虛擬仿真技術在燈光通信教學中的應用

劉麗麗

摘 要：本文從燈光通信課程教學目標和方式出發(fā)分析出在教學過程中存在的問題。論述了現(xiàn)有虛擬仿真技術類型及如何針對存在問題利用虛擬仿真技術設計虛擬仿真軟件。結合軟件功能介紹，論述了具體如何使用設計的軟件有效解決理論與實踐教學過程中的問題，與前期教學過程進行對比，討論教學效果的改進程度，為遇到同類問題的教員提供參考。

關鍵詞：燈光通信 虛擬仿真技術 教學實踐

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0213-02

教育部在2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規(guī)劃中各類項目為2017年100項，2018年250項，2019年300項，2020年350項共計1000項。由此可見國家大力提倡發(fā)展虛擬仿真實驗教學項目建設，可立項數(shù)目呈逐年增加的趨勢。虛擬仿真技術的有效運用推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，切實解決設備短缺、大型設備解析困難、操作環(huán)境危險等實際問題，為學員獨立學習與實踐提供了更多的選擇和更有利的條件，為教員提供更有效和更豐富的教學手段[1]。

1 燈光通信課程教學中的問題

燈光通信廣泛應用于艦、船間視覺通信，是海軍、海警艦艇上必備的通信手段，也是航通官兵必須掌握的一項專業(yè)技能。授課對象為海警通信指揮專業(yè)學員、海警通信工程實習學員及海警通信士官培訓，主要教學內容為燈光信號的拍發(fā)和燈光信息讀取識別，要求學員熟練掌握燈光信號拍發(fā)器的使用方法，很好控制燈光亮滅的時間以摩爾斯碼的形式將信息傳遞出去，準確讀取對方拍發(fā)燈光傳遞的信息。

問題一：燈光通信部分授課方式采用理論與實踐相結合的方式，更加側重于實踐教學，實踐教學設備為一臺信號探照燈，是利用強烈的光源和反射鏡的光學原理所構造的，它不僅使視覺通信達到可能達到的最遠距離，而且它同時適用于白天與晚上，因此實際設備燈光照射強烈，功率大，在實驗室的有限區(qū)域內強光對學員的眼睛有很大傷害，因此在教學改革中，將實作設備根據(jù)實際情況進行了改良，改用普通低功率照明設備，雖然減少了照射強度，但是拍發(fā)和認讀過程是一個較長的熟練操作練習過程，燈具光照依然對視力造成損傷，學員認讀練習、授課教員盯住燈光判斷學員拍發(fā)操作是否正確等，對眼睛損害更加嚴重。

問題二：實作設備短缺，目前實驗室拍發(fā)燈具設備只有一套，通常20～40人的課程，每個人練習操作只有2～4min，練習時間短，單人操作練習時其他同學只能進行認讀訓練，課堂授課及練習形式受限。

虛擬仿真技術的發(fā)展與應用解決了一些高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，成本高、高消耗以及大型設備和綜合過程的仿真訓練等?？煽?、安全和經(jīng)濟的虛擬實驗，仿真實驗與實際操作實驗的虛實結合、相互補充可以有效的解決上述問題。

2 虛擬仿真技術在燈光通信相關軟件開發(fā)中的應用

虛擬仿真技術是20世紀80年代興起的一種綜合集成及技術，是在多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機交互、網(wǎng)絡、通信等技術不斷發(fā)展的基礎上，將仿真技術與虛擬現(xiàn)實等技術相結合而產(chǎn)生的更高層次的仿真技術[2]。多媒體技術是利用計算機對文本、圖形、動畫、聲音、視頻等多種媒體信息進行綜合處理，通過建立邏輯關系和人機交互作用，使計算機具有交互展示不同媒體形態(tài)的能力，并通過圖形交互界面、窗口交互操作實現(xiàn)人與計算機之間的信息輸入與輸出。人機交互技術，通常指借助計算機輸入與輸出設備，以有效方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術，典型應用體現(xiàn)在觸摸式顯示屏點擊交互、可穿戴計算機、沉浸式動作識別等。

仿真技術以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用數(shù)學模型對實際的或設想的隨想進行動態(tài)試驗、性能分析和綜合評估。本研究為利用多媒體技術開發(fā)的“燈光通信訓練系統(tǒng)仿真”軟件和利用人機交互技術開發(fā)的“燈光通信信息識別系統(tǒng)”[3]。

燈光通信實驗練習仿真教學訓練軟件研發(fā)，主要利用Flash軟件開發(fā)，分為學習系統(tǒng)、訓練系統(tǒng)和考核系統(tǒng)三個部分，如圖1所示。界面及燈光亮滅效果由場景控制，輸入訓練信息碼字母組合，并將字母與燈光亮滅時間對應，拍發(fā)的速度控制等功能用Flash軟件ActionScript 3.0開發(fā)語言完成。仿真教學訓練軟件模擬仿真燈光傳遞信息的效果，教員可以通過軟件參數(shù)調整，設置不同的拍發(fā)速度和內容，降低了對授課教員實際操作拍發(fā)操作的要求，同時也提高了教學的準確。軟件發(fā)布用Flash發(fā)布成網(wǎng)絡版可以加入到虛擬仿真教學網(wǎng)站中，是對虛擬仿真教學中心建設的一項推動，也可以作為部隊開展燈光通信訓練使用。

