慕課教學(xué)系統(tǒng)中三維交互技術(shù)研究

馬潔

慕課教學(xué)系統(tǒng)中三維交互技術(shù)研究

馬潔

針對目前課堂教學(xué)過程中遇到的問題，提出新的慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)模式，給出慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，詳細(xì)說明了紅外線感應(yīng)屏的工作原理與軟硬件具體實(shí)現(xiàn)過程。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所選擇的紅外對管作為感應(yīng)器件的可行性，采用二元控制方法控制數(shù)目巨大的紅外對管的工作狀態(tài)，大大精簡了硬件電路，實(shí)現(xiàn)了各元器件的最大利用率。采取定區(qū)域取窗掃描方法檢測感應(yīng)信號，使感應(yīng)屏的反應(yīng)時(shí)間大大縮短。以汽車設(shè)計(jì)課程中機(jī)械中間軸式五檔變速器設(shè)計(jì)的原理介紹為實(shí)例，敘述了以70 英寸紅外感應(yīng)屏為媒介，實(shí)現(xiàn)三維展示變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、對變速器的工作情況實(shí)時(shí)控制進(jìn)行簡單友好交互，使學(xué)生通過直觀的實(shí)時(shí)交互動畫清楚的看到變速器的工作過程。

慕課虛擬教學(xué)；慕課虛擬現(xiàn)實(shí)；紅外感應(yīng)；慕課虛擬課件；三維交互

章編號：1007-757X(2016)03-0063-04

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于課堂教學(xué)。但隨著近幾年現(xiàn)代化教學(xué)的應(yīng)用，普通多媒體教學(xué)系統(tǒng)的弊端就暴露無遺：在講課時(shí)，教師必須站在電腦旁通過鼠標(biāo)或鍵盤操作課件，大大降低了教學(xué)的靈活性，拉遠(yuǎn)了教師與學(xué)生的距離；課堂講解只能以已有電子文檔為基礎(chǔ)，不能隨時(shí)在其基礎(chǔ)上更改或者實(shí)時(shí)做出批注進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，大大限制了教師、黑板與學(xué)生之間的交互性；教學(xué)課件為二維顯示，對于很多需要進(jìn)入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的立體顯示場合，無法滿足學(xué)生對三維信息的需要。本文主要針對目前課堂教學(xué)過程中遇到的以上問題，提出了新的慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)模式，并著重研究了其中的若干重要技術(shù)。

1　.慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

本文所提出的教學(xué)交互模式以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，充分考慮了教學(xué)過程中老師、學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容三者的實(shí)時(shí)、多樣化的交互作用，為學(xué)生的學(xué)習(xí)建立慕課虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境或者是慕課虛擬的教學(xué)模型，并配合雙目立體視覺技術(shù)，使深奧、難懂的理論學(xué)習(xí)或者是比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)認(rèn)識變得直觀、簡單，課件根據(jù)操作者不同的觸發(fā)動作做出不同的反饋。本論文結(jié)合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，提出了完整的慕課虛擬教學(xué)交互模式，如圖1所示：

圖1　慕課虛擬教學(xué)交互模式

按照功能劃分主要由輸入層、處理層、反饋顯示3部分組合而成。

輸入層：采用紅外感應(yīng)屏、麥克風(fēng)、攝像頭相結(jié)合即精確交互和非精確交互相結(jié)合的3通道人機(jī)交互輸入手段。大尺寸紅外感應(yīng)屏作為精確交互輸入方式，比如老師的板書和繪圖、重點(diǎn)標(biāo)示等操作。非精確簡單交互采用麥克風(fēng)語音識別和攝像頭模式識別來實(shí)現(xiàn)，比如對模型的旋轉(zhuǎn)、移動以及課件的打開和關(guān)閉等簡單操作。

