試析光技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)課堂教學(xué)的可行性

吳 平 彭曉南 蔣 莉

【摘要】虛擬光電三維成像利用相干光和衍射光等技術(shù)以及激光、全息照相等其它相關(guān)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光的空間三維成像,達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)所需“真實(shí)”圖像的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)可以適應(yīng)虛擬課堂教學(xué)的特點(diǎn),滿足教學(xué)的需求。將光技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí),有可能使教育技術(shù)仿真產(chǎn)生一個(gè)飛躍。

【關(guān)鍵詞】教育技術(shù);三維成像;光技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí)

【中圖分類號】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)12—0102—04

一 虛擬現(xiàn)實(shí)研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、超聲波、心理學(xué)等。我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到,雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的,應(yīng)用前景也是很廣闊的,但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙。

就像電影《黑客帝國》里描述的那樣,未來的我們竟可以生活在一個(gè)由電腦控制的虛擬世界里。在這個(gè)世界里,我們同樣擁有各種感覺,同樣擁有親戚朋友,同樣擁有工作,同樣擁有現(xiàn)實(shí)世界的一切“真實(shí)”。只是,這一切都是虛擬的[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)如果應(yīng)用于教育有可能是教育技術(shù)仿真的一個(gè)飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境,由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之以由學(xué)習(xí)者通過自身與信息和環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式,能做到在教學(xué)活動(dòng)中“學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”。將其引入課堂,展現(xiàn)那些在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程、虛擬各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)環(huán)境,甚至用于遠(yuǎn)程教育,從而生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。因此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入高校教學(xué)的研究,勢必將會(huì)對探索發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教學(xué)質(zhì)量水平、改善實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、加速培養(yǎng)現(xiàn)代化的專業(yè)技術(shù)人才產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。

如何顯示虛擬場景呢?現(xiàn)在應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)廣角(寬視野)的立體顯示,主要采用多通道平面或環(huán)幕立體投影展示系統(tǒng),需配戴跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套,另外一些設(shè)備還需要數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣。這些系統(tǒng)使用復(fù)雜,局限性強(qiáng),仿真效果差,價(jià)格昂貴推廣不易。本文虛擬仿真顯示的設(shè)計(jì)構(gòu)思是采用光技術(shù),利用光投影機(jī)投射而成的3D全息展示系統(tǒng),人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中,并操作、控制環(huán)境,實(shí)現(xiàn)特殊的目的,即人是這種環(huán)境的主宰。能將課堂教學(xué)情景、課件內(nèi)容立體真三維可視化,再配合聲音、資源庫、智能系統(tǒng)等雙向互動(dòng),完全模擬真實(shí)情景,與現(xiàn)場無異,它具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內(nèi)容、更高的顯示分辨率,以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。

美國麻省一位叫Chad Dyne的29歲理工研究生發(fā)明了一種空氣投影和交互技術(shù),這是顯示技術(shù)上的一個(gè)里程碑,它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術(shù)來源海市蜃樓的原理,將圖像投射在水蒸氣上,由于分子震動(dòng)不均衡,可以形成層次和立體感很強(qiáng)的圖像。另據(jù)報(bào)道,日本公司Science and Technology發(fā)明了一種可以用激光束來投射實(shí)體的3D影像,這種技術(shù)是利用氮?dú)夂脱鯕庠诳諝庵猩㈤_時(shí),混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質(zhì),并在空氣中形成一個(gè)短暫的3D圖像。還有,南加利福尼亞大學(xué)創(chuàng)新科技研究院的研究人員目前宣布他們成功研制一種360度全息顯示屏,這種技術(shù)是將圖像投影在一種高速旋轉(zhuǎn)的鏡子上從而實(shí)現(xiàn)三維圖像,只不過好像有點(diǎn)危險(xiǎn)。可以說這些技術(shù)很多國家都在研制,毫不夸張的說這項(xiàng)技術(shù)它包含了未來,誰最先使用這項(xiàng)技術(shù),誰就最先走入未來的先進(jìn)技術(shù)行列。[3]

