虛擬現(xiàn)實技術在水污染控制教學中的應用研究

齊昕　劉嘉夫　李前杰　馬煥春

[摘 要]虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用越來越廣泛。通過分析虛擬現(xiàn)實技術在水污染控制工程教學中的應用，利用Unity3D虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)水污染控制工程交互式三維多媒體課件，并應用于教學實踐，取得良好的教學效果。

[關鍵詞]虛擬現(xiàn)實 水處理 Unity3D 交互控制 多媒體

[中圖分類號] TP391.9；G434 [文獻標識碼] B [文章編號] 2095-3437（2014）14-0171-02

虛擬現(xiàn)實技術，是模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機交互技術。[1-3]它生成的視覺環(huán)境呈現(xiàn)出三維立體效果，可以把復雜、抽象的數(shù)據(jù)信息表示成直觀的、可交互的三維實體。虛擬現(xiàn)實技術的特點在于通過計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構成三維立體空間，或是把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。[2-5]

水污染控制工程是給排水、環(huán)境類專業(yè)的專業(yè)課程，主要是學習水處理工藝及構筑物的構造。水處理構筑物數(shù)量多而且內部構造復雜，認識和觀察水處理構筑物構造是學習水處理原理的重要環(huán)節(jié)。鑒于此，我們利用虛擬現(xiàn)實技術生成的交互式三維環(huán)境，開發(fā)水污染控制工程三維交互式多媒體課件，并應用于教學實踐中。

一、虛擬現(xiàn)實技術在水污染控制教學中的應用

（一） 構筑物三維立體演示

利用虛擬現(xiàn)實技術制作三維立體的水處理構筑物，可以按1：1的比例制作各種水處理構筑物，三維模型可以還原逼真的現(xiàn)場環(huán)境，避免了傳統(tǒng)多媒體課件中主要以二維平面展示為主，教學容量有限，教學的表現(xiàn)形式比較枯燥的問題。如圖1所示，將要學習的重力式無閥濾池制作成三維模型，能夠真實展現(xiàn)出實物外形和內部構造的方方面面，允許從各角度實時觀察重力式無閥濾池，并可以任意縮放、移動視圖，進行全方位的瀏覽，避免了教學中觀測角度不全面，內部構筑物難以觀察等不足，學生可以足不出戶就能像在現(xiàn)場一樣觀察到重力式無閥濾池的各個組成部分及內部構造。

■

圖1 重力式無閥濾池三維展示

（二）虛擬教學情景

利用虛擬現(xiàn)實技術構建的三維場景，以第一視角在其中穿行漫游，高質量的三維畫面使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。例如在講授污水處理廠巡視的注意事項時，利用三維污水處理廠的虛擬環(huán)境，使學生感覺自己就是在污水處理廠中行走，一路上會接觸到不同構筑物和設備，然后記錄下各種狀態(tài)。還可以創(chuàng)設各種異常問題的場景，等待學生自行解決。這樣就把抽象復雜的概念變成與現(xiàn)實接近的直觀感覺，使學習者能夠身臨其境，把復雜的問題簡單化，抽象的概念直觀化，老師和學生能夠互動，以一種很自然的方式來指導教與學，使學生在潛移默化中不斷提高自己的理論水平和實踐能力，從而彌補了一般多媒體課件的不足。[6]

（三）三維動態(tài)交互

動態(tài)交互是虛擬現(xiàn)實技術重要表現(xiàn)，在傳統(tǒng)的二維多媒體中很難做到動態(tài)交互。觀察視角有第一視角、第三視角和自由視角，這三種觀察視角可以隨時變化。比如在污水處理廠巡視的教學中，當巡視到某一閥門時，可以切換到自由視角，對該閥門進行全方位的觀察。 由于水處理構筑物內部構造復雜，但又被頂蓋遮擋，有時候需要實時地把構筑物剖切查看內部。利用虛擬現(xiàn)實技術能夠很容易實現(xiàn)這種實時的剖切效果。這種三維動態(tài)交互的表現(xiàn)，形成很強烈的視覺沖擊，能極大地激發(fā)學生的參與熱情和學習激情。