處理反饋層：是慕課虛擬教學(xué)交互系統(tǒng)的核心，它包括對輸入層信號的數(shù)據(jù)分析與處理處理，根據(jù)不同的程序環(huán)境判斷出輸入層的信號含義，從而使主機(jī)、三維慕課虛擬交互課件、基于草圖的智能識別程序和屏幕錄像產(chǎn)生相對應(yīng)的動作。

顯示層：通過背投箱顯示系統(tǒng)和音響設(shè)備將處理層對輸入層的處理結(jié)果直觀的通過文字、圖片、視頻、語音等形式顯示出來，并且可以通過紅綠立體眼鏡更真實(shí)的看到慕課虛擬三維世界和三維模型，給學(xué)生身臨其境、如見實(shí)物的感覺。

2　.紅外感應(yīng)屏實(shí)現(xiàn)

2.1紅外感應(yīng)屏的工作流程

紅外線式觸摸屏，一般是在顯示器屏幕的前面安裝一個(gè)外框，外框里有電路板，在屏幕的橫向和縱向（X、Y方向）有排布均勻緊密的紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣，如圖2所示：

圖2　紅外線感應(yīng)屏工作原理

首先，進(jìn)行開機(jī)自檢，包括對軟件是否正常安裝和硬件的連接、工作情況是否完好。如果存在問題拋出相對應(yīng)異常情況比如串口未連接或者是某一元器件出現(xiàn)問題，如果一切正常開始執(zhí)行紅外對管電路掃描程序?？v向和橫向排列的兩組紅外對管可以分別感應(yīng)到觸摸點(diǎn)（如果存在）的縱坐標(biāo)（Y）和橫坐標(biāo)（X），從而確定觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)，觸摸屏上觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)與主機(jī)顯示器屏幕坐標(biāo)相對應(yīng)，可以確定顯示屏幕上感應(yīng)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并根據(jù)其他信息確定要執(zhí)行的動作。

2.2確定觸摸點(diǎn)位置

硬件不變情況下，通過軟件設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)分辨率，這就是軟件增容技術(shù)。本文通過軟件增容技術(shù)確定觸摸點(diǎn)位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)了將觸摸屏分辨率提高一倍。

紅外式觸摸屏的分辨率取決于紅外對管的數(shù)量，這些紅外對管在屏前形成光網(wǎng)，粗實(shí)線所示如圖3中：

圖3　紅外線光網(wǎng)

對于M*N紅外對管構(gòu)成得觸摸感應(yīng)網(wǎng)而言，所形成的光網(wǎng)也是M*N，即M行N列，這些光網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)既是可確定的觸摸點(diǎn)。

由于紅外對管的排列距離等于管子直徑，即 3mm，操作者在執(zhí)行觸摸操作的過程中，很難保證一次只擋住一對紅外對管，絕大多數(shù)情況下由于觸摸物體阻擋寬度大于 3mm（比如經(jīng)常用的手指寬度約為 10mm-15mm），因而會一次遮擋3-5對紅外對管，為了更加準(zhǔn)確的判斷觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)，需要取所有連續(xù)遮擋的紅外對管坐標(biāo)位置的平均值。即原來只能是第1、2等整數(shù)位置的實(shí)際紅外線被感應(yīng)，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)第1.5、2.5等位置的紅外線被感應(yīng)。這樣不僅使觸摸點(diǎn)位置坐標(biāo)更加準(zhǔn)確，而且使屏幕分辨率提高了3倍，即由原來的M*N提高到2M*2N。

實(shí)際掃描過程中需要記錄的只是第一根感應(yīng)到觸摸信號的紅外對管的位置a，和接下來第一個(gè)沒有感應(yīng)到觸摸信號的紅外對管的位置b，則實(shí)際觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)p通過公式（1）確定如公式（1）：

