基于VR 的虚拟实验室的研究现状及发展趋势*

王可为，吴晓康，郭天太，孔 明

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

随着我国高校在校生人数的不断增多、高校对实验室建设的日益重视及教育改革的不断深入，实验室的建立对各大高校与科研单位有着越来越重要的意义。传统实验室具有占地面积大、投入成本高等缺点。例如，开设一门仅4～6 课时的化纤纺丝课程，若建立传统实验室，占地面积50 m2以上，新购设备至少需花费100 万元，每次实验原料耗材需花费上千元[1]，这对许多地方高校来说是很难承受的。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，将虚拟现实技术引入到实验教学中而形成的虚拟现实实验室日益受到人们的关注。

1 基于VR 的虚拟实验室概述

在目前的文献中，“虚拟实验室”一词使用广泛，但其所指差别较大。根据虚拟对象的不同，虚拟实验室可大致分为两类：基于虚拟仪器（Virtual Instrument, VI） 的虚拟实验室和基于虚拟现实（Virtual Reality,VR） 的虚拟实验室[2]。其中，基于VI 的虚拟实验室由数据采集和仪器操作技术实现，是用软件组建并生成特定的、与传统电子仪器功能类似的虚拟仪器，通过硬件进行数据采集并将数据分析结果显示出来的虚拟实验室。本文重点讨论基于VR 的虚拟实验室。

虚拟实验室（Virtual Laboratory）一词在1989 年由弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授提出。他认为虚拟实验室是由科研人员创建，具备沉浸感的电子化、网络化且交互性强的虚拟人工环境[3]。可见，这一概念的提出与VR 有密切关系。1995 年5 月，联合国教科文组织（UNESCO） 将虚拟实验室定义为：为实现实验室远程协作、科学研究与其他高科技活动，通过信息技术和通讯技术产生结果或结论的虚拟工作室[4]。这一定义扩大了“虚拟实验室”一词的内涵，使其覆盖面扩大。

基于VR 的虚拟实验室即通过仿真、建模、虚拟现实等技术，利用计算机虚拟出与现实实验室功能类似的实验平台并进行实验，实验结束后还可以对实验流程与操作结果进行数据分析，最后基于Web 技术实现数据共享的虚拟实验系统。

基于VR 的虚拟实验室可简称为虚拟现实实验室（Virtual Reality Laboratory），是将虚拟现实技术融入到实验室建设中的实验模式[5]。传统的人机交互界面中，用户不能参与其中，缺乏交互性的体验。虚拟现实技术可以利用三维信息来创建实时的人工虚拟环境，用户可参与到模拟现实世界的三维电子环境中，通过传感器等技术进入虚拟环境，并与虚拟环境中的人或事物交换想法和行为。虚拟现实实验室可以是真实实验室的模拟，也可以是完全基于构想的虚拟实验室。虚拟现实实验室的结构主要包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、相关资料信息以及指定的实验对象等。

2 基于VR 的虚拟实验室的国内外研究现状

国际上具有代表性的虚拟现实实验室主要集中在物理、化学、控制工程、远程虚拟教育等领域，国内主要集中在高校的虚拟学习资源建设方面。

2.1 国外研究现状

目前国外学者对虚拟现实实验室的研究范围较广，涵盖了教学、医学、化学等许多领域。例如，De Groot J H B 等扩展了气味对行为影响的传统研究方法，应用VR 技术创建了一个真实的、沉浸式的实验室，并与传统的无菌、非沉浸式实验室环境进行了比较[6]；Malihi M 等为研究市场上虚拟现实系统对自闭症谱系障碍儿童的安全性与可用性建立了虚拟现实实验室，并指出头戴式VR 显示器相较于普通显示器为自闭症谱系障碍儿童提供了更好的真实感和存在感[7]；Moozeh K 等研究了一个基于网络的应用框架，用于开发交互式的、用于练习的虚拟现实实验室，以补充实际操作实验室的不足，更利于学生课后整合知识点，其框架由4 个模块组成，包括视频模块、虚拟实验室模块、反应机制模块和结果评估模块[8]；Malta L S 等开发了一个检测压力源的虚拟现实实验室，用虚拟现实模拟各种场景，在参与者可以忍受的范围内唤起其应激反应，检测其心率和内分泌系统，寻找压力源，研究压力对人的影响[9]；Molina M M 等建立了现场妇科模拟培训实验室，利用LapVR（腹腔镜手术模拟系统） 和Simbionix Hystsim（3D 系统，前身为Simbionix） 将虚拟现实引入实验室建设中，建立现场妇科模拟培训实验室，增强护理人员手术技能和信心，从而提高手术操作成功率，对提升手术室病人直接护理的效率和安全性有重要意义[10]；Dunnagan C L 等利用Wonda VR 开发了虚拟现实实验室，教学生如何使用红外光谱仪，应用VR 教学使学生信息接收能力增强，学生通过屏幕上的标注和图形演示完成实验操作，并能从产生的红外光谱中阐明未知结构[11]。

