虛擬現(xiàn)實(shí)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：基于虛擬現(xiàn)實(shí)的高校教育模式能夠克服傳統(tǒng)教育方式的不是，提升學(xué)生主動(dòng)探究，主動(dòng)參與的意識(shí)，進(jìn)而增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；素質(zhì)教育；計(jì)算機(jī)教學(xué)；教育創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G643.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-2589（2014）05-0195-02

傳統(tǒng)的基于信息技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境往往將視頻、圖形與文本等元素綜合起來(lái)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則為學(xué)習(xí)者構(gòu)建了三維真實(shí)模擬的認(rèn)知環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的教學(xué)模式能為學(xué)習(xí)者結(jié)合具體的課程模擬出逼真的虛擬世界場(chǎng)景，學(xué)生沉浸在場(chǎng)景和環(huán)境中，通過(guò)與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的探究，輔以自己的觀察、同伴的參與以及教師的引領(lǐng)和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)自主動(dòng)式的學(xué)習(xí)與認(rèn)知探索，從而為其綜合素質(zhì)的培養(yǎng)構(gòu)建更加理想的教育環(huán)境。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件與軟件的集成，為體驗(yàn)者/用戶模擬出實(shí)時(shí)的逼真環(huán)境。這種環(huán)境最大的特點(diǎn)是能夠與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，借助多種類別的傳感單元，充分結(jié)合人類的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)，為其構(gòu)建出身臨其境的真實(shí)場(chǎng)景，該場(chǎng)景能夠?qū)崟r(shí)對(duì)用戶的行為做出符合邏輯的響應(yīng)，從而增強(qiáng)用戶的真實(shí)感和沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于信息技術(shù)和圖像處理技術(shù)的全新技術(shù)體系，能夠構(gòu)建完全模擬真實(shí)世界的三維環(huán)境空間?？梢詫⑻摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)概括成“為體驗(yàn)者構(gòu)建各種信息感覺(jué)的高級(jí)用戶界面”。

一個(gè)基本的用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)模塊組成：用戶信息檢測(cè)模塊：接收來(lái)自用戶的指令，指令的形式可以是鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵盤(pán)、語(yǔ)音甚至動(dòng)作與眼神，檢測(cè)模塊接收并翻譯識(shí)別指令之后，將其體現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中，從而使虛擬場(chǎng)景可以結(jié)合用戶具體指令進(jìn)行變化。傳感單元模塊：該模塊在邏輯上是雙向的，既能夠協(xié)助用戶完成對(duì)于模擬世界的感知，又能夠接收用戶的操作指令信息，并將其作用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)?？刂茊卧K：由其中嵌入的CPU單元實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制，同時(shí)為用戶生成可感知的虛擬環(huán)境。建模單元模塊：以圖形處理技術(shù)和矢量運(yùn)算技術(shù)，在CPU的控制下為用戶構(gòu)建逼真的外部環(huán)境感受。3D顯示單元模塊：以高性能的顯示還原技術(shù)，在屏幕或者用戶眼罩/頭盔等感受界面上還原出模擬真實(shí)世界的視覺(jué)形象。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下三點(diǎn)。沉浸感特征：體驗(yàn)者在借助傳感單元傳來(lái)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等消息而進(jìn)入虛擬世界時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在最大程度上以圖像技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù)為其還原出某種真實(shí)世界的場(chǎng)景，使體驗(yàn)者能夠以一種真實(shí)世界的感覺(jué)來(lái)感知周圍的環(huán)境，沉浸在環(huán)境中。交互性特征：在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，場(chǎng)景中的所有元素均能夠接受體驗(yàn)者發(fā)出的行為，并產(chǎn)生于現(xiàn)實(shí)世界以及邏輯上均合理的反饋和響應(yīng)。構(gòu)想性特征：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所構(gòu)建的逼真世界由于其實(shí)時(shí)性和交互性，能夠通過(guò)用戶的感知，使之獲取與真實(shí)世界盡可能相同的各種感受。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)教育中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程教育的硬件部分只要求具備多媒體計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，主要闡述其軟件的實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程教育是當(dāng)前教育領(lǐng)域的發(fā)展方向之一，然而由于學(xué)生難以直接接觸到教師以及教具，因此在教育效果上造成一定的影響，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程和教育模式可以為學(xué)習(xí)者構(gòu)建一個(gè)逼真而生動(dòng)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，從而使其真正參與到環(huán)境中，對(duì)教育效果的提升是不言而喻的。

