虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中職“景點模擬導(dǎo)游”課堂中的應(yīng)用*

吳學(xué)會袁倩芳 李小紅 常振云

（1.天津天獅學(xué)院 天津 301700；2.惠城職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 惠州 516003）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中職“景點模擬導(dǎo)游”課堂中的應(yīng)用*

吳學(xué)會1袁倩芳2李小紅1常振云1

（1.天津天獅學(xué)院 天津 301700；2.惠城職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 惠州 516003）

“景點模擬導(dǎo)游”課堂通常采用基于視頻的課件資源，即播放視頻由學(xué)生同步講解，該方法最大的不足在于課件的內(nèi)容固定，不利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變能力。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入課堂，以游覽者自行瀏覽的方式，由學(xué)生根據(jù)瀏覽者的瀏覽路線進(jìn)行講解，可起到課堂教學(xué)“課件庫”的作用。本文以游覽天獅學(xué)院為例，著重從虛擬校園景點的課件開發(fā)和課堂運用兩個方面論述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中職“景點模擬導(dǎo)游”課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；中職；景點模擬導(dǎo)游；課堂教學(xué)

“景點模擬導(dǎo)游”課程是天津天獅學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院旅游（中職）專業(yè)必修的核心職業(yè)能力課程。該課程主要以播放視頻錄像由學(xué)生同步講解為主。通過課堂實踐發(fā)現(xiàn)，固定的視頻內(nèi)容不利于培養(yǎng)學(xué)生的反應(yīng)能力，而且不利于二次開發(fā)。例如：視頻是從景點的前門進(jìn)最后從后門出，若改變順序為從后門入到前門出，則需要重新拍攝視頻。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)教學(xué)手段不足的問題。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)達(dá)到景點模擬的三維視覺效果，可以在課堂授課時隨機設(shè)置瀏覽路線和觀察視角，從而鍛煉學(xué)生的反應(yīng)能力，而且教學(xué)資源可以不斷重用。

天津天獅學(xué)院由天獅集團投資興辦，每年承擔(dān)著本集團營銷隊伍約2萬多人次的參觀任務(wù)。現(xiàn)以開發(fā)“瀏覽天獅學(xué)院”虛擬校園及其在課堂中的應(yīng)用過程為例，介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“景點模擬導(dǎo)游”課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

圖1 虛擬校園的設(shè)計實例圖

景點模擬導(dǎo)游課堂設(shè)計

課堂采用如圖1所示的虛擬校園。課堂可以采用兩種方式教學(xué)：（1）預(yù)設(shè)路線 A和路線B，播放該課件由學(xué)生進(jìn)行配合講解。該方案的好處是教師可以預(yù)設(shè)問題情境。（2）由教師用鼠標(biāo)控制行走路線，學(xué)生根據(jù)行走路線進(jìn)行動態(tài)講解。該方案的好處是可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用能力和反應(yīng)能力。

建立虛擬校園場景的層次結(jié)構(gòu)

主干道在整個校園中起到基線的作用，然后以這條道路作為參照，把獨立構(gòu)建的各個樓宇、校門、花草樹木及其他場景組合安放在相應(yīng)的位置。三維場景的建模是虛擬校園的重要組成部分，它關(guān)乎虛擬校園能否形象生動地展示。圖2所示為待建模的各場景的結(jié)構(gòu)層次。

圖 2待建模的各場景的結(jié)構(gòu)層次圖

虛擬校園場景的建模流程

虛擬校園場景的開發(fā)建模大體分為兩個階段：第一階段是針對校園內(nèi)各個地上建筑分別單獨建模；第二階段則是把所有已建好模的建筑物集成到虛擬環(huán)境中。

（一）在3ds Max中構(gòu)造基本模型

以校園景觀為內(nèi)容的建模工作既復(fù)雜，量又大，若全部采用編寫VRML代碼的方法，易出錯且效率低。本設(shè)計選用三維軟件3ds Max來搭建基本場景，其優(yōu)勢是能夠快速高效地構(gòu)造復(fù)雜的三維模型，并設(shè)定材質(zhì)、光效和動畫，同時兼有輸出.wrl格式文件的功能。

