基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人文類電視課程的開發(fā)與應(yīng)用

李 帆，王 宇

(陜西廣播電視大學(xué)，陜西 西安 710119)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日趨發(fā)展與成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域變得越來(lái)越廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建了與現(xiàn)實(shí)社會(huì)類似的環(huán)境，解決了學(xué)習(xí)媒體情景化及自然交互性問題，是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)[1]。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于人文類電視課程教學(xué)中，能更加生動(dòng)地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有效突破當(dāng)前人文課程純理論知識(shí)的單調(diào)教學(xué)模式，為電視課程提供了更豐富有效的學(xué)習(xí)資源?；诖?，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到人文類電視課程的開發(fā)和應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源的共享，對(duì)人文課程教學(xué)具有重要保障作用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)發(fā)展概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念模型

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是指利用計(jì)算機(jī)生成的一種虛擬的、交互的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，能讓用戶仿佛置身其中，具有身臨其境的體驗(yàn)，因此有時(shí)候也稱之為臨境技術(shù)。該技術(shù)涵蓋了圖像生成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子信息技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及動(dòng)態(tài)的交互技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境仿真的一種新型技術(shù)，目前在醫(yī)療衛(wèi)生、軍事訓(xùn)練、工程建筑以及科學(xué)教育等諸多領(lǐng)域[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念模型如圖1所示。在該模型圖中，虛物實(shí)化和實(shí)物虛化技術(shù)是該系統(tǒng)最為核心的部分，一般情況下還包括了諸如檢測(cè)模塊、傳感器模塊、反饋模塊以及控制模塊和建模模塊等幾個(gè)主要的部分。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)概念模型

1.2 屬性特征

沉浸性、想象性以及交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最基本的三個(gè)特征。

(1)沉浸性，有時(shí)也被稱為是臨場(chǎng)感，其主要指的是在虛擬情境中用戶角色的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的被動(dòng)觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與者，并且在這個(gè)過程中自身融入虛擬情境中，通過聽覺、視覺以及觸覺等自身的感官產(chǎn)生一種身臨其境的體驗(yàn)。沉浸性的產(chǎn)生主要是源自用戶對(duì)于虛擬情境產(chǎn)生的感知和體驗(yàn)。

(2)想象性，該特性主要是指用戶將真實(shí)的情境想象勾勒到虛擬情境中，在多維的信息空間中用戶根據(jù)自己的認(rèn)知、感知能力，發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性獲取知識(shí)以及鍛煉技能。虛擬情境大部分是根據(jù)人的想象力虛擬而來(lái)，這跟設(shè)計(jì)者的思想有很大的關(guān)系，因此也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。比如根據(jù)自身的某些經(jīng)歷或者是在現(xiàn)實(shí)生活中的尚未發(fā)生、已經(jīng)發(fā)生的某些事情虛擬成一定的情境，人們?cè)谶@情境里進(jìn)行一定的探索、研究和創(chuàng)新[3]。

(3)交互性，交互性主要是指用戶可以跟虛擬情境中的對(duì)象進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的交互互動(dòng)，在這個(gè)過程中虛擬情境中的對(duì)象也可以根據(jù)用戶的行為作出相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)作。其主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：人機(jī)交互的有效性、實(shí)時(shí)性以及人的參與和反饋。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人文類電視課程開發(fā)的意義

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于人文類電視課程開發(fā)，將技術(shù)和藝術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“感知性、臨場(chǎng)性、交叉性”，有助于增強(qiáng)課程的實(shí)踐性，極大程度滿足學(xué)習(xí)主體的參與感、臨場(chǎng)感，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

