基于Ｖｉｒｔｏｏｌｓ技術的虛擬教學系統的設計與實現

【摘要】基于Virtools技術構建虛擬教學系統，有助于提高教學的效率和效果。本文概括了Virtools技術的特點和優勢、分析了虛擬教學環境下人的認知特點，并以《腕踝針虛擬教學系統》的設計與實現為例介紹了Virtools技術的具體應用。

【關鍵詞】Virtools技術；虛擬教學系統；腕踝針

【中圖分類號】G434【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097 (2007) 10—0057—04

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是一種由計算機全部或部分生成多種感覺環境，給參與者提供各種感官信息，使之產生身臨其境的感覺，以便更好地體驗、接受和認識客觀事物的技術，它可分為沉浸式和非沉浸式兩種。沉浸式虛擬現實技術，是通過一些特殊的外部設備如頭盔式立體顯示器、空間位置傳感器等輸入輸出設備來實現的。但由于其價格昂貴，且一次只能供一人使用，因此很少在教學中得到推廣和應用。而非沉浸式虛擬現實技術，主要依賴軟件技術來實現，即應用軟件手段進行視覺、聽覺等感覺的模擬，其特點是經濟、方便，便于廣大學習者使用，目前用于非沉浸式虛擬現實的軟件有很多，如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。其中，Virtools技術以其功能較全面、人機交互可視化強等優勢得到了越來越廣泛的研究和應用。

一 VIRTOOLS的技術特點和優勢

Virtools是由法國全球交互三維開發解決方案公司VIRTOOLS開發的一款三維互動程序開發工具，目前的版本支持到Directx9.0c。它除了自身的三維交互開發平臺Virtools Dev以外，還有5個可選模塊，分別是網絡服務器Virtools Server、物理屬性模塊Physics Pack、人工智能模塊AI Pack、Xbox開發模塊和沉浸式平臺VR Pack[1]。其主要有以下幾方面優長：

1 人機交互圖形化用戶界面

Virtools的用戶創作界面是一個可視化、圖形化的界面；是一個以可視化的編輯方式、流程圖的思維模式，進行對象和腳本設計的用戶界面，它使開發流程更加直觀。

2 便捷的網絡傳播

Virtools設計的作品除了可以編譯成單機運行的可執行文件以外，最大的特色在于可保存為網頁格式，形成的文件體積小、網絡傳輸速率快、占用資源少，便于推廣和傳播。

3強勁的腳本語言—VSL(Virtools Scripting Language)

VSL是一個強大的腳本語言。用戶可以在Virtools的圖形腳本編輯器中進行相應的腳本代碼編寫與運行，編輯器提供腳本關鍵字智能顏色顯示功能、函數參數顯示功能以及完整的調試功能。除了用于腳本互動部分的撰寫與運行，VSL還可以用于創作模式下的操作功能的擴展，提升Virtools本身開發環境的制作效能[2]。

4 模塊化的技術開發路線

Virtools可以利用拖放的方式，將系統內的Building Blocks（行為交互模塊，以下簡稱BB）賦予在適當的object（對象）或是character（虛擬角色）上，并以流程圖的方式，決定BB的前后處理順序，從而實現可視化的交互腳本設計，并把許多功能不同的程序模塊相互連接組成應用程序，再逐漸編輯成完整的交互式虛擬世界。用戶還可以利用現有的行為模塊，再建立一個新的行為模塊。此新的行為模塊可以另外獨立儲存成一個模塊檔案，以方便重復使用，實現了技術開發的模塊化。

模塊化的技術開發路線便于開發者進行制作任務的分配、優化項目制作流程，確保項目制作科學與實用。

5 高效的協作平臺

Virtools具有多重工作方式。普通的開發者可以用鼠標拖放模塊的方式，通過人機交互圖形化用戶界面，制作高品質圖形效果和互動內容的作品。高級開發用戶可以利用SDK(Software Development Kit，軟件開發工具包)和VSL，通過相應的API接口，創建自定義的交互行為腳本和應用程序。

以上特點確保了非技術性的設計人員和高端的程序員，聚集在Virtools工作環境中，群策群力，為一個共同的制作任務進行工作協作。

二 虛擬教學環境下人的認知特點

一切認知學習行為都是由動機引起的，學習動機是認知學習的最重要的必備條件之一。它使學習者具有明確的學習目標，知道自己為什么而學習，該朝著哪個方向努力。它還可以讓學習者積極主動并持之以恒地尋求有關的學習信息。創設問題情境，制造認知矛盾，激發求知欲是培養學習者學習興趣和學習動機的有效方法，而基于Virtools技術的虛擬教學系統為實現這些條件提供了平臺。因為在虛擬教學系統中問題情境可以被“真實地”一一呈現出來，等待著學習者來解決，為情境式學習和建構主義學習提供了良好的環境，大大地提高了學習者的學習主動性。通過虛擬教學系統的交互環境、再現能力以及一對一的實踐，學習者的學習動機和學習興趣將會得到顯著提高[3]。

