投影面沉浸式虛擬環(huán)境在教學系統(tǒng)中的應用

陶婷婷+賀靜靜+張亞萍

摘 要：多投影面沉浸式虛擬環(huán)境以其超高分辨率、超大視覺范圍為學習者提供了沉浸式的體驗，已成為虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實技術的主要發(fā)展方向。本文在研究多投影面沉浸式環(huán)境系統(tǒng)結構及關鍵技術的同時，探討了多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的特點，著重論述了其在教學中的重要作用。

關鍵字：多投影面；教學系統(tǒng)；沉浸式環(huán)境

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2014）02-0070-03

虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展使得計算機技術不再是完成某一項工作的重要工具，而是朝著更人性化的一面發(fā)展，它可以使用戶足不出戶就享受到計算機虛擬世界給我們帶來的真實感覺。顯示技術是最終形成虛擬環(huán)境的關鍵步驟。目前沉浸式顯示技術正處于蓬勃發(fā)展的階段。

多投影面沉浸式虛擬環(huán)境是由多臺投影儀拼接而組成的大規(guī)模顯示設備，加上各種人機交互設備，能夠更加清晰地模擬現(xiàn)實世界場景以及對歷史的逼真反映，給用戶帶來更佳的視野范圍和更強的沉浸感，[1]它可以是對高性能計算結果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是純粹的虛擬空間。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境為學校教學中創(chuàng)設鮮活的情境提供了技術支持，可以成為一種全新的教學平臺，學習者可以以各種自然的交互手段與虛擬世界進行交互獲取知識，改變了傳統(tǒng)學習環(huán)境下學習者被動接受的學習方式，讓學習者有一種主動學習的環(huán)境。

一、多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的實現(xiàn)

1.系統(tǒng)總體設計

多投影面沉浸式虛擬環(huán)境按系統(tǒng)結構主要分為：投影系統(tǒng)、用戶交互系統(tǒng)、圖形與計算系統(tǒng)。投影系統(tǒng)主要包括投影儀陣列以及投影屏幕，用來顯示大范圍畫面，實現(xiàn)沉浸式體驗；用戶交互系統(tǒng)是讓用戶通過各種虛擬現(xiàn)實交互設備與系統(tǒng)應用程序之間進行自然的交互；圖形與計算系統(tǒng)是負責生成虛擬環(huán)境并對用戶的交互信息進行處理。

在投影系統(tǒng)搭建的過程中，圖1所示的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的系統(tǒng)設計方案如下：使用多臺PC機、多臺投影儀、一個攝像機，將其中一臺PC機作為圖像校正服務器（Client PC），負責捕獲投影儀的反饋信息，計算校準數(shù)據(jù)；另外幾臺PC機（Server PC）作為客戶端，分別連接一臺投影儀，用于負責讀取、處理并根據(jù)相應位置分布繪制各顯示區(qū)域的數(shù)據(jù)；最后分別通過相應的投影儀輸出到投影屏幕，構成一個完整的無縫的顯示畫面，各計算機通過局域網(wǎng)進行連接和通信，采用鼠標或鍵盤等方式與系統(tǒng)進行交互。

2.關鍵技術

在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的構建過程中，為了保證高清晰、實時流暢、邏輯上完整的顯示效果，幾何校正和顏色校正是最為關鍵的問題。技術流程如圖2所示。

幾何校正是為了解決單個投影在投影屏幕上產生畸變問題以及多個投影儀之間的畫面對齊問題，使得整個投影畫面看起來具有連續(xù)性。[2]

在本系統(tǒng)中，我們在前人研究的基礎之上，采用一臺反饋照相機來獲取投影圖像的幾何位置信息，根據(jù)圖像處理技術對原始圖像進行幾何畸變校正，使得各投影儀投出的圖像能形成一幅完整的畫面，使使用者完全沉浸在由多個投影儀創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中。在實驗過程中考慮到由照相機鏡頭自身畸變而造成的扭曲，所以在幾何校正之前，我們采用張正友[3]提出的攝像機標定的方法對數(shù)碼相機進行標定，從而對拍攝出的圖像進行預校正。

