基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)的研究

摘 要：體感交互技術(shù)能為學(xué)習(xí)者提供更加自然的人機交互方式，能夠給課堂加入信息化的元素。將體感交互技術(shù)應(yīng)用到高中地理教學(xué)的課堂上，能豐富教學(xué)內(nèi)容，增強了學(xué)習(xí)的趣味性，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。本文介紹了體感交互技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)的研究進行了可行性分析，并闡述了體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義及其前景展望。

關(guān)鍵詞：kinect體感交互技術(shù)；智能地理教學(xué)；太陽系三維模型；教育信息化

中圖分類號：TP391.7

隨著現(xiàn)代計算機科學(xué)的發(fā)展，當(dāng)前主流的圖形用戶界面已漸漸不能滿足市場的需求，于是出現(xiàn)了新一代的人機交互方式——體感交互。體感交互技術(shù)是指可以讓用戶利用肢體動作、手勢、語音等現(xiàn)實生活中已有的知識和技能，進行人機交互。這種自然的交互方式使用戶擺脫了鼠標、鍵盤等控制器的約束，簡化了計算機的操作，已得到了廣泛的認同，并逐漸滲透到教育領(lǐng)域。

1 kinect體感交互技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 kinect體感交互技術(shù)概述

體感交互技術(shù)，在于人們可以很直接地使用肢體動作，與周邊的裝置或環(huán)境互動，而無需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身歷其境地與內(nèi)容做互動。Kinect可以在不需任何穿戴裝置的情況下，準確地識別人的動作，手勢以及聲音?；谠撎攸c，Kinect體感交互技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于商務(wù)，醫(yī)療，教育等多個領(lǐng)域。隨診科技水平的日益提高，它必將會融入大眾，給我們的日常生活發(fā)生巨大變革。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 醫(yī)療領(lǐng)域

很多手術(shù)中對無菌操作的要求很高，但是目前的技術(shù)在醫(yī)生不接觸設(shè)備的情況下，很難保證進行手術(shù)的醫(yī)生與設(shè)備很好的交互，因此，手術(shù)的準確和安全便不易實現(xiàn)。而kinect體感操作恰恰可以克服這方面的困難。在手術(shù)中需要電腦完成某些任務(wù)時，醫(yī)生不需要接觸設(shè)備，便可以通過手勢和語音來控制他們，而且還能保證較高的識別率。

1.2.2 電子商務(wù)領(lǐng)域

而Kinect應(yīng)用開發(fā)的進一步深入，勢必會給電子商務(wù)的發(fā)展帶來全新的變革。例如，將Kinect應(yīng)用于增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，為大型商場的服裝店創(chuàng)建虛擬試衣鏡，為顧客提供便捷的試穿服務(wù)。顧客不需要在換衣間更換衣服，便可以直接看到挑選的服裝衣帽在自己身上的搭配效果?；谶\動捕捉，顧客還可以通過轉(zhuǎn)身，彎腰等動作，實時地看到不同角度的穿戴效果。

1.3 應(yīng)用新趨勢

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，人機交互的方式也逐漸趨于自然。Kinect作為一個革命性的產(chǎn)品，在此過程中起到了一個里程碑式的作用。它能夠識別用戶的聲音，動作，手勢，并且將這些信息處理為電腦可以接受的命令，讓人們擺脫了鍵盤鼠標以及各種輸入設(shè)備，真正做到了“用戶的身體便是控制器”。

kinect在人機交互方面的優(yōu)勢也大大地吸引了教育工作者的目光。Kinect 具有實時動態(tài)捕捉、影像辨識、骨骼跟蹤、語音控制、社群互動等功能，可以整合到課堂教學(xué)中，提供更為自然的人機交互方式。將kinect應(yīng)用于課堂教學(xué)中，能提高課堂效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進教學(xué)信息化的進程。

2 研究內(nèi)容

此項目的內(nèi)容是設(shè)計開發(fā)一個基于kinect技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)與太陽系模型的自然交互以及一些地理天文知識的科普。具體內(nèi)容可以分為以下三個方面，即自然交互式太陽系天體的展示，地球自轉(zhuǎn)、海陸分布、晝夜交替及時差現(xiàn)象的展示以及日食、月食天文現(xiàn)象的演示。

2.1 創(chuàng)建自然交互式太陽系天體展示系統(tǒng)

2.1.1 3D太陽系虛擬模型的展示

制作太陽及八大行星的模型，模擬行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，幫助學(xué)生從宏觀上認識太陽系。

