多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

仲于姍

(大連東軟信息學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著中國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高新技術(shù)產(chǎn)品逐漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ?，使人們的生活越來越智能化，提升了人們的生活質(zhì)量。在近年來發(fā)展快速的高新技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種集三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合科學(xué)技術(shù)，憑借良好的沉浸性、交互性、構(gòu)想性、多感知性等特點(diǎn)，受到眾多研究者的青睞，并廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)、軍事、娛樂等眾多領(lǐng)域。

在教育領(lǐng)域，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育系統(tǒng)是指通過三維建模技術(shù)和編程技術(shù)構(gòu)建虛擬的教學(xué)場景，并根據(jù)教學(xué)情境編寫程序，在虛擬場景中設(shè)計(jì)多種邏輯觸發(fā)事件，從而完成教學(xué)互動、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)測評，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)輔助系統(tǒng)。用戶可以通過VR硬件交互設(shè)備參與虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，與虛擬場景中的道具互動，從多維度獲取所學(xué)知識。由于傳統(tǒng)單機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)教育輔助系統(tǒng)不能滿足多學(xué)生用戶的需求，因此基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多人網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬現(xiàn)實(shí)教育輔助系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了線上多人VR教學(xué)的效果。

該文設(shè)計(jì)了多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)，將多人網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與兒童科普教育結(jié)合起來，既可以突破時間與空間的限制, 塑造現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)或展示的科普場景,創(chuàng)造一種良好的虛擬學(xué)習(xí)空間，又可以提供多人互動的沉浸式體驗(yàn)，啟發(fā)兒童想象力與創(chuàng)造力，化被動學(xué)習(xí)為主動探索。在兒童科普系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要采用了模塊化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，主要包括網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊、場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊等。多種模塊靈活構(gòu)建，既有利于系統(tǒng)的快速搭建，也有利于系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的推廣。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)教室場地的設(shè)計(jì)。

多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)需要部署在一個既可以用于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)，又可以進(jìn)行兒童科普教學(xué)的教室中。該教室既需要擁有高性能計(jì)算機(jī)，工作站和多套HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)設(shè)備，又需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接，信息傳輸。教室中的桌椅位置盡量保持固定，與虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的VR教室桌椅位置保持一致，計(jì)算機(jī)和VR硬件設(shè)備固定在桌椅旁，方便用戶的使用。根據(jù)場地的大小，在實(shí)驗(yàn)室的墻上安裝多個VR定位器，提供了360°移動追蹤，實(shí)現(xiàn)多臺VR設(shè)備的空間定位。通過以上軟硬件的調(diào)試部署，為用戶提供一個良好的多人網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬現(xiàn)實(shí)教室。

(2)兒童科普內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

科普教育是兒童成長階段必不可少的一種教育活動，通過普及基礎(chǔ)科學(xué)知識，能夠幫助兒童了解人類的科技發(fā)展水平，了解人類與人類社會，了解自然與宇宙，也有助于培養(yǎng)兒童的聯(lián)想思維，提升兒童的環(huán)保意識、探索意識、創(chuàng)新意識以及自主學(xué)習(xí)能力與實(shí)踐動手能力。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)特性，本系統(tǒng)主要針對一些由于物理限制無法實(shí)現(xiàn)、由于成本限制無法人人體驗(yàn)的，由于效率限制而無法快速便利，由于安全限制而不便體驗(yàn)的，由于時間空間限制而不可能體驗(yàn)的科普內(nèi)容進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)，主要分為三個方向：自然科普、安全教育科普以及紅色教育科普。

