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用于教育和劳动力培训的虚拟现实
Daniel W. Carruth，
先进车辆系统中心，
高性能计算协作实验室(HPC2)，
巴格力工程学院，
密西西比州立大学，
研究大道200号，斯塔克维尔，ms 39795。
邮件：dwc2@cavs.msstate.edu
摘要—廉价的消费虚拟现实显示技术的出现，为以身临其境和引人入胜的方式提供教育和培训提供了广泛的可能性，在过去，技术挑战和高昂的成本阻碍了虚拟现实教育的发展。教育机构和行业正在迅速采取行动，将虚拟现实作为一种关键的培训工具，虚拟学习环境在许多领域都非常成功地产生了积极的学习成果。由虚拟现实应用程序创建的强大的存在感和有效的沉浸感有望在安全可控的环境中提供现场培训。虚拟学习环境可以让学员在不可能的地点获得成本高昂的设备，它可以为学生探索问题提供没有风险的空间和测试解决方案。尽管取得了这些成功，当前的技术仍然存在关于能力和局限性的问题，特别是关于虚拟现实中的知识和技能获取效果的。这个过程用于开发有效的教育培训虚拟环境。首先要了解学习目标，重新创造现实世界的任务，评估用户的表现和学习。 该过程的每个阶段都提出了独特的挑战和机会。
关键词 - 虚拟现实，增强现实，训练工具，劳动力培训
一.导言
为未来的工人提供有效的培训是一个重大挑战。 亲身体验现实世界的培训需要访问真实设备或实体模型。 如果训练“在工作中”发生，生产力，材料损坏和伤害失去的风险增加。 训练可能是远离实际的工作现场，需要专门可能无法准确表示实际工地的空间[1]。 现实世界的培训需要后勤支持才能建立培训地点和协调培训时间。 训练可能需要专门负责重新培训的人员团队情景（例如，医疗和第一响应者培训[2]，[3]）。低频事件可能很难或不可能在现实世界中重现。 例如，工人需要培训如何应对机械故障，火灾或医疗紧急情况，停电等。这些案件需要具体的关于工人可能很少有机会练习，并在可能的情况下进行表面训练，导致在发生实际事件时可能出现错误。同样，一些培训可能只是在一年中的特定时间提供。 例如，工人可能需要接受如何处理冰雪条件的培训。许多工作要求工人在危险的条件下操作
（例如，军事，执法，消防）很难或者不可能在现实世界中重现。 在某些情况下，实际上可能无法进行培训。 工作可能涉及仍在设计的工作空间或任务或者无法重建的环境（例如空间）。 现实世界的培训也可能无法提供足够的支持指标。 可能无法客观地监控工人
表现，压力和工作量来确定工人是否完全准备好在现实中做这个工作。
虚拟现实可以为许多训练中的挑战提供解决方案。 虚拟现实具有有助于解决所发现的许多教育和培训问题及其应用的关键优势，这已经被许多领域已经证明了。
二.虚拟现实应用
虚拟现实已被用于为第一响应者提供培训[2]，并已作为CBRN响应培训的培训工具进行了调查[3]。 虚拟现实培训系统已经开发用于教授飞机机舱安全程序[4]和提高沟通技巧[5]。 虚拟环境已成功用于为个人提供从虚拟环境转移到现实世界的空间知识[6]。 有许多工业和医疗虚拟现实培训应用（例如，腹腔镜手术[1]，汽车制造[7]，使用机器人[8]，使用CNC机器[9] [10]和工具使用[11]。
美国一些最大的公司（例如，沃尔玛[12]）现在正在采用虚拟现实作为培训工具。 随着虚拟现实被更广泛地用于教育和培训，了解与技术相关的真正优势和劣势以及正确设计和验证培训工具对于确保虚拟现实培训工具的有效性至关重要。
三.虚拟现实的能力
虚拟现实具有许多优势，可以支持其作为培训工具的使用。 首先，虚拟现实可以非常方便。在Oculus Rift和HTC Vive平台之前，沉浸式头戴式显示器可能成本过高。 然而，当前身临其境的虚拟现实解决方案对于拥有虚拟现实就绪移动平台的许多人来说更加实惠。虚拟现实训练工具也可以设计为有限的或没有物理原型[13] [14]。 在具有物理接口的那些中，可以使用物理和虚拟对象的混合[14]或将非沉浸式虚拟现实与接口的物理模型组合（例如，[15]）。借助具有触觉功能的界面，沉浸式环境可以支持无物理组件的复杂交互[16]。 虚拟现实训练工具也更容易修改以训练模型的变体（例如，多模型组装）或新版本的设备[13]。 虚拟现实培训也可以在有限的监督下使用[9]，允许受训人员在方便的时候接受培训，而无需培训师提供持续的监督。