根據知識能否清晰地表述和有效地轉移，可以把知識分為顯性知識和意會知識。顯性知識是指那些通常意義上可以用概念、命題、公式、圖形等加以陳述的知識。而意會知識是指人類知識總體中那些無法言傳或不清楚的知識。波蘭尼的一句名言：“我們知道的多于我們所能表達的”[4]很好地表明了意會知識的內涵。意會知識是一種主觀的、基于長期經驗積累的知識，它是一種不能形式化、表現化的思維狀態，是個體的內在體會和領悟，個體需要在實踐活動中經過親自的體驗才可以把握。

因此，虛擬教學系統在認知方面的價值更多地要體現在產生意會知識的過程之中。在虛擬教學系統中，學習者所能接觸到的不再是單單的符號化的知識，而是不斷地從事著與實踐相關的體驗活動。它強調沉浸、經歷和體驗，所以學習者在虛擬教學系統中不僅可以獲得言傳式的知識更可以獲得意會的知識。當然，在虛擬現實中的體驗更多的是一種拓展和延伸。在虛擬教學系統中的實踐，人們是依靠系統設備來產生實踐的內容，這時的實踐行為已經不完全具備直接現實性。一方面，虛擬教學系統提供平臺和條件營造了一種新形式的人類經驗。這種經驗是人類現有思想經驗的一種集合，人類沉浸于用現有認知創造的虛擬世界并體驗著它，這個過程可以說是人類在回憶著現存的認知集合，這時的實踐便成了一種心理體驗的活動；另一方面，虛擬現實又包含著人類的創造性在里面。虛擬世界不同于感性的物質世界，它的部分還是人類觀念的產物，是人類已有理解的延伸。總之，人類的體驗在虛擬現實中得到了延伸，這時的實踐活動既具有物質性和現實性也具有精神性和虛擬性，實踐領域的拓展必然為人類獲取更多的意會知識創造了可能。

三 虛擬教學系統的設計與實現

虛擬教學系統主要由兩部分構成，一部分是用于顯示顯性知識的學習系統，即將某一學科或某一主題的主要知識點以文、圖、聲、像等形式在系統中呈現出來；另一部分是用于掌握意會知識的訓練系統，它主要是根據具體案例，在虛擬情景中進行模擬操作練習，并得到相應的操作反饋，從而不斷積累經驗最終達到掌握意會知識的目標。下面以《腕踝針虛擬教學系統》的設計為例，介紹Virtools技術的具體應用。

1 腕踝針的教學內容

腕踝針療法是一種應用廣泛、安全方便的新的針刺療法。對于醫學生而言，對腕踝針的教學內容綜合來說需要掌握以下三點：身體的分區、腕踝部針刺點的定位以及如何針對不同的病癥選擇正確的針刺點并對癥進針[5]。基于以上教學內容，腕踝針虛擬教學系統必須具備三大功能：形象地表達身體的分區；對腕踝部針刺點的位置能在身體分區中進行較為準確的定位；對于不同病癥的進針方式和手法能在虛擬情景中得到模擬練習。

2 三維模型的建立

首先創建一個三維人體模型，按教學內容對其分區并對針刺點進行加工。對于三維物體和場景的建模，Virtools提供了良好的數據接口，可以利用建模軟件3ds max或Maya等對所需人體模型進行創建和分區。然后對人體模型的材質和紋理等方面進行處理，再以Virtools接受的文件格式（擴展名為.3ds或.nmo）導出。具體操作步驟如下：

（1）在Poser 6.0中創建一個人體皮膚模型和一副人體骨架模型，然后將其導出為3dsmax所接受的后綴名為.3ds的文件。

（2）在3ds max中將以上兩個模型按實際空間位置關系導入，同時將皮膚材質設置為半透明，使被皮膚包裹的骨胳可視，這樣便于用戶根據骨骼來判斷針刺點位置。

（3）形象地表達身體的分區。把皮膚模型轉換為網格物體后，將其表面按腕踝針體表分區進行分割，并為不同的分區賦予相對應的名稱和不同顏色的材質，以明確分區范圍。

（4）建立透明小立方體作為針刺點，以骨胳作為參照物精確嵌入體表。用戶操作時，系統以此為參考，判斷本次扎針位置是否正確。

（5）將制作好的人體模型（包括皮膚和骨骼以及針刺點）以Virtools接受的文件格式，即擴展名為.3ds或.nmo的文件導出。

3 Virtools中三維交互的實現

下面著重介紹應用Virtools技術如何實現動態三維交互功能：

（1）利用Virtools提供的BB功能模塊實現物體的識別

在Virtools中提供了幾百個BB，可以被用戶方便的拖拽調用。而要實現物體識別功能主要需要用到的是眾多模塊中的2D Picking模塊。在操作流程上它可實現的功能是拾取鼠標所觸及的object（對象）并返回其名稱、拾取點的三維坐標以及該點的法向量。由于在前邊已經將人體模型進行了區域分割，所以其每一個分區均為單個物體，只要在菜單中將各個物體的名稱修改為我們需要顯示的相對應的分區和針刺點的名稱即可（例如：左五區，右上三區針刺點）。

