“虛擬現實技術”課程教學實踐與思考

沈旭昆

摘要:“虛擬現實技術”是一門學科高度交叉,特征鮮明,不斷產生新思想、新技術,應用越來越廣泛的學科,本文在分析“虛擬現實技術”課程學科交叉綜合性強、數理基礎要求高、創新思維豐富、工程應用突出等特點的基礎上,結合多年研究工作積累以及課程教學實踐,給出了詳細的教學大綱,重點闡述在教學活動中貫徹“突出三個基本,注重融會貫通;點面結合,各有側重;結合實例,促進創新思維”的實踐與思考,最后提出進一步提高教學效果的努力方向。

關鍵詞:虛擬現實;教學實踐;三個基本;點面結合

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計算機技術為核心的現代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環境中的實體對象進行交互作用、相互影響,從而產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構想(Imagination)特性。交互特性強調參與者通過專用設備以人類自然方式與VE中的對象進行相互操作;沉浸特性要求計算機所創建的虛擬環境能使參與者產生置身其中的體驗;構想特性是指虛擬環境能夠啟發參與者發現新問題并輔助產生創新思維。

二十世紀六十年代初,“圖靈獎”獲得者,被稱為計算機圖形學之父的美國科學家Ivan Sutherland發表“終極顯示”論文提出虛擬現實概念,自此,虛擬現實技術歷經一系列里程碑式的理論、方法與技術研究工作,并取得了重大工程應用成果。今天虛擬現實技術的應用領域已經非常廣泛,主要包括三大應用方向,即訓練演練、規劃設計與預測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰場環境中進行作戰指揮模擬,宇宙飛船、飛機、艦船模擬駕駛訓練,飛機、導彈、輪船等復雜系統的虛擬設計與制造,城市環境規劃及其建筑物的展示,手術培訓與導航,游戲動漫與影視制作等。由于虛擬現實技術涉及的學科綜合性、交叉性強,是可以拉動多學科發展,不斷產生新思想、新技術,具有廣泛和重大應用前景的科學技術領域,國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)把虛擬現實技術確定為信息領域優先支持的三大前沿技術之一。

2課程的特點

北京航空航天大學計算機學院從1994年開始從事虛擬現實技術領域的研究,取得許多創新成果,在相關學科領域產生了較大影響,逐步形成了北航計算機學院一個新的優勢學科方向。作為計算機應用本科生的專業限選課程,“虛擬現實技術”課程教學已經講授了5年。本課程的教學目的是通過對有關虛擬現實技術國內外研究熱點問題、典型研究工作的介紹,使學生了解當前虛擬現實技術的發展趨勢;通過對虛擬現實基本原理、基本算法、開發方法、主流系統的介紹,使學生掌握虛擬現實主要技術、開發環境與平臺;以虛擬現實技術與系統國家重點實驗室研究工作為主要實踐教學支撐,培養學生的創新能力,滿足國民經濟和國防部門對虛擬現實領域專門人才的需求。虛擬現實課程具有以下特點:

2.1學科交叉性、綜合性強

國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出:“虛擬現實技術重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數據庫設計、實時分布系統、電子學和多媒體技術等多學科融合的技術,研究醫學、娛樂、藝術與教育、軍事及工業制造等多個相關領域的虛擬現實技術和系統。”虛擬現實技術主要從計算機科學與技術、控制科學與技術、機械工程科學與先進制造技術等學科中孕育并實現跨越,逐步發展成熟,涉及心理學、認知科學、計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等,學科交叉性、綜合性強,如圖1所示。

2.2數理基礎要求高

虛擬現實課程的許多理論、方法和技術涉及大量的數學公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現實技術中所涉及的計算機圖形學,基于圖像的虛擬現實技術中所涉及的圖像處理和信號處理技術,在建模技術中涉及的動力學、運動學等,都需要學生具備深厚的數理基礎。

2.3創新思維豐富

虛擬現實被眾多學者認為是科學研究與工程實踐中理論和實驗方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達的宏觀或微觀環境,進行研究和體驗;在虛擬環境下進行逼真的規劃、設計、訓練演練,作出評價和決策,其與生俱來的構想特性能夠啟發參與者發現新問題并產生創新思維。虛擬現實技術由于多學科交叉性,在不同學科交叉融合中源源不斷地產生新思想、新方法。

2.4工程應用突出

虛擬現實技術既有堅實的理論基礎和方法,也有大量的典型算法,同時又是一門應用牽引強,各種開發平臺和應用工具豐富,人機交互設備多,軟硬件結合與系統集成占相當比重的課程。

2.5課程內容多課時緊

本課程是本科生計算機應用方向的限選課程,在本科四年級上學期開設,其間正值學生考研復習準備階段,課時總計36學時,課內教學18學時、課外實踐18學時,授課時間十分緊張。

3教學內容安排

我們經過多年的教學實踐,在不斷與學生教與學交互的活動中,結合自身學科研究特色,總結、完善主要教學內容,形成了如下的教學大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術語、虛擬現實特征、里程碑工作和研究現狀、國內外典型應用實例。

第二章:虛擬現實硬件與系統(2h)