(3)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。

根據(jù)多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)中的主要功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體模塊化結(jié)構(gòu)。模塊包括網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊和虛擬現(xiàn)實(shí)科普教育業(yè)務(wù)控制模塊，其中網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊主要負(fù)責(zé)服務(wù)器，VR教師機(jī)，VR學(xué)生機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。虛擬現(xiàn)實(shí)科普教育業(yè)務(wù)控制模塊分為場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊四個子模塊，主要負(fù)責(zé)VR科普課程的教育教學(xué)實(shí)施。系統(tǒng)搭建時可以先完成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊的功能，然后根據(jù)兒童科普教學(xué)內(nèi)容，按照課時撰寫教學(xué)大綱和虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)腳本，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和開發(fā)者根據(jù)教學(xué)腳本中的要求，制作虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普課程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)科普教育業(yè)務(wù)控制模塊中的功能?；诙嗳司W(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的兒童科普系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體模塊化結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將服務(wù)器與多臺連接HTC VIVE設(shè)備的計(jì)算機(jī)連接起來，形成一個可以相互通信的局域網(wǎng)，如圖2所示。在服務(wù)器上部署多人聯(lián)機(jī)兒童科普系統(tǒng)的服務(wù)，在連接了HTC VIVE設(shè)備的計(jì)算機(jī)上部署多人聯(lián)機(jī)兒童科普系統(tǒng)的客戶端應(yīng)用，并在需要安裝客戶端的計(jì)算機(jī)中選取一臺作為教師機(jī)，安裝教師客戶端，其余的計(jì)算機(jī)安裝學(xué)生客戶端。學(xué)生和教師在客戶端登錄后，可以一起進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)場景，并實(shí)現(xiàn)VR教師機(jī)和多臺VR學(xué)生機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S的架構(gòu)模式，適用于一個小型的網(wǎng)速較快的局域網(wǎng)內(nèi)。系統(tǒng)大部分的數(shù)據(jù)和計(jì)算工作都放在服務(wù)器中執(zhí)行，主要提供信息的傳輸，用戶管理以及同步控制等功能。系統(tǒng)啟動后，當(dāng)有客戶端成功連到服務(wù)端時，服務(wù)器按照用戶的機(jī)器編號進(jìn)行角色標(biāo)識。多個學(xué)生和教師同時操作后，服務(wù)器根據(jù)客戶端傳來的數(shù)據(jù)同步更新碰撞、學(xué)生和教師位置信息，再將同步后的信息分別發(fā)送到每個客戶端，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬場景的多人同步交互學(xué)習(xí)科普知識的效果。客戶端采用Unity游戲引擎開發(fā)，主要負(fù)責(zé)虛擬場景的顯示、與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸以及同其他用戶交流等工作。客戶端分為教師端和學(xué)生端兩種類型，教師端通過VR教師機(jī)發(fā)出指令，傳達(dá)給VR學(xué)生機(jī)并控制整體的VR教學(xué)進(jìn)度。學(xué)生端通過VR學(xué)生機(jī)將VR科普教學(xué)中的各種交互信息傳遞給服務(wù)器，反饋給VR教師機(jī)和其他VR學(xué)生機(jī)。在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)模塊中，實(shí)時傳遞和處理各臺VR設(shè)備反饋信息，同步多人VR空間位置，是實(shí)現(xiàn)多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)角色同步的關(guān)鍵，以上的C/S局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)既可以適用于現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)多名兒童VR科普教育，又可以應(yīng)用在多人協(xié)作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)科普教育業(yè)務(wù)控制模塊的設(shè)計(jì)

1.2.1 場景加載模塊

虛擬現(xiàn)實(shí)科普教育系統(tǒng)中的VR場景，需要設(shè)計(jì)者和開發(fā)者根據(jù)教學(xué)內(nèi)容采用三維建模軟件，如3dMax、Maya、C4D等，進(jìn)行三維科普場景的制作，然后將三維場景模型導(dǎo)入游戲引擎，如Unity或UE4，在游戲引擎中編寫邏輯程序，實(shí)現(xiàn)多個場景的跳轉(zhuǎn)加載功能。主要步驟如下：

(1)場景模型的創(chuàng)建。

系統(tǒng)中主要有兩種類型的VR場景，一類是當(dāng)教師和學(xué)生登錄多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)后，首先進(jìn)入的一個與現(xiàn)實(shí)教室桌椅位置相同的VR虛擬現(xiàn)實(shí)場景。這個場景是通過測量真實(shí)的教室，并使用三維建模軟件，如基于3dMax、C4D、Maya等，等比例制作VR教室場景，學(xué)生和教師進(jìn)入這個場景后，可以看到彼此的虛擬角色，教師可以在這個場景中檢測并調(diào)整學(xué)生的VR設(shè)備，介紹課程和學(xué)習(xí)目標(biāo)，等待學(xué)生課前準(zhǔn)備完畢后，一起加載進(jìn)入VR科普教學(xué)場景。第二類是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)并制作VR科普教學(xué)場景，這一場景主要包括與課程內(nèi)容相關(guān)的模型道具、特效、音效、動畫等等，學(xué)生和教師在這一場景中完成科普教學(xué)過程。這一類場景的制作較為復(fù)雜、細(xì)致、美觀，旨在吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生可以身臨其境地學(xué)習(xí)科普知識。

