虛擬現實在計算機教學中的應用研究

摘 要：基于虛擬現實的高校教育模式能夠克服傳統教育方式的不是，提升學生主動探究，主動參與的意識，進而增強其學習興趣，培養其綜合素質。

關鍵詞：虛擬現實；素質教育；計算機教學；教育創新

中圖分類號：G643.1 文獻標志碼：A 文章編號：1002-2589（2014）05-0195-02

傳統的基于信息技術的學習環境往往將視頻、圖形與文本等元素綜合起來，而虛擬現實技術則為學習者構建了三維真實模擬的認知環境?；谔摂M現實的教學模式能為學習者結合具體的課程模擬出逼真的虛擬世界場景，學生沉浸在場景和環境中，通過與虛擬環境進行互動，來實現對知識的探究，輔以自己的觀察、同伴的參與以及教師的引領和評價，實現自主動式的學習與認知探索，從而為其綜合素質的培養構建更加理想的教育環境。

一、虛擬現實系統的結構

虛擬現實結合計算機硬件與軟件的集成，為體驗者/用戶模擬出實時的逼真環境。這種環境最大的特點是能夠與用戶進行實時互動，借助多種類別的傳感單元，充分結合人類的視覺、聽覺和觸覺，為其構建出身臨其境的真實場景，該場景能夠實時對用戶的行為做出符合邏輯的響應，從而增強用戶的真實感和沉浸感。虛擬現實技術是基于信息技術和圖像處理技術的全新技術體系，能夠構建完全模擬真實世界的三維環境空間?？梢詫⑻摂M現實技術概括成“為體驗者構建各種信息感覺的高級用戶界面”。

一個基本的用虛擬現實系統的結構由以下幾個模塊組成：用戶信息檢測模塊：接收來自用戶的指令，指令的形式可以是鼠標點擊、鍵盤、語音甚至動作與眼神，檢測模塊接收并翻譯識別指令之后，將其體現在虛擬場景中，從而使虛擬場景可以結合用戶具體指令進行變化。傳感單元模塊：該模塊在邏輯上是雙向的，既能夠協助用戶完成對于模擬世界的感知，又能夠接收用戶的操作指令信息，并將其作用于虛擬現實系統?？刂茊卧K：由其中嵌入的CPU單元實現對傳感器的控制，同時為用戶生成可感知的虛擬環境。建模單元模塊：以圖形處理技術和矢量運算技術，在CPU的控制下為用戶構建逼真的外部環境感受。3D顯示單元模塊：以高性能的顯示還原技術，在屏幕或者用戶眼罩/頭盔等感受界面上還原出模擬真實世界的視覺形象。

二、虛擬現實技術的特征

虛擬現實技術的主要特點包括以下三點。沉浸感特征：體驗者在借助傳感單元傳來的視覺、聽覺、觸覺等消息而進入虛擬世界時，虛擬現實技術可以在最大程度上以圖像技術和高分辨率顯示技術為其還原出某種真實世界的場景，使體驗者能夠以一種真實世界的感覺來感知周圍的環境，沉浸在環境中。交互性特征：在虛擬現實的環境中，場景中的所有元素均能夠接受體驗者發出的行為，并產生于現實世界以及邏輯上均合理的反饋和響應。構想性特征：虛擬現實技術所構建的逼真世界由于其實時性和交互性，能夠通過用戶的感知，使之獲取與真實世界盡可能相同的各種感受。

三、虛擬現實在遠程計算機教育中的應用

遠程教育的硬件部分只要求具備多媒體計算機和網絡，主要闡述其軟件的實現。遠程教育是當前教育領域的發展方向之一，然而由于學生難以直接接觸到教師以及教具，因此在教育效果上造成一定的影響，基于虛擬現實技術的遠程和教育模式可以為學習者構建一個逼真而生動的學習場景，從而使其真正參與到環境中，對教育效果的提升是不言而喻的。

選取計算機課程的遠程教育模式，由于計算機課程往往涉及實驗，通過虛擬現實技術，能夠使遠程教育的學習者充分體驗到與面對面教學相似的效果。計算機實驗是遠程教學內容中實現的難點，而基于虛擬技術的教學系統能夠構建一個仿真度極高的虛擬實驗室，一方面克服由于遠程教學而難以實現的實驗體驗，另一方面也能夠克服因為設備或者條件的不足而難以實現某些實驗的困難，同時還能夠在很大程度上節約成本，且實驗的時間和地點均擺脫了環境的影響。本文在闡述虛擬現實裝備應用時，專門選取遠程虛擬教學的實驗室開發過程進行論述，引入的開發環境是Flex技術，主要的工作涉及兩個大的方面，一是學習者在遠程網絡的對端實現對所構建的實驗室的漫游，另一個方面則是如何逼真地展示實驗中所需的器件結構。

（一）實驗室漫游的設計與應用

在基于Flex的開發模式之下，虛擬實驗室漫游的設計方法是：以Builder3環境所提供的三維引擎構建一個實驗室形體的雛形，接著結合實驗室的具體配置對該雛形進行貼圖操作，然后定位Camera參數的具體坐標，遠程學習者則能夠以鼠標的移動和點擊來控制Camera所呈現的具體角度，實現實驗室的全方位漫游。

