桌面虛擬學習環境下的三維交互技術研究

【摘要】三維交互技術是虛擬教學系統研究的關鍵，良好的交互能夠成功促進學習者的體驗。文章從教學應用的視角出發，通過對教學交互和三維交互的系統分析，提出了“幾何漫游”、“選擇操縱”、“協作互動”三個邏輯層次的交互任務，并在此基礎上分析了三維交互技術的構成體系，結合實例描述了三維交互技術的開發流程，重點解決了在三維交互技術制作過程中存在的難點問題，旨在促進學習者在虛擬環境下學習效果的提升。

【關鍵詞】虛擬學習環境；三維交互技術；教學交互

【中圖分類號】 G40-057 【文獻標識碼】 A 【論文編號】 1009—8097（2011）03—0129—04

一 前言

桌面級虛擬現實技術，因其技術簡單、集成性高、實用性強、投入成本低等特點，近年來在教學中的應用越來越廣泛，其開發的桌面虛擬學習環境，能夠讓學習者在一個具有真實感的虛擬三維空間中進行學習、探索和娛樂等交互活動。

關于學習環境，Wilson（1995）的學習環境場所觀認為：學習環境是一個學習者可以相互合作、相互支持的場所，在那里可以使用各種工具和信息資源參與問題解決的活動，以達到學習目標。他將學習環境分成計算機微世界、基于課堂的環境（促進積極學習的豐富環境、拋錨式教學）、開放的虛擬環境等三類[1]。

本文中的桌面虛擬學習環境主要是上述學習環境中的第三種類型，同時兼具第一種類型的某些特征和功能。它主要是運用桌面虛擬現實技術開發的，在形式、內容、表現手法、教學功能等方面，實現對真實學習環境的模擬，為學習者提供多種感官的學習刺激，對學習者的學習活動進行支持；它通過多種交互形式，實現動機激發、策略調整、興趣保持、交流互動等多方面的教學功能[2]。

二 三維交互技術的三個層次

1 三維交互技術的層級劃分

三維交互技術作為一種新型交互形式，其本質是為了促進學習者的學習，屬于教學交互范疇。關于教學交互的劃分，國內學者陳麗在Laurillard的學習過程會話模型的基礎上提出了教學交互層次塔理論，它將遠程教學交互分為三個層面：學生與媒體界面的操作交互，學生與教學要素的信息交互，學生的概念和新概念的概念交互[3]。

然而三維交互相對于一般的教學交互來說，其劃分難度更加復雜。首先，在技術層面上，虛擬學習環境下學習者需要控制的自由度增加為6個，而且缺乏一些必要的約束信息，比如深度線索、觸覺反饋等[4]；其次，缺少對三維交互的最底層交互任務的理解，因為這些底層的交互任務與學習者的學習任務、認知習慣有密切的關系，只有這些關系描述清楚后，才能將交互任務逐層分解，合理而有效地進行交互風格的研究和三維交互技術的劃分。

在教學交互層次塔理論的指導下，使用Bowman分類法，從任務、子任務、實現技術三個層次對三維交互技術進行分析[5]，將其實現結構劃分為三個具有顯著特點的邏輯層次：幾何漫游層、選擇操縱層、協作互動層，并以此為基礎，針對每一層交互的具體特點，細化為多種交互形式，最后按照由低級到高級、由具體到抽象的認知習慣對其進行重構（見圖1）。

2 三層面的三維交互技術

根據圖1可見，三維交互技術主要是由以下三個不同層面的交互共同作用完成的。

（1）幾何漫游層

幾何漫游層體現學習者與學習環境的操作過程，主要描述了如何從一個位置移動到另一個位置，通過鼠標鍵盤等交互設備，可以全方位了解學習環境的概況。其交互技術主要包括兩個獨立的部分：找路（wayfinding）和行進（travel）。“找路”指的是一種方法，確定當前在什么位置（空間或時間上），尋找在環境中到達目的地的路線，幫助學習者了解他們自身相對于目標的位置，從而使他們確定到達目標的路徑[6]。“行進”指的是學習者如何在空間（或時間）中移動。

“找路”和“行進”通常借助化身實現，通過鼠標和鍵盤來控制化身的運動，視點位置和方向跟隨化身一起變化，既有利于學習者對虛擬場景的完整理解，也容易感知自己所處的空間位置。為了避免在漫游時出現迷路的現象，通常配合地圖進行導航，一旦學習者需要改變學習內容，只需要點擊地圖即可，避免學習者在查找時浪費大量的時間，使學習者出現孤獨感和煩躁感。

（2）選擇操縱層

選擇操縱層體現學習者與媒體界面之間、學習者與學習資源之間的操作過程，為學習者提供虛擬對象被操作時的可視反饋。它能夠改變虛擬對象（即交互元素）的幾何屬性，包括整體或部分的平移、旋轉、縮放、變形以及材質、紋理、顏色等幾何屬性的變化，通過選擇、操控、判斷、反饋等環節實現。