二 光技術(shù)及其應(yīng)用效果

1 三維成像如何顯示

人看周圍的世界時(shí),由于兩只眼睛的位置不同,得到的圖像略有不同,這些圖像在腦子里融合起來,就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象,這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然,距離信息也可以通過其他方法獲得,例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近、物體大小的比較等[4]。

根據(jù)人眼立體視覺的特性,實(shí)現(xiàn)立體電視的方式也對應(yīng)為兩大類:一類是利用兩眼的視差特性,使一對視差信號的兩幅圖像同時(shí)出現(xiàn)在屏幕上,讓兩眼分別觀看這兩幅圖像來獲得立體感覺;第二類是利用一只眼睛也能獲得立體感的特性,將一對視差信號的兩幅圖像先后輪流地出現(xiàn)在屏幕上,從而獲得立體感覺。

第三種就是真三維成像,本文擬推薦應(yīng)用光技術(shù)全息三維成像,使用普通光束即可(不需銀幕真三維)。這個(gè)系統(tǒng)可以用來拍攝諸如籃球比賽的三維影片。如果你的家中有三維播放機(jī),你就可以在虛擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下觀看籃球比賽,觀看者會(huì)感覺自己仿佛就在場內(nèi)一樣(見圖1)。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發(fā)展。同理,課堂教學(xué)也能夠獲得同樣的視覺和聽覺效果。

圖1 三維播放機(jī)

2 如何實(shí)現(xiàn)光電三維成像

使用課堂多媒體光電三維成像設(shè)備,主教室和各分教室雙方的三維立體全息圖像便瞬間出現(xiàn)在對方面前,讓兩個(gè)不同空間的人同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)空間,就好像一個(gè)真人站在你面前一樣(見圖2),然后你便可以和他隨意交談,使用各種表情,那是一種呈現(xiàn)在空氣中的光學(xué)立體影像,不需要任何屏幕之類的媒質(zhì),不像今天的網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星遠(yuǎn)程教學(xué)、可視電話還需要一個(gè)屏幕才能顯像。光虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可很好地應(yīng)用到虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的建立。它可以虛擬地建立起與真實(shí)環(huán)境相近的學(xué)習(xí)場景,可以把遠(yuǎn)處的人或物以三維的形式投影在空氣之中,使學(xué)生似乎已處于真實(shí)環(huán)境之中。另外,比如配一套可觸摸超聲波虛擬三維物體的系統(tǒng)設(shè)備?？墒褂脩敉ㄟ^超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,讓人們感覺如同把三維圖像掌握在手中一樣。

圖2兩個(gè)不同空間的人同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)空間

3 虛擬光電三維成像應(yīng)用原理

以光干涉為例,獲得相干光的方法:兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互迭加,在某些區(qū)域始終加強(qiáng),在另一些區(qū)域則始終削弱,形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。不過,只有兩列光波的頻率相同,位相差恒定,振動(dòng)方向一致的相干光源,才能產(chǎn)生光的干涉。[5]

因此,由兩個(gè)(或兩個(gè)以上的)光束,在滿足一定條件下迭加時(shí),在交迭區(qū)的不同地點(diǎn)呈現(xiàn)穩(wěn)定的互相加強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象,稱為干涉現(xiàn)象。通常兩個(gè)獨(dú)立的光源或同一光源上的兩個(gè)不同部分都不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。運(yùn)用某些方法,如光的反射或折射,可以將同一光源發(fā)出的光分成兩個(gè)光束,當(dāng)這兩光束在空間經(jīng)不同路徑而重新聚合時(shí),就能實(shí)現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

通常采用的方法有兩種:分波陣面法和分振幅法。如楊氏雙縫、菲涅爾雙面鏡、洛埃鏡和薄膜干涉等。下面分析楊氏雙縫干涉原理,如圖4。

圖4楊氏雙縫干涉原理

由垂直于紙面的單縫發(fā)出的柱面波的波前被s1和s2兩縫分成部分,當(dāng)兩束光到達(dá)屏幕P點(diǎn)時(shí),將產(chǎn)生相干疊加,P點(diǎn)的光強(qiáng)