目前，對(duì)于人文類的電視課程相關(guān)的學(xué)習(xí)資源比較匱乏，在學(xué)習(xí)的過程中僅靠文字教程描述顯然無(wú)法滿足當(dāng)今時(shí)代發(fā)展需求，而且在相關(guān)的教材中對(duì)于一些圖像或者圖形的解釋都比較欠缺，這對(duì)于學(xué)生們的學(xué)習(xí)造成了非常大的困擾[4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供和創(chuàng)設(shè)生動(dòng)、逼真的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境。人文素養(yǎng)教育離不開審美，而審美感知往往又比較抽象。虛擬現(xiàn)實(shí)通過場(chǎng)景還原，讓學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中完成角色扮演，身臨其境地感受人文和歷史文化。虛擬場(chǎng)景中創(chuàng)造了“自主學(xué)習(xí)”情境，這對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式起到了極大的沖擊作用，真正地讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)到主動(dòng)。并且，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給原本枯燥的電視課程教學(xué)帶來(lái)更加豐富多彩的信息，諸如可以用形象的三維信息來(lái)取代比較抽象冗長(zhǎng)的文本，可以用形象生動(dòng)的動(dòng)畫來(lái)描述曾經(jīng)難以理解的知識(shí)點(diǎn)，極大地豐富了傳統(tǒng)教學(xué)的方法和內(nèi)容[5]。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人文類電視課程設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 開發(fā)平臺(tái)的選擇

人文類電視課程一般數(shù)據(jù)的處理比較大，而且需要頻繁的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互處理，因此開發(fā)平臺(tái)選擇Virtools Dev，其主要的優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：(1)Virtools具有全三維的開發(fā)環(huán)境，其三維引擎也已經(jīng)是被微軟認(rèn)可的操作系統(tǒng)，可以通過交互方式將可視化的文件格式進(jìn)行有效的整合，比如三維模型構(gòu)建、二維圖形或者音效的處理等等。并且該平臺(tái)具有強(qiáng)大的編輯功能以及非常靈活的開發(fā)模式，可以廣泛地運(yùn)用在數(shù)字影視藝術(shù)、三維游戲以及虛擬博物館、交互多媒體等諸多應(yīng)用領(lǐng)域[6]。(2)在3D互動(dòng)展示等方面該平臺(tái)技術(shù)非常強(qiáng)大，其主要的組成部分包括動(dòng)作引擎、Web播放器、應(yīng)用程序、軟件開發(fā)工具包以及渲染引擎等。(3)該開發(fā)平臺(tái)除了自身的3D虛擬開發(fā)工具以外，還包括了物理屬性、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、游戲開發(fā)、人工智能以及沉浸式的開發(fā)平臺(tái)等部分，這為虛擬技術(shù)電視課堂的功能實(shí)現(xiàn)及技術(shù)開發(fā)提供了有效的基礎(chǔ)保障。(4)該開發(fā)平臺(tái)具有直觀式的圖像圖形開發(fā)接口，內(nèi)部大約包括了600多個(gè)行為模塊，為復(fù)雜程序的開發(fā)實(shí)現(xiàn)提供了較大的技術(shù)保障，對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)人員來(lái)說能根據(jù)自身的實(shí)際需求設(shè)計(jì)滿足特定功能的交互模塊。另外，該開發(fā)平臺(tái)還可以讓設(shè)計(jì)人員通過拖拉的簡(jiǎn)單方式將需要的互動(dòng)行為模塊賦給適當(dāng)?shù)膶?duì)象上，用流程圖的模式處理行為模塊，最終形成一個(gè)完整的交互式虛擬世界[7]。并且在背景方面也可以滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)需要，這樣就可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)人員和3D美術(shù)設(shè)計(jì)的良好分工、合作，能夠極大的縮短整體的開發(fā)流程，有效的避免程序代碼的編寫以及繁復(fù)冗長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)。(5)該開發(fā)平臺(tái)最大的特色就是不但可以編譯單個(gè)的可執(zhí)行文件，而且還能將作品輸出成網(wǎng)絡(luò)瀏覽的格式，這樣能夠方便進(jìn)一步的進(jìn)行編輯或者將作品輸出成網(wǎng)絡(luò)瀏覽的模式來(lái)進(jìn)行互動(dòng)式的虛擬現(xiàn)實(shí)。

