基于VR技術(shù)的實時交互式虛擬教室關(guān)鍵技術(shù)研究

程少良

摘要：傳統(tǒng)的教育方式時間固定、地點固定，時間性和空間性相對固定，隨著電子技術(shù)尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，有望打破這一規(guī)律。提出基于VR技術(shù)的實時交互式虛擬教室設(shè)計構(gòu)想，設(shè)計了可實時交互式的應(yīng)用VR技術(shù)的虛擬教室，通過搭建硬件環(huán)境和配置軟件資源，構(gòu)建了不依賴于固定時間和限定地點的虛擬教室，能夠讓學(xué)生有身臨其境的感受，師生間也可以有效互動。經(jīng)實驗測試，這種應(yīng)用了VR技術(shù)的實時交互式虛擬教室達(dá)到了替代真實教室的效果。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);實時交互式;虛擬教室;環(huán)境創(chuàng)設(shè)

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0213-02

VR（Virtual Reality Technology）又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它依托于計算機強大的仿真建模能力，構(gòu)建出一個虛擬的三維空間，在這個三維空間[1]中可以放置現(xiàn)實中的一切東西，在視覺、聽覺、觸覺甚至于嗅覺等感官體驗上達(dá)到身臨其境的效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)[2]涵蓋了計算機仿真、圖形處理、3D顯示、多傳感器融合、綜合信息處理等若干前沿科學(xué)，是人工智能領(lǐng)域的最新研究成果。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用模式上，游樂園、多維體驗廳、互虛擬動游戲等專業(yè)消費場所已經(jīng)形成。虛擬現(xiàn)實體驗廳成本低，占地面積小。近年來，國內(nèi)市場如雨后春筍般發(fā)展起來，并已在大型商場和辦公樓開放。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過動畫或現(xiàn)實生活拍攝向客戶再現(xiàn)房產(chǎn)信息，更直觀、更真實，能夠吸引客戶的興趣。通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)醫(yī)學(xué)治療可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的診斷和檢查，醫(yī)學(xué)教學(xué)可以更直觀地展示人體內(nèi)部構(gòu)造和疾病成因，為醫(yī)療方式的變革提供了技術(shù)基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用在旅游中可以增加游客的體驗，顛覆傳統(tǒng)的旅游方式，利用互動平臺在虛擬景物中，實現(xiàn)漫游瀏覽和人文歷史全覆蓋的導(dǎo)游講解。

教育領(lǐng)域作為傳播知識的重要陣地，依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)成熟的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)具備了實現(xiàn)虛擬教育的條件，數(shù)字的虛擬教室[3]將成為一種發(fā)展方向。虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的教室，能夠?qū)W(xué)生的各個感官調(diào)動起來，可以全方位顯示視頻圖像和圖片，可以感受到學(xué)習(xí)的內(nèi)容，其真實性達(dá)到了前所未有的高度。這是傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法企及的。

1 實時交互式VR虛擬教室建設(shè)方案

1.1 配置實時交互式VR虛擬教室建設(shè)所需的軟件環(huán)境

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程教育中，虛擬教室可以為學(xué)習(xí)者提供一個開放互動的教學(xué)平臺，既可以實現(xiàn)突破傳統(tǒng)教育模式在時間、空間上的限制，擴大教育教學(xué)的空間范圍和規(guī)模，又可以保證充分的教學(xué)互動，讓學(xué)生就像在教室中那樣不懂就問，提高了教學(xué)的目的性和接受質(zhì)量。反過來，教師可以在實時交互式虛擬現(xiàn)實教室中，觀察學(xué)生的反應(yīng)，了解學(xué)生的領(lǐng)會程度，以便有針對性的實施教學(xué)動作，對每一位學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果都可以全程掌握，還可以查找歷史記錄，方便剔除薄弱點。教師可以發(fā)起在線考試，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測試、打分，并由計算機分析處理得到學(xué)生的綜合分?jǐn)?shù)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況的評價。

建設(shè)一個實時交互的虛擬現(xiàn)實教室，需要準(zhǔn)備開發(fā)工具和軟件素材庫以及場景生成等一系列軟件，常用的工具軟件有3DMAX、Creator、VEGA等，此外還需要教室模型、教具數(shù)學(xué)建模和數(shù)字化教材等功能軟件。3DMAX是一款常用的三維建模軟件，可以對場景進(jìn)行渲染以獲得更加真實的效果，主要功能是構(gòu)建出實時交互式VR虛擬教室中所需要的各種物品和設(shè)施[4]，因此在虛擬教室的建設(shè)中優(yōu)先選用3DMAX作為教室模型的開發(fā)工具。

VEGA是一款視覺模擬軟件，可以支持多種數(shù)據(jù)格式，尤其是提供高效的CAD數(shù)據(jù)接入和格式轉(zhuǎn)換功能，其提供的界面簡潔、兼容、易用且穩(wěn)定，并且具有完整的C語言應(yīng)用程序接口，具有良好的人機交互性[5]。因此在設(shè)計中應(yīng)用VEGA完成虛擬現(xiàn)實的實時視覺模擬功能。