虛擬現實輸入設備、虛擬現實輸出設備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統的構建實例。

第三章:基于圖形的虛擬現實建模與開發技術(6h)

視覺感知相關基本概念、場景表示與數據庫結構設計、CREATOR建模軟件與合成自然環實例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發軟件、虛擬場景漫游應用程序開發實例。

第四章:基于圖像的虛擬現實建模與繪制技術(2h)

IBMR技術與全光函數、全景圖像與柱面全景圖像實例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環境建模、運動系統、逼真性與效率權衡。

第六章:虛擬人技術(2h)

人體抽象模型與國際標準、逼真運動獲取與表示、運動約束與重用、虛擬人技術應用實例。

第七章:分布式虛擬現實技術(2h)

DIS技術與IEEE1278、HLA技術與IEEE1516、分布交互仿真程序開發與應用實例。

教學實踐與課外教學安排:(18h)

課外研讀學習OpenGL、構建虛擬現實漫游程序;參觀虛擬現實技術與系統國家重點實驗室,觀看演示、操作實驗室研究設備,了解當前主要研究方向和趨勢。

4教學實踐與思考

針對虛擬現實課程的上述特點,我們在課程的教學活動中形成了“突出三個基本,注重融會貫通;點面結合,各有側重;結合實例,促進創新思維”的教學思路。

4.1突出三個基本,注重融會貫通

在教學中突出三個基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現實課程的諸多內容來自不同的研究和應用領域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對于這部分內容在教學活動中應有意識進行聯系,分析講解,努力讓學生融會貫通。以細節層次概念(LOD)為例,細節層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復雜程度(常常以多邊形數來衡量)各不相同的實體細節層次模型來描述對象,在運行時根據一些主客觀標準在這些LOD模型間進行切換,實時改變場景的復雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時產生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復雜光照模型實時繪制等研究工作中也引入和應用了同樣的原理,因此在講解細節層次概念時進行舉一反三,加深學生對這一滿足逼真性和繪制實時性普適基本方法的理解,進一步可以引伸出連續細節層次方法以及與視點相關的遞進傳輸技術如何滿足基于網絡的虛擬現實應用問題。這樣教學思路始終貫徹在七維全光函數降維、八叉樹的數據組織方法等諸多教學內容中,以達到融會貫通的目的。

4.2點面結合,各有側重

虛擬現實課程涉及學科眾多,內容十分豐富,有限的課時內做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學大綱基本覆蓋虛擬現實的主要研究分支,重點是基于圖形和基于圖像的虛擬現實技術,由于增強現實在其他課程有重點講授,不過多涉及。其次注重對當前國內外的研究重點、熱點問題,以及當前的主流設備、開發工具與平臺介紹。通過發揮授課教師的計算機科學與技術專業背景,結合實驗室多年的研究工作進行知識點的深入講解。例如在分布式虛擬現實技術教學中,實驗室在該方向上開展了長達十年的研究工作,研究成果既體現了該內容的基本方法、國際標準,又體現了當前的最新研究成果。該內容的教學從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術的對比,重點講解分布式虛擬現實技術如何應用數據抽象與封裝、發布與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術解決大規模交互仿真問題,進一步引伸介紹目前該方向的研究進展,讓同學了解當前研究熱點問題。

4.3結合實例,促進創新思維

虛擬現實是一門多學科交叉的科學技術,不同學科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創新尤為明顯。因此在講授具體內容的同時,應介紹該研究工作和成果產生的背景,體現交叉創新、集成創新思路,啟迪同學的創造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標。在課程綜述中重點介紹信息資源環境的智能化、普適化、協同化、沉浸化發展的各個不同歷史時期代表性工作,以及仿真技術、先進制造技術等學科對虛擬現實的重要貢獻,突出虛擬現實技術交叉融合的特性。將具體的課程知識點講授融入到典型實例中,人工生命課程教學中以ACM優秀博士論文工作為基礎,講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環境建模等,目的在于突出建模內涵的寬泛性和在虛擬現實技術中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學分析、總體方案設計,行為與運動系統實現,歸納總結出多學科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創新所在。在講授虛擬人技術時,首先提出逼真人體運動復雜性和實時性這一矛盾,引入機器人技術領域的逆向運動學以及信號與系統中的信號處理方法,重點介紹借鑒其他學科方法解決虛擬人運動重用和大規模人群等關鍵問題,強調借鑒啟迪是創新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環境中同樣貫徹了結合實例,促進創新思維這一教學思路。

5結論與展望

“虛擬現實技術”涉及面寬、內容十分豐富,同時發展迅速,應用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個需要不斷探討、研究總結的教學課題。筆者在多年的教學活動中,通過教與學的交流,不斷總結形成了一些教學思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實,主要包括兩個方面內容:(1)如何做好虛擬現實技術課程與計算機圖形學、多媒體技術、圖像處理技術的銜接;(2)如何利用好虛擬現實技術與系統國家重點實驗室的研究環境、軟硬件資源以進一步加強虛擬現實課程的實踐環節。我們將在今后繼續研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻:

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[3] Mel Slater Anthony Steed. 計算機圖形學與虛擬環境[M]. 程成,等譯. 北京:機械工業出版社,2004.