3.2 設(shè)計(jì)開發(fā)過程

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人文類電視課程在設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)候離不開模型的構(gòu)建環(huán)節(jié)，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)情境的交互以及造型等方面的構(gòu)建都是通過以靜態(tài)的虛擬現(xiàn)實(shí)情境或者造型為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)一般都可以分為以下三個(gè)部分：VRML場(chǎng)景開發(fā)、動(dòng)畫控制開發(fā)以及交互操作。

(1)對(duì)于VRML場(chǎng)景的開發(fā)過程，要想實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最根本的就是開發(fā)VRML場(chǎng)景，對(duì)于人文類電視課程中虛擬情境要想有較高的逼真度,離不開場(chǎng)景以及造型的設(shè)計(jì)開發(fā)，而幾何節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn)、造型節(jié)點(diǎn)、光源節(jié)點(diǎn)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)等都是比較重要的部分[8]。首先要設(shè)置合適的坐標(biāo)系，并構(gòu)建相應(yīng)的背景顏色。在虛擬情境中，由于不同的造型都具有自己?jiǎn)为?dú)的坐標(biāo)系，因此為了能夠體現(xiàn)對(duì)象的真實(shí)背景必須構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)系，這樣才能進(jìn)行虛擬對(duì)象的造型構(gòu)建?？梢酝ㄟ^改變角度來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色的變化，因此對(duì)于虛擬造型的顏色變化可以通過改變坐標(biāo)弧度來(lái)實(shí)現(xiàn)。坐標(biāo)弧度轉(zhuǎn)換表如表1所示。

表11 坐標(biāo)弧度轉(zhuǎn)換表

角度030456090弧度00.530.791.051.57角度120135150180—弧度2.102.362.623.14—

(2)其次是要構(gòu)建幾何和物理模型，一般情況下，在構(gòu)建模型時(shí)先應(yīng)該構(gòu)建其幾何模型，這樣就能夠確定其幾何元素以及空間位置，在構(gòu)建幾何模型時(shí)要根據(jù)虛擬情境的各個(gè)部分之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，這有利于確定其樹狀層次結(jié)構(gòu)圖并提高最終幾何模型的構(gòu)建效果。

(3)最后就是關(guān)于行為的建模，這主要是為了增強(qiáng)虛擬環(huán)境的逼真性和真實(shí)感。行為建模主要是指描述運(yùn)動(dòng)物體的行為，通過幾何變換來(lái)描述這種運(yùn)動(dòng)，比如線性插值或者非線性插值等等。

3.3 動(dòng)畫控制開發(fā)

一般情況下，可以通過TimeSensor時(shí)間傳感器控制動(dòng)畫的時(shí)間來(lái)創(chuàng)建VRML動(dòng)畫，可以將前期設(shè)定好的動(dòng)畫關(guān)鍵值和時(shí)間關(guān)鍵點(diǎn)傳給位置插補(bǔ)器，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景造型位移的效果。為了產(chǎn)生場(chǎng)景造型旋轉(zhuǎn)的效果，可以將前期設(shè)定好的兩個(gè)關(guān)鍵值傳輸給朝向插補(bǔ)器。

3.4 交互操作

交互操作主要是指提前編輯好交互節(jié)點(diǎn)，并對(duì)虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行移動(dòng)變換。在實(shí)際開發(fā)過程中，一般是利用觸摸傳感器和平面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)來(lái)移動(dòng)控制虛擬對(duì)象。虛擬對(duì)象一般是通過定義節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)任意角度的自由旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中，隨著角度的變化就會(huì)引起不同的視覺效果，因此為了提高視覺逼真的效果，可以通過設(shè)置數(shù)量多的不同的視點(diǎn)[9]。通常情況下，可以設(shè)定3～4個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)之間的交互切換。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)平臺(tái)比較多，比如常見的Flash、Cult3D以及VRML等，在人文類電視課程開發(fā)的過程中根據(jù)其獨(dú)特的特點(diǎn)，要選擇合適的開發(fā)工具，這對(duì)于能否完成既定目標(biāo)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。從電視課程教育這個(gè)層面來(lái)說，相關(guān)的開發(fā)軟件必須具有高效、快捷的交互性；其次是具有較好的易用性和可擴(kuò)展性；從學(xué)習(xí)環(huán)境來(lái)說要具有一定的先進(jìn)性。

