基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田燦

摘要：隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的蓬勃發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的提高，多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為了實(shí)現(xiàn)教育信息化的基礎(chǔ)。近些年飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以其獨(dú)有的特色成為現(xiàn)代教育技術(shù)中一項(xiàng)重要教學(xué)模式。充分運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅有利于激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，促進(jìn)學(xué)生高效自主地學(xué)習(xí)，還有利于建立探索型、資源型、協(xié)作型學(xué)習(xí)模式，為完善多媒體教學(xué)系統(tǒng)改革提供重要的保障。

關(guān)鍵字：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；多媒體教學(xué)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖像技術(shù)、仿真技術(shù)以及多種電子技術(shù)，從而形成的一種計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠建立并讓人體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，其構(gòu)建的虛擬世界具有極強(qiáng)的仿真效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的交互技術(shù)，目前在科學(xué)研究領(lǐng)域的運(yùn)用逐漸廣泛。當(dāng)前，在軍事、醫(yī)學(xué)、影視等領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為了一個(gè)重要技術(shù)，并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展逐漸深入。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由虛物實(shí)化、實(shí)物虛化、計(jì)算機(jī)處理高性能技術(shù)三個(gè)方面組成。其中，實(shí)物虛化指的就是通過現(xiàn)實(shí)世界來映射出一個(gè)多維的信息化空間。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，關(guān)鍵的技術(shù)主要包括模型構(gòu)建、聲音定位、視覺與空間跟蹤等等。這些關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，能夠使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所構(gòu)成的虛擬世界更加具有真實(shí)性，使得用戶能夠?qū)μ摂M環(huán)境進(jìn)行操作和檢測(cè)。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其獨(dú)有的特征，在教育領(lǐng)域獲得了較大的發(fā)展。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征包括：其一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性。該技術(shù)通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)來構(gòu)建出一個(gè)虛擬環(huán)境，讓用戶能夠參與到這種虛擬環(huán)境之中，并獲得與真實(shí)世界一樣的各類感覺和感知，為用戶營(yíng)造出了一種身臨其境之感。其二，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著較強(qiáng)的交互性。在計(jì)算機(jī)為用戶構(gòu)建的虛擬環(huán)境之中用戶能夠自己來操控虛擬的物體，并且在虛擬物體上獲得一定反饋。其三，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有較強(qiáng)的想象力，為用戶提供了一定的想象空間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠運(yùn)用構(gòu)建虛擬環(huán)境來模擬一個(gè)現(xiàn)實(shí)的世界，還能夠運(yùn)用相關(guān)技術(shù)來模擬出一個(gè)不存在的環(huán)境。其四，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性。通常來看，計(jì)算機(jī)能夠讓用戶獲得視覺、聽覺這兩種感覺，但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠讓用戶獲得視覺和聽覺，還能夠給用戶提供觸覺甚至是味覺等感覺，因此實(shí)現(xiàn)了多重感知性。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門集合了人和信息的科學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心是由三維交互式計(jì)算機(jī)所生成的一個(gè)環(huán)境。這些計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境可以是真實(shí)存在的，也可以是想象出的模擬世界的模型，其主要的目的是通過人工合成，來表示其中的一些信息。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，一些復(fù)雜或是抽象系統(tǒng)的概念可以通過將其系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)子部件，以某種方式來進(jìn)行表示，讓其擁有確切的含義從而形成了一個(gè)較為完整的概念。

3虛擬教學(xué)的重要性

在虛擬教學(xué)的研究中，教師可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，且應(yīng)用仿真模擬等新型的教學(xué)方式來進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)媒體十分逼近客觀事實(shí)，并且在教學(xué)的過程中能夠得到廣泛的運(yùn)用，通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠讓學(xué)生觀察到事物的現(xiàn)象和本質(zhì)所在，同時(shí)了解事物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，以及事物時(shí)間的聯(lián)系與作用。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)，能夠促進(jìn)學(xué)生各個(gè)感官作用的發(fā)揮，讓學(xué)生能夠更加具體和完整的接收到學(xué)習(xí)資源和信息，從而更加深入的了解和掌握相關(guān)知識(shí)，從而更好的掌握專業(yè)技能。因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步發(fā)展之下，虛擬教學(xué)成為了教育領(lǐng)域中一個(gè)巨大的有利轉(zhuǎn)變與改革。

虛擬教學(xué)是教育技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度現(xiàn)代化發(fā)展的具體反映，虛擬教學(xué)是在信息化社會(huì)環(huán)境下，人們利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)所創(chuàng)造出的一種高水平且高效益、能夠體現(xiàn)出個(gè)性化的教學(xué)模式和手段。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，需要依靠教師的語(yǔ)言、文字和神情等單一的手段來影響學(xué)生個(gè)人的情感，幫助學(xué)生掌握知識(shí)。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展，由此，一種基于多媒體技術(shù)的新教學(xué)手段隨之出現(xiàn)，并獲得了廣泛運(yùn)用。虛擬教學(xué)是教育實(shí)現(xiàn)高度技術(shù)化的一個(gè)突出體現(xiàn)，虛擬教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、情感結(jié)構(gòu)的不斷完善發(fā)展，同時(shí)也能夠推動(dòng)學(xué)生身心結(jié)構(gòu)的調(diào)整，因此可以說虛擬教學(xué)對(duì)于教育領(lǐng)域的發(fā)展具有不可替代的重要意義。