■

圖2 重力式無閥濾池實時剖切

（四）水處理運行管理仿真訓練

水處理運行管理是水污染控制工程的重要內容，通常情況下是采用校外實踐的形式培養(yǎng)學生的動手能力。由于學生學習時間短，對專業(yè)知識掌握程度還不夠成熟，可提供的實際操作空間有限，而且實習的時間有限，使得校外實踐不能達到預想的效果，不能真正地提高學生的動手能力。

利用虛擬現(xiàn)實技術制作整個水廠的構筑物和設備，學生足不出戶便可以進行各項運行管理的操作，獲得與真實操作一樣的體會，既豐富了學習的感性認識，又加深了對教學內容的理解，減少了經(jīng)費的投入。同時，采用虛擬現(xiàn)實技術可以避免真實操作所帶來的危險；虛擬環(huán)境中的設備可以重復使用，也可以隨時更新設備，使實踐訓練跟上技術的發(fā)展。通過仿真訓練，學生可以熟練掌握水處理運行中的各項操作技能，熟練掌握某些儀器設備的操作技能，增強安全意識、動手能力和經(jīng)驗的積累。

二、基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實教學課件開發(fā)

Unity3D 是一款多平臺的游戲開發(fā)工具，采用Unity3D作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，開發(fā)效率高，效果逼真，交互能力強。

首先廣泛的收集水污染控制工程中所涉及的圖片、文字、聲音和視頻等，同時調研附件的水處理廠，收集構筑物標準圖集。然后利用3ds Max 進行各個構筑物的三維建模，并進行貼圖，建模完成后，將模型塌陷為網(wǎng)格物體，導出擴展名為FBX的文件。把模型文件導入Unity3D平臺，導入后可在Unity3D 中貼圖， 添加燈光效果。 場景構建完成后做系統(tǒng)交互設計。交互設計采用JavaScript腳本文件編寫控制代碼，開發(fā)第一視角、第三視角和自由視角三種視角交互模式。系統(tǒng)完成后進行性能測試， 最后生成可執(zhí)行文件，同時發(fā)布到PC平臺和安卓系統(tǒng)平臺。

由于水處理構筑物的數(shù)量多，結構復雜，模型面數(shù)多，在程序執(zhí)行時，渲染消耗系統(tǒng)資源較大，因此需要對場景進行優(yōu)化。在Unity3D采用漫反射材質，貼圖的大小要適中，將不可移動的物體設置成static狀態(tài)，通過內置的Beast烘焙工具根據(jù)網(wǎng)格物體、材質貼圖和燈光屬性的設置來烘培場景，同時取消動態(tài)陰影效果。這樣就可以使課件在配置較低的計算機上也可流暢運行。

三、結語

虛擬現(xiàn)實技術作為新興的計算機技術，在教育領域的作用越來越明顯。傳統(tǒng)的水污染控制工程多媒體課件由于其本身所具有的缺陷，已經(jīng)逐漸不能滿足水污染控制工程教學的需要，利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出虛擬現(xiàn)實教學課件能夠很好地彌補傳統(tǒng)多媒體課件的缺點，不僅使學生能夠感到模型和場景十分逼真地存在，能深入構筑物的各個位置進行觀察，而且能對學生的操作做出實時準確的響應，使學生獲得與現(xiàn)場操作一樣的感受，從而增強了感性認識，加深對教學內容的理解，改變人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，使學生能在虛擬的學習環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學習環(huán)境中去，使學生陶醉于課程學習中。

[ 注 釋 ]

[1] 干建松.基于Unity3d的室內漫游仿真系統(tǒng)[J].淮陰師范學院學報（自然科學） ，2011（6） ：515-518.

[2] 閆海艇，高淑娟，洪玉玲.基于Unity 的虛擬現(xiàn)實技術在井下仿真中的應用[J] .煤礦安全，2013（8）：99-101.

[3] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d 虛擬展示技術的研究與應用[J].數(shù)字技術與應用， 2010（12）：54-55.

[4] 陳洪，馬欽，朱德海.基于unity 3 d 的交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺研究[J].農(nóng)機化研究，2012（3）：184-186.

[5] 李姝博.虛擬現(xiàn)實技術在職業(yè)教育中應用的理論研究[J].遼寧高職學報，2013（7）：13-15.

[6] 鄭培峰.虛擬現(xiàn)實技術在課件中的應用[J].福建廣播電視大學學報，2010（4）：93-95.

[責任編輯：鐘 嵐]