幾何校正方案如下：

第一步，特征點采集與處理。對每臺投影儀以此投影一組特征圖案，利用數(shù)碼相機進行特征圖案采集。再利用圖像處理技術對拍攝圖像進行處理，對投影儀依次編號記為Hi，與Hi對應的幀緩存中的特征點記為Fi；

第二步，求出所有投影儀顯示區(qū)域的最大有效顯示區(qū)域，并按等距離原則細分最大有效區(qū)域，記為Pi；

第三步，利用最小二乘法計算相機圖像到投影儀幀緩存圖像的映射關系，記為M。并求出映射矩陣M的逆矩陣M-1，再利用投影儀的有效顯示區(qū)域預校正緩存區(qū)的圖像。

為了真正地實現(xiàn)畫面的完整性，還有一個必須解決的問題就是顏色校正問題。顏色校正主要用來解決不同投影儀表現(xiàn)在顏色上的差異而導致畫面整體上的顏色不一致問題。所以要采用有效的方法盡可能地消除或縮小這種顏色差異，給人更好的視覺效果，具體算法本文不做詳細介紹。

二、多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的特點及應用實例

1.多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的特點

①逼真性

在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，逼真性主要表現(xiàn)在環(huán)境的真實性、視野范圍的無限擴充和對象動作的流暢展示。通過增加投影儀的數(shù)量，使用超大的物理尺寸屏幕，可以體現(xiàn)出真實的圖像質量，實現(xiàn)單個投影所不能獲得的視覺效果，給用戶帶來身臨其境的感覺。

②沉浸感

理想的虛擬環(huán)境是使用戶達到難以分辨真假的程度。在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，沉浸感主要是用戶對由計算機創(chuàng)造和顯示出來的虛擬環(huán)境的感知和認識。當用戶置身在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中時，其感覺系統(tǒng)在處理來自虛擬環(huán)境中的視覺和其他感知數(shù)據(jù)時的方式如同在真實環(huán)境下一樣。

③交互性

在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，用戶可以與計算機生成的虛擬環(huán)境進行自然交互，能夠用人類自然的感知能力與虛擬環(huán)境中的對象進行實時交互，讓我們很容易地進入角色，大大增強了參與其中的趣味性。

2.應用實例

根據(jù)多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的特點以及其他領域的廣泛應用，在教學系統(tǒng)中的應用可以分為兩大類別的學科：①結構演示和位置信息展示等學科的學習。包括工程中的結構圖、地理學習中的信息圖示、模型演示等。如化學學習過程中，通過多投影面沉浸式虛擬環(huán)境真實地展示出物質分子結構模型。②動作演示類的科目。主要包括具體的操作以及與操作相關的位置信息等。其在醫(yī)療手術、化學實驗的具體操作當中有很好的應用價值。

三、多投影面沉浸式虛擬環(huán)境對教學的促進作用endprint

1.創(chuàng)建逼真的實習場，為情境學習提供更真實的學習環(huán)境

根據(jù)情境學習理論的觀點，實踐不是獨立于學習的，意義也不是與實踐和情境脈絡相分離的，真正的意義是在實踐和情境脈絡中加以協(xié)商的。[4]情境學習的關鍵是創(chuàng)設學習環(huán)境，在教學場所與空間內必須有真實的情境作為學習活動的目標，即實習場的創(chuàng)建。然而學校的學習環(huán)境與現(xiàn)實生活中的環(huán)境是完全不一樣的。如何創(chuàng)建這樣的實習場就成為我們要考慮的問題。傳統(tǒng)的拋錨式教學是通過真實化的錄像境脈來呈現(xiàn)與解決問題相關的信息。然而，這樣只能使學習者被動地觀看，不能導致學習的發(fā)生。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境通過無限擴充學習者的視角視野，為學習者營造出身臨其境的感覺，將整個學習活動都拋錨在真實的情境之中。它構建出的實習場，不僅高度接近真實情境，將抽象化的知識具體化為可視化信息，而且其學習過程也與現(xiàn)實生活中的問題解決過程類似。學習者可以直接參與到“真實”的情境中，從而接觸許多平時不易接觸的場景。學生受到多感官強烈的刺激，增加了學習者體驗的真實性，改變了學習者僅僅面對靜態(tài)文字的傳統(tǒng)學習方式。