虚拟现实的另一个关键优势是能够在用户中创建强烈的存在感。 沉浸式虚拟现实中的用户可以充分参与虚拟环境，从而有效地忘记现实世界并相信他们存在于他们可以像现实世界中那样行动的培训环境中。 例如，我们虚拟现实研究的参与者将绕着虚拟桌走动，事实上，有些人会发现很难强迫自己走过桌子占据的空间。
此外，观察虚拟现实的参与者将他们的控制器放在虚拟桌面上，并意外地让他们在现实世界中倒地。 对于一代具有技术头脑的学生来说，虚拟现实提供了一种让学生参与学习的新方法[17]。与传统的教学方法相比，虚拟现实已被证明可以提高学习的参与度[18]。
虚拟环境可以允许用户探索和试验现实世界中可能存在危险的环境。 由于虚拟环境和环境中的资源不是真实的，因此用户可以以在现实世界培训中浪费的方式使用材料。 虚拟环境也是一个安全的环境。 用户可以通过经验学习并执行可能成本高昂或令人尴尬的行动[9]。
虽然与现实世界中潜在的物理成本相比，虚拟现实中的错误成本较低，但与现实世界相比，在虚拟现实中提供性能的客观测量以及对性能结果的即时反馈要容易得多[11]
四.虚拟现实低成本解决方案的研究进展
尽管研究用于教育和培训的虚拟现实应用的潜力和大量研究，该技术直到最近才被限制使用。 现代消费者硬件和软件已经取得了低成本，高分辨率和低成本系统，不仅适用于专注于游戏的消费者，也适用于学校和企业培训团队。虚拟现实硬件平台现在可广泛应用于两大类：系留PC 或游戏机头戴式显示器和基于移动智能手机的头戴式显示器。
A.消费者头戴式显示器
PC和游戏控制台头戴式显示器与研究人员熟悉的沉浸式虚拟现实显示器最相似。 目前，有四项主要工作（索尼PlayStation VR，HTC Vive，Oculus Rift，微软的混合Reality系列头戴式显示器）以及将头戴式显示器虚拟现实技术引入大众市场的一些小型努力。 所有这些努力都是相似的。 头戴式显示器直接连接到PC，提供高分辨率，高帧率，有吸引力的环境，并支持许多交互选项。尽管有这些优势，但这些系统比移动虚拟现实系统更难以获取，主要是因为它们需要大量的计算能力，被限制在有限的区域，并且是昂贵的。
B.移动系统
移动虚拟现实系统使用个人智能手机来提供显示器和用于跟踪头部方向的基本传感器套件。 头戴式显示器主要用于智能手机和一副镜头。三星Gear VR（见图1）和Google Daydream是更舒适，更具沉浸感的解决方案，而Google Cardboard等廉价解决方案有望实现虚拟现实 智能手机的任何人都可以使用的应用 移动平台的好处在于它们无线，便携，智能手机无处不在。 但是，由于他们使用智能手机作为计算平台，因此移动解决方案通常具有较低的处理能力，较低的保真度环境，并受电池寿命的限制。 此外，当前的移动解决方案对高级交互模式的支持有限。
最近，硬件公司宣布了独立的虚拟现实耳机，它们有望尝试弥合系留PC耳机和基于智能手机的耳机之间的差距[19]。 至少还有待观察独立系统相对于智能手机解决方案的优势，以及成本是否足够低，使其成为教育和培训的有吸引力的选择。
V，建立虚拟现实培训工具
硬件和软件的改进使虚拟现实更容易获得。 但是，所有虚拟现实体验并不平等，在构建有效的虚拟培训工具方面仍存在挑战。 虚拟现实培训工具的主要目标是促进知识和技能从虚拟环境向现实世界的转移。 重要的是要注意，相关的目标是避免从虚拟环境转移不适当或不正确的知识或技能。 次要目标是将存在和现实性最大化到支持主要目标所需的水平。
虚拟环境的目标是创建工作空间和在交互式环境中执行感兴趣的任务所需的功能。 [13]提出了一个一般过程：将CAD导入虚拟现实，编程交互，添加界面，并测试以验证所需的知识和技能是否成功转移。 除了这些步骤之外，培训工具应该从仔细检查任务开始。 这可以通过正式的任务分析[14]或与主题专家协商来执行，以确定必须在虚拟环境中重新创建的内容的细节。
模拟器疾病是虚拟现实的常见问题。发病率通常为10％至20％，我们观察到老年参与者群体的发病率高达50％。 有关模拟器疾病和减轻影响的策略的详尽讨论，请参见[14]。
A.确定学习目标
在以下部分中，一般开发过程的应用将应用于两个虚拟现实培训工具。 目标是提供简要的应用示例，并根据学习目标和感兴趣的任务细节描述如何开发工具的差异。
1）工业工作空间培训工具：工作空间培训工具的目标是让新的低技能工人接受执行任务所需的基本知识和程序。 由于与培训相关的困难，虚拟现实是该任务的良好候选者：首先，工作区域是制造工厂的关键工作单元，很少仅用于培训活动。 其次，当工作区域可用时，个人防护设备要求和工作区域空间有限的组合使得教练员和受训者很难在空间中一起工作。 虚拟现实培训工具将允许受训者在一个单独的位置学习基本技能 - 工作的基本功能，如何佩戴个人防护设备，如何识别和使用工具 - 直到受训者展示基本知识 通过虚拟现实培训工具衡量。