由于紅外對管的直徑最小為 3mm，決定了觸摸屏只能感應(yīng)阻擋方向上寬度大于3mm的物體，而且觸摸屏的物理分辨率也是3mm。

2.3掃描信號執(zhí)行流程

首先，掃描橫向紅外對管，主要是從提高系統(tǒng)誤判率的前提下考慮。考慮到人用手指觸摸時(shí)觸摸點(diǎn)縱向坐標(biāo)重疊的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫線坐標(biāo)重合的概率，因而,掃描橫向紅外對管的感應(yīng)情況。如果整排橫向紅外對管都未感應(yīng)，那么說明整張屏幕上沒有任何感應(yīng)物體，發(fā)送空掃描結(jié)果，重新開始掃描；掃描橫向紅外對管得到一個(gè)感應(yīng)坐標(biāo)后確定橫向掃描范圍，在該區(qū)域內(nèi)得到另外一個(gè)橫向感應(yīng)信息，即在橫向紅外對管得到兩個(gè)觸摸信號，說明屏幕上至少有兩個(gè)觸摸物體，發(fā)送多點(diǎn)觸摸信號，在這兩點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)重新開始掃描紅外對管；如果橫向紅外對管掃描完成只得到一個(gè)觸摸位置坐標(biāo)，說明屏幕上只有一個(gè)位置被感應(yīng)，繼續(xù)掃描縱向紅外對管，如果縱向紅外對管掃描完成且沒有得到任何觸摸信號，說明之前存在的觸摸動作已經(jīng)結(jié)束，仍然作為空掃描無觸摸處理，如果掃描過程中得到一個(gè)觸摸信號即可結(jié)束本次掃描，將縱向橫向觸摸坐標(biāo)組成一個(gè)完整的單點(diǎn)觸摸信息傳出。得到單點(diǎn)觸摸信號之后在該點(diǎn)四周取窗掃描。取窗掃描思路：如果檢測到有單點(diǎn)觸摸物體，則計(jì)算該觸摸物體的位置，而且人的動作速度有一定限制，不可能在很短的時(shí)間內(nèi)移動到距離該觸摸點(diǎn)很遠(yuǎn)的位置，因而以該觸摸點(diǎn)位置作為參考點(diǎn)，選取該點(diǎn)上下左右若干對紅外發(fā)射管和紅外接收管設(shè)定新的、小于觸摸屏尺寸的檢測區(qū)域進(jìn)行掃描。如果在該區(qū)域內(nèi)再次掃描到觸摸物體，則重復(fù)計(jì)算、設(shè)定掃描步驟繼續(xù)檢測觸摸物體。如此重復(fù)掃描過程，如果某次在設(shè)定區(qū)域內(nèi)沒有檢測到觸摸物體，則重新開始對整個(gè)屏幕的掃描。取窗掃描過程如圖4所示：

圖4　取窗掃描流程

圖4中K為參考點(diǎn)上下左右紅外對管的數(shù)量，也是所設(shè)定的新的掃描區(qū)域?qū)挾鹊囊话?。下面具體說明如何確定新的掃描區(qū)域大小即K的值。

2.4電路組織結(jié)構(gòu)

在工作原理中已經(jīng)介紹過，系統(tǒng)中用到的紅外接收管和發(fā)射管數(shù)量非常多，所選用紅外接收管和發(fā)射管直徑為3mm（一般的紅外接收管和發(fā)射管直徑為3mm和5mm兩種），那么觸摸屏的長度為 L，寬度為 D，為了使觸摸屏分辨率達(dá)到最大值，那么需要在四周緊密排布滿這樣的紅外對管，需要的紅外對管數(shù)量為

（L+D）/3（對）

以 70英寸 16:9的屏幕為例，屏幕的長和寬分別為1550mm和872mm，那么制造該尺寸需要的二極管對數(shù)為公式（2）：

要實(shí)現(xiàn)對這么多的紅外對管的控制，必須組織好控制電路，否則不但使電路非常復(fù)雜而且影響了電路的工作效率。

本文使用的電路組織方法是一種二元控制方法。每一單元電路由兩條選通控制線控制，但每條選通控制線同時(shí)選通16路。這樣，雖然單個(gè)電路的選通控制線增加了，但是整個(gè)系統(tǒng)所需的控制線卻以幾何倍數(shù)減少。一般的組織方法中需要 N條控制線的電路中，采用該二元法控制電路只需要的控制線路為M條如公式（3）：