3.5 案例分析

(1)畫面的表現(xiàn)形態(tài)，在人文類電視課程中的畫面再現(xiàn)經(jīng)常會(huì)用到以下幾個(gè)表達(dá)形式：場(chǎng)景再現(xiàn)、局部暗示、模擬歷史人物的主觀視野等。在人文類電視課程中場(chǎng)景再現(xiàn)是經(jīng)常用到的一種描述歷史人物生活環(huán)境的方法，主要是指在符合歷史原貌的前提下，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恢復(fù)當(dāng)時(shí)真實(shí)的歷史環(huán)境，讓觀眾切身實(shí)際的感受當(dāng)時(shí)的歷史氛圍。這種模式主要是為了渲染節(jié)目的歷史背景，能夠順利的把觀眾帶到所需的歷史時(shí)空中。比如在《復(fù)活的軍團(tuán)》中，出現(xiàn)上萬(wàn)名的秦國(guó)士兵，用當(dāng)時(shí)秦國(guó)人的先進(jìn)攻城武器進(jìn)行打斗的歷史場(chǎng)景，這種情形下，歷史場(chǎng)景的重現(xiàn)可以將現(xiàn)實(shí)和局部的細(xì)節(jié)進(jìn)行結(jié)合，能夠完整的呈現(xiàn)當(dāng)時(shí)的歷史場(chǎng)景，給觀眾非常真實(shí)的體驗(yàn)。

(2)聲音的表現(xiàn)，在人文類電視課程中聲音和畫面的有效結(jié)合是非常關(guān)鍵的，因此必須處理好聲音的再現(xiàn)部分，包括音樂、音響的真實(shí)再現(xiàn)以及語(yǔ)音的真實(shí)再現(xiàn)兩個(gè)主要部分。比如中央電視臺(tái)的人文紀(jì)錄片《清宮戲文錄》，其內(nèi)容主要是講述了梅蘭芳會(huì)議自己最后一次“進(jìn)宮”演出的情景，演唱的是《牡丹亭·游園驚夢(mèng)》，在片尾時(shí)伴隨著裊裊如絲的唱腔，電視鏡頭逐漸的從深宮的庭院中淡出，然后宮門關(guān)閉，配合古典的絲竹慶典音樂，讓觀眾感受到當(dāng)時(shí)的歷史文化。

(3)關(guān)于歷史的再現(xiàn)，在歷史系列的人文類電視課程中，很多時(shí)候都會(huì)如實(shí)的反映事物的全貌，因此在設(shè)計(jì)的過程中必須遵守歷史真實(shí)敘事事實(shí)。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)于接受信息量的80%以上都是通過視覺，對(duì)于一部人文類的記錄電視課程如果沒有相關(guān)的圖像材料作為表述支撐，那么觀眾很難獲得鮮活的信息，因此可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將歷史真實(shí)地再現(xiàn)在觀眾眼前，讓觀眾產(chǎn)生身臨其境的切身感受，這是普通文字材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的傳播效果。

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，特別是將電視課程技術(shù)與之結(jié)合對(duì)于改善傳統(tǒng)教學(xué)模式起到了極大的推動(dòng)作用。本文主要研究了通過構(gòu)建相應(yīng)的模型，開發(fā)場(chǎng)景、動(dòng)畫以及相關(guān)的交互操作，實(shí)現(xiàn)虛擬電視課程的開發(fā)應(yīng)用，為未來(lái)的開發(fā)和實(shí)踐提供了一定的參考價(jià)值。