2）工具使用和安全培训工具：工具使用和安全虚拟环境的目标是为低技能新手工人提供安全的空间，以便接触和试验各种工具。 对于每个工具，目标是识别工具，演示工具的正确使用，识别使用工具时要佩戴的推荐或必需的个人防护装备，并教导受训者识别工具的磨损或损坏。 使用它不安全。 此任务是虚拟现实培训的理想选择，因为虚拟环境可以在有限的空间内访问数十种工具，可以安全地了解
工具没有受伤或尴尬的风险。
B.实施：环境和行为
必须以数字方式创建培训环境的每个元素。虚拟学习环境中的元素可以分为三种类型：上下文元素，基本元素和复杂元素[14]。上下文元素有助于使用户了解场景的一般概念。例如，在工具使用和安全培训工具中，上下文可以是车间或车库。对于工业工作空间，我们的上下文已经由感兴趣的任务明确定义。基本元素提供场景的结构元素。在车间，桌子，橱柜，照明设备等是场景的基本部分，但可能不支持交互。交互元素是场景中那些作为训练焦点的部分，可以直接或间接地与之交互。在工具使用和安全培训中，这将包括构成培训体验的工具和任何工作材料（直接交互）以及存储区域和安全标志（间接交互）。图2显示了我们的工具使用和安全培训环境中的上下文环境和一些交互式工具。
为虚拟环境生成几何和音频内容需要相当大的时间和成本
与开发虚拟现实培训工具相关联。 有许多方法可以为训练环境生成几何体。 在训练环境中，一种流行的方法是在工作空间和工具可用时使用CAD模型[13]。 CAD模型是真实世界感兴趣对象的良好表现。 CAD模型可能不包括表面纹理或着色，并且通常包括虚拟环境可能不需要的技术细节。 导入虚拟环境时，CAD模型通常需要修改。
当CAD模型不可用时，数字艺术家可以创建在虚拟环境中重建真实世界环境所需的几何体。 对于常见对象，可以从在线资产商店轻松获取对象模型。 使用在线购买的艺术品时，创造一致的外观可能是一项挑战。 在我们的工具使用和安全培训环境中，我们使用来自单一艺术家的艺术资产来帮助确保环境的一致性。 对于需要专业模型的项目，与一个或多个艺术家合作生成整个环境将有助于确保艺术资产的质量保持一致。
摄影测量是一种使用照片来创建地图，测量或在我们的示例中是对象或环境的3D模型的技术。通过拍摄具有感兴趣对象的不同视图的多张照片并在两个图像中建立对应位置，可以为图像中的关注点产生三维坐标。通过足够的照片，可以创建对象的3D模型。市售的摄影测量软件包包括RealityCapture [21]，Agisoft Photoscan [22]等。一些软件包支持激光扫描数据与照片的组合，以提高输出质量[21]。虽然直接捕获对象和环境会产生详细且令人印象深刻的虚拟环境，但输出通常包括表示中的间隙和缺陷，鉴于数据的高保真性质，需要有才华的艺术家在应用程序中进行优化。此外，直接捕获可以轻松生成具有数百万个顶点的复杂模型，这些顶点会带来计算挑战，尤其是移动VR开发。在我们的工业工作空间培训工具中，我们使用光度计来创建工作环境的非常逼真的表示（参见图3）。
除了视觉元素之外，音频元素还在建立现实主义，支持沉浸感以及在虚拟环境中创建存在感方面发挥关键作用。 与视觉元素一样，音频元素的真实性可以从声音的抽象表示到使用真实世界录音的真实再现。 音频元素的真实感应与视觉元素的真实感相匹配。
C.互动和反馈
对提供与环境的交互性的行为进行编程与导入构成场景的几何体一样重要。交互包括基本物理，碰撞检测，与模拟系统接口的交互以及用户界面[13]。用户如何与环境互动将决定他们可以学习什么以及如何学习[6]。培训的具体目标将决定满足所需保真度所需的交互类型。
在工具使用和安全培训工具中，用户能够拿起工具，操纵它们，并尽可能地探索与工具的全方位物理交互是至关重要的。在工业工作空间培训工具中，目标是提供对任务的一般介绍，并且可以将与工具的交互简化为简化的指针点击操作，这仍然允许用户学习与任务相关的工具和程序，而无需复杂的物理建模和触觉反馈支持。
相互作用应该是自然的，易于使用的，易于学习[13] [14] [9]。 除了确保可用性之外，用于通知用户的更多感官通道（与信息过载的可能性相平衡）将改善环境中的学习[11]。 多感官反馈将促进任务表现和学习[14] [11] [13]。 我们的两个培训环境中的视觉反馈都将包括视觉
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