基于VR和立體視覺技術(shù)的CAI系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

摘 要：本文論述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、立體視覺技術(shù)及三維可視化技術(shù)開發(fā)積件式輔助教學系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。系統(tǒng)的應(yīng)用可突破傳統(tǒng)多媒體課件制作模式，從二維空間拓寬到三維空間，使學生在真三維感知的基礎(chǔ)上互動學習，理解那些空間性的、抽象難于理解的教學內(nèi)容，提供一種新的教、學手段，從而達到高效教學及學習的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；立體視覺；積件系統(tǒng)；輔助教學

中圖分類號：TP391.41

傳統(tǒng)的多媒體課件大多采用平面展示方式，難以表現(xiàn)抽象的三維形體和行為。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality-VR）是一種用于建立真實世界場景模型的技術(shù)，用以描述三維物體及其行為，可以構(gòu)建虛擬境界，其基本目標是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體，基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、逼真性等[1-2]。相比傳統(tǒng)的多媒體課件，VR課件在這些方面顯示出其獨有的強大優(yōu)勢，可建構(gòu)出神奇、真實的學習場境，顯著提高學生的學習興趣[4]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在代表國際VR發(fā)展的水平的美國，VR技術(shù)早已廣泛應(yīng)用，課堂教學主要有以下方面的應(yīng)用：立體物體和立體空間的展示，虛擬空間和虛擬場景的營造與構(gòu)建；科學實驗中應(yīng)用于虛擬儀器、虛擬實驗室等。我國各種輔助教學軟件，都是采用傳統(tǒng)的普通多媒體輔助教學軟件，一般為平面方式展示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)目標?；赩R和立體視覺技術(shù)的輔助教學軟件研究，突破傳統(tǒng)圖片加文字課件制作模式，主要研究三維課件制作技術(shù)，積件式開發(fā)技術(shù)，海量多源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，異型模型、運動仿真模型建模技術(shù)等。適于數(shù)學、物理、化學、工程制圖等課程的教學。

2.2 系統(tǒng)組成。教學軟件系統(tǒng)由積件庫和積件組合平臺構(gòu)成，積件庫包括各種獨立學科的知識內(nèi)容，類型包括定義、定理、公式、習題、多媒體、聲音等。積件組合平臺由各功能模塊組成，可以根據(jù)不同需求進入相應(yīng)模塊。

3 系統(tǒng)功能

3.1知識輸入及數(shù)據(jù)管理模塊。（1）異型模型可視化：包括數(shù)學中的空間模型，物理中的實驗器模型、電子模型和場示意性模型，化學中的常見分子模型、原子模型、電子模型，地理中的星球模型、地形模型等的可視化；（2）地物地貌多源數(shù)據(jù)管理方法：高分辨率影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、交通、河流、居民地數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的可視化疊加顯示、動態(tài)管理、動態(tài)調(diào)度；（3）文本信息輸入，包括公式定理等；（4）多媒體信息輸入。

3.2 學生互動模塊。學生可以在三維瀏覽窗口中對模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，也可以改變與所顯示模型相關(guān)的參數(shù)觀察各參數(shù)所起的作用，還可以查詢相關(guān)公式、定理以及例題?？梢赃x擇試題測試以鞏固學習成果，加深記憶。

3.3 授課內(nèi)容編排模塊。首先，輸入本講的名稱或主題；然后，根據(jù)已定計劃設(shè)計文字、圖片以及三維場景出現(xiàn)的先后順序以及講解時間；接著根據(jù)老師自己的教學習慣編輯相關(guān)思考題和習題，插入講解過程；最后保存課件。

3.4 教學授課與真三維交互學習模塊。借助3DPT真三維投影平臺，教師可以方便的以三維可視化方式的制作課件，當在客戶端加載后，路線漫游，錄音播放、媒體鏈接、音樂播放、圖片調(diào)入等功能以真三維方式顯示，并可以在三維瀏覽窗口中進行模型縮放、旋轉(zhuǎn)的等交互操作，交互過程中可以觸發(fā)教師預(yù)設(shè)的場景事件并產(chǎn)生動畫、特效或場景變更等效果；通過調(diào)整模型參數(shù)，可以觀察各參數(shù)所起的作用，還可以查詢相關(guān)公式、定理以及例題。整個交互過程，提供了使用鍵盤、鼠標和游戲控制桿等多種方式。