2.沉浸式的學習體驗，提高了學習者的參與性

人類學學家Lave在他的代表著作 《情境學習：合法的邊緣性參與》中指出：學習應該從參與實際活動的過程中學習知識。[5]也就是學習者不是被動的觀察者，而是主動參與其中的過程，那么如何使學習者主動參與其中而不偏離主題，這也是我們需要考慮的問題。另外，還有一些學者擔心學習者參與到真實情境中可能會帶來一些危險。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境具有高仿真、寬屏幕、大視角、宏大震撼的效果，不再是傳統(tǒng)的書本教育和普通的多媒體教學，能極大地提高學習者的學習熱情和參與度，將學習者完全吸引并投入到當前情境中去，而忘卻了計算機設備的存在，過濾掉很多不相關的知覺，使注意力完全集中到學習任務中去。為學習者提供了豐富的情感虛擬體驗，使整個學習過程充滿樂趣，親身體驗更加強化了學習者的記憶和知識的建構。

3.交互式學習環(huán)境，豐富了情境學習的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顧了教育信息化發(fā)展的歷程之后，提出為了給予學生力量，讓我們把交互式學習技術帶進教室吧。[6]其中就講到了如何實現(xiàn)課堂教學中的交互活動最大化。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境應用于教學的過程中，為學習者提供了更加直接的交互環(huán)境，學習者在與虛擬信息的交互中獲得知識和經(jīng)驗，超越了傳統(tǒng)的以知識接受為主的間接獲取學習經(jīng)驗的方式，有助于培養(yǎng)學習者的動手實踐能力和自主探索問題的能力。學習者通過與系統(tǒng)進行交互，置身于“超越現(xiàn)實、身臨其境”的學習環(huán)境中。同時，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境還是一個支持合作的協(xié)同環(huán)境，合作學習也是情境學習的重要方面，學習者可以以小組的形式參與到真實境脈中來，大大地改善了傳統(tǒng)的課堂學習氛圍，提高了學習者的學習積極性。在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，學習者之間、學習者與教師之間進行協(xié)作，提出問題、討論結果、分享發(fā)現(xiàn)、探索未知的領域。

四、總結

本文探討了多投影面沉浸式虛擬環(huán)境對教學的重要作用，它所創(chuàng)造的逼真情境使學習者可以在課堂的實習場中體驗到現(xiàn)實生活的經(jīng)驗，并且支持交互操作、學習的交流合作等，學習者沉浸在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)知識的建構和遷移，并還原到實際生活中去。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境由于其高度沉浸感和交互性，在遙感技術、展覽、工業(yè)設計、計算機可視化中具有非常好的應用前景。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展以及在教學中的應用，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的教育意義也備受關注，其在教育領域仍有很大的發(fā)展空間，有待于我們積極開發(fā)和應用。

參考文獻：

[1]林柏偉.PC架構的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境及其應用[D].杭州：浙江大學，2003.

[2]黃淼，周志光，陶煜波，林海.基于數(shù)碼相機參數(shù)還原的多屏拼接幾何校正技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2010（10）.

[3]馬頌德，張正友.計算機視覺[M].北京：科學出版社，1998.

[4]俞貞.情境學習和學校環(huán)境中實習場的建構[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文靜.人類學視野中的情境學習[J].外國中小學教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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1.創(chuàng)建逼真的實習場，為情境學習提供更真實的學習環(huán)境

根據(jù)情境學習理論的觀點，實踐不是獨立于學習的，意義也不是與實踐和情境脈絡相分離的，真正的意義是在實踐和情境脈絡中加以協(xié)商的。[4]情境學習的關鍵是創(chuàng)設學習環(huán)境，在教學場所與空間內必須有真實的情境作為學習活動的目標，即實習場的創(chuàng)建。然而學校的學習環(huán)境與現(xiàn)實生活中的環(huán)境是完全不一樣的。如何創(chuàng)建這樣的實習場就成為我們要考慮的問題。傳統(tǒng)的拋錨式教學是通過真實化的錄像境脈來呈現(xiàn)與解決問題相關的信息。然而，這樣只能使學習者被動地觀看，不能導致學習的發(fā)生。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境通過無限擴充學習者的視角視野，為學習者營造出身臨其境的感覺，將整個學習活動都拋錨在真實的情境之中。它構建出的實習場，不僅高度接近真實情境，將抽象化的知識具體化為可視化信息，而且其學習過程也與現(xiàn)實生活中的問題解決過程類似。學習者可以直接參與到“真實”的情境中，從而接觸許多平時不易接觸的場景。學生受到多感官強烈的刺激，增加了學習者體驗的真實性，改變了學習者僅僅面對靜態(tài)文字的傳統(tǒng)學習方式。