選取計(jì)算機(jī)課程的遠(yuǎn)程教育模式，由于計(jì)算機(jī)課程往往涉及實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠使遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者充分體驗(yàn)到與面對(duì)面教學(xué)相似的效果。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)程教學(xué)內(nèi)容中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，而基于虛擬技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)能夠構(gòu)建一個(gè)仿真度極高的虛擬實(shí)驗(yàn)室，一方面克服由于遠(yuǎn)程教學(xué)而難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，另一方面也能夠克服因?yàn)樵O(shè)備或者條件的不足而難以實(shí)現(xiàn)某些實(shí)驗(yàn)的困難，同時(shí)還能夠在很大程度上節(jié)約成本，且實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和地點(diǎn)均擺脫了環(huán)境的影響。本文在闡述虛擬現(xiàn)實(shí)裝備應(yīng)用時(shí)，專門(mén)選取遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行論述，引入的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Flex技術(shù)，主要的工作涉及兩個(gè)大的方面，一是學(xué)習(xí)者在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的對(duì)端實(shí)現(xiàn)對(duì)所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室的漫游，另一個(gè)方面則是如何逼真地展示實(shí)驗(yàn)中所需的器件結(jié)構(gòu)。

（一）實(shí)驗(yàn)室漫游的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在基于Flex的開(kāi)發(fā)模式之下，虛擬實(shí)驗(yàn)室漫游的設(shè)計(jì)方法是：以Builder3環(huán)境所提供的三維引擎構(gòu)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室形體的雛形，接著結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體配置對(duì)該雛形進(jìn)行貼圖操作，然后定位Camera參數(shù)的具體坐標(biāo)，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者則能夠以鼠標(biāo)的移動(dòng)和點(diǎn)擊來(lái)控制Camera所呈現(xiàn)的具體角度，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的全方位漫游。

實(shí)驗(yàn)室漫游的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)實(shí)驗(yàn)室全景圖的合成。只有將全景圖作為貼圖，才能得到真實(shí)的具有實(shí)驗(yàn)室紋理的立體模型。這里的“全景”值是通過(guò)全景攝影方式或者虛擬實(shí)景方式得到的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的靜態(tài)圖像。在虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中，對(duì)于全景圖的類型可以是圓柱型，也可以是立方體或者球型等。如果以圓柱型實(shí)現(xiàn)的話，基本思路是設(shè)計(jì)者順著圓柱形坐標(biāo)的x軸，通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)與點(diǎn)擊的方式來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)室全方位的場(chǎng)景，這種方法的不足之處在于操縱者難以對(duì)上下角度進(jìn)行全方位的視野觀看；如果以立方體型實(shí)現(xiàn)的話，由于立方體具有6個(gè)面，因此操作者能夠?qū)⑻摂M的視點(diǎn)置于立方體的最中心，通過(guò)對(duì)6個(gè)面的觀看來(lái)模擬置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中；如果以球型實(shí)現(xiàn)的話，由于球型不存在銜接的問(wèn)題，因此也需要圖片之間的過(guò)渡屬于自然過(guò)渡，這時(shí)候便需要借鑒圖像處理軟件進(jìn)行圖像處理；如果以對(duì)象型實(shí)現(xiàn)的話，則事先應(yīng)以一個(gè)位置固定的設(shè)備，以全方位的角度對(duì)圖像素材進(jìn)行拍攝。而一般照相機(jī)的取景視角是難以滿足這個(gè)要求的，并且如果得到了視野寬度足夠的場(chǎng)景，則由于像素的數(shù)目是一定的，則圖像的分辨率便不夠高，這就涉及到對(duì)圖像的分期拍攝和拼接。

在得到圖形對(duì)象的圖片素材之后，還應(yīng)引入圖像處理方法對(duì)選擇的圖片進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括拼接和裁剪等等，較為常見(jiàn)的處理算法包括特征點(diǎn)匹配法以及區(qū)域匹配法等等。在圖片素材的拼接中，如果兩幅圖像出現(xiàn)了重疊之處，則以Photoshop的merge方法把中諜區(qū)域設(shè)置為透明；而假如參與拼接的圖像存在偏差，則通過(guò)Photoshop的“圓柱映射”進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)圖像的拼接。

（二）計(jì)算機(jī)器件虛擬模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程涉及硬件安裝、內(nèi)存條插拔以及主板設(shè)置等內(nèi)容，器件模型的展示是虛擬現(xiàn)實(shí)在遠(yuǎn)程教育中的另一個(gè)重點(diǎn)。本文在引入Flex軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行闡述。