該方法的優(yōu)勢隨著N的增加而更加明顯。

在70英寸16:9的屏幕中需要用到807對紅外對管，考慮到管子排列的間隙，取800對。

使用以上的二元控制法進(jìn)行控制所需要的控制信號數(shù)量為公式（4）：

即只需要66個(gè)控制信號就可以實(shí)現(xiàn)對于800對紅外對管的選通控制。

3　三維可交互汽車變速器慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

汽車變速器種類有多種，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，目前教學(xué)方式下老師通過兩維原理示意圖或者配合簡單的動畫演示變速箱結(jié)構(gòu)及工作過程，需要花費(fèi)較長時(shí)間的費(fèi)力講解，而學(xué)生通過看平面原理圖很難理解變速器的三維結(jié)構(gòu)以及動作控制過程，給老師的授課帶來了不少的困難。通過70英寸16:9的紅外線感應(yīng)屏作為輸入手段，實(shí)現(xiàn)對汽車設(shè)計(jì)中機(jī)械中間軸式五檔變速器傳動設(shè)計(jì)的原理介紹，使學(xué)生通過直觀的實(shí)時(shí)交互動畫清楚的看到變速器的工作過程，不同檔位下各齒輪工作過程。

3.1硬件配置

學(xué)生是高校黨建工作的主體，為了進(jìn)一步提高高校學(xué)生黨建工作的科學(xué)化水平，必須完善對學(xué)生的監(jiān)督和管理工作。這要求高校有必要對學(xué)生入黨前后的行為進(jìn)行監(jiān)督引導(dǎo)。同時(shí)高校需要完善對學(xué)生的日常管理機(jī)制，學(xué)生不僅要在黨組織活動中表現(xiàn)出一定的積極性，在日常生活中，也應(yīng)該以黨員的標(biāo)準(zhǔn)來嚴(yán)格要求自己，約束自身的行為。因?yàn)橛泻芏鄬W(xué)生在入黨后，缺乏有效的監(jiān)督機(jī)制，容易放松對自身的要求，滿足于已經(jīng)取得的成績，缺乏新動力。[4]

采用 70英寸背投系統(tǒng)作為輸出顯示設(shè)備，可以滿足20-50個(gè)學(xué)生聽課需要。與之相適應(yīng)的紅外感應(yīng)屏的工作有效區(qū)域大小為70英寸。

該紅外感應(yīng)系統(tǒng)采用紅外線發(fā)射管 IR204-A和紅外線接收管PD204-6B作為感應(yīng)元件。70英寸16:9的感應(yīng)屏幕的長和寬分別為1550mm和872mm，可以排列的紅外對管數(shù)量為800對，即橫向512對縱向288對。采用的顯示屏幕分辨率為 1024*576，因而紅外對管坐標(biāo)位置 XIR（橫向坐標(biāo)位置范圍0—511，縱向坐標(biāo)位置范圍0—287）與顯示屏幕坐標(biāo)X對應(yīng)關(guān)系為X=XIR+XIR。

采用3.4.3電路組織結(jié)構(gòu)中所述二元組織法實(shí)現(xiàn)對這些紅外對管工作狀態(tài)的控制，所需要的控制信號數(shù)量為公式（5）：

即只需要66個(gè)控制信號就可以實(shí)現(xiàn)對于800對紅外對管的選通控制，其中16個(gè)信號控制紅外對管陽極與電源端的選通與斷開，另外50個(gè)信號控制陰極與地的選通與斷開。這66個(gè)控制信號由5個(gè)4線-16線譯碼器74LS154產(chǎn)生。