其程序流程圖如圖1所示：

（2）用BB和VSL腳本共同實現針刺過程的交互

這部分的主要功能是完成整個扎針過程的模擬。它利用多個BB行為模塊和多個VSL腳本控制模塊，其中BB行為模塊包括Virtools中常用的Mouse Waiter、2D Picking、Object Load、Set Position、Switch On Key、Rotate、Translate模塊等，它們在系統中的功能如圖2所示：

（1）首先利用Mouse Waiter行為模塊來響應鼠標的控制。通過行為模塊的輸入參數，設置響應鼠標左鍵按下事件。實現當按下鼠標左鍵時，模塊返回“True”值，這時系統向下執行，否則返回程序初始狀態；

（2）利用2D Picking行為模塊實現鼠標拾取物體的功能。當按下鼠標左鍵時，執行2D Picking行為模塊，這時鼠標拾取點中的對象，并返回選中對象的名稱、拾取點的三維坐標以及該點法向量等參數；

（3）執行VSL腳本，判斷針刺點是否正確。VSL是用戶自定義功能的接口，可以根據需要設置多個輸入、輸出參數，并通過腳本語言執行自定義編碼。

下面編碼實現了判斷本次鼠標選取物體是否是正確的針刺點。

void main()

{if(pIn0==pIn1)

// pIn0是鼠標拾取對象的標識，pIn1是考核的針刺點名稱

{

pOut0=\"針刺點選擇正確\";

}

else{

pOut0 =\"針刺點選擇錯誤\";

}

Out = TRUE;

}

（4）通過Object Load動態生成針模型。Object Load行為模塊可以實現在需要時動態調用Virtools支持的.nmo模型的功能，采用這種調用方式的好處是每次針灸都可隨時生成新的針，以實現多位置的扎針。

（5）利用Set Position和Set Orientation行為模塊，定位針的初始位置和方向。由于上述調用的2D Picking模塊返回了針刺點的三維坐標以及該點所在人體表面的法向量，因此可以根據這些信息來設置針的初始位置和方向。這里需要特別指出的是2D Picking模塊輸出的是世界坐標（world space coordinates）信息，而Set Orientation模塊需要是自身坐標系（Local Coordinate System）信息，因此要進行相應的坐標變換。

（6）通過Switch On Key 、Rotate、 Translate等行為模塊以及VSL共同實現進針手法的模擬。其中Switch On Key用來響應計算機小鍵盤的輸入，當按下不同的鍵時，Rotate、 Translate分別完成針的方向控制和進針控制，同時利用VSL腳本編程實現進針的深度的計算， Text Display顯示在針刺之后得到的數據反饋。程序流程如圖3所示。

4 成品的發布

具體案例制作完成后，建議將其發布為網頁格式，而不是發布成單機可執行文件。其主要原因在于發布成網頁格式后便于將各個單獨的案例網頁集合成網站，并上傳至網絡服務器。有利于學習者在任意時間任意地點通過校園網使用這套系統；也利于系統開發者更進一步實現Virtools和網頁間的數據交換，或是結合Flash網頁技術，拓展系統功能。

綜上，基于Virtools技術的虛擬教學系統有利于學習者在系統所設置的虛擬場景中，直觀立體地了解顯性知識，并通過對其中設置的不同案例的反復操練加強對意會知識的理解和掌握，有助于提高教學的效率和效果。

參考文獻

[1]王樂，陳定方，尹念東．基于VIRTOOLS的分布式虛擬現實技術研究[J]．湖北工業大學學報，2005，20(3)：22-24．

[2]劉明昆．三維游戲設計師寶典[M]．重慶：四川出版集團#8226;四川電子音像出版中心，2005．

[3]邢秀茶．學與教的心理[M]．北京：高等教育出版社，2004

[4]石中英．波蘭尼的知識理論及其教育意義[J]．華東師范大學學報(教育科學版)，2001，(6)：36—45．

[5]張曙新，凌昌全，周慶輝．實用腕踝針療法[M]．北京：人民衛生出版社，2002．

Design and Implementation of The Virtual Teaching System Based on Virtools Technology

LUO HongWANG Shi-yong

（Center of Educational Technology of the Second Military Medical University， Shanghai， 200433）

Abstract：Virtual teaching system based on Virtools technology may improve the teaching efficiency and effect. This paper generalizes the characters and advantages of Virtools technology. And the people’s cognitive characters existing in the virtual teaching system are analysed. Moreover， it states how to apply Virtools technology by an example of introducing the design and implementation of the virtual teaching system of “Wrist-Ankle Acupuncture”.

Keywords: Virtools technology; virtual teaching system; Wrist-Ankle Acupuncture