基于偏振式3D的立體虛擬現實課件設計與開發*
——以“計算機組裝與維護課程”為例

邱飛岳，李瑞星，陳宏

（浙江工業大學教育科學與技術學院，浙江杭州310023）

基于偏振式3D的立體虛擬現實課件設計與開發*
——以“計算機組裝與維護課程”為例

邱飛岳，李瑞星，陳宏

（浙江工業大學教育科學與技術學院，浙江杭州310023）

虛擬現實技術在教育領域的應用逐漸被人們重視,基于虛擬現實技術的教學資源設計開始成為職業教育領域研究的熱點。當前基于虛擬現實技術的教學資源設計可以模擬并構建實物的三維模型，卻不能有效地體現教學資源在空間層次上的沉浸感和交互性。文章將偏振式3D立體虛擬現實技術應用于職業院校計算機組裝與維護課程的課件設計過程中，介紹了利用Unity3D軟件配合偏振顯示屏開發3D立體教學資源的方法，給出了相應的技術選型方案和開發流程，將3D立體教學視頻和3D立體教學實驗以課件的形式整合到一塊，對視頻教學和實踐操作進行了有機的結合。

偏振式3D；虛擬現實；教學資源

一、引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》提出要深入推進中等職業教育改革創新，加快培養高素質勞動者和技能型人才，這也對職業院校學生的實踐動手能力提出了要求。因此，能否提高職業院校學生的實踐動手能力成為職業教育教學急需解決的重點問題之一，而設計一種具有較強交互特征的學習資源是解決該問題的關鍵。由于3D立體虛擬現實技術可以提供一種實時的三維立體虛擬環境，使學習者可以完全沉浸在虛擬環境中，產生空間上的感知，因此將3D立體虛擬現實技術應用于職業院校教學資源的設計過程中，能夠增強學生學習興趣，提高學生參與度和實踐、創新能力，極大滿足了職業院校學生的內在學習需求，且與當前職業教育教學中注重學生創新實踐能力的觀點兼容,具有較大的理論研究價值和社會應用價值。

目前3D立體效果的實現方式主要有紅藍眼鏡、主動式3D和偏振式3D三種。其中，紅藍眼鏡成本低廉，但由于其呈現色彩有限，因此畫面色彩還原度不高，不能滿足一般用戶的需求。主動式3D是透過眼鏡本身的主動運作來達成3D立體效果，其優勢是可以完全還原圖像的分辨率，但是需要配套設備的支持，成本昂貴且會出現畫面閃爍等問題，增加用戶眼睛負荷。偏振式3D技術可以很好的解決紅藍眼鏡無法重現原本圖像色彩的缺點，同時隨著偏振顯示器技術的發展，其價格不斷下降，成本也得到了有效控制。為了還原圖像原本的色彩，減少設備成本以及降低教學資源制作的難度等，本文以職業院校計算機組裝與維護課程為例，采用基于偏振式3D立體虛擬現實技術實現教學資源的設計與開發。

二、國內外研究現狀

虛擬現實技術是指通過計算機將現實環境編制到計算機中構成三維空間，并通過多種專用設備使得用戶在視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種感官上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺[1]。

當前虛擬現實技術在職業教育領域的應用已經有了一定的發展。王金崗對虛擬現實技術的內涵及特征進行深入分析,提出虛擬仿真實踐教學設計的5個步驟,優化了實訓教學的環境,提高了實訓教學的效益,拓展了頂崗實習的空間,促進了學生全面發展[2]。劉穎針對電子類專業職業教育的培養目標，將虛擬現實技術應用于電子類專業職業教育，提高了學生實際動手能力的需要[3]。林康等人結合工學的教學特點，探討了應用虛擬現實技術實現實驗條件與實驗環境的途徑[4]。M.Travassos Valdez等人將桌面式虛擬現實技術用在遠程教育當中，為學生提供了足夠的學習空間，并使他們能更好的與設備進行交互[5]。徐素寧等人提出基于虛擬現實技術的實景圖像虛擬旅游系統，避開復雜的場景建模與繪制，實現了自然風景的虛擬觀光旅游[6]。M.Karkoub等人提出一個基于虛擬現實技術的互動管道檢測系統,使學生能夠識別管道的不同類型缺陷，降低實驗成本，提高學習效率[7]。Joseph Psotka將沉浸式虛擬現實技術應用于教育培訓系統的開發，加速學生技能學習，增強學生實際動手能力[8]。Joel C.Adams等人將虛擬現實技術用到計算機圖形學課堂上，并有效激發學生創造力和想象力[9]。