1.2 配置實時交互式VR虛擬教室建設(shè)所需的硬件環(huán)境

虛擬教室的硬件環(huán)境包括教師端設(shè)備和學(xué)生端設(shè)備，以及通信處理控制設(shè)備。

教師端硬件設(shè)備主要包含視頻采集設(shè)備、聲音采集設(shè)備、立體顯示設(shè)備、調(diào)用教具控制設(shè)備等。側(cè)重點是真實的語音、動作、神情捕獲能力和無損壓縮傳輸能力，另外還需要考慮各種教具模型的快速調(diào)用與展示。

學(xué)生端硬件主要包括頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設(shè)備和立體聲音輸出裝置、力反饋傳感器、位置/姿態(tài)傳感器、肢體動作感應(yīng)手套、觸覺傳感器、身體運動數(shù)據(jù)采集設(shè)備、語音識別模塊、接口控制器、合成眼球運動檢測器以及數(shù)據(jù)處理器等設(shè)備。

信息交互功能依托寬帶互聯(lián)網(wǎng)，但是要求傳輸速率不能低于50Mb/s。

2 實時交互式虛擬教室建設(shè)實施方案

2.1 收集建設(shè)實時交互式虛擬教室所需的資料和數(shù)據(jù)

在創(chuàng)建實時交互式虛擬教室之前，必須完成信息收集和整理等準(zhǔn)備工作。首先根據(jù)虛擬教室的功能需要，選擇不同的精度和分辨率作為教室場景。在這個階段，需要收集和處理的數(shù)據(jù)主要有：教室的立體模型、教室裝飾的布局、各功能模塊的外觀、仿真桌椅大小和其他物體的擺放位置方案等。有了虛擬教室的空間特征信息后，還需要對教師中所有物品的顯示效果進(jìn)行材質(zhì)渲染。例如：采集物體的材質(zhì)特征、紋理和特效，處理場景的特殊要求，增強模型的光照顏色飽和度等。

2.2 搭建實時交互式虛擬教室環(huán)境

搭建實時交互式虛擬教室的環(huán)境分為兩方面工作內(nèi)容，一是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的構(gòu)建，實現(xiàn)信息交互的網(wǎng)絡(luò)通信功能;二是建立實時交互式虛擬教室的三維模型，作為虛擬教室的環(huán)境背景。分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建立主要依靠對現(xiàn)實的高還原度模擬以及寬帶網(wǎng)絡(luò)，高還原度模擬實現(xiàn)了場景的電子化搬移與重建，寬帶網(wǎng)絡(luò)為大數(shù)據(jù)量的實時傳輸提供了技術(shù)保障，這種實時的、可交互的、全沉浸式的非面對面交流才能得以實現(xiàn)。通過使用頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設(shè)備和立體聲音輸出裝置等硬件設(shè)備，模擬環(huán)境中集成了視覺、聽覺、觸覺和身體感覺，從而使人們能夠通過身體生物的感知系統(tǒng)與計算機電子系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場景進(jìn)行交互。分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的創(chuàng)建為學(xué)習(xí)者提供了一個情境學(xué)習(xí)環(huán)境，在這個環(huán)境中學(xué)習(xí)者可以感受到虛擬場景和人機交互的樂趣。主要流程如圖1所示：

實時交互式虛擬教室中的三維建模是為實時交互式虛擬教室環(huán)境中的設(shè)施建立三維模型，包括桌子、椅子、人、黑板以及在這個虛擬世界中可能遇到的所有物體。使用Creator構(gòu)建所需的實體模型，選擇3DMAX作為主要開發(fā)工具，然后渲染場景以增強其逼真感。

首先是課堂內(nèi)學(xué)習(xí)和教輔器具的建模。對常規(guī)教室中應(yīng)該有的家具建立數(shù)學(xué)模型，如講臺、黑板、桌椅等設(shè)備和設(shè)施，應(yīng)用3DMAX建立三維模型，然后將這些三維模型分別擺放到教室的適當(dāng)位置;其次，對運動物體建立數(shù)學(xué)模型;最后，將學(xué)習(xí)場景作為背景建立數(shù)學(xué)模型。

為了逼真還原教室的場景，達(dá)到身臨其境的效果，需要注意對細(xì)節(jié)的處理和渲染，令人感覺不到實在一個數(shù)字化的虛幻之中，用細(xì)節(jié)的真實性將人帶入一個實實在在的課堂之上。

以上步驟是對虛擬教室的教學(xué)主體進(jìn)行了構(gòu)建，這些構(gòu)建好的模型，需要在特定的場景中呈現(xiàn)，這就需要構(gòu)建背景環(huán)境，比如，流水潺潺的河邊，亦或青草層疊的山坡專業(yè)實時場景驅(qū)動工具VEGA可以輕松完成三維模型和窗口可視化展示。只需要將教室的場景、教師與學(xué)生的虛擬位置以及視角方向以及光線角度等參數(shù)調(diào)入，即可完成交互式虛擬教室的建設(shè)。VEGA工具同時可以調(diào)用立體視覺等傳感器工具，完成人機交互操作體驗。