“選擇”是指定具體的交互對象，一般情況下使用鼠標點擊指定位置或對象即可；“操控”是對對象執行相關動作，改變對象的屬性，例如對象的位置、顏色、可見性、移動、旋轉等；“判斷”是根據教學的具體任務對“操控”的結果進行評估；“反饋”是根據評估的結果進行教學提示，對于完成正確操作給予正強化反饋信息，而對于完成錯誤操作給予負強化反饋信息。

（3）協作互動層

協作互動層體現學習者與學習者之間、學習者與教育者之間的操作過程，能夠提供多個學習者共享VR體驗，讓多學習者協作解決一個問題（即執行一個任務），參與者也可以共享與其他人競爭的體驗或與他人的交互，主要是指與他人交互的技術，包括如何處理協作交互、如何實現并發體驗、誰擁有對操縱和通信操作的控制，如何使世界保持一致以及協作的參與者如何互相交互等[7]。在桌面虛擬學習環境中，每個學習者是一個個獨立的分布式對象，它們在進行虛擬體驗的同時，主要通過創建會話和消息傳遞等對話交流機制，來促進學習者的體驗。

3 三層面三維交互的關系

幾何漫游層、選擇操縱層、協作互動層這三層交互是根據學習者的學習過程來劃分的，以促進學習者的學習為出發點，他們密切相關、相互作用，將教學、交互、技術充分結合，在一個螺旋上升的過程中，形成了三維交互技術的構成體系（見圖2）。

由圖2可以看出，三層交互的關系是：首先，幾何漫游層交互是選擇操縱層交互發生的條件。當學習者面對一個新的學習任務時，首先要通過三維漫游的方式，了解學習對象的概況，然后才會通過選擇操縱層交互，掌握學習對象的主要功能；其次，協作互動層交互產生于選擇操縱層交互的過程中，學習者在使用選擇操縱層交互完成教學內容時，通常需要借助教師指導或組內討論等教學形式，來解決一些教學難題，進而促進整個學習過程的完成，可見最頂層的協作互動層交互的水平和方向將影響學習者的學習結果。

三 三維交互技術的實現過程

三層次的交互技術貫穿于整個學習過程，有效促進學習者的學習，其實現過程主要包括教學分析、模型構建、交互設計、測試發布等環節，通過編寫腳本、實物拍攝、建模、貼圖、設計動畫、交互合成、調試等具體操作完成交互技術的制作（見圖3），下面以“攝像機的使用”為例，借助Virtools虛擬現實技術平臺，介紹三維交互技術的具體實現過程。

1 教學分析

教學分析主要圍繞教學需求和交互技術兩方面展開，重點解決“做什么”和“怎么做”的問題。通過分析虛擬實驗環境和真實實驗環境的優點和不足，對教學內容進行針對性篩選，對于攝像機的主要構造和常規操作，這些基礎性內容制作成虛擬實驗，讓學生在虛擬環境中，反復操作各種實驗設備，減少設備的無謂損耗，而對于電視攝像這些技能類的內容，讓學習者在真實實驗中完成，有利于對學生實踐能力的培養。

2 模型構建

模型構建主要包括建模和畫面優化兩個部分。在建模過程中，應根據教學任務的層次結構，采用層級建模的方法，遵循由下到上的原則，逐層逐塊地利用建模軟件進行虛擬場景的構建。畫面優化主要控制模型的面數和清晰度，對于攝像機的鏡頭、光圈、調焦環、推拉按鈕等主要操作按鈕，采用較高的面數值，而對于攝像機的主要面板，這些沒有交互的部分，采用較低的面數值，借助貼圖等方法完成制作。

3 交互設計

交互設計不僅是學習者同虛擬學習環境之間的信息交流，也是虛擬情景展開的手段，主要包括虛擬學習環境漫游、攝像機的基本操作、共享體驗等幾個環節。

（1）虛擬學習環境漫游的實現

虛擬學習環境的漫游屬于幾何漫游交互層，它主要通過控制化身運動，借助鍵盤和鼠標，實現對攝像機結構的學習。在設計過程中，堅持左右手相互配合的原則，即一只手使用鼠標控制場景的旋轉，另一只手通過鍵盤控制場景的平移、縮放等。通過Virtools中Keep Active、Get Mouse Displacement、Rotate、Division、Switch OnKey、Per Second、Translate等BBS行為即可實現，腳本流程如圖4所示。

（2）攝像機基本操作的實現

攝像機基本操作屬于選擇操縱層，主要包括攝像機的電池安裝、錄制，快門、光圈、焦點，鏡頭推拉等，其中錄制是基本操作的重點內容，包括開機、放入磁帶、錄制、教學反饋等四個環節。

開機：主要實現單擊Power按鈕，電源指示燈亮，攝像機啟動，再次單擊Power鍵，電源指示燈熄滅，攝像機關閉。此交互所需的BBs行為有Wait Message、Set Material、Set Texture、Send Message等，腳本流程如圖5所示。

放入磁帶：主要實現單擊EJECT按鈕，磁帶倉開啟，放入磁帶，單擊帶倉，帶倉閉合，完成磁帶裝載，此交互所需的BBs行為有Wait Message、Bezier Progression、Rotate、Translate、Send Message等，腳本流程如圖6所示。