2.2 国内研究现状

目前我国对虚拟现实实验室的研究虽然覆盖面也比较广，但主要集中在教学方面，且部分虚拟现实实验室已经在实现简单交互性的基础上融合了前沿高新技术，实现了虚拟实验室建设的高度创新性。例如，在生物发酵方面，倪芳等应用嵌入式的VR 系统并融入“互联网+”技术建立了可视化、交互式的虚拟实验室，通过设定实验基础参数，让学生进行单元实际操作，并表明由传统实验室到类似虚拟实验室的多维教学增加了学生的可选择项[12]；在化学教学方面，熊巍等利用Adobe Illustrator 绘制实验背景和实物，在Unity3D 中创建开发，最后将应用程序发布到网络中，为提高学生的学习乐趣，字体设置成了手写模式使实验鲜明轻快，同时设置了离开实验室的选项，方便用户随时离开实验[13]；在实践教学方面，宋鹰等通过智能终端，融合人工智能、5G 局域网等先进技术，研究了基于VR 的实践教学系统，大大降低了采购、维护费用，并满足了高等院校实习实训的教学需求[14]；在公安教学方面，李海英以刑事科学技术课为依托，提出用Solid Works 和3ds Max 两个软件对所需场景建模，最后用ASP.NET 新一代脚本语言完善整个虚拟现实实验平台的方式，应用于对应学科如法医学、现场勘查等课程[15]；在机械制造方面，张勇亮等通过3ds Max 对轮机结构进行建模，再使用Unity3D 引擎和Visual Studio 中的C#编程写出扩建的语言，检测完毕后用LOD 技术等来优化各项功能，发布后学生就能登录界面完成实验[16]；在医药护理方面，徐倩等运用Kinect 技术进行体感交互实现手势或动作识别，再将模型导入到Unity3D 中，建立高度沉浸的医药护理实验室[17]；在天体研究方面，蔡静等用Unity3D 和Maya 构建各大行星场景，采用Leap Motion 使用户通过手势对实验进行操作，创造了沉浸式的实验环境，让实验者带上数字头盔后利用手势直接近距离观摩宏大的宇宙，学习天文知识[18]。

3 基于VR 的虚拟实验室的发展趋势

近年来，我国VR 技术越来越成熟，基于VR的实验室也在蓬勃发展。未来不同实验室之间的分布式协作将加强，目前国内正在逐步探索此类虚拟现实实验室的构建。2019 年5 月24 日，我国成立了第一个基于VR 的工业应用联合实验室。科研的创新需要大众的不断探索，未来更多分布式协作性实验室的建设会成为一种趋势。在未来的虚拟现实实验室中，高沉浸性的VR 设备会越来越轻便，操作也更加灵活；VR 技术的自适应性会逐步提升，有望在VR 技术的条件下兼容更多先进技术，比如云计算、多人协作以及广受关注的5G 技术，不仅提高了虚拟系统的自适应性，还能实现优势互补。国内部分虚拟现实实验室开始在实现交互性体验的基础上融合先进技术，进而增加了教学、科研等领域的实验创新性并取得了积极的反馈，但目前虚拟现实实验室中融合先进技术的能力处于萌芽阶段，更多高新技术的结合会大大增强基于VR 的虚拟实验室的科技水平，丰富实验室教学方式。

4 结束语

基于VR 的虚拟实验室意味着科技的创新、实验方式的个性化和灵活便捷，而实验人员观察实验的方式发生改变将会影响实验人员的认知理念，发散实验人员的思维，这里就蕴含了创新的可能性[19]。在虚拟实验台上学生可以随时、自主地进行实验，但课下老师的指导和教育也不可或缺，只有师生教学相长、课内学习与课外实验相结合、学生自学与老师指导相辅相成，各个高校的虚拟现实实验室才能真正发挥作用。随着众多新型领域的发展和未来各种新技术的相互融合，基于VR 的虚拟实验室必将大有作为。