虛擬實境技術

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3、小節

當然，正如緒論中所提及，許多中學教師已然認識到傳統教學模式的不足，

也在嘗試著尋找自己的教學方法，例如：評點法、分析法、熟讀背誦法等方法（萬 恒德，1986）。然而，由於當前整體教學環境和考試壓力等因素，現今的初中古 詩文課堂教學普遍存在「以知識為中心、以考試為導向」的不良傾向，具體表現 在重考試輕素養、重練習輕感悟、重分析輕體驗。使初中古詩文完全變成了工具 性的訓練材料，只關注學生的語文知識和語文能力（歐運波，2017）。

當前古詩文教學仍然遇到如下問題：

1、教學方法和模式陳舊，簡單粗暴的應試教育，讓教學效率低；

2、學生處於被動學習狀態，學習效率低，對古詩文學習的心裡排斥大，缺 乏主動性學習；

3、古詩文字詞生澀，內容理解難度高，語義環境和當下環境相去甚遠，學 生學習難度大（吳曼璐，2018；於波，2018；王剛，2018）。

第二節、虛擬實境技術 一、虛擬實境技術的定義

虛擬實境技術（Virtual Reality）是近年來發展最快的技術之一，它與多媒體 技術（Multimedia technology）、網路技術(Network technology)並稱為三大前景 最好的電腦技術（李昊倫，2018）。與其他高新技術一樣，客觀需求是虛擬現實 技術發展的動力。近年來，在仿真建模(Borshchev, 2013)、電腦設計(Mano & Kime, 2001)、可視化計算（Seiler, Carmean, & Sprangle, 2008）、遙控機器人（Hongo, Kobayashi, & Kakizawa, 2002）等領域，提出了一個共同的需求，即建立一個比 現有電腦系統更為直觀的輸入輸出系統，成為能與各種感測器相聯、更為友好的 人機介面、人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的多維化資訊環境。

VR 技術是人工智慧、電腦圖形學、人機介面技術、多媒體技術、網路技術、並 行計算技術等多種技術的集成（李昊倫，2018）。它是一種有效的模擬人在自然 環境中視聽、動等行為的髙級人機交互技術。虛擬實境圍繞虛擬環境表示的準確 性、虛擬環境感知資訊合成的真實性、人與虛擬環境交互的自然性、即時顯示、

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圖形生成、智能技術等問題的解決使得使用者能夠身臨其境地感知虛擬環境，從 而達到探索、認識客觀事物的目的（Psotka, 1995）。

圖2-6：早期虛擬實境工作模式

（圖片來源： Burdea & Coiffet, 2003）

圖2-7：最新虛擬實境工作模式

（圖片來源：SuperData Research©Statista, 2016）

VR 以模擬方式為使用者創造一個即時反映實體對象變化與相互作用的三維 圖像和聲音的世界，使用者通過將命令輸入到電腦的特殊界面完成人機交互，同 時電腦會向使用者提供來自模擬的回饋。例如，使用3D 位置跟蹤器或使用傳感 套件測量身體運動，通過感應手套將手勢數位化，將視覺回饋發送至HMD 設備 和大容量顯示器，虛擬聲音則由3D 聲音發生器等產生（Burdea & Coiffet, 2003）。

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（Middleton & Boman, 1994），產生沉浸感（immersive)、想像(imaginative)和交 互性(interactive)。VR 技術的每一步都是圍繞這三個特徵而前進的，這三個重要 特徵用以區別相鄰近的技術，如多媒體、電腦可視化技術等（Burdea & Coiffet，

2003）。

（1）沉浸感（Immersive）

使用者感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身於虛擬世界之中一樣。虛擬 現實技術最主要的技術特徵是讓使用者覺得自己是電腦系統所創建的虛擬世界 中的一部分，使使用者由觀察者變成參與者，沉浸其中並參與虛擬世界的活動 (Psotka, 1995)。沉浸性來源於對虛擬世界的多感知性，除了常見的視覺感知外，

還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知、嗅觉感知等。理論 上說，虛擬現實系統應該具備人在現實世界中所具有的所有感知功能，但鑒於目 前技術的局限性，在現在的虛擬現實系統的研究與應用中，較為成熟的主要是視 覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸技術，而有關味覺與嗅覺的感知技術正在研究之中，

目前還不成熟。

（2）交互性（Interactive）

是指在特定的虛擬環境中，使用者對虛擬空間內物體的可控制性和接觸物體 對虛擬環境自身的回饋與互動(Burdea & Coiffet, 2003)。在虛擬環境中，使用者 與物體產生的互動會如同在真實世界的一樣。交互性的產生，主要借助於虛擬現 二的體驗（Burdea & Coiffet, 2003；李昊倫，2018），即「從定性和定量綜合集

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成環境中得到感性和理性的認識，從而化概念和萌發新意」（李昊倫，2018）。

所以說虛擬現實技術不僅僅是一個媒體或一個高階使用者介面，同時它還是 為解決工程、醫學、軍事等方面的問題而由開發者設計出來的應用軟體。虛擬現 實技術的應用，為人類認識世界提供了一種全新的方法和手段，可以使人類跨越 時間與空間，去經歷和體驗世界上早已發生或尚未發生的事件；可以使人類突破 生理上的限制，進入宏觀或微觀世界進行研究和探索；也可以模擬因條件限制等 原因而難以實現的事情。

三、虛擬實境技術發展的三個階段

學者Burdea 與 Coiffet（2003）在《Virtual Reality Technology》中指出，虛 擬實境技術的發展大致可分為三個階段：20 世紀 50 年代至 70 年代 VR 技術 的 準備階段：80 年代初 80 年代中期，是 VR 技術系統化、開始走出實驗室進入實 際應用的階段：80 年代末至 90 年代初，是 VR 技術快速發展的階段。