2.1.2 利用Kincet與太陽系模型進行自然交互

構(gòu)建基于Kinect手勢識別和語音識別的自然交互系統(tǒng)，通過手勢控制太陽系模型的放大、縮小，說出某一行星的名字，視角即轉(zhuǎn)向該行星，可以讓用戶具體觀察，行星旁邊可以顯示其具體信息。

2.2 關(guān)于地球自轉(zhuǎn)、海陸分布、晝夜交替及時差現(xiàn)象的展示

當(dāng)視角切換到地球后，發(fā)出“自轉(zhuǎn)”的語音命令，地球模型開始逆時針（從北極上空看）旋轉(zhuǎn)，地球的詳細信息（如自轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)周期、軌道半徑等）在旁邊顯示，地球上的海陸分布的信息很直觀地展現(xiàn)出來。這時通過手勢旋轉(zhuǎn)視角到兩極，可以直觀地觀察到地球自轉(zhuǎn)方向。當(dāng)發(fā)出“?！钡恼Z音命令時，地球停止自轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^手勢來人為控制地球的自轉(zhuǎn)，由于受到太陽光照的影響，地球晝夜交替的現(xiàn)象、晨昏線的變化也可以很清晰地展現(xiàn)，同時，也可以解釋時差現(xiàn)象，即時間的東早西晚。

2.3 關(guān)于日食、月食天文現(xiàn)象的演示

制作日食、月食演示動畫，通過“日食”或“月食”的語音命令，播放相應(yīng)的演示動畫，讓學(xué)生能夠很容易理解這些天文現(xiàn)象的形成原理，方便地理教學(xué)。

3 實現(xiàn)方案及可行性分析

基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)按功能劃分為以下三個模塊：體感交互的輸入模塊，信息處理模塊以及虛擬現(xiàn)實的輸出模塊。體感交互的輸入模塊包括對人體手勢信息和語音信息的輸入與采集；信息處理模塊主要是對采集到的信息進行智能解析。虛擬現(xiàn)實的輸出模塊主要是開發(fā)系統(tǒng)的三維互動界面，包括構(gòu)建太陽系的三維模型以及用編程語言實現(xiàn)體感輸入與顯示界面的互動。

3.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)的開發(fā)框架如圖1所示

圖1 系統(tǒng)開發(fā)框架

在軟件層級，Unity 3D是一款功能強大的渲染引擎，整合了一套完整的開發(fā)工具，能通過快速的開發(fā)流程創(chuàng)造出可交互的虛擬空間，其腳本系統(tǒng)為開發(fā)者提

供了極大的靈活性。目前主流的體感游戲開發(fā)主要是采用Unity3D和Kinect結(jié)合交互進行開發(fā)。卡內(nèi)基梅隆提供了kinectWrapper.unitypackage這個包，可以導(dǎo)入Unity 3D中進行開發(fā)。

在硬件層級，本系統(tǒng)將選用的是有著成熟的硬件以及高效算法的Microsoft Kinect。Kinect對系統(tǒng)有很好的兼容性。在硬件的輸出端，系統(tǒng)將選用的是普通的PC的輸出設(shè)備，進行系統(tǒng)可行性的測試。

3.2 系統(tǒng)總體技術(shù)路線

本系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線圖

在總體技術(shù)路線中，人體手勢輸入模塊包括如旋轉(zhuǎn)、放大或者縮小的手勢；之后利用kinect的彩色相機和深度相機對手勢信息數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)，并設(shè)計算法實現(xiàn)對人體手勢的智能解析；人體語言輸入模塊，如喊出某一個星球的名字，對應(yīng)的星球就會出現(xiàn)在視野中，之后利用kinect的語音識別功能進行語音數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計算法實現(xiàn)對人體語音的智能解析；而對于系統(tǒng)的最終現(xiàn)實模塊主要是在unity3D中實現(xiàn)的，首先用Unity3D開發(fā)出用戶顯示端的三維互動界面，然后離線導(dǎo)入在MAYA等三維建模軟件中構(gòu)建好的太陽系各大天體的三維模型，之后在線捕獲人體手勢及語音的信息，設(shè)計智能解析算法，得出控制指令，導(dǎo)入到顯示端控制三維天體的運動。

4 體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義及前景展望

基于Kinect的體感交互技術(shù)能充分調(diào)動用戶的視覺、聽覺、觸覺，可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。若應(yīng)用在教育領(lǐng)域必定有著很強的教育教學(xué)意義和廣闊的發(fā)展前景。