設計優良的教學資源對于職業教育教學的提高具有至關重要的作用，而具有良好交互性的虛擬現實技術可以極大滿足職業院校學習者在學習過程中的交互性學習需求[10]，因此，將虛擬現實技術應用于職業教育教學資源設計研究中，有利于進一步激發學生學習興趣，增強學習體驗。徐智仕等人利用虛擬技術建設三維實驗教學資源，模擬了教學實驗內容，加深學生對所學知識的印象[11]。饒躍東將虛擬現實技術融入網絡教學之中，使傳統的教學資源利用虛擬現實技術更加形象化、真實化地展示給學習者，使之能夠在虛擬世界中得到更佳的學習體驗[12]。王波等人提出立體視覺課堂輔助教學模型和四種適用于學校3D教學資源的建設方案，改進了教學手段，激發學生學習興趣[13]。A.Z.Sampaio等人將虛擬現實技術運用到建筑工程土木專業的學習資源設計中，以可視化的形式輔助學生實現更好的分析監控[14]。

通過對現有研究的分析，我們發現，虛擬現實技術在職業教育教學資源設計中的應用還處于三維仿真、模擬階段，沒有引入立體視差的概念，無法為學生提供一種空間感知的環境，學生對虛擬環境中模型的距離沒有感官上的刺激，不能很好的激發學生學習興趣。同時，目前基于虛擬現實的教學資源在設計上偏向于視覺呈現方面，在知識點整合與操作交互方面還有所欠缺。

為了解決這些問題，本文將偏振式3D立體虛擬現實技術引入職業教育教學資源設計中，解決學習資源在立體空間交互上的不足，加強學生實踐動手能力，同時將教學的知識點材料與虛擬現實環境有機融合，使學生從知識點學習到動手操作可以一步到位。

三、偏振式3D立體虛擬現實技術

1.偏振式3D立體成像原理

偏振式3D立體是根據光線的“振動方向”原理來組織原始圖像，利用偏振顯示屏，向觀看者輸送兩幅偏振方向不同的圖像。當圖像通過偏振眼鏡時，每只鏡片只能接受一個偏振方向的圖像，因此，人的左右眼就能接收兩組具有視差的圖像，再經過大腦合成，達到立體影像的效果[15]，如圖1所示。

圖1 偏振式3D立體成像原理

2.立體視差生成算法

對于立體視差的生成，本研究采用雙中心投影法，雙中心投影法在計算圖像對應位置的時候不會產生垂直視差，立體窗口是共面的，不會發生扭曲，并且最大水平視差是有界的，因此該方法的效果最為理想[16]。其原理是在顯示屏上選取兩個中心點，一個中心點Le對應左眼視圖，另一個中心點Re對應右眼視圖。如圖2所示。

圖2 雙中心投影法

Le與Re之間相差距離為E，投影的平面垂直于XZ平面，并且位于距離Z軸坐標D處。Le的坐標是（-E/2，0，0），Re的坐標為（E/2，0，0），可以得出P點的坐標（X0，Y0，Z0）的左右眼在立體窗口中的投影坐標分別是：

四、基于偏振式3D立體虛擬現實技術的教學資源設計與開發

在眾多教學資源的表現形式中，多媒體課件以其直觀性、靈活性、實時性、立體化的特點發揮著其他教學資源所無法替代的優勢[17]。本文以職業院校計算機組裝與維護課程為背景，針對計算機組裝與拆卸和計算機故障排查這兩個實訓部分的內容，設計開發了基于偏振式3D立體虛擬現實技術的多媒體課件。

1.偏振式3D立體教學課件設計

課件設計是對課件內容、呈現方式、教學理論以及課件使用技術等各方面的整體規劃。課件設計需要符合科學性、程序性、教學性、藝術性等原則，并遵循學生的認知規律與教學規律，因此課件設計是課程開發的首要任務[18]。本文的課件設計如圖3所示。

圖3 3D立體課件結構

（1）以演示為主的非交互式立體教學視頻

主要是錄制專業教師講解基礎知識信息的3D立體視頻，包括計算機組件的功能介紹、教師操作如何組裝的演示過程、計算機故障演示、計算機故障排除等。錄制的視頻經過后期的加工剪輯之后形成完整的3D立體技能教學微視頻。

