基于人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)

陳春鐵

摘 要 文章首先分析了基于人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，從功能層面進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)傳統(tǒng)課堂做出反思。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析人機(jī)交互中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)中的應(yīng)用，以及設(shè)計(jì)研究中需要重點(diǎn)完善的功能層面，幫助全面提升系統(tǒng)運(yùn)行效果，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更好的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】人機(jī)交互 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真 教學(xué)系統(tǒng)開發(fā) 平臺(tái)構(gòu)建

1 基于人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

1.1 增強(qiáng)課堂教學(xué)的感官體驗(yàn)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)，能夠模擬出真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景，并在教學(xué)期間通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)對(duì)真實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建仿真，為學(xué)生帶來(lái)更直觀更真實(shí)的體驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的課堂教學(xué)內(nèi)容過(guò)于枯燥等問(wèn)題，豐富學(xué)生在課堂上的感官體驗(yàn)后，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也會(huì)有明顯提升，為接下來(lái)各項(xiàng)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行建立穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)境。感官體驗(yàn)是增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與知識(shí)掌握程度的必備條件，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)習(xí)接觸到的知識(shí)內(nèi)容較為單一，引入虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)平臺(tái)后，學(xué)生與教師之家的互動(dòng)也得到增強(qiáng)，教學(xué)促進(jìn)效果明顯。

1.2 提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率

應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)后，能夠在課堂上向?qū)W生分享不同類型的學(xué)習(xí)資源，充分刺激學(xué)生記憶感官，知識(shí)點(diǎn)記憶的扎實(shí)程度也因此得到提升。僅僅依靠機(jī)械式的練習(xí)與背誦學(xué)習(xí)效率并不明顯，導(dǎo)致學(xué)生處于疲勞學(xué)習(xí)狀態(tài)下，學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)只能形成短時(shí)間印象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后便會(huì)忘記。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)后，這一問(wèn)題得到解決，課堂中通過(guò)仿真軟件來(lái)向?qū)W生展現(xiàn)豐富有趣的學(xué)習(xí)資源，包括圖片、視頻等多種模式，知識(shí)點(diǎn)整理也更清晰簡(jiǎn)明，不但減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，同時(shí)也更有利于學(xué)生形成深刻的印象，牢牢掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

2 基于人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)中首先需要進(jìn)行硬件組成確定，根據(jù)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行的具體硬件需求來(lái)進(jìn)行差異性選擇。信號(hào)接收器，用于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的指令控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)課件通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)顯示。數(shù)據(jù)手套，佩戴后可以將手勢(shì)動(dòng)作捕捉轉(zhuǎn)存到系統(tǒng)平臺(tái)中，手勢(shì)識(shí)別是教學(xué)軟件中實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的具體部分，關(guān)系到最終的教學(xué)軟件應(yīng)用效果。立體眼鏡是每個(gè)學(xué)生都需要佩戴的，通過(guò)立體眼鏡可以觀看到近似于真實(shí)的仿真效果，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)互動(dòng)。硬件設(shè)備功能水平則需要根據(jù)具體的教學(xué)任務(wù)來(lái)進(jìn)行比配選擇。硬件設(shè)備同時(shí)也是軟件功能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)載體部分，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)，接下來(lái)軟件功能實(shí)現(xiàn)也能更高效進(jìn)行。

2.2 軟件設(shè)計(jì)組成

所應(yīng)用的軟件組成包括DivisionMockup2000i2、RapidVRM、Trackd、Pro/E。將所需要的各個(gè)軟件構(gòu)建成為如下子集，從而實(shí)現(xiàn)軟件與硬件系統(tǒng)之間的相互交換，并建立如下的系統(tǒng)組成流程圖（見圖1）。在該系統(tǒng)中存在人機(jī)互動(dòng)環(huán)境，將動(dòng)作捕捉到虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)中，所追蹤得到的參數(shù)需要進(jìn)行再次整合運(yùn)算，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部處理來(lái)展現(xiàn)在顯示屏幕中，并與現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作保持一致，這樣的環(huán)境下所進(jìn)行的各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部控制模型構(gòu)建，軟件組成按照?qǐng)D中的功能實(shí)現(xiàn)流程來(lái)進(jìn)行，現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中還需要體現(xiàn)出硬件與軟件關(guān)于功能上的配合形式。系統(tǒng)啟動(dòng)后軟件部分會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，并對(duì)最終所得到的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行整合計(jì)算，達(dá)到教學(xué)任務(wù)所需要的標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模