(2)程序的控制。

場景模型導(dǎo)入Unity游戲引擎后，根據(jù)科普課程要求，開發(fā)者采用C#編寫程序，實(shí)現(xiàn)場景的加載功能、道具的實(shí)例化功能、角色動畫播放功能、特效播放功能、UI界面交互功能等。其中，實(shí)現(xiàn)多個場景之間的跳轉(zhuǎn)功能，主要是使用了SceneManager.LoadScene(“場景名字/ID”)語句。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，場景跳轉(zhuǎn)加載功能，則主要是通過教師與UI界面交互，點(diǎn)選按鈕，控制不同場景的加載順序，確保VR教學(xué)順利實(shí)施。

(3)場景的優(yōu)化。

虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)中的VR場景是復(fù)雜的、細(xì)碎的，并且有很高的真實(shí)感和特效方面的要求，為了實(shí)現(xiàn)高效與細(xì)節(jié)并存，提高系統(tǒng)畫質(zhì)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，在保證VR場景質(zhì)量的情況下，需要進(jìn)行場景的優(yōu)化，從而解決大負(fù)載情況下的VR人機(jī)交互的問題。場景優(yōu)化主要是針對場景中的紋理、模型、燈光、特效、動畫等資源進(jìn)行優(yōu)化。場景的優(yōu)化主要采用以下兩種方式：一種是用戶看不到的場景不要畫出來，把它提前裁減掉。另一種是用戶可能本來也看不清的場景，就用更低的細(xì)節(jié)程度把它畫出來。例如，對于場景中的模型進(jìn)行細(xì)節(jié)層次劃分，當(dāng)物體距離觀察者較遠(yuǎn)的時候，采用粗糙層次的物體模型，靠近觀察者之后，采用精細(xì)層次的物體模型，從而提升渲染效率。

根據(jù)以上步驟，可以完成VR兒童科普系統(tǒng)中場景的制作、加載和優(yōu)化。

1.2.2 知識講解模塊

系統(tǒng)中知識的講解分為兩種形式，如圖3所示，一種是教師頭戴VR頭盔，根據(jù)教師客戶端UI界面上的虛擬科普教學(xué)內(nèi)容文字提示，向在座學(xué)生講解知識點(diǎn)。另一種是在虛擬場景中創(chuàng)建的VR 3D精靈，將精靈所需要講解的內(nèi)容，提前錄制成音頻文件，載入系統(tǒng)。通過VR交互，教師控制精靈語音的播放，實(shí)現(xiàn)教師與精靈一問一答的效果，推進(jìn)科普教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)行。通過教師與VR精靈共同講解科普知識的方式，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，增強(qiáng)科普教育的趣味性。

圖3 知識講解

1.2.3 VR交互模塊

VR中的交互是將用戶與虛擬場景聯(lián)系起來。在多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)中，教師和學(xué)生通過VR頭盔和手柄與虛擬的科普場景進(jìn)行交互，其中VR頭盔的交互方式體現(xiàn)在用戶可以360度自由觀看VR場景。手柄的主要交互方式分為三種，即射線交互、觸碰交互和拾取交互，如圖4所示。授課過程中，教師可以使用手柄的射線交互，控制教師客戶端上的UI界面，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離道具的選取功能。學(xué)生和教師，使用手柄的觸碰和拾取交互，可以實(shí)現(xiàn)道具的選擇和移動功能。在手柄觸碰交互過程中，伴隨大量的觸發(fā)特效效果，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可玩性。在多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普教育系統(tǒng)中，為防止VR場景中多角色位置混亂的局面，不建議采用手柄交互中的位置瞬移功能。

圖4 手柄交互方式

教師使用VR手柄與虛擬場景中的界面進(jìn)行交互，控制整個場景的加載、道具的實(shí)例化、動畫播放、音頻播放等功能。學(xué)生通過VR手柄操控虛擬場景中的道具，完成教師在每個VR授課環(huán)節(jié)中布置的任務(wù)，參與科普課程的互動。教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間可以通過控制虛擬場景中不同的虛擬角色實(shí)現(xiàn)角色與角色之間的互動，系統(tǒng)的交互模式如表1所示。