由此可知:半波長的偶數(shù)倍加強(qiáng),半波長的奇數(shù)倍減弱。

光的衍射原理:光離開直線路徑繞到障礙物幾何陰影里去的現(xiàn)象叫光的衍射,只有當(dāng)小孔、單縫或小屏的尺寸小于波長或和波長差不多時(shí),才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象[6]。

全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)[7]。

根據(jù)相干光干涉、光的衍射原理和利用全息技術(shù)原理推理,三維攝像機(jī)采用激光作為照明光源,并將光源發(fā)出的光分為兩束,一束直接射向感光板,另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光板。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉,感光板上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度,也記錄了位相信息,如圖4。

圖4 全息三維攝影原理

感光板采集后的三維動(dòng)態(tài)數(shù)字信息被記錄傳輸全息到存儲(chǔ)器,播放時(shí)用三維全息投影機(jī)播放存儲(chǔ)的全息動(dòng)態(tài)三維數(shù)字信息,同時(shí)利用激光去照射投射的干涉光和衍射光形成的空間立體虛擬光屏上,人眼透過空間立體光屏就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像(見圖5)。

圖5 動(dòng)態(tài)全息三維投影光電成像

當(dāng)然,被拍攝的不只是人和物體,同樣也包含場景。虛擬光電三維成像就是利用相干光和衍射光等技術(shù)以及激光、全息照相等其它相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光的空間三維成像,根據(jù)前面所述是可行的,可達(dá)到虛擬仿真所需圖像的目的。利用全息投影機(jī),將拍攝全息影像以大畫面顯示,實(shí)現(xiàn)真正無需戴眼鏡的3D效果。這才是立體顯示的終極目標(biāo)。其時(shí),“人的頭腦就是一部全像攝影機(jī)[8]?！?而“世界是一張全息圖[9]”。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發(fā)展[10]。目前,國外已經(jīng)有電視、展示等部分行業(yè)開始使用這項(xiàng)技術(shù)[11]。由于全息立體顯示所需要的技術(shù)比較復(fù)雜,資金投入相對較高,因此目前還沒有得到普遍應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的發(fā)展,成本的降低,使用投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正全息立體顯示將會(huì)成為普遍現(xiàn)象?？赏诹Ⅲw電影、電視、展覽、顯微術(shù)、干涉度量學(xué)、投影光刻、軍事偵察監(jiān)視、水下探測、金屬內(nèi)部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術(shù)品、信息存儲(chǔ)、遙感,研究和記錄物理狀態(tài)變化極快的瞬時(shí)現(xiàn)象、瞬時(shí)過程(如爆炸和燃燒)等各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用。

4 光電三維成像與其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的異同

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境,用戶通過使用各種交互設(shè)備,同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用,使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流,是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。

光電三維成像與其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的異同見表1。

表1光電三維成像與其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的異同

光電三維成像 其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

實(shí)時(shí)三維可視化 同左

虛擬環(huán)境由基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成,嚴(yán)格遵循工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求,屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。 同左

操縱者親身體驗(yàn)虛擬三維空間,身臨其境。具有雙向互動(dòng)功能,沒有時(shí)間限制,可真實(shí)詳盡的展示。 同左

以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境,視覺無需配帶眼鏡、頭盔顯示器,以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、通過超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,省卻了數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣等外部隨身設(shè)備。味覺、嗅覺與觸覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。是一種較為接近人們生理習(xí)慣,較易接受的一個(gè)虛擬物理環(huán)境。 以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境,以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備[12]。以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