（2）以操作為主的交互式立體教學模擬操作實驗

交互模塊主要包括計算機組件辨識模擬實訓、計算機組裝與拆卸模擬實訓和計算機故障排查模擬實訓，目的是通過互動的方式引起學生興趣，提高學生的投入度，并通過虛擬環境的模擬增強學生的實際動手能力。

計算機組件辨識模擬實訓部分，主要是讓學生在虛擬環境中認識計算機組件。學生可以通過鼠標多角度觀察屏幕上的組件及其詳細介紹，加深學生對計算機組件的認識。計算機組裝與拆卸模擬實訓部分，主要是讓學生通過鼠標去操作移動虛擬環境里的計算機組件，模擬計算機組裝與拆卸的過程。而計算機故障排查模擬實訓部分，主要是在虛擬環境中模擬計算機的故障狀態，學生通過聽聲音和模擬檢測，最終排查正確故障。

2.偏振式立體3D課件開發

基于偏振式立體3D的計算機課程教學課件開發主要分為非交互模塊開發和交互模塊開發，其實驗工具如下：

硬件設備：臺式機及其配套組件，臺式機型號為LENOVO THINKSTATION E32 VT；3D攝像機一臺，型號為HDC-TMT750GK；三腳架，型號為百諾A1682TB0。

軟件：PhotoshopCS4，AdobePremierCS4，3DMAX_2012, Unity3D_4.6.1f1。

圖4 3D立體課件開發流程

3D攝像機主要用來錄制教師講解的3D立體視頻，Photoshop用來處理采集的圖像信息，3DMAX通過對實物的建模最后導出可被Unity3D識別的模型格式，Premier用來處理采集的視頻信息，最后利用Unity3D進行最后的集成并實現交互。其開發流程如圖4所示。

（1）非交互模塊的開發

非交互模塊的內容主要通過3D攝像機拍攝完成。本研究所需的視頻素材主要包含專業教師教授的計算機硬件介紹、計算機組裝過程、計算機拆卸過程、計算機故障排查過程等。多媒體人員采集視頻素材后，利用視頻編輯軟件Premier進行后期剪輯。最后由技術人員通過Unity3D將處理好的視頻資料整合到課件中。

（2）交互模塊的開發

交互模塊包含計算機的組裝、故障排除、組件辨別等功能，主要涉及對實物的三維建模，行為腳本代碼的編寫，最后通過Unity3D控制立體視差的生成，形成一個完整的3D立體教學課件。

①三維實物的建模

建模的主要對象包含計算機主板、計算機各組件、實驗室場景及配套設施，本文依據華碩P6TSE主板及其對應配件為原型進行建模和后期渲染。

②腳本代碼的編寫

技術人員根據建模情況，為每個計算機組件編寫腳本代碼，包括計算機主板模型分層OnTriggerEnter事件，主板插槽與目標組件的碰撞事件等。以下代碼為內存條插槽的碰撞檢測代碼，主要是為目標添加碰撞檢測器，檢測目標是否發生碰撞需要。

③通過Unity3D控制視差生成

根據偏振3D原理，立體視差的實現需要模擬人左右眼所看到的畫面。在Unity3D的環境中，兩個攝像機可以模擬人的左右眼。人的左右眼間距大致為60mm，因此，我們設置左右攝像機的x軸的初始距離分別是-0.03 和0.03，并新建兩個plane來投射左右攝像機所拍攝的畫面，分別用來表示屏幕的左右兩個區域。再添加一個主攝像機來對兩個plane進行覆蓋。

偏振式3D立體教學課件設計的核心是對交互過程的控制以及理想視差的生成，通過核心代碼控制兩個區域中組件在拖動過程中產生的視差。當組件進行空間方向上的前后移動時，我們需要專門的公式來處理視差跟組件的縮放比率，使組件在負視差情況下進行相應的放大，并制造“出屏”效果；在正視差情況下進行相應的縮小組件，產生“內嵌”效果 。我們設組件的三維坐標為（x, y,z）,計算投影到顯示屏上點的縮放比例scale為：