3.5 輸出模塊。將課件和講課錄音結(jié)合起來輸出為一個視頻文件，供學生復(fù)習。將老師編寫的課件輸出為文本或HTML文檔的格式，包含所有的圖片和視頻信息，作為教案文檔備案或者提供給學生?？梢远ㄖ戚敵龀煽儐魏统煽兦€圖。

4 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標

基于GPU技術(shù)和場景的多遍渲染技術(shù)，實現(xiàn)了立體集合中多面體的真三維互動表達以及復(fù)雜三維曲線的制作與交互式表現(xiàn)。所有的效果實現(xiàn)都可以通過紅青立體或者偏振光立體的方式實現(xiàn)真三維立體的渲染效果。該系統(tǒng)的開發(fā)運用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

4.1 層次細節(jié)技術(shù)。層次細節(jié)（Level of Detail-LOD）技術(shù)是在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化景物的表面細節(jié)來減少場景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。該技術(shù)通常對每一原始多面體模型建立幾個不同逼近精度的幾何模型。與原模型相比，每個模型均保留了一定層次的細節(jié)。在繪制時，根據(jù)不同的表現(xiàn)選擇適當?shù)膶哟文Ｐ蛠肀硎疚矬w。

4.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸等行為的人機交互技術(shù)。它有兩個基本特征，即“沉浸”和“交互”。VR的“沉浸”要求計算機所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境的體驗。VR的“交互”主要是指參與者通過使用專用設(shè)備來實現(xiàn)用人類自然技能，對虛擬環(huán)境中的實體進行考察與操作，使得研究者能在時間與空間上自由穿行。

4.3 立體視覺技術(shù)。應(yīng)用立體視覺原理，將左右眼的圖像分別輸出。偏振光圖像可以用于大型三維現(xiàn)實，通過紅青圖像在普通顯示器上既可以實現(xiàn)真三維效果。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于彌補傳統(tǒng)授課方式難于形象表達宏觀、微觀、抽象、立體等復(fù)雜問題的不足，在單位時間內(nèi)能夠向?qū)W生傳遞多維的關(guān)聯(lián)信息，引起多種感官的立體綜合反應(yīng)，從而達到節(jié)約授課時間，減小學生疲勞度的目的，使學生在逼真、新奇、浸入的學習環(huán)境中激發(fā)出自主性、創(chuàng)造性的思維活動，變被動接收式教學為啟發(fā)探索式學習。對激發(fā)學生的學習興趣和提高學習能力具有深遠的意義。

參考文獻：

[1]Williams A A J，Karoly D J，Tapper N.The sensitivity of Australian fire danger to climate change[J].Climatic Change，2001（49）：171-191.

[2]Williams A A J，Karoly D J.Extreme fire weather in Australia and the impact of the El Nino Southern Oscillatio-n[J].Australian Meteorological Magazine，1999（48）：15-22.

[3]Li Jiahou，Wang Xuqing.Second Generation Classroom Instruction Software：Integrable Ware[J].MMW MultiMedia World，1997（10）：45-46.（In Chinese）

[4]Gao Xiaojuan，Zhu Xinjuan.The design and the research of Integrable Ware System based on the tiny teaching unit[J].Electronics Design Engineering，2009（04）：29-31.（In Chinese）

[5]Burdea G，Coiffet P.Virtual reality technology.New York：A Wiley-Interscience Publication，John WileySons，Inc，1994：1-14.

作者簡介：李軍杰（1971-），男，河南長葛人，博士，參與國家863重點項目“高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)”，研究方向：低空高精度遙感與三維重建。

作者單位：河南城建學院，河南平頂山 467000；北京四維遠見信息技術(shù)有限公司，北京 100070

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重點項目（項目編號：2008AA121301）；地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助項目（項目編號：201116）。