第一階段是 50〜70 年代，為虛擬現實的探索階段 1965 年由美國 Morton Heileg 開發了一個名為 Sensorama 的摩托車仿真器，該仿真器不僅具有三維視頻 及身歷聲效果，還能產生風吹的感覺和街道氣味。1968 年，美國電腦科學家 IlEl SutherLand 在哈佛大學組織開發了第一個電腦閣形驅動的頭盔顯示器 HMD 及頭 部位罝跟蹤系統，成為VR 技術發展史上的一個重要里程碑，為虛擬現實的發展 奠定了基礎。

第二階段是80 年代初至 80 年代中期，開始形成 VR 技術的基本概念，開始 由實驗進入實用階段，典重要標誌是：1985 年在 Michael McGreevy 領異下完成 VIEW 虛擬現實系統，裝備了數據手套和頭部跟蹤器，提供了手勢、語言等交互 手段，使VIEW 成為名副其實的虛擬現實系統，成為後來開發虛擬現實的體系結 構其他如VPL 公司開發了用於生成虛擬現實 RB2 軟體和 Data Glove 數據手套，

為虛擬現實提供了開發工具。

第三階段是80 年代末至 90 年代初，為虛擬現實全面發展階段虛擬現實技術 已經從實驗室的試驗階段走向了市場的實用階段：對虛擬現實技術的研究也從某 本理論和系統構成的研究轉向應用過程中所遇到的具體問題的探討。在虛擬現實

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在硬體體系結構方而，DIVISO 公司在 Supervision 系統中提出了一種基本的並行 模型，開發了相關的並行處理器件和DVS 操作系統，使虛擬現實得以全而發展

（Burdea & Coiffet，2003）。

此外，儘管虛擬實境技術發展至第三階段，已經逐步成熟，但華為技術有限

（Head-Mounted display, HMD）、主機系統、定位追蹤系統、控制器。

頭戴式顯示設備(HMD)：HMD 是一種硬體設備，放在使用者眼前，讓使用 者看到AR 或 VR 效果。HMD 包括三星 Gear VR 和 Facebook Oculus Rift 等設備。

主機系統：一套主機系統是指為HMD 提供各種功能保證的設備，如智能手 機、PC 或視頻遊戲機。HMD 設備利用主機系統的方式取決於 HMD 設備的智能 化和自動化程度。

定位追蹤系統：定位追蹤系統可被整合到HMD 設備中，或作為 HMD 設備

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控制器：控制器是一款單獨的設備，如Oculus Touch 和三星 Gear VR Rink。

控制器通常是一款手持設備，允許使用者追蹤自己的動作或手勢。例如，當使用 者在玩一款第一人稱射擊遊戲時，就可以把控制器對準敵人。此外，一些控制器 還能提供觸覺體驗，能讓使用者感覺到震動。例如，如果敵人射中玩家右手，那 麼就能感覺到震動。

通過頭戴式顯示設備（Head-Mounted display，即 HMD）、主機系統、定位 追蹤系統、控制器的相互配合，使用者便可以在虛幻的世界中體驗真實的沉浸、 問題之一，儘管這個問題在很早之前就已經有學者在不斷地努力解決了（Keshner, Streepey, Dhaher, & Hain, 2007；Akizuki, Uno, Arai, Morioka, Ohyama, Nishiike, &

Takeda, 2005）。一般情況下，更高的解析度、更快的刷新率和更強大的計算能 力，就能提供更好的使用者體驗，從而降低「暈屏」。得益於智能手機的發展，

顯示面板解析度和刷新率的提高，以及計算能力的提升，這些已經為HMD 設備 的普及提供了很好的保障。而在不久的將來，顯示技術(解析度和刷新率)和計算 能力會進一步提升，而HMD 設備的使用者體驗也會隨之改善。

2、無線連接

目前市面上的虛擬實境體驗設備廠商所生產的設備中，不論是HTC、Sony 還是Oclus、華為等，均屬於有線設備，需要線纜從主機系統(如 PC)向 HMD 設

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備傳輸數據。這主要是因為有大量的數據需要傳輸，而當前的WiFi 和蜂窩技術 還無法實現無縫傳輸。這種現狀，在一定程度上影響了虛擬實境玩家的體驗。學 者Foxlin、Harrington 和 Pfeifer 早在 1998 年就提出過一種利用超聲波跟蹤和慣 性傳感器輔助無線傳輸的方案，但該方案受制於成本和體驗場景的限制，依然無 法解決問題。

圖2-8：學者 Foxlin、Harrington 和 Pfeifer 提出的無線傳輸系統

（圖片來源：Foxlin, Harrington & Pfeifer, 1998）

因此，HMD 設備要想真正騰飛，必須要解決無線連接問題。更快的 WiFi 或蜂窩技術連接能滿足HMD 設備所需的大量數據傳輸，將成為確保 HMD 設備 大規模普及的重要保障。另一方面，新的壓縮技術也能加快無線連接傳輸速度。

而由於5G 技術的出現，可以預測在不久之後，無線傳輸問題在虛擬實境的 體驗中將得到妥善的解決。

除了以上問題之外，虛擬實境技術未來的演進方向還包括以下幾個方面。

（1）低成本快速建模技術。虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，

動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據需要建立相應的虛 擬環境模型。內容製作是虛擬現實產業界的短板，當前的內容製作成本高、週期

動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據需要建立相應的虛 擬環境模型。內容製作是虛擬現實產業界的短板，當前的內容製作成本高、週期