3DSMAX軟件能夠支持設(shè)計(jì)者進(jìn)行各類建模方式，包括多邊形建模建模、面片建模等等，這些方式可以提供實(shí)驗(yàn)室的虛擬場(chǎng)景，并且構(gòu)建各類所需的計(jì)算機(jī)元件模塊等，建模成功之后，通過(guò)色彩處理和材質(zhì)處理，便能夠?yàn)槟Ｐ驮鎏砩蕦傩砸约肮鉂?、紋理等特征，使之在最大限度上逼近真實(shí)的事物。為了提升系統(tǒng)的易用性和操作效率，在建模過(guò)程中應(yīng)盡可能使文件體積減小，并且盡量減少模型中多邊形的使用個(gè)數(shù)，以達(dá)到高效的目的。

在構(gòu)建的過(guò)程中必須保證模型的真實(shí)性，器件內(nèi)部也必須結(jié)合器件的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行等比例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。器件模型以3DSMax軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于此軟件的設(shè)計(jì)方式包括多種，并且均有著比較好的效果：例如陣列法，陣列發(fā)比較適合于器件中所包含的元件均分布于器件表面的模型設(shè)計(jì)，還有一種設(shè)計(jì)方法叫作角度確定法，第一步先確定所設(shè)計(jì)器件內(nèi)部的各個(gè)角度，再通過(guò)調(diào)整，最終設(shè)計(jì)出形象而準(zhǔn)確的器件模型，這種方法適合于對(duì)一些結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單的器件的設(shè)計(jì)；如果器件的結(jié)構(gòu)屬于對(duì)稱型，則首先以軸線方向?qū)Ψ治鲞M(jìn)行分解，以上文介紹的陣列法構(gòu)建出器件的一部分，再以3dsMax軟件的復(fù)制功能構(gòu)建出其他部分，進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)之后進(jìn)行組合即可。在構(gòu)建了器件的基本結(jié)構(gòu)之后，還應(yīng)結(jié)合具體的環(huán)境和材質(zhì)對(duì)其進(jìn)行顏色以及質(zhì)感的設(shè)計(jì)，因此還需使3DSMax的貼圖功能，該功能一方面能夠進(jìn)一步提升所構(gòu)建的器件模型的真實(shí)感，另一方面則能夠在很大程度上減少模型多邊形數(shù)量，使渲染速度大大提升。以3DSMax構(gòu)建出的文件與Papervision3D是不想兼容的，所以還應(yīng)把3DSMAX格式的文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為DAE文件。但是眾所周知的是3DSMAX是不支持DAE文件的導(dǎo)出，所以此時(shí)應(yīng)該以ColladaMax插件協(xié)助導(dǎo)出為DAE格式的文件。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)，最重要的便是實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者和虛擬實(shí)驗(yàn)室的人機(jī)交互，由于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)均是基于網(wǎng)絡(luò)的，所以人際的交互主要媒介便是計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)以及鍵盤(pán)，設(shè)計(jì)兩個(gè)“類”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)鼠標(biāo)的人機(jī)交互處理，其中與鍵盤(pán)的交互類是events.Keyboard，與鼠標(biāo)的交互類是events.Mouse。在基于Flex的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中，可以結(jié)合學(xué)習(xí)者的操作來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)元件的變化，包括旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)等等。通過(guò)調(diào)用基于Flex所提供的move Forward方法，同樣能夠使構(gòu)建出的元件模型移動(dòng)。遠(yuǎn)端的學(xué)習(xí)者只要通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，就能在虛擬實(shí)驗(yàn)室里對(duì)以其、元件進(jìn)行操作，從而完成一次逼真度極高的實(shí)驗(yàn)，從而以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的學(xué)生提供逼真的感性材料，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語(yǔ)

高等教育必須能夠?yàn)閷W(xué)生的素質(zhì)提升和能力提升打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與發(fā)展，其在教育行業(yè)的應(yīng)用必將愈加深入?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的高校教育模式，能夠克服傳統(tǒng)教育方式的不足，提升學(xué)生主動(dòng)探究、主動(dòng)參與的意識(shí)，進(jìn)而增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其綜合素質(zhì)。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)必將帶來(lái)教學(xué)效果和教育質(zhì)量的顯著提升。

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（責(zé)任編輯：宋 佳）