 通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；
⑵ 建立对虚拟世界的观察界面；
⑶ 使用虚拟现实技术加强如虚拟实验领域的应用。
目前，虚拟现实技术的研究内容大体趋于其本身的研究和其应用的研究两大类。主要应用在现实世界的仿真研究、人类认知的研究以及可视化的研究。当前国际上，虚拟现实技术大多研究虚拟人机交互界面、虚拟现实系统的构造技术，着重于研究虚拟现实的应用。而需求自然方式的直接交互，要求更高的连续性，多维性，融合体感交互技术和增强实现技术将会提高三维对象交互的效率。
在未来虚拟现实技术研究追求遵循“低成本，高性能，多维技术融合”为主线，将会从动态环境建模技术方向、实时三维图形生成和现实技术方向、新型交互设备的研制方向、智能化的语言虚拟现实建模方向以及大型网络分布式虚拟现实的应用方向，这些将成为未来发展的趋势。
1.3 增强现实技术发展现状分析
增强现实是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一种技术，它通过显示技术，计算机图形，体感技术，计算机多媒体技术将虚拟信息叠加到现实环境或者现实物体上，产生三维信息以增强人对真实世界的感知。增强现实具有实时结合、实时交互、三维标定的特性，依托于显示技术和三维跟踪标定技术来实现。目前，实现增强现实的主流方式：增强现实关键的技术、虚拟物体生成技术、显示技术和跟踪注册技术，实现虚拟和真实对象的配准、排列[6]。
增强现实技术迅速发展的过程中，形成了跟踪定位技术、Marker识别技术、图像识别技术、标定技术，以及界面可视化。增强现实技术逐渐提高虚实结合、实时交互、3D注册的技术水平，弥补了虚拟现实技术完全脱离现实而存在的缺陷。增强现实技术在计算空间、体感交互、感知人脑方面发挥着切实有用的应用，近年来增强现实的应用不断取得进展，在国内各大高校取得了一定进展，目前已经提出了基于视觉的增强现实跟踪注册方法、空间增强现实流水线和基于定位标记的视屏检测等研究，在虚拟化学实验教学中应用突出，但是还存在着技术上的不足，在未来增强现实技术在系统微型化和低能耗的研究方向上将成为趋势。 1.4 VRML技术发展现状分析
虚拟实验是仿真性、强交互型、开放性，便于及时更新实验设备等优点的结合体，我们确立采用虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）构造三维虚拟实验场景，实现虚拟仪器的三维建模和访问。基于VRML的虚拟化学实验具有自由性、开放性、节约型，实验教学一体化、易于开设新型的实验项目和安全性等优点。
目前，对VRML技术描述三维虚拟场景和设备，优化虚拟实验系统网络结构，以VRML技术和目前广泛应用的Java相结合发展基于Web的虚拟化学实验的网络构架，此设计流程如图1。用3DS max图形化操作，建立了模型直观而便捷，可以结合体感设备，进行人机交互在Web端虚拟实验。采用VRML粒子系统插件在3DS max中建立好模型，可以利用VRML脚本编程接口或基于外部编程接口进行交互，通过传感器节点交互控制。这项技术在化学实验中得到完美的应用，场景模型和化学反应的模拟都是非常的生动逼真。
[建立实验室场景][仿真实验室仪器和药品][模拟反应现象][实现交互性][发布到Internet][主要是VRML建模，复杂
型可以借助3ds max等建
模软件][VRML中事件，路由，传感器，插补器，检测器等节点，粒子系统][Java程序，结合使用EAI和Script节点]
图1 VRML+Java技术开发虚拟化学实验室的流程图
VRML的出现是将来三维虚拟网络世界不可缺少的重要技术。VRML是一种三维场景的描述性的虚拟现实建模语言，创造了易于网络传输的交互式三维空间，它通过描述物体、网络传输、本地计算机生成。它利用节点构建虚拟实验仪器和场景。
1.5 体感交互技术发展现状分析
体感技术是利用肢体动作、手势、语音等现实生活中已有的知识和技能进行人机交互集多种技术于一体的体感设备，通过自然方式与终端交互[7]。它是随着虚拟现实、混合现实、增强现实等技术的发展，三维人机交互为重要的研究领域之后出现的。随着虚拟实验对教学和研究的支持力度不断加大，虚拟现实不断暴露出一些缺陷，如模拟实验环境的真实度不高，实验交互操作缺乏人性化等，造成虚拟实验难以达到高度沉浸和人性化实验交互的操作效果。在此背景下，虚拟融合环境下体感交虚拟实验凭借真实的实验环境与虚拟仪器相结合，采用体感交互操作方式使实验者直接用手与虚拟仪器接触交互，大大提高了虚拟实验的真实情景感和灵活的人机交互性[8]。
近年来，虚实融合与体感交互对虚拟实验有效支持。Kinect作为新一代的体感设备，抛弃传统的鼠标和键盘的操作方式，直接通过手势动作进行虚拟实验操作，可以有效地进行多人协作实验，很好地弥补了现有人机交互的缺陷，并且促使Kinect体感技术成为虚拟实验领域中的一个研究热点。Kinect设备体感技术在化学实验教学领域的研究和程虚拟实验将会成为未来研究的重要方向。
2 应用展望
在国内外虚拟现实技术不断同体感交互技术的融合环境下，虚拟实验得到了广泛的应用，特别在虚拟化学实验这一领域在不断深入研究，对国内外科学技术发展产生了非常重大的影响力。目前，随着Unity3D技术，体感技术结合日益紧密，逐渐形成了当今适时代计算技术发展的潮流，增强现实技术的出现为虚拟化学实验开辟了道路。虚拟实验的进步与发展，为学习者提供了一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。
我们相信虚拟现实技术必定会给化学实验教学领域带来崭新的面貌，随着时代的发展，尤其是在计算机技术和计算机图形学技术的进步，增强现实技术也会不断得到完善，体感技术融合的时代里，虚拟现实技术将会不断寻求能够促进化学实验教学质量更优化的新方法，来提升我们的学习能力，创造能力，推进我国教育事业的发展。
3 结束语
虚拟现实技术在化学实验教学中的应用日益广泛，让我们看到了虚拟现实技术的强大功能。通过研究技术融合使得虚拟化学实验简单化，直观化，贴近现实和仿真实时的实验环境，仿真效果更加优越化，在未来学习中给实验教学将会带来巨大的便利，涉及这个领域的技术潜力会更大，应用前景将会非常广阔，但是在情景真实化问题上所存在的很多理论难题和技术障碍还有待研究。
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