2.3 實現(xiàn)的基于VR技術(shù)的實時交互式虛擬教室

在創(chuàng)建上述虛擬環(huán)境之后，整個系統(tǒng)中集成了涉及的軟件和硬件資源。這些資源協(xié)同工作還需要接口設(shè)備提供一個平臺。

接口設(shè)備的功能是將實時交互式虛擬教室中的硬件設(shè)備連接到一起，使其能夠協(xié)同工作的專用計算機。頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設(shè)備和立體聲音輸出裝置等傳感器設(shè)備和顯示設(shè)備，其物理接口形制多種多樣，信號定義五花八門，接口設(shè)備需要將這些外部設(shè)備連接起來，還需要提供一個軟件平臺，將這些設(shè)備中的信號進(jìn)行時間同步，再傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備。例如，將教師的聲音和手勢以及數(shù)字教具模型的展示動作同步播放，在學(xué)生的頭戴式立體視頻顯示器中顯示的是教師的手勢和數(shù)字教具模型的展示過程，而耳機中發(fā)出的是教師的同步講解，觸覺力反饋終端上傳來的是數(shù)字教具模型柔軟的觸感，這樣才算是實現(xiàn)了實時交互式虛擬教室基本作用。為實現(xiàn)人機交互的環(huán)境提供保障。虛擬環(huán)境的集成首先是在計算機中實現(xiàn)分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其次是將三維實體模型和虛擬場景集成在一起。這些關(guān)鍵技術(shù)元素實現(xiàn)了關(guān)聯(lián)和交互[6]，并最終以可執(zhí)行程序的形式提供給學(xué)習(xí)者。

三維實體模型、虛擬場景和分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，三種要素的相互作用，及時地從虛擬環(huán)境中獲得反饋，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓參與者在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的實時操控，進(jìn)而了解自身狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)。實現(xiàn)在實時的情況下可相互交互的虛擬教室教學(xué)行為。

3 實驗驗證分析

為驗證提出的基于VR技術(shù)的實時交互式虛擬教室的性能，進(jìn)行實驗驗證，采用相同基于VR技術(shù)的虛擬教室，不具有實時交互式的類型進(jìn)行對比實驗。為保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法作為實驗論證對比，對教學(xué)質(zhì)量度進(jìn)行統(tǒng)計。其實驗驗證結(jié)果曲線如圖2所示。

圖2中虛線代表不具有實時交互式的VR技術(shù)虛擬教室的教學(xué)質(zhì)量，實線代表具有實時交互式的VR技術(shù)虛擬教室的教學(xué)質(zhì)量。其中教學(xué)知識吸收程度代表Y軸，教學(xué)時間代表X軸。其Y越高則證明吸收程度越高。則根據(jù)上圖分析可以得出，在相同時間長度下具有實時交互式的VR技術(shù)虛擬教室的教學(xué)質(zhì)量占有明顯的優(yōu)勢，特別當(dāng)教學(xué)時間大于30分鐘之后，教學(xué)內(nèi)容的吸收程度已經(jīng)開始超過不具有實時交互式的VR技術(shù)虛擬教室的教學(xué)內(nèi)容吸收程度。因此，在使用VR技術(shù)虛擬教室的教學(xué)過程中，要采用具有實時交互式的VR技術(shù)虛擬教室，才能擁有更高的教學(xué)成效。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展促成了各種原本不可想象的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，VR技術(shù)的應(yīng)用將枯燥、乏味的課堂變成了可自由探究的學(xué)習(xí)天堂，拜托了時間、空間、地域乃至內(nèi)容的限制，為古老的教學(xué)行為提供了一種全新的平臺。但是，虛擬教室的體驗還要深入，教學(xué)效果的提升還需要高科技成果的注入，這些都是教育工作者和科技工作者共同持久研究的課題。未來，還將在課件資源、教材數(shù)據(jù)庫的豐富性方面加大投入，讓這種實時交互式的虛擬教室在教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱福軍，鄭萌，顧倩頤.VR技術(shù)視角下課堂學(xué)習(xí)環(huán)境革新與重構(gòu)[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（2）：43-45.

[2] 李佳琪.梁應(yīng)滔有效的商業(yè)模式是VR創(chuàng)業(yè)者必考命題[J].金卡工程，2017（4）：31-32.

[3] 徐愛春.基于HTML5的實時交互式虛擬教室關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)[J].計算機時代，2017（9）：16-18.

[4] 田博.探討3DSMAX在虛擬現(xiàn)實構(gòu)建中三維模型建立的方法和技巧[J].中國管理信息化，2017，20（14）：133-134.

[5] 王曉光，蔣拓，劉穎.基于云技術(shù)的C語言課程教學(xué)模式改革與探索[J].教育教學(xué)論壇，2016（33）：281-282.

[6] 藺薛菲.虛擬現(xiàn)實三維場景建模與人機交互應(yīng)用技術(shù)研究[J].藝術(shù)與設(shè)計（理論），2017（4）：100-102.

【通聯(lián)編輯：張薇】