2.沉浸式的學習體驗，提高了學習者的參與性

人類學學家Lave在他的代表著作 《情境學習：合法的邊緣性參與》中指出：學習應該從參與實際活動的過程中學習知識。[5]也就是學習者不是被動的觀察者，而是主動參與其中的過程，那么如何使學習者主動參與其中而不偏離主題，這也是我們需要考慮的問題。另外，還有一些學者擔心學習者參與到真實情境中可能會帶來一些危險。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境具有高仿真、寬屏幕、大視角、宏大震撼的效果，不再是傳統(tǒng)的書本教育和普通的多媒體教學，能極大地提高學習者的學習熱情和參與度，將學習者完全吸引并投入到當前情境中去，而忘卻了計算機設備的存在，過濾掉很多不相關的知覺，使注意力完全集中到學習任務中去。為學習者提供了豐富的情感虛擬體驗，使整個學習過程充滿樂趣，親身體驗更加強化了學習者的記憶和知識的建構。

3.交互式學習環(huán)境，豐富了情境學習的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顧了教育信息化發(fā)展的歷程之后，提出為了給予學生力量，讓我們把交互式學習技術帶進教室吧。[6]其中就講到了如何實現(xiàn)課堂教學中的交互活動最大化。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境應用于教學的過程中，為學習者提供了更加直接的交互環(huán)境，學習者在與虛擬信息的交互中獲得知識和經(jīng)驗，超越了傳統(tǒng)的以知識接受為主的間接獲取學習經(jīng)驗的方式，有助于培養(yǎng)學習者的動手實踐能力和自主探索問題的能力。學習者通過與系統(tǒng)進行交互，置身于“超越現(xiàn)實、身臨其境”的學習環(huán)境中。同時，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境還是一個支持合作的協(xié)同環(huán)境，合作學習也是情境學習的重要方面，學習者可以以小組的形式參與到真實境脈中來，大大地改善了傳統(tǒng)的課堂學習氛圍，提高了學習者的學習積極性。在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，學習者之間、學習者與教師之間進行協(xié)作，提出問題、討論結果、分享發(fā)現(xiàn)、探索未知的領域。

四、總結

本文探討了多投影面沉浸式虛擬環(huán)境對教學的重要作用，它所創(chuàng)造的逼真情境使學習者可以在課堂的實習場中體驗到現(xiàn)實生活的經(jīng)驗，并且支持交互操作、學習的交流合作等，學習者沉浸在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)知識的建構和遷移，并還原到實際生活中去。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境由于其高度沉浸感和交互性，在遙感技術、展覽、工業(yè)設計、計算機可視化中具有非常好的應用前景。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展以及在教學中的應用，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的教育意義也備受關注，其在教育領域仍有很大的發(fā)展空間，有待于我們積極開發(fā)和應用。

參考文獻：

[1]林柏偉.PC架構的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境及其應用[D].杭州：浙江大學，2003.

[2]黃淼，周志光，陶煜波，林海.基于數(shù)碼相機參數(shù)還原的多屏拼接幾何校正技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2010（10）.

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[4]俞貞.情境學習和學校環(huán)境中實習場的建構[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文靜.人類學視野中的情境學習[J].外國中小學教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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1.創(chuàng)建逼真的實習場，為情境學習提供更真實的學習環(huán)境