4基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

4.13DSMAX建模技術(shù)制作虛擬場(chǎng)景

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要的表現(xiàn)方案就是通過使用三維動(dòng)畫軟件建立一個(gè)徹底虛擬的數(shù)字環(huán)境來要有效的模擬某一個(gè)教育的場(chǎng)景。而3DSMAX軟件可以結(jié)束動(dòng)畫、建模、原料及環(huán)境效果等制作。其不僅建模效果非常強(qiáng)大，而且工作流形式也非常便捷，界面友好而且簡(jiǎn)單操作等特點(diǎn)使其成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的主流軟件，其實(shí)現(xiàn)的效果甚至能夠以假亂真。

4.2全景相機(jī)拍攝制作720度全景視頻及全景拼接技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的另一個(gè)體現(xiàn)方案是運(yùn)用全景相機(jī)拍照實(shí)景畫面并拼合制作全景圖以及全景視頻，用戶在網(wǎng)頁(yè)或是虛擬現(xiàn)實(shí)載體上能夠全景閱讀到真實(shí)的畫面?，F(xiàn)在，世界市場(chǎng)上呈現(xiàn)了不少的全景拍照設(shè)備，Google公司、PanoPro公司以及3DVista公司均推出了自己的一次成像設(shè)備，能夠在0.1秒捕獲360度的景物，而后來誕生的GoPro公司推出的全景VR相機(jī)則能夠720度無死角全景拍照周圍景物。本文運(yùn)用GoPro六頭全景相機(jī)同步拍照六段視頻畫面，選用GPU拼接技術(shù)，運(yùn)用商用拼接軟件KolorAutopanoVideoPro完成模板，GPU高速處理圖畫最高能夠處理到8K，可兼容暴風(fēng)影音等多種渠道，完美支持各種常用頭盔。

4.3交互影像系統(tǒng)軟件Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)

作為一款能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)開發(fā)的3D游戲引擎，Unity3D不僅具有綜合編譯以及資源導(dǎo)入的功能，而且其還有DX11圖形動(dòng)力和實(shí)時(shí)渲染等顯著特點(diǎn)，從而使得其應(yīng)用的范圍逐漸的擴(kuò)大到了工業(yè)、設(shè)計(jì)甚至軍事等諸多的領(lǐng)域。通過Unity3D當(dāng)做虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，能夠有效的呈現(xiàn)VR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)全景。在該系統(tǒng)中，其使用了C#語(yǔ)言、DX11延時(shí)渲染框架技術(shù)以及Unity3D開發(fā)平臺(tái)，通過與全景視頻采集設(shè)備相結(jié)合對(duì)系統(tǒng)予以有效的開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的展示以及互動(dòng)。

4.4虛擬現(xiàn)實(shí)影像展示平臺(tái)

現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)的渠道具有高渲染性功能的PC機(jī)，能夠經(jīng)過VR播映軟件以及網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行有效的閱讀。此外智能手機(jī)中的VR播映APP也是比較便宜的虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)渠道。比較專業(yè)及主流的影像穿戴設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，以及配套的遙控手柄與手套。依據(jù)用戶的需要以及沉浸方法的不同，可供用戶能夠選擇不同的設(shè)備來進(jìn)入虛擬的世界。其中最佳沉浸式體會(huì)的虛擬互動(dòng)設(shè)備要數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。用戶佩戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔以后，在視覺上可以實(shí)現(xiàn)720度全方位觀看虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，經(jīng)過耳機(jī)、手套以及遙控器等設(shè)備的輸入和輸出，能夠同步聽覺、觸覺等其他感知體系，使用戶感同身受，并能夠有效的對(duì)虛擬環(huán)境做出交互的動(dòng)作指令。

總之，虛擬實(shí)際技術(shù)的多媒體教育體系開創(chuàng)了創(chuàng)造性思維的研究的大門。強(qiáng)烈的立體感、感同身受的體會(huì)以及虛擬互動(dòng)的可操作演示性，虛擬實(shí)際技能已經(jīng)成為非常實(shí)用以及便于學(xué)習(xí)的多媒體教育模式。學(xué)習(xí)者能夠經(jīng)過虛擬實(shí)際頭盔或者網(wǎng)頁(yè)親自體會(huì)到非常逼真的教育環(huán)境，更能夠隨意調(diào)控視頻播映的進(jìn)展，隨意放大或縮小以及任意角度的觀察，關(guān)于常識(shí)的學(xué)習(xí)能夠更為深化的研究，這些都是虛擬實(shí)際技能給現(xiàn)代教育帶來的巨大優(yōu)勢(shì)。

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