5.2 感應(yīng)屏信號掃描效率

前面已經(jīng)介紹過需要800對紅外對管，每掃描一對管子需要的時(shí)間為0.1ms，則完全掃瞄這800對管子需要的時(shí)間為0.08s。

取K=57。即掃描區(qū)域?yàn)閰⒖键c(diǎn)四周57對紅外對管，兩個(gè)方向上選擇的紅外對管數(shù)量為57x4=228對。需要的時(shí)間為0.0228秒，即掃描效率提高了如公式（7）：

通過以上分析，系統(tǒng)的最長掃描時(shí)間為0.08S，而且只有在空掃描的基礎(chǔ)上執(zhí)行掃描動作，且此時(shí)感應(yīng)點(diǎn)的位置在屏幕的最右下角時(shí)才能達(dá)到最長掃描時(shí)間，一般情況下只需要0.0228秒的時(shí)間就可以得到屏幕上的完整感應(yīng)信息。

3.3變速器模型的建立

在 SolidWorks2007下建立變速器的三維模型。在模型建立的過程中，需要注意的是系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)與零部件的位置關(guān)系。為了保證零部件位于vrml的慕課虛擬場景中近似中間位置即系統(tǒng)原點(diǎn)位置，在 SolidWorks平臺下建立零件模型時(shí)盡量將零件的幾何中心與系統(tǒng)原點(diǎn)坐標(biāo)重合，比如建立傳動軸模型時(shí)將傳動軸的幾何中心與系統(tǒng)原點(diǎn)重合。

3.4變速器實(shí)時(shí)操控功能

根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要，在此設(shè)計(jì)了以下操控動作，以方便教學(xué)過程中對該變速器的全面認(rèn)識：調(diào)節(jié)檔位、加減油門、模型縮放、模型旋轉(zhuǎn)、透明化處理非傳動件并指示傳動過程，如表1所示：

表1　變速器交互動作

其操控界面如圖5所示：

圖5　減速器操控系統(tǒng)

4　總結(jié)

本文開發(fā)了汽車設(shè)計(jì)教學(xué)中機(jī)械中間軸式五檔變速器傳動設(shè)計(jì)慕課虛擬教學(xué)系統(tǒng)，詳述了開發(fā)70英寸紅外線感應(yīng)屏的硬件配置以及可以實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)效率，設(shè)計(jì)了變速器的慕課虛擬教學(xué)課件，實(shí)現(xiàn)三維展示變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、對變速器的工作情況實(shí)時(shí)控制進(jìn)行簡單友好交互，使學(xué)生清楚的看到變速器的工作過程，不同檔位下齒輪間嚙合工作過程。實(shí)現(xiàn)了變速器的紅綠立體三維顯示。該系統(tǒng)是對目前變速器教學(xué)過程的革新，使老師的講解更加清楚易懂，提高了講課的效率，學(xué)生容易理解復(fù)雜的傳動過程，提高了上課的興趣。

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Research on 3d Interaction of MOOC Teaching System

Ma Jie
(Baoji professional technology institute,721000 Shaanxi,China)

In view of the problems existing in the current classroom teaching process,it puts forward the new virtual teaching system,and the teaching mode is given a virtual teaching system structure model. Then it details the working principle of infrared induction screen with hardware and software implementation process. Experimentation has proved that the infrared emitting diode and infrared photocell are suitable for the system. The binary controlling method is used to control the working state of large numbers of tubes,so the electro-circuit is condensed largely. The method scanning the signal in an area shortens the response time of the screen greatly. Regarding a 3D virtual interactive teaching system for vehicle transmission as an example,it uses 70 inches infrared sensor screen as the input means to realize real-time controlling transmission’s working state and demonstrate the gear meshing state under different location. Students can understand the complex structure and working principle easily.

Virtual Teaching,Virtual Reality,Interaction Techniques,Infrared Touch Screen(IRTS),Virtual Courseware,3D Interactive

G434

A

馬 潔（1980-03），女，寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，寶雞，721000

（2015.06.30）