基于虛擬現(xiàn)實的英語遠程多媒體教學系統(tǒng)設(shè)計

李培云 宋志峰

摘? 要： 傳統(tǒng)的英語遠程多媒體教學系統(tǒng)，交互能力較差，導(dǎo)致學生對于英語的學習熱情不高，因此文中設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實的英語遠程多媒體教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用3D掃描儀以三維立體檢測的方式輔助建模，三維視覺顯示設(shè)備顯示虛擬的教學立體場景，手套和操作桿等交互設(shè)備發(fā)送學習指令、接收教學信息反饋，實現(xiàn)該教學系統(tǒng)在硬件上的設(shè)計。利用小平面模擬實物曲面，參考誤差函數(shù)調(diào)整虛擬教學場景中的模塊尺寸，根據(jù)像素分辨率計算公式調(diào)整模塊像素，以此搭建虛擬場景。通過VRML語言程序模擬設(shè)備功能，根據(jù)響應(yīng)函數(shù)完成教學程序的觸發(fā)、數(shù)據(jù)傳遞以及版面轉(zhuǎn)換，至此實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實的教學系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的英文遠程多媒體教學系統(tǒng)相比，所設(shè)計教學系統(tǒng)的人機交互能力更強，學生的學習興趣更濃厚。由此可見，所設(shè)計的教學系統(tǒng)可以運用到實際的英語教學工作中。

關(guān)鍵詞： 遠程多媒體教學; 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬現(xiàn)實; 輔助建模; 人機交互; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN912.34?34; G434? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0161?03

Design of English long?distance multimedia teaching system based on virtual reality

LI Peiyun1， SONG Zhifeng2

（1. Hohhot University for Nationalities， Hohhot 010010， China; 2. College of Engineering， Henan University， Puyang 457000， China）

Abstract： As the traditional English long?distance multimedia teaching system has poor interactive ability， which causes the students′low enthusiasm for the English learning， a English long?distance multimedia teaching system based on virtual reality is designed. In the system， 3D scanner is used to aided modeling with the way of 3D detection， the 3D visual display equipment is applied to display the virtual teaching 3D scene， the interactive equipments such as gloves and operating lever are used to send the learning instructions and receive the teaching information feedback， so as to realize the design of the teaching system on the hardware. The real surface is simulated with a small plane， the module size in the virtual teaching scene is adjusted by means of the reference error function， and the module pixel is adjusted according to the calculation formula of the pixel resolution， so that the virtual scene is constructed. The device function is simulated through the VRML language program， the teaching program′s trigger， data transfer and layout conversion are completed according to the response function， and thus the teaching system design based on virtual reality is realized. The experimental results show that， in comparison with the traditional English long?distance multimedia teaching system， the designed teaching system has stronger human?computer interaction ability， and the students are more interested in learning. It can be seen that the designed teaching system can be applied to the actual English teaching work.

Keywords： long?distance multimedia teaching; system design; virtual reality; aided modeling; human?computer interaction; system testing

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可將現(xiàn)實環(huán)境模擬成三維動態(tài)模型，使用戶不受空間或時間的限制，沉浸到該環(huán)境中。應(yīng)用到教育行業(yè)中，通過營造一個“自主學習、人機交互”的教學環(huán)境，可提升學生的學習興趣，增強學生對知識的掌握能力，因此設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的英語教學系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)打破傳統(tǒng)教學理念，將學生被動式學習轉(zhuǎn)換成主動學習，將模塊化的英文知識，轉(zhuǎn)化成動態(tài)的虛擬場景;學生通過與虛擬人物對話，提升英語應(yīng)用能力;人機交互讓學生可以在教學系統(tǒng)中實時提問，該系統(tǒng)再將問題反饋給學生或老師，實現(xiàn)了多元化的教學方式[2]。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

虛擬現(xiàn)實技術(shù)所需要的系統(tǒng)硬件包括3D掃描儀、3D立體顯卡、環(huán)形投影屏幕、位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套等硬件設(shè)備。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

要想將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育系統(tǒng)中，要對教學內(nèi)容建立三維模型，通過虛擬模型增強學生的沉浸感。而在英語教學建模的過程中，需要模擬的實際物體往往形狀各異、規(guī)則不一，傳統(tǒng)的硬件設(shè)備無法模擬出這樣的模型，因此在該系統(tǒng)中加入3D掃描儀輔助建模。該掃描儀以三維立體檢測的方式，以非接觸的形式掃描實際中的環(huán)境，得到實物表面的三維點云數(shù)據(jù)，通過計算機生成虛擬數(shù)字模型[4]。

新型三維視覺顯示設(shè)備為學生提供虛擬現(xiàn)實的教學立體場景，以多條發(fā)射光線的折射能力實現(xiàn)全像視覺。該設(shè)備將使用者與外界隔離，可以令學生處于完全沉浸狀態(tài)，不易受到外界環(huán)境干擾[5]。

而虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備是所設(shè)計的教學系統(tǒng)硬件中最不可或缺的一個硬件，它包含數(shù)據(jù)手套、力矩球、操縱桿、觸覺反饋裝置和力感反饋裝置。將數(shù)據(jù)手套或其他操作設(shè)備與信號處理電路相連接，將人手的姿態(tài)或設(shè)備操作狀態(tài)與虛擬環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息高強度互動，令學生沉浸在虛擬的教學環(huán)境中，感受國外風土人情，提高學習自主性與靈活性[6]。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 搭建三維虛擬教育環(huán)境

基于模型的技術(shù)和基于圖像的繪制技術(shù)在3ds MAX軟件中實現(xiàn)場景搭建。將掃描得到的實體數(shù)據(jù)信息上傳到計算機中，利用小平面模擬實物曲面，創(chuàng)建出實物的基本幾何體，根據(jù)要求，利用誤差調(diào)整函數(shù)調(diào)整單個模型的尺寸，通過模型組建、拼接，制作出三維模型[7]。調(diào)整模型尺寸的誤差函數(shù)為：

[δ=Δps=λωi-ss] （1）

式中：[δ]表示實際相對誤差，是絕對誤差與實際真值之比;[Δp]表示絕對誤差，該誤差既指出數(shù)據(jù)相差大小，又表明該差別的正負方向;[λ]是一個系數(shù)，表示虛擬模型組件之間的配比;[ωi]表示所繪制出的，由[i]個單獨子模型組裝形成的獨立虛擬模型[8]。

再根據(jù)英語教學系統(tǒng)的要求，調(diào)整所建立模型的參數(shù)，獲得不同分辨率的虛擬模型，滿足該教學系統(tǒng)的顯示需求。設(shè)所設(shè)計的模型橫向存在[xi]個像素點，縱向存在[yi]個像素點，此時該模型的總像素[9]為[z=xiyi]。以此調(diào)整模塊的像素分辨率，計算表達式為：

[f1=l1cos θtn?zf2=l2cos θtn?z] （2）

式中：[f1]為正方向上的模型像素;[f2]為反方向上的模型像素;[l1]為正方向上的模型長度;[l2]為反方向上模型長度;[θ]表示光照角度;[t]為每一階段的光照時長;[n]為每一方向中的模型組成表面數(shù)?；谏鲜龉?，搭建如圖2所示的三維虛擬教學場景[10]。

圖2是根據(jù)盧浮宮實景搭建的虛擬教學環(huán)境。在該環(huán)境中模擬一個問路的對話場景，學生通過與環(huán)境中的虛擬人物對話，實現(xiàn)英語口語練習目的[11]。

2.2? 實現(xiàn)人機交互

英語多媒體教學系統(tǒng)的核心就在于對交互功能的設(shè)計。固定視頻展示臺旋轉(zhuǎn)軸，使鏡頭旋轉(zhuǎn)角度保持在規(guī)定數(shù)值之間[12]。利用VRML語言模擬設(shè)備，設(shè)置硬件設(shè)備的運動三維坐標，滿足虛擬場景在空間上的變換，部分運行代碼如下：

DEF Cylinder01?TIMER TimeSensor {loop TRUE enabled FALSE cycleInterval }

TimeSensor

DEF xiabie?POS?INTERP Position Interpolator

key{0，0.2，0.22，0.47…0.54，0.57，}

keyValue{36.54 3.766?3.345…16.87 3.766?35.45}

DEF xiabie?ROT?INTERP Orientation Interpolator

key{0，0.2，0.22，0.47…0.54，0.57，}

keyValue{1000，1000…0 ?1 0 ?1.134}

按照上述代碼編制的指令程序，設(shè)置教學場景中的動態(tài)演示規(guī)則，將產(chǎn)生一定時長的動態(tài)教學場景導(dǎo)入VRML中，實現(xiàn)所設(shè)定的交互功能[13]。將行為交互模塊賦予在虛擬角色上，以流程圖的形式，區(qū)分交互模塊的運行處理順序。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的教學系統(tǒng)框架，安排英語多媒體教學系統(tǒng)的運行機制，利用響應(yīng)函數(shù)，完成復(fù)雜教學程序的觸發(fā)、數(shù)據(jù)傳遞以及版面轉(zhuǎn)換[14]。該響應(yīng)函數(shù)的計算表達式為：

[gw=mq-ki] （3）

式中：[gw]表示[w]教學程序下的響應(yīng)函數(shù);[m]表示軟件反應(yīng)常規(guī)系數(shù);[q]表示英語教學等級;[ki]表示選中的第[i]個操作目標下，軟件教學頁面綜合反應(yīng)系數(shù)。利用該函數(shù)觸發(fā)學生學習英語時的操作程序，從而根據(jù)一系列的連鎖反應(yīng)，快速進入虛擬場景中[15]。

3? 測試系統(tǒng)效果

為測試系統(tǒng)性能，將傳統(tǒng)的教學系統(tǒng)與所設(shè)計的系統(tǒng)進行比較，找出二者的功能差別。