實驗室漫游的關鍵技術在于對實驗室全景圖的合成。只有將全景圖作為貼圖，才能得到真實的具有實驗室紋理的立體模型。這里的“全景”值是通過全景攝影方式或者虛擬實景方式得到的實驗室環境的靜態圖像。在虛擬實驗室的設計中，對于全景圖的類型可以是圓柱型，也可以是立方體或者球型等。如果以圓柱型實現的話，基本思路是設計者順著圓柱形坐標的x軸，通過鼠標移動與點擊的方式來顯示實驗室全方位的場景，這種方法的不足之處在于操縱者難以對上下角度進行全方位的視野觀看；如果以立方體型實現的話，由于立方體具有6個面，因此操作者能夠將虛擬的視點置于立方體的最中心，通過對6個面的觀看來模擬置身于真實的實驗室中；如果以球型實現的話，由于球型不存在銜接的問題，因此也需要圖片之間的過渡屬于自然過渡，這時候便需要借鑒圖像處理軟件進行圖像處理；如果以對象型實現的話，則事先應以一個位置固定的設備，以全方位的角度對圖像素材進行拍攝。而一般照相機的取景視角是難以滿足這個要求的，并且如果得到了視野寬度足夠的場景，則由于像素的數目是一定的，則圖像的分辨率便不夠高，這就涉及到對圖像的分期拍攝和拼接。

在得到圖形對象的圖片素材之后，還應引入圖像處理方法對選擇的圖片進行進一步的處理，包括拼接和裁剪等等，較為常見的處理算法包括特征點匹配法以及區域匹配法等等。在圖片素材的拼接中，如果兩幅圖像出現了重疊之處，則以Photoshop的merge方法把中諜區域設置為透明；而假如參與拼接的圖像存在偏差，則通過Photoshop的“圓柱映射”進行調整，最終實現圖像的拼接。

（二）計算機器件虛擬模型的設計與應用

計算機實踐課程涉及硬件安裝、內存條插拔以及主板設置等內容，器件模型的展示是虛擬現實在遠程教育中的另一個重點。本文在引入Flex軟件的基礎上進行闡述。

3DSMAX軟件能夠支持設計者進行各類建模方式，包括多邊形建模建模、面片建模等等，這些方式可以提供實驗室的虛擬場景，并且構建各類所需的計算機元件模塊等，建模成功之后，通過色彩處理和材質處理，便能夠為模型增添色彩屬性以及光澤、紋理等特征，使之在最大限度上逼近真實的事物。為了提升系統的易用性和操作效率，在建模過程中應盡可能使文件體積減小，并且盡量減少模型中多邊形的使用個數，以達到高效的目的。

在構建的過程中必須保證模型的真實性，器件內部也必須結合器件的真實數據進行等比例設計與實現。器件模型以3DSMax軟件進行設計，基于此軟件的設計方式包括多種，并且均有著比較好的效果：例如陣列法，陣列發比較適合于器件中所包含的元件均分布于器件表面的模型設計，還有一種設計方法叫作角度確定法，第一步先確定所設計器件內部的各個角度，再通過調整，最終設計出形象而準確的器件模型，這種方法適合于對一些結構相對較為簡單的器件的設計；如果器件的結構屬于對稱型，則首先以軸線方向對分析進行分解，以上文介紹的陣列法構建出器件的一部分，再以3dsMax軟件的復制功能構建出其他部分，進行角度旋轉之后進行組合即可。在構建了器件的基本結構之后，還應結合具體的環境和材質對其進行顏色以及質感的設計，因此還需使3DSMax的貼圖功能，該功能一方面能夠進一步提升所構建的器件模型的真實感，另一方面則能夠在很大程度上減少模型多邊形數量，使渲染速度大大提升。以3DSMax構建出的文件與Papervision3D是不想兼容的，所以還應把3DSMAX格式的文件進行轉換，使之成為DAE文件。但是眾所周知的是3DSMAX是不支持DAE文件的導出，所以此時應該以ColladaMax插件協助導出為DAE格式的文件。

基于虛擬現實技術的遠程教學，最重要的便是實現學習者和虛擬實驗室的人機交互，由于教學和實驗均是基于網絡的，所以人際的交互主要媒介便是計算機的鼠標以及鍵盤，設計兩個“類”結構實現鍵盤鼠標的人機交互處理，其中與鍵盤的交互類是events.Keyboard，與鼠標的交互類是events.Mouse。在基于Flex的虛擬現實實現中，可以結合學習者的操作來設計相應的實驗元件的變化，包括旋轉，移動等等。通過調用基于Flex所提供的move Forward方法，同樣能夠使構建出的元件模型移動。遠端的學習者只要通過鼠標和鍵盤，就能在虛擬實驗室里對以其、元件進行操作，從而完成一次逼真度極高的實驗，從而以虛擬現實的方式為遠程學習的學生提供逼真的感性材料，培養學生的創新能力。

四、結語

高等教育必須能夠為學生的素質提升和能力提升打下堅實的基礎。隨著虛擬現實技術的研究與發展，其在教育行業的應用必將愈加深入。基于虛擬現實的高校教育模式，能夠克服傳統教育方式的不足，提升學生主動探究、主動參與的意識，進而增強其學習興趣，培養其綜合素質。引入虛擬現實技術的教學必將帶來教學效果和教育質量的顯著提升。

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（責任編輯：宋 佳）