桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“細菌和病毒的遺傳”課件中的應(yīng)用研究

【摘要】文章提出了利用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)課件中應(yīng)用的基本方法，通過開發(fā)“細菌和病毒的遺傳”課件研究了桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其交互性、三維模型設(shè)計的方法和需要注意的問題，并通過開發(fā)U型管實驗、DNA的攝取和整合、接合的機理與過程、性導(dǎo)的機理與過程及特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)等內(nèi)容實現(xiàn)了動態(tài)交互式演示和控制，在實際教學(xué)應(yīng)用中收到了較理想效果。

【關(guān)鍵詞】桌面虛擬現(xiàn)實;建模;交互性;3DMax

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097(2010)07—0140—03

引言

“細菌和病毒的遺傳”一章在“遺傳學(xué)”書中排在第七章，是學(xué)生普遍反映難理解的一章[1]。一是由于學(xué)生對微生物學(xué)了解不多，對一些基本的專業(yè)術(shù)語和實驗手段不理解;二是可供理論教學(xué)的課時數(shù)有限，涉及的概念多且相對抽象;三是教學(xué)過程中，主要是基于課本、掛圖、幻燈片等媒體，且可供參考的圖片較少[2-3]。為了解決這個教學(xué)難點，也為了提高學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力以及學(xué)習(xí)的主動性，我們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了本章中的U型管實驗、DNA的攝取和整合、接合的機理與過程、性導(dǎo)的機理與過程及特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)等內(nèi)容的動態(tài)交互式演示和控制，從而使學(xué)生通過感知獲得生動的表象，即增強了對理論、概念的認識和理解，又改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)環(huán)境。

一 桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其交互性

虛擬現(xiàn)實是一種高端人機接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交互。從功能上來講，虛擬現(xiàn)實是用計算機圖形學(xué)構(gòu)造出酷似真實世界的一種仿真模擬。用戶能以自然的方式與這個環(huán)境交互，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的沉浸感[4]。交互性主要是指參與者通過使用專門輸入和輸出設(shè)備，用人類的自然技能實現(xiàn)對模擬環(huán)境的考察與操作的程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互，使交互在學(xué)習(xí)者與其環(huán)境之間發(fā)生。

在目前經(jīng)濟和技術(shù)條件的約束下，完善的沉浸式虛擬現(xiàn)實還遠不能普及。根據(jù)使用者投入程度的不同，可以將虛擬現(xiàn)實分為:桌面虛擬現(xiàn)實、沉浸虛擬現(xiàn)實和分布式虛擬現(xiàn)實。目前普遍應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要還是桌面虛擬現(xiàn)實[5]。桌面虛擬現(xiàn)實是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，通過各種輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的充分交互。它允許參與者通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并可以使用輸入設(shè)備與虛擬場景交互并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸感，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實技術(shù)一種。因此它也具有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三個基本特征，三個“I”，即沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，想象力(Imagination)[6]。桌面虛擬現(xiàn)實能夠使學(xué)生以一種嶄新的方式學(xué)習(xí)專業(yè)知識，但是也存在一些問題:桌面虛擬現(xiàn)實的開發(fā)技術(shù)比較復(fù)雜;開發(fā)技術(shù)的開發(fā)效率比較低;開發(fā)周期比較長。顯然，這些問題在一定程度上阻礙了桌面虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。但是又因為桌面虛擬現(xiàn)實不需要附屬的硬件和設(shè)備，易于實現(xiàn)，開發(fā)成本也相對低廉，所以被廣泛應(yīng)用。

二 “細菌和病毒的遺傳”課件的設(shè)計

“細菌和病毒的遺傳”課件首先進行三維建模，然后利用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬情境的交互。在設(shè)計過程中有如下具體的技術(shù)問題需要解決:

1 細菌和病毒三維模型的建立

當前用于開發(fā)三維模型的軟件種類繁多，最常見的如3DSMAX，MAYA，Softimage XSI等。本項目研究的“細菌和病毒的遺傳”建模采用的是具有強大建模功能的3Dmax軟件。通過模型設(shè)計、模塊組合和圓滑鏈接，較直觀、形象地展現(xiàn)了細菌和病毒的三維效果。在虛擬現(xiàn)實的建模過程中我們重點注意了如下事項:

一是要處理好場景中的模型個數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三要素之間的關(guān)系，從而保障了模型在虛擬系統(tǒng)運行時的流暢、逼真，不出現(xiàn)卡、頓等現(xiàn)象。

二是合理有效地做了簡模處理。虛擬現(xiàn)實平臺中的運行畫面每一幀都是依靠顯卡和CPU實時計算出來的，如果面數(shù)太多，會導(dǎo)致運行速度急劇降低，甚至無法運行，還會導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布也會導(dǎo)致下載時間增加。我們在保證基本效果的前提下，考慮到了該軟件運行環(huán)境要求和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。

三是在調(diào)用模型或創(chuàng)建模型時，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長條型。長條形的面不利于實時渲染，還會出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象。

四是合理規(guī)劃模型數(shù)量。場景中的模型數(shù)量太多會給后面的工序帶來很多麻煩，如會增加烘焙物體的數(shù)量和時間，降低運行速度等。

五是合理布局模型密度。我們的研究和實踐表明，模型密度分布的不合理、不均勻?qū)ζ浜竺娴倪\行速度是有一定影響的。

六是在建立模型時，看不見的地方不用建模。看不見的地方不建模就會減少整個場景的面數(shù)，可以有效提高交互場景的運行速度。

七是在場景中，我們盡量合并了材質(zhì)類型相同的模型，以減少物體個數(shù)，縮短場景加載時間和提高運行速度。但在模型的面數(shù)過多且相隔距離很遠就沒有將其進行合并，否則也會影響虛擬場景的運行速度。