根據(jù)情境學習理論的觀點，實踐不是獨立于學習的，意義也不是與實踐和情境脈絡相分離的，真正的意義是在實踐和情境脈絡中加以協(xié)商的。[4]情境學習的關鍵是創(chuàng)設學習環(huán)境，在教學場所與空間內必須有真實的情境作為學習活動的目標，即實習場的創(chuàng)建。然而學校的學習環(huán)境與現(xiàn)實生活中的環(huán)境是完全不一樣的。如何創(chuàng)建這樣的實習場就成為我們要考慮的問題。傳統(tǒng)的拋錨式教學是通過真實化的錄像境脈來呈現(xiàn)與解決問題相關的信息。然而，這樣只能使學習者被動地觀看，不能導致學習的發(fā)生。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境通過無限擴充學習者的視角視野，為學習者營造出身臨其境的感覺，將整個學習活動都拋錨在真實的情境之中。它構建出的實習場，不僅高度接近真實情境，將抽象化的知識具體化為可視化信息，而且其學習過程也與現(xiàn)實生活中的問題解決過程類似。學習者可以直接參與到“真實”的情境中，從而接觸許多平時不易接觸的場景。學生受到多感官強烈的刺激，增加了學習者體驗的真實性，改變了學習者僅僅面對靜態(tài)文字的傳統(tǒng)學習方式。

2.沉浸式的學習體驗，提高了學習者的參與性

人類學學家Lave在他的代表著作 《情境學習：合法的邊緣性參與》中指出：學習應該從參與實際活動的過程中學習知識。[5]也就是學習者不是被動的觀察者，而是主動參與其中的過程，那么如何使學習者主動參與其中而不偏離主題，這也是我們需要考慮的問題。另外，還有一些學者擔心學習者參與到真實情境中可能會帶來一些危險。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境具有高仿真、寬屏幕、大視角、宏大震撼的效果，不再是傳統(tǒng)的書本教育和普通的多媒體教學，能極大地提高學習者的學習熱情和參與度，將學習者完全吸引并投入到當前情境中去，而忘卻了計算機設備的存在，過濾掉很多不相關的知覺，使注意力完全集中到學習任務中去。為學習者提供了豐富的情感虛擬體驗，使整個學習過程充滿樂趣，親身體驗更加強化了學習者的記憶和知識的建構。

3.交互式學習環(huán)境，豐富了情境學習的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顧了教育信息化發(fā)展的歷程之后，提出為了給予學生力量，讓我們把交互式學習技術帶進教室吧。[6]其中就講到了如何實現(xiàn)課堂教學中的交互活動最大化。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境應用于教學的過程中，為學習者提供了更加直接的交互環(huán)境，學習者在與虛擬信息的交互中獲得知識和經(jīng)驗，超越了傳統(tǒng)的以知識接受為主的間接獲取學習經(jīng)驗的方式，有助于培養(yǎng)學習者的動手實踐能力和自主探索問題的能力。學習者通過與系統(tǒng)進行交互，置身于“超越現(xiàn)實、身臨其境”的學習環(huán)境中。同時，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境還是一個支持合作的協(xié)同環(huán)境，合作學習也是情境學習的重要方面，學習者可以以小組的形式參與到真實境脈中來，大大地改善了傳統(tǒng)的課堂學習氛圍，提高了學習者的學習積極性。在多投影面沉浸式虛擬環(huán)境中，學習者之間、學習者與教師之間進行協(xié)作，提出問題、討論結果、分享發(fā)現(xiàn)、探索未知的領域。

四、總結

本文探討了多投影面沉浸式虛擬環(huán)境對教學的重要作用，它所創(chuàng)造的逼真情境使學習者可以在課堂的實習場中體驗到現(xiàn)實生活的經(jīng)驗，并且支持交互操作、學習的交流合作等，學習者沉浸在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)知識的建構和遷移，并還原到實際生活中去。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境由于其高度沉浸感和交互性，在遙感技術、展覽、工業(yè)設計、計算機可視化中具有非常好的應用前景。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展以及在教學中的應用，多投影面沉浸式虛擬環(huán)境的教育意義也備受關注，其在教育領域仍有很大的發(fā)展空間，有待于我們積極開發(fā)和應用。

參考文獻：

[1]林柏偉.PC架構的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境及其應用[D].杭州：浙江大學，2003.

[2]黃淼，周志光，陶煜波，林海.基于數(shù)碼相機參數(shù)還原的多屏拼接幾何校正技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2010（10）.

[3]馬頌德，張正友.計算機視覺[M].北京：科學出版社，1998.

[4]俞貞.情境學習和學校環(huán)境中實習場的建構[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文靜.人類學視野中的情境學習[J].外國中小學教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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