4.1 應(yīng)用于課堂理論教學(xué)中

在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生對知識的認知形式單一，且處于被動接受知識狀態(tài)，缺乏探索知識的主動性和發(fā)散思維的創(chuàng)造性。體感交互技術(shù)可以全方位地以最自然直接的方式展示客觀事物，如建立相應(yīng)的三維立體模型介紹地球、宇宙、建筑等方面的知識。學(xué)生在感性上直觀認知事物，拓展三維空間構(gòu)建能力；在理性上深入思考知識，發(fā)散思維。從而降低了知識講授和認知的難度，提高了學(xué)習(xí)興趣，并有利于學(xué)生創(chuàng)新力的培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的提升。

4.2 應(yīng)用于實驗教學(xué)中

在目前的實驗教學(xué)中往往限于客觀因素，如實驗設(shè)備和材料、實驗難度等，實際實驗效果不是很理想，且很多實驗難以長時間多次實施。體感交互的虛擬實驗便能將這些問題迎刃而解。在虛擬實驗室中，學(xué)生通過肢體動作操作虛擬的實驗材料，通過語音觸發(fā)相應(yīng)的事件，交互系統(tǒng)會做出反應(yīng)或給出提示，從而達到真實實驗室的效果。也可以避免某些危險性較高的實驗帶來的危害。加強了學(xué)生的動手能力，降低了教學(xué)成本，多次重復(fù)實驗極大地給實驗教學(xué)帶來便利。

4.3 應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬學(xué)習(xí)中

體感交互技術(shù)可以建立虛擬的學(xué)校、圖書館，用戶足不出戶就可以“行走”在知識海洋中，如在虛擬圖書館中翻開書籍、穿越到巴西平原感受熱帶雨林的景象。也可以在虛擬教室中和老師、同學(xué)探討問題。

基于Kinect的體感交互技術(shù)在輔助教育教學(xué)中有著顯著的作用，但也存在識別精確度不高，圖像場景渲染不夠真實等不足，在我國教育領(lǐng)域的應(yīng)用中還很少見。隨著體感交互技術(shù)的發(fā)展和交互設(shè)備的普及，這一技術(shù)必將在不遠的未來教育中掀起新一輪的浪潮。

5 結(jié)束語

本文的工作是在Kinect的手勢識別及語音識別的基礎(chǔ)之上，提出實現(xiàn)一個基于體感交互技術(shù)的地理教學(xué)輔助軟件。首先，從大體上分析了自然交互方式在教育領(lǐng)域的應(yīng)用需求，為了達到這一目的，本文引出了Kinect體感交互技術(shù)，并論述了其應(yīng)用現(xiàn)狀，以及在教育領(lǐng)域的應(yīng)用新趨勢。然后，對基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)的研究內(nèi)容進行了詳細的闡述，并設(shè)計出了一個具體的實現(xiàn)方案，以使該項目具有較高的可行性。最后，論述了體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義，期望基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]廖宏建，楊玉寶.體感交互設(shè)計及其在三維虛擬實驗中的應(yīng)用[J].遠程教育雜志，2013（01）：54-59

[2]Daniel J.Libeling， Meredith Ringel Morris.Kinected Brows-er：Depth Camera Interaction for the Web[C].Proceedings ofthe 2012 ACM International Conference on Interactive Tab-letops and Surfaces，New York，NY，USA，2012：105-108

[3]陳靜，陳澤宇，王敏娟，王加俊.基于Kinect的體感技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[A].重慶理工大學(xué).第5屆教育教學(xué)改革與管理工程學(xué)術(shù)年會論文集[C].重慶理工大學(xué)，2012.

[4]錢鶴慶.應(yīng)用 Kinect 與手勢識別的增強現(xiàn)實教育輔助系統(tǒng)[D].上海交通大學(xué)，2011.

作者簡介：張必蘭（1992.09-），女，江西上饒人，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：教育技術(shù)；陳艷蕾（1995.1—），女，河南南陽人，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)；王磊（1994.8-），男，湖北鄂州人，在讀學(xué)士，專業(yè)研究方向為數(shù)字媒體技術(shù)；宋萬福（1993.8-）男，漢，山東商河，華中師范大學(xué)計算機學(xué)院，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù)。

基金項目：本文系華中師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“基于體感交互技術(shù)的太陽系三維模型演示系統(tǒng)的研究”的階段性研究成果。

作者單位：華中師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，武漢 430079