三 未來課堂教學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究方向

未來的新型多媒體教學(xué)將是以多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、光技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的有機(jī)結(jié)合,能夠全面整合網(wǎng)絡(luò)各種“資源”而形成先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)平臺(tái)。在這種教學(xué)平臺(tái)上,多媒體教室不再是孤立的,它已融入到校園網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)中,并以校園網(wǎng)資源為“背景”構(gòu)建出一個(gè)富有時(shí)代特色的現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境:即集教學(xué)、管理、娛樂為一體的“數(shù)字化校園”[13]。多媒體課室是現(xiàn)代教學(xué)環(huán)境建設(shè)的重要組成部分,是教育技術(shù)信息傳遞的展示平臺(tái),是教師了解、聯(lián)系、應(yīng)用教育技術(shù)的橋梁。因此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建構(gòu)的仿真場景對教育的發(fā)展起到多么重要的作用。

設(shè)想,未來的三維虛擬場景將更接近現(xiàn)實(shí),先進(jìn)的傳感設(shè)備,采集現(xiàn)場場景內(nèi)所有物質(zhì),將采集到的信息,利用現(xiàn)代分析技術(shù),特別是儀器分析方法,測定分子的鏈和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)進(jìn)行物質(zhì)“分子結(jié)構(gòu)[14]”分析,比如人的外觀形態(tài)、表層分子結(jié)構(gòu)、味道分子結(jié)構(gòu)、溫度大小、色彩聲音觸覺等。并將所得分析結(jié)果編組成信息發(fā)布傳輸,還可實(shí)時(shí)同步遠(yuǎn)程分子結(jié)構(gòu)重組,重現(xiàn)虛擬仿真場景,與現(xiàn)場無異。編組后的信息壓縮存儲(chǔ)于智能資源庫,用戶只要登陸虛擬平臺(tái),即可將編組信息異步分子結(jié)構(gòu)重組重現(xiàn)虛擬仿真場景。不但場景與現(xiàn)場無異,所有物體和人物都與真的相似,有觸覺、味道、溫度、聲音、感情等。信息顯示終端可能會(huì)配置物體、味道、溫度等所需的分子編組箱,編組信息按菜單提取并按分子結(jié)構(gòu)重組。應(yīng)用原理如圖6所示范。

圖6未來的三維虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

未來的虛擬校園為的是要提供學(xué)生與講師們另一個(gè)溝通的平臺(tái),給學(xué)生提供一個(gè)能夠共同學(xué)習(xí)、互動(dòng)、分享以及引導(dǎo)創(chuàng)意的空間。學(xué)生們在日益普及的虛擬世界里也能感受得到身為學(xué)生的歸屬感,提倡學(xué)生們在現(xiàn)實(shí)與虛擬校園中的社交活動(dòng)。也吸引來自世界各地的訪客通過虛擬世界來了解大學(xué),并與在線的學(xué)生與講師們溝通。用戶可以自由塑造自己的虛擬人物,甚至把虛擬人物打扮成和現(xiàn)實(shí)的自己相似的造型。在虛擬教室上課的情況和現(xiàn)實(shí)的課堂情況相似,每個(gè)學(xué)生需找個(gè)位子坐下,而講師在課室的中央或在學(xué)生中間授課。虛擬課堂上可以展示幻燈片,播放影像、音樂,還可以通過虛擬的麥克風(fēng)同時(shí)與多名學(xué)生即時(shí)交談,與現(xiàn)實(shí)無異。

當(dāng)然,教學(xué)不是盲目地追求科技的步伐,但科技確實(shí)能夠有效地輔助教學(xué)。虛擬和現(xiàn)實(shí)的教學(xué)平臺(tái),各有不同的教學(xué)效果。能夠巧妙地融合兩種平臺(tái),來傳授教學(xué)重點(diǎn),才能有效地引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,達(dá)到教學(xué)的目的。

四 結(jié)束語

信息時(shí)代的到來,社會(huì)節(jié)奏的加快,知識(shí)呈現(xiàn)出高速增長和快速更新之勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,還會(huì)有更多的新技術(shù)應(yīng)用在教育技術(shù)中,光技術(shù)就是其中重要的一項(xiàng),21世紀(jì)將是光技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的時(shí)代。我們相信,隨著三維虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展和軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步,在不遠(yuǎn)的將來,真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將為人類娛樂、教育和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出新的更大的貢獻(xiàn)。

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