其中h是我們假設攝像機到屏幕的距離，vidiconZ是攝像機的Z軸坐標，再根據立體視差生成算法，我們可以得出該組件投影到屏幕上的坐標為：

通過以上公式變換，我們得到了需要的左右眼的圖像組件坐標（XL,YL）、(XR,YR),同時也得到了該組件的縮放比Scale,根據這些條件，可以實現在鼠標移動操作過程中定位左右兩個攝像機拍攝區域組件的位置，然后根據鍵盤按鍵的方向，確定是否產生正負視差，最終整合成完整的偏振式3D立體教學資源。

四、結論

偏振式3D立體虛擬現實技術為學習者實現立體互動、空間感知的學習提供了條件，并為職業院校培養高素質勞動者和技能型人才創造了可能。然而，在職業教育教學資源設計過程中，設計合理、高效的教學資源來開展互動學習仍然是一項具有挑戰性的任務。本文將偏振式3D虛擬現實技術應用于職業教育教學資源設計工作中，為職業教育教學資源設計與開發提出了一種新的嘗試。學生利用偏振式3D立體教學資源進行學習，不僅可以感知學習場景的空間縱深度，還可以實現組件上下左右移動、放大縮小、360°全方位觀察等基本操作。且能通過鍵盤方向鍵來控制空間上的遠近操作，提高該課程的實際動手能力，激發學生的學習興趣。

教學資源有效性研究是考量職業教育教學質量的主要途徑，未來對于教學資源的研究，應在偏振式3D立體虛擬現實技術教學資源設計的基礎上，更加注重資源的有效性研究。

[1]Carl Machover.Virtual Reality[J].Computer Graphics and Applications,1994,14(1):15-16.

[2]王金崗.虛擬現實技術在高職實踐教學中的應用研究[J].中國職業技術教育,2011(23):76-80.

[3]劉穎.虛擬現實技術在電子類專業職業教育中的應用[J].職業教育研究,2011(10):165-166.

[4]林康,李金國,陶東婭.虛擬現實技術在工學結合教學中的應用[J].職業教育研究,2012(7):174-175.

[5]M.Travassos Valdez,C.Machado Ferreira,F.P.Maciel Barbosa.Distance Education Using a Desktop Virtual Reality(VR)System[J].EAEEIE Annual Conference(EAEEIE), 2013(24):145-150.

[6]徐素寧.虛擬現實技術在虛擬旅游中的應用[J].地理學與國土研究,2001(17):92-96.

[7]M.Karkoub,M.G.Her,J.M.Chen.Design of an interactive pipeline inspection VR system[J].Computer Applications in Engineering Education,2011,19(4):814-825.

[8]Joseph Psotka.Immersive training systems:Virtual reality and education and training[J].Instructional Science, 1995(23):405-431.

[9]Joel C.Adams,Joshua Hotrop.Building an Economical VR System for CS Education[J].Acm Sigcse Bulletin2008,40(3):148-152.

[10]Gomes C,Caldeira H.Virtual learning communities in teacher training[C].Proceedings of International Conference on Education,Innovation,Technology and Research in Education.IADAT,International Association for the Development of Advances in Technology,2004:82-85.

[11]徐智仕,何玲,王歆婷,等.基于虛擬現實技術的三維實驗教學資源建設[J].教育學術月刊,2012(6)：105-107.

[12]饒躍東.基于虛擬現實技術的校園網絡教學建設探討[J].科教導刊,2012(36):84-85.

[13]王波,邱飛岳,黃亞平.課堂中3D立體教學資源的建設[J].中國教育信息化,2011(6):48-51.

[14]A.Z.Sampaio,P.G.Henriques.Virtual Reality technology applied in Civil Engineering education[J].Current Developments in Technology-Assisted Education,2006: 151-155.

[15]Kaan Aks,et.Portable 3D Laser Projector Using Mixed Polarization Technique[J].Display Technology,2012,8 (10):582-589.

[16]周印,謝叻.虛擬現實場景中立體視差生成算法的研究[J].計算機仿真,2005(12):186-190.

[17]張又良.課堂多媒體教學課件體現“四個性”[J].科教文匯,2014(3)：48-50.

[18]克依蘭·吐爾遜別克.淺談多媒體計算機輔助教學課件設計與制作[J].計算機光盤軟件與應用,2014(1)：173-174.

（編輯：魯利瑞）

G434

：A

：1673-8454（2015）16-0059-04

全國教育科學規劃課題教育部重點項目“工作過程導向的項目課程教學設計及其網絡學習環境研究”（編號：DCA090318）。