實(shí)現(xiàn)該技術(shù)首先需要進(jìn)行三維建模，為接下來(lái)的系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)用建立是適合的視覺(jué)平臺(tái)效果。三維建模需要在系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行，觀察所需要的各類功能，以及在功能基礎(chǔ)上需要繼續(xù)深入構(gòu)建的數(shù)據(jù)資源。按照接下來(lái)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)建模處理，按照?qǐng)D2中的流程圖構(gòu)建程序運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)不同流程同樣需要在數(shù)字建模基礎(chǔ)上來(lái)開展，根據(jù)信息數(shù)據(jù)傳輸中的指令需求來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的傳輸端口對(duì)接，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷的現(xiàn)象。面對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸量在三維建模中也要做出明顯區(qū)分，觀察各個(gè)端口中所需要繼續(xù)深入完善的功能。三維模型建立更要結(jié)合object_adapters_11.0軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)功能操作控制，構(gòu)建出現(xiàn)實(shí)中需要的三維場(chǎng)景。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是針對(duì)現(xiàn)實(shí)錄入與虛擬場(chǎng)景之間來(lái)進(jìn)的，根據(jù)教學(xué)軟件應(yīng)用中所產(chǎn)生的請(qǐng)求來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)接，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)需要外設(shè)軟件與內(nèi)部控制軟件同時(shí)配合完成。隨著外設(shè)設(shè)備中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)做出匹配，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為一種教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)可以識(shí)別的軟件，從而達(dá)到最佳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果。對(duì)于不同設(shè)計(jì)方案中所存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果，還需要結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)景來(lái)分析使用，達(dá)到內(nèi)部控制作用。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)所構(gòu)建出的場(chǎng)景是完全按照現(xiàn)實(shí)比例來(lái)處理的，因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)進(jìn)行也十分重要，關(guān)系到最終的設(shè)計(jì)理念，以及系統(tǒng)內(nèi)需要繼續(xù)深入完善的部分。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是單項(xiàng)進(jìn)行的，不僅要針對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程中共的程序設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行，更應(yīng)該體現(xiàn)出教學(xué)期間對(duì)軟件功能的使用需求，將數(shù)據(jù)處理成為教學(xué)期間所需要的內(nèi)容。選擇trackd.conf文件，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中自動(dòng)修復(fù)，并實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)換場(chǎng)景之間的相互交換，達(dá)到系統(tǒng)中的現(xiàn)實(shí)模擬效果。

3.3 操作識(shí)別與命令獲取

這對(duì)這部分功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，要建立起教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中獲取資源，使數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的資源更加全面。需要注意的是信息獲取安全性，以及使用中存在的安全隱患問(wèn)題，充分構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)的操作識(shí)別指令，并在命令獲取基礎(chǔ)上來(lái)啟動(dòng)相關(guān)功能模塊，教學(xué)任務(wù)開展期間才能充分利用系統(tǒng)內(nèi)部功能，完成相關(guān)指令構(gòu)建。圖3中的設(shè)計(jì)圖為單通道中的被動(dòng)立體顯示原理圖，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)控制指令，采用單通道的模式來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制原理構(gòu)建，豐富控制指令達(dá)到更理想的運(yùn)行使用效果。設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)要考慮轉(zhuǎn)換部分的數(shù)據(jù)處理能力，是否能夠達(dá)到最佳使用效果，避免實(shí)際操作處理中出現(xiàn)運(yùn)行能力不足的現(xiàn)象，影響到最終的功能實(shí)現(xiàn)。操作識(shí)別與命令獲取均建立在單通道系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高效識(shí)別，從而轉(zhuǎn)換成為相關(guān)命令指令。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該技術(shù)可以對(duì)真實(shí)世界的行為活動(dòng)進(jìn)行仿真，并對(duì)用戶的位置、姿態(tài)、語(yǔ)言等做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，借助一些交互設(shè)備可以使參與者以接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，從而使參與者和虛擬環(huán)境之間建立起實(shí)時(shí)的交互關(guān)系，產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境中相似的感覺(jué)體驗(yàn)，將其應(yīng)用在教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建開發(fā)中，可幫助營(yíng)造出高效學(xué)習(xí)環(huán)境。

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