八是對所建模型進行了優(yōu)化。通過模型的優(yōu)化提高了演示速度。模型的優(yōu)化是在制作前期進行的，否則就要重新回到3DMax里修改模型，出現(xiàn)重復(fù)工作情況，會大大降低工作效率[7]。

“細菌和病毒的遺傳”的開發(fā)使用了幾種不同的建模方法:細菌的建模采用的是多邊形建模方式，如圖1所示;DNA和U型管的建模采用的是放樣建模方式;噬菌體的建模采用的是標準基本體和擴展基本體相組合的建模方式。

2 模型燈光設(shè)置、材質(zhì)賦予、渲染及烘焙

在燈光設(shè)置中，我們針對不同模型根據(jù)相關(guān)場景的需求進行相應(yīng)的燈光設(shè)置，所采用的虛擬現(xiàn)實編輯器對燈光的類型沒有特殊要求。

由于虛擬三維場景的視覺真實感和沉浸感不僅來自于物體正確的外型結(jié)構(gòu)和相對比例，更來自于三維模型表面的質(zhì)感。因此在給物體賦予材質(zhì)過程中，我們通過設(shè)置三維模型的材質(zhì)屬性，經(jīng)過圖形渲染技術(shù)可以使其表現(xiàn)出接近真實物體的表面質(zhì)感，以及光影效果。虛擬物體的質(zhì)感是否真實，取決于模型的材質(zhì)。虛擬現(xiàn)實編輯器支持高級燈光材質(zhì)和建筑材質(zhì)。但是建議使用普通材質(zhì)，普通材質(zhì)進行烘焙時自動產(chǎn)生兩層貼圖，一層是物體本身材質(zhì)，另一層是物體的光照。普通材質(zhì)方便更換物體的材質(zhì)，在烘焙時產(chǎn)生錯誤的幾率也非常小。本案例中，用到的材質(zhì)主要包括:細胞貼圖材質(zhì)、半透明材質(zhì)、標準材質(zhì)、多維子物體材質(zhì)、發(fā)光材質(zhì)。

我們采用默認的渲染器對模型進行了渲染。用于渲染的渲染器很多，如Insight、Brazil、Finalrenderr和MentalRay。

烘焙場景是把3DMax中的物體的光影以貼圖的方式帶到虛擬現(xiàn)實編輯器中，以求真實感。在實際開發(fā)制作中，我們認為烘焙是整個操作過程中比較費時的一項工作，需要細心、耐心地進行該操作。

3 通過虛擬現(xiàn)實編輯器實現(xiàn)交互

目前開發(fā)虛擬現(xiàn)實的程序有很多種，常見的如VirTools，Cult3D，Quest3D，Shockwave3D等等。我們在項目研制中采用了中視典數(shù)字科技有限公司研發(fā)的VRP-BUILDER虛擬現(xiàn)實編輯器進行三維場景的模型導(dǎo)入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設(shè)計、打包發(fā)布等工作。這是虛擬現(xiàn)實開發(fā)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)。

在3Dmax中完成烘焙操作之后，利用3Dmax的Vrp-for-max插件，將場景導(dǎo)出至虛擬現(xiàn)實編輯器中，進行虛擬場景中交互式活動設(shè)計。交互性強調(diào)人與計算機之間互相反饋信息，產(chǎn)生互動。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互主要包括以下四個層次:一是學(xué)習(xí)者與其環(huán)境之間的控制交互;二是學(xué)習(xí)者與教師之間的教學(xué)交互;三是學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)任務(wù)之間的信息交互;四是學(xué)習(xí)者之間、教師之間的互動交流。[8]

我們是通過虛擬現(xiàn)實編輯器實現(xiàn)場景的控制和角色的動作。在噬菌體侵染細菌的虛擬場景中，教師和學(xué)生即可以指出噬菌體各部分結(jié)構(gòu)名稱，也可對噬菌體模型進行平移、旋轉(zhuǎn)、推拉。通過設(shè)置交互行為，使學(xué)生更好地理解噬菌體侵染細菌的過程:吸附→注入→復(fù)制DNA和合成蛋白質(zhì)→“組裝”階段→再次侵染。在實現(xiàn)交互控制中，學(xué)習(xí)者可以提出諸如“噬菌體是怎樣侵染細菌的”、“DNA明顯表現(xiàn)出了遺傳物質(zhì)的什么特性”等問題，并通過交互式操作在本系統(tǒng)中找到答案。圖2為噬菌體侵染細菌動態(tài)過程的截圖。

在DNA的攝取與整合的虛擬場景中，通過交互式操作使學(xué)習(xí)者更好地理解DNA的空間結(jié)構(gòu)、DNA的雙螺旋模式及DNA復(fù)制的過程及特點。圖3為DNA攝取與整合動態(tài)交互場景的截圖。

在設(shè)計過程中我們力求要達到兩個目標:一是使參與者有真實的體驗，二是能提供方便的、豐富的人機交互手段[9]。

三 結(jié)論

目前，“細菌和病毒的遺傳”桌面虛擬現(xiàn)實資源已應(yīng)用于教學(xué)及學(xué)生的自主探究式學(xué)習(xí)。經(jīng)過對教師和學(xué)生的走訪調(diào)查，桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用對“細菌和病毒的遺傳”的教學(xué)手段和教學(xué)方法產(chǎn)生了深刻的影響，即有利于提高教學(xué)質(zhì)量拓展教學(xué)思路，又填補了教學(xué)資源的不足之處，使學(xué)習(xí)者獲得了豐富的學(xué)習(xí)信息，具有較好的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻

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[9] 李怡，李樹濤.虛擬工業(yè)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社.2003:30.