表1 交互模式

1.2.4 答題模塊

答題模塊在多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)中起到知識檢測和提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的作用。它主要采用VR交互式的答題形式，教師通過教師客戶端中的UI界面控制學(xué)生答題面板和選項(xiàng)模型的出現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)入答題環(huán)節(jié)后，學(xué)生面前會出現(xiàn)答題面板和選項(xiàng)模型，學(xué)生可使用VR手柄觸碰選項(xiàng)道具，如果回答正確，系統(tǒng)會觸發(fā)答題正確的特效，如果回答錯誤，系統(tǒng)會提示正確的答案。用模型代替A，B，C，D文字選項(xiàng)，既有利于兒童快速掌握答題交互形式，又有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的趣味性。教師根據(jù)學(xué)生的答題情況進(jìn)行點(diǎn)評，并控制系統(tǒng)為正確答題的學(xué)生頒發(fā)虛擬獎?wù)?，為錯誤答題的學(xué)生頒發(fā)鼓勵獎?wù)?。通過這種VR交互答題的形式，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固科普知識點(diǎn)，同時加強(qiáng)教師對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的掌握，進(jìn)而促進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)。

2 系統(tǒng)的實(shí)施流程與效果

2.1 系統(tǒng)的實(shí)施流程

多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普輔助系統(tǒng)的實(shí)施流程如圖5所示。首先將VR設(shè)備與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連，在教室中安裝VR定位基站，調(diào)試多臺HTC VIVE設(shè)備，完成多臺VR設(shè)備的空間定位，將每臺VR設(shè)備的VR場景原點(diǎn)，定位在相對應(yīng)的學(xué)生所坐的位置中心。當(dāng)VR設(shè)備正確連接主機(jī)后，開啟服務(wù)器，檢查主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接是否有效，打開兒童科普系統(tǒng)的客戶端。然后教師幫助學(xué)生佩戴好VR頭盔和手柄，教師也佩戴好VR頭盔和手柄。教師在VR兒童科普系統(tǒng)的UI界面上選擇一節(jié)VR科普課程，登錄系統(tǒng)，進(jìn)入VR教室場景。隨后，通過教師控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使學(xué)生登錄系統(tǒng)，并進(jìn)入VR教室場景。教師通過VR場景中的UI界面控制場景跳轉(zhuǎn)到VR科普教學(xué)案例場景，在VR科普教學(xué)案例場景中，教師通過UI界面控制課程講解進(jìn)度，動畫的播放，音頻的播放，特效的播放，模型道具的加載等，學(xué)生通過VR手柄與場景中的道具進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)VR交互功能，并進(jìn)行VR答題檢測，完成授課任務(wù)。最后VR課程結(jié)束，教師和學(xué)生退出系統(tǒng)，完成一次多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普教學(xué)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)施流程

2.2 實(shí)施效果圖

多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普輔助系統(tǒng)的目的是通過強(qiáng)烈的交互性、沉浸性和趣味性來直觀地表現(xiàn)科學(xué)知識，讓兒童游戲性地學(xué)習(xí)科普知識，增強(qiáng)主動學(xué)習(xí)的熱情。從系統(tǒng)中選取《破繭成蝶》這一節(jié)的VR效果圖，整體的場景以卡通風(fēng)格為主，顏色較為多樣，比較容易吸引兒童的眼球。圖6是教師和學(xué)生登錄系統(tǒng)后首先進(jìn)入的場景。

圖6 VR實(shí)驗(yàn)室場景圖

圖7所示為多名學(xué)生進(jìn)入科普課堂場景，在VR場景中每名進(jìn)入課堂的學(xué)生都會由一個虛擬卡通角色代替，系統(tǒng)會實(shí)時同步學(xué)生的空間位置信息。VR場景中有多種可交換道具，學(xué)生可以通過手柄使用道具與VR場景進(jìn)行交互和VR答題。

圖7 多名學(xué)生進(jìn)入科普課堂場景圖

2.3 實(shí)施結(jié)果

表2 兩組學(xué)生在測試中的成績比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在知識的理解、學(xué)習(xí)的興趣、課堂參與度三個方面，觀察組學(xué)生的成績均明顯優(yōu)于對照組(

P

<0.05)。

3 結(jié)束語

多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)兒童科普系統(tǒng)應(yīng)用在科普教育中優(yōu)勢明顯。主要體現(xiàn)在可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破時空限制構(gòu)建科普場景，能夠支持多人網(wǎng)絡(luò)虛擬授課，具備良好的人機(jī)交互性和用戶體驗(yàn)性。通過實(shí)際的系統(tǒng)驗(yàn)證，證實(shí)此系統(tǒng)對提升學(xué)生吸收知識的效率，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有一定的幫助，且具有一定普適性，能夠應(yīng)用于多種教學(xué)系統(tǒng)。