（二）繪制場景平面圖

為了使場景真實、比例協(xié)調(diào)，對場景進(jìn)行合理的布局是至關(guān)重要的。我們在AutoCAD中繪制了場景布局的平面圖，生成.dwg格式的矢量文件。該文件通過調(diào)整圖層和文件塊的形式，可以導(dǎo)入到3ds Max中，定位道路、樓群和其他建筑物未來的立體布局。圖3所示為場景布局的平面圖導(dǎo)入3ds Max中的效果。

（三）采集必要的紋理照片

為了制作出逼真的三維對象，同時又簡少建模工作量，在制作一些特定對象時，需要在校園內(nèi)采集紋理圖片數(shù)據(jù)，包括磚紋圖片、門窗圖片、草地圖片等。所采集的紋理圖片，在Photoshop中將其處理成可無縫平鋪的貼圖。

（四）構(gòu)建場景三維模型

我恨死了，她說的話我一句也聽不進(jìn)去，逃課打架什么破事都干，為此，我讓她成了學(xué)校里的名人，她再也沒有圓回去的腰身一次又一次在辦公室里彎了又彎。

借助于平面布局圖和必要的紋理采集圖片，用3ds Max構(gòu)建各個三維對象的基本模型。VRML（虛擬現(xiàn)實建模語言）通過節(jié)點來描述場景實體，3ds Max可以將其環(huán)境中的模型以VRML的格式輸出，即將各個三維模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的節(jié)點，以便被相應(yīng)的瀏覽器解釋并繪制。

（五）在VrmlPad中編輯

3ds Max輸出的VRML文件雖然能上網(wǎng)發(fā)布，但場景物體不全、交互性不足。所以，還應(yīng)該打開已生成的.wrl文件，加入聲音及其他交互行為以完善系統(tǒng)功能。如在場景中加入Background、Viewpoint、Billboard、Inline等節(jié)點。再利用造型節(jié)點的層次細(xì)分和編組節(jié)點對場景對象的相應(yīng)代碼作進(jìn)一步的組織、校驗和完善建模流程。虛擬場景建模的一般流程如圖4所示。

圖 3 場景布局的平面圖導(dǎo)入3DS Max中的效果圖

圖4 虛擬場景建模一般流程圖

（六）各主要場景的建模

校門是游覽者見到的第一個建筑。在校門場景構(gòu)建中要解決的第一個問題是造型外觀的控制。造型的外觀是通過材料控制的，材料屬性包括造型的顏色，是否發(fā)光，所發(fā)光的顏色，是否透明，透明到什么程度等。在基本建模完成后，編輯節(jié)點時可使用Appearance和Material節(jié)點來控制造型的顏色、發(fā)光顏色和透明度。例如，在校門場景的建模中，傳達(dá)室是由兩個正方體造型構(gòu)成的，外部是半透明的玻璃。

在校門場景構(gòu)建中要解決的第二個問題是漢字的顯示。按照VRML規(guī)范，它支持包括漢字在內(nèi)的所有UTF8字符，但許多插件都不支持漢字顯示。原因不在于其語言本身，而是在于VRML瀏覽器的3D引擎。為了在VRML中實現(xiàn)3D字的渲染，通常有兩種方法：第一種是用多邊形圍成字體；第二種是對字體進(jìn)行紋理渲染。本設(shè)計采用的是第二種方法。校門場景的具體實現(xiàn)代碼如下：

圖5 校門虛擬場景圖

Transform節(jié)點是一個組節(jié)點，這個節(jié)點是整個程序設(shè)計中的基礎(chǔ)節(jié)點，幾乎每一個模型的建立都用到了Transform。因此，對Transform的靈活運用尤為重要，該節(jié)點包括一個子節(jié)點的列表。這些子節(jié)點可以是Shape節(jié)點、其他Group節(jié)點或Transform節(jié)點。Translation用來指定造型的位置，children域是指定受該節(jié)點變換影響的子節(jié)點。校門場景如圖5所示。

（七）場景的組合

當(dāng)各部分場景構(gòu)建完成后，便可使用行插入節(jié)點“Inline”將這些場景組合成為一個完整的三維虛擬校園。Inline節(jié)點有一個url域，該域值指定了一個URL，這個URL就是將要插入到VRML世界中的文件位置。URL“告訴”VRML瀏覽器如何能獲得這個文件，在哪里能找到這個文件以及這個文件的文件名。URL還可以指出該文件是在WEB上還是在本機的硬盤中。在場景組合時，還經(jīng)常需要調(diào)整各部分場景之間的物理位置和比例。