燈光通信信息識別系統(tǒng)，利用了人機交互技術，系統(tǒng)選用可變焦廣角高清攝像頭作為圖像采集設備，在Visual studio2008開發(fā)環(huán)境下，利用Opencv中的VideoCapture類調用計算機外接高清攝像頭進行圖像采集，調用Opencv中的高斯濾波函數(shù)，以及腐蝕運算函數(shù)等對關鍵幀圖像進行去噪處理，通過Opencv中的算法將采集到的圖像二值化處理，再運用閾值分割函數(shù)對圖像進行分割，從環(huán)境背景中選出燈光部分，判定燈光亮滅狀態(tài)及間隔時間。系統(tǒng)中將燈光亮滅“翻譯”成字母信息，通過STL類中的map容器來實現(xiàn)，map容器提供一對一的數(shù)據(jù)處理能力，可以將燈光信號的二進制編碼與相對應可讀字符之間的轉化。

3 運用虛擬仿真軟件對教學的改進效果

3.1 教學演示

理論知識在學習摩爾斯碼編碼方法和漢語拼音基礎上掌握信號通文理論知識及燈光通信規(guī)則。授課時可使用“燈光通信訓練系統(tǒng)仿真”軟件學習系統(tǒng)進行教學，點擊字母和數(shù)字即會有對應燈光拍發(fā)，教員逐一講解演示，教學效果較圖片上的點劃示意更加直觀生動。實作演示，教員應教會學員如何使用信號探照燈拍發(fā)信息，以往教學時由教員持探照燈實際操作，現(xiàn)可通過虛實結合的方式，加入軟件操作展示燈光拍發(fā)中不同碼數(shù)的演示效果，否則教授本門課程的教員需要長期練習以保證拍發(fā)的正確率和速率，以往受拍發(fā)熟練程度的影響教研室內可授本課程的教員數(shù)量不多，現(xiàn)在教學中使用仿真系統(tǒng)輔助教學，在同時有本、專科及士官培訓入院學習時出現(xiàn)專業(yè)教師短缺的情況有了明顯緩解。

3.2 實踐操作

教員進行講解演示后，學員需進行拍發(fā)和讀取信息練習，以往受探照燈數(shù)量限制，只能單人次輪流操作，教員和其他學員讀取拍發(fā)人的拍發(fā)信息，教員需緊盯燈具讀取信息，還要關注學員的拍發(fā)手法及速度?，F(xiàn)在可以利用仿真軟件每個學員都可以根據(jù)自己的識別能力調整拍發(fā)速率，拍發(fā)和識別練習可以分組練習，避免一人操作，多人觀看的實踐過程。教員可利用“燈光通信信息識別系統(tǒng)”輔助識別學員的拍發(fā)信息，有更多精力糾正學員在拍發(fā)操作時出現(xiàn)的問題，也減少了燈光對眼睛的傷害。

3.3 課后練習

課后學員可以在個人電腦上使用燈光通信訓練系統(tǒng)仿真軟件進行練習，可單人學習，也可多人分組配合學習，利用軟件中的考核系統(tǒng)模擬考核環(huán)境，課后學習更加生動有趣，增加了學員課后學習興趣。但是仿真軟件中模擬的燈光和實際燈光在光照范圍和強度上有所區(qū)別，使所學知識真正用到實處還需虛實結合的練習方法。

3.4 考核方法

因為課程的專業(yè)性限制，實作考核方法以往完全由授課教員考核，分為拍發(fā)和讀取考核兩部分，所以考核所需時間過長，現(xiàn)有虛擬仿真軟件和燈光通信信息識別系統(tǒng)的幫助降低了對考核人員的要求，可組成考核小組同時分多組進行考核，提高了考核效率，也降低了人為因素的誤判，使考核更準確和公平。

4 結語

本研究解決所授課程中發(fā)現(xiàn)的問題，同時推進了虛擬仿真實驗項目的建設工作，為申報國家示范性虛擬仿真實驗教學項目打下基礎。軟件開發(fā)過程是通信工程專業(yè)師生充分運用所教所學知識的過程，提高了師生的創(chuàng)新和科研水平，軟件的運用使燈光通信課程的教學效果顯著提升，在實踐運用進一步加強軟件的互動性和復雜環(huán)境下的準確性，可以將軟件推廣至海軍及海警一線部隊的訓練中去。

參考文獻

[1] 程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理，2013（7）：94-97.

[2] 劉燁.虛擬仿真技術在高職物流管理專業(yè)實訓教學中的應用[J].物流工程與管理，2019（2）：163-164，162.

[3] 王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015（5）：214-217.