錄制：主要實現單擊REC鍵，錄像指示燈亮起，磁帶走動，錄制開始，此交互所需的BBs行為有Wait Message、Bezier Progression、Set Material、Set Texture、Rotate、Send Message等，腳本流程如圖7所示。

教學反饋：實現對學習者未來的操作進行引導，對當前操作進行確定或對錯誤操作予以糾正，讓學習者及時了解自身狀況[8]，避免由于滯后和延時給學習者帶來思維中斷、興趣轉移甚至是厭煩心理。使用Virtools中Mouse Waiter、2D Picking、SetPosition等BBs行為和VSL腳本能夠實現教學交互的判斷，其中2D Picking行為模塊實現拾取物體的功能，Mouse Waiter行為模塊響應鼠標的控制，VSL腳本進行程序判斷[9]，教學反饋結果可采用文本或者圖片的形式進行展示，如圖4所示，當鼠標劃過磁帶倉時，會出現“請先裝入磁帶”的提示，學習者可以按照提示進進行操作。

（3）共享體驗的實現

共享體驗交互屬于協作互動層，它可以讓學習者和教育者在虛擬體驗的過程中交流經驗、共同學習，主要包括創建會話和消息傳遞兩個部分。創建會話（Session）定義了一個虛擬的空間，主要用于相關的主題活動，通常由小組長或教師創建，執行普通學習者不能執行的操作，對參與活動的用戶信息、網絡消息及其化身進行管理，根據組織策略，開展教學活動[10]。

一旦學習者進入虛擬學習環境，就可以采用一對一、一對多以及廣播等多種形式，進行消息傳遞，完成學習交流。利用NetworkSend Message BBs可以設定某個化身發送消息，使用3DFrame顯示對話信息，使用Inputstring BBs實現用戶字符串的輸入，使用2DText BBS實現在輸入框中顯示文本。

4 測試與發布

在三維交互設定完成后，進行整體功能、穩定性和速度優化的調試，然后根據程序的應用領域，對程序進行發布。如果是單機應用，通過“Export to Virtools Player”命令直接保存為*.vmo格式即可；如果是網絡應用，通過“Creat Web Page”命令，將文件保存為htm格式，這樣客戶端只需下載并安裝插件“3D LifePlay”即可進行播放。

四 結束語

三維交互技術的三個層次是對三維交互的一次嘗試，它將三維交互技術由簡單幾何層次引申至更高層次的應用，不僅規范了三維交互技術的實現過程，而且有利于分析各種復雜的三維交互現象，在降低學習者的操作難度和認知負擔的同時，有效促進了學習效率的提升。三維交互技術是虛擬現實技術由“好看”轉向“好用”的關鍵，如何更好實現復雜虛擬學習環境下的三維交互技術，還需要開展更深入的研究。

參考文獻

[1] Brent G.Wilson. Metaphor For Instruction: Why We Talk About Learning Environments[J].Educational Technology，1995，35(5):25-30.

[2] 鄭穎立.體驗式虛擬實驗研究[D].上海:華東師范大學，2008:71-73.

[3] 陳麗.遠程學習的教學交互模型和教學交互層次塔[J].中國遠程教育，2004，(5):24-28.

[4] 紀連恩，張鳳軍，路游.場景語義約束的三維交互技術[J]. 計算機工程與應用， 2008，44(33):28-31.

[5] Bowman.D，Johnson.D，Hodges.L.Testbed evaluation of

virtual Environment interaction techniques[J]，presence-

teleoperators and virtual environments，2001，10(1):75-95.

[6][7] William R. Sherman，Alan B. Craig.Understanding virtual reality:interface，application，and design[M].Netherland:

Elsevier Science Publishers，2003.

[8] 王榮芝，辛日華.網絡虛擬實驗的界面交互設計[J].實驗室研究與探索，2009，28(2):82-85.

[9] 羅虹，王士勇.基于Virtools技術的虛擬教學系統的設計與實現[J].現代教育技術，2007，17(10):57-60.

[10] 李欣.虛擬學習空間的建構與交互設計[J].中國電化教育，2008，(8):95-98.

Research on the Interaction Technique of Three-dimension Under the Desktop Virtual Learning Environment

WU Xiang-enBAI ZheLIU Chao

(Institute of Educational Technology， Shenyang Normal University， Shenyang， Liaoning 110034， China)

Abstract：The interaction technique of 3D (Three-dimension) is the essence of the virtual reality system research and good interaction can promote learners’ experience swiftly. The article put forwards \"geometry navigation\"， \"selection manipulation\"， \"collaborative interaction\" as three logical levels via the systematic analysis of three-dimensional interaction tasks， based on the practical application of teaching. And on this basis， it constructs the system of interactive 3D graphics construction under the virtual circumstance and presents the developing procedure of the interaction technique of 3D， which primarily can solve the problems with the interaction technique of 3D， aimed to promote the result of the learning under the virtual circumstance.

Keywords: virtual learning environment; the interaction technique of 3D (Three-dimension); teaching interaction