下面的代碼將構(gòu)建好的校門場景安置在虛擬校園中：

運用上面的方法，可以依次將各虛擬場景安置在虛擬校園的相應(yīng)位置中，需要改變的是各虛擬場景之間的物理位置和比例。部分代碼如下：

組合后的場景效果如圖6所示。

除了對上述主要建模場景的組合外，為了增加虛擬校園的真實感，還需加入路燈、圍欄、綠化植被以及操場等輔助場景。最終，全部虛擬場景組合后的效果如圖7所示。

圖 6 從校門口看到的場景組合效果圖

（八）設(shè)置視點切換為了給用戶提供更多角度和方位的觀察效果，讓虛擬場景能夠根據(jù)用戶動作做出一定的反應(yīng)，本系統(tǒng)自定義了兩個視點，用戶可以在VRML瀏覽器中使用菜單或按鈕自主選擇試點進(jìn)行更為便捷地瀏覽。在瀏覽虛擬校園的過程中，用戶可能已經(jīng)體驗到視點的變化：當(dāng)拖動鼠標(biāo)或按動箭頭鍵時，虛擬境界就會旋轉(zhuǎn)或縮放，這實際上是在調(diào)整用戶的視點位置或視角。在虛擬場景的重要位置還可以自定義視點節(jié)點，它們是虛擬境界創(chuàng)作者給用戶推薦的上佳觀賞方位，在VRML瀏覽器中，用戶就可以通過鼠標(biāo)右鍵選擇作者推薦的各個視點。這里，我們在虛擬校園場景中定義兩個視點節(jié)點：

其中的坐標(biāo)表示視點在場景中的位置，坐標(biāo)的單位是米，視點的名稱將會在瀏覽器的菜單或按鈕中提示出來供用戶選擇。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“景點模擬導(dǎo)游”課堂教學(xué)中的應(yīng)用極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高了課件的使用效率，使教師不必為每個問題單獨開發(fā)教學(xué)資源，學(xué)生面臨的問題由原來的靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和應(yīng)變能力的目的。

[1]李欣．基于VRML技術(shù)的虛擬數(shù)字校園場景建模研究[J]．浙江師范大學(xué)學(xué)報，2005，28（4）：402-406.

[2]陳啟祥，蘇艷，鄭慶花，等．基于VRML的三維建模技術(shù)[J]．計算機與數(shù)字工程，2007，38（5）：161-163.

[3]張占龍，羅辭勇，何為．虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述[J]．計算機仿真，2005，22（3）：1-3,7.

[4]陳錦昌，詹偉杰，何正國．虛擬校園中三維景物表面貼圖的研究[J]．東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，（4）：57-62.

[5]張昌明，張虹．基于VRML-Java的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)[J]．計算機工程與設(shè)計，2005，（9）：2410-2413.

[6]張青峰，吳發(fā)啟，周淑琴，等．校園虛擬漫游設(shè)計初探[J]．測繪科學(xué)，2005，（30）：124-126.

圖 7 全部場景組合后的虛擬校園鳥瞰效果圖

[7]方賢勇，潘志庚，徐丹．圖像拼接的改進(jìn)算法[J]．計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2003，15（11）：1362-1365.

[8]Fitzgibbon．Simultaneous linear estimation of multiple view geometry and lens distortion[C]．Pore IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，2001：125～132.

G712

A

1672-5727（2011）03-0164-03

本文系全國教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2009年度教育部重點課題《信息技術(shù)優(yōu)化中職課堂教學(xué)的理論與實踐研究》（課題編號：GJA094016）的子課題《信息技術(shù)在工作場學(xué)習(xí)中的應(yīng)用》（課題編號：zkt-01）的部分成果

吳學(xué)會（1979—），男，山東膠南人，碩士，天津天獅學(xué)院電子與計算機學(xué)院講師，研究方向為教育信息化與計算機應(yīng)用技術(shù)。

袁倩芳（1971—），女，廣東梅州人，惠城職業(yè)技術(shù)學(xué)校教師，中學(xué)一級教師，研究方向為教育信息化。