基于VR技術的實時交互式虛擬教室關鍵技術研究

程少良

摘要：傳統的教育方式時間固定、地點固定，時間性和空間性相對固定，隨著電子技術尤其是虛擬現實技術的發展，有望打破這一規律。提出基于VR技術的實時交互式虛擬教室設計構想，設計了可實時交互式的應用VR技術的虛擬教室，通過搭建硬件環境和配置軟件資源，構建了不依賴于固定時間和限定地點的虛擬教室，能夠讓學生有身臨其境的感受，師生間也可以有效互動。經實驗測試，這種應用了VR技術的實時交互式虛擬教室達到了替代真實教室的效果。

關鍵詞：VR技術;實時交互式;虛擬教室;環境創設

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0213-02

VR（Virtual Reality Technology）又稱虛擬現實技術，它依托于計算機強大的仿真建模能力，構建出一個虛擬的三維空間，在這個三維空間[1]中可以放置現實中的一切東西，在視覺、聽覺、觸覺甚至于嗅覺等感官體驗上達到身臨其境的效果。虛擬現實技術[2]涵蓋了計算機仿真、圖形處理、3D顯示、多傳感器融合、綜合信息處理等若干前沿科學，是人工智能領域的最新研究成果。在虛擬現實技術的應用模式上，游樂園、多維體驗廳、互虛擬動游戲等專業消費場所已經形成。虛擬現實體驗廳成本低，占地面積小。近年來，國內市場如雨后春筍般發展起來，并已在大型商場和辦公樓開放。虛擬現實技術可以通過動畫或現實生活拍攝向客戶再現房產信息，更直觀、更真實，能夠吸引客戶的興趣。通過引入虛擬現實技術醫學治療可以實現遠程的診斷和檢查，醫學教學可以更直觀地展示人體內部構造和疾病成因，為醫療方式的變革提供了技術基礎。虛擬現實應用在旅游中可以增加游客的體驗，顛覆傳統的旅游方式，利用互動平臺在虛擬景物中，實現漫游瀏覽和人文歷史全覆蓋的導游講解。

教育領域作為傳播知識的重要陣地，依托于虛擬現實技術成熟的技術和廣泛的應用，已經具備了實現虛擬教育的條件，數字的虛擬教室[3]將成為一種發展方向。虛擬現實技術搭建的教室，能夠將學生的各個感官調動起來，可以全方位顯示視頻圖像和圖片，可以感受到學習的內容，其真實性達到了前所未有的高度。這是傳統的教學方法無法企及的。

1 實時交互式VR虛擬教室建設方案

1.1 配置實時交互式VR虛擬教室建設所需的軟件環境

將虛擬現實技術應用于網絡教學和遠程教育中，虛擬教室可以為學習者提供一個開放互動的教學平臺，既可以實現突破傳統教育模式在時間、空間上的限制，擴大教育教學的空間范圍和規模，又可以保證充分的教學互動，讓學生就像在教室中那樣不懂就問，提高了教學的目的性和接受質量。反過來，教師可以在實時交互式虛擬現實教室中，觀察學生的反應，了解學生的領會程度，以便有針對性的實施教學動作，對每一位學習者的學習效果都可以全程掌握，還可以查找歷史記錄，方便剔除薄弱點。教師可以發起在線考試，對學生的學習效果進行測試、打分，并由計算機分析處理得到學生的綜合分數，實現學習者學習情況的評價。

建設一個實時交互的虛擬現實教室，需要準備開發工具和軟件素材庫以及場景生成等一系列軟件，常用的工具軟件有3DMAX、Creator、VEGA等，此外還需要教室模型、教具數學建模和數字化教材等功能軟件。3DMAX是一款常用的三維建模軟件，可以對場景進行渲染以獲得更加真實的效果，主要功能是構建出實時交互式VR虛擬教室中所需要的各種物品和設施[4]，因此在虛擬教室的建設中優先選用3DMAX作為教室模型的開發工具。

VEGA是一款視覺模擬軟件，可以支持多種數據格式，尤其是提供高效的CAD數據接入和格式轉換功能，其提供的界面簡潔、兼容、易用且穩定，并且具有完整的C語言應用程序接口，具有良好的人機交互性[5]。因此在設計中應用VEGA完成虛擬現實的實時視覺模擬功能。

1.2 配置實時交互式VR虛擬教室建設所需的硬件環境

虛擬教室的硬件環境包括教師端設備和學生端設備，以及通信處理控制設備。

教師端硬件設備主要包含視頻采集設備、聲音采集設備、立體顯示設備、調用教具控制設備等。側重點是真實的語音、動作、神情捕獲能力和無損壓縮傳輸能力，另外還需要考慮各種教具模型的快速調用與展示。

學生端硬件主要包括頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設備和立體聲音輸出裝置、力反饋傳感器、位置/姿態傳感器、肢體動作感應手套、觸覺傳感器、身體運動數據采集設備、語音識別模塊、接口控制器、合成眼球運動檢測器以及數據處理器等設備。

信息交互功能依托寬帶互聯網，但是要求傳輸速率不能低于50Mb/s。

2 實時交互式虛擬教室建設實施方案

2.1 收集建設實時交互式虛擬教室所需的資料和數據

在創建實時交互式虛擬教室之前，必須完成信息收集和整理等準備工作。首先根據虛擬教室的功能需要，選擇不同的精度和分辨率作為教室場景。在這個階段，需要收集和處理的數據主要有：教室的立體模型、教室裝飾的布局、各功能模塊的外觀、仿真桌椅大小和其他物體的擺放位置方案等。有了虛擬教室的空間特征信息后，還需要對教師中所有物品的顯示效果進行材質渲染。例如：采集物體的材質特征、紋理和特效，處理場景的特殊要求，增強模型的光照顏色飽和度等。

2.2 搭建實時交互式虛擬教室環境

搭建實時交互式虛擬教室的環境分為兩方面工作內容，一是網絡環境的構建，實現信息交互的網絡通信功能;二是建立實時交互式虛擬教室的三維模型，作為虛擬教室的環境背景。分布式虛擬網絡環境的建立主要依靠對現實的高還原度模擬以及寬帶網絡，高還原度模擬實現了場景的電子化搬移與重建，寬帶網絡為大數據量的實時傳輸提供了技術保障，這種實時的、可交互的、全沉浸式的非面對面交流才能得以實現。通過使用頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設備和立體聲音輸出裝置等硬件設備，模擬環境中集成了視覺、聽覺、觸覺和身體感覺，從而使人們能夠通過身體生物的感知系統與計算機電子系統構建的虛擬場景進行交互。分布式虛擬網絡環境的創建為學習者提供了一個情境學習環境，在這個環境中學習者可以感受到虛擬場景和人機交互的樂趣。主要流程如圖1所示：

實時交互式虛擬教室中的三維建模是為實時交互式虛擬教室環境中的設施建立三維模型，包括桌子、椅子、人、黑板以及在這個虛擬世界中可能遇到的所有物體。使用Creator構建所需的實體模型，選擇3DMAX作為主要開發工具，然后渲染場景以增強其逼真感。

首先是課堂內學習和教輔器具的建模。對常規教室中應該有的家具建立數學模型，如講臺、黑板、桌椅等設備和設施，應用3DMAX建立三維模型，然后將這些三維模型分別擺放到教室的適當位置;其次，對運動物體建立數學模型;最后，將學習場景作為背景建立數學模型。

為了逼真還原教室的場景，達到身臨其境的效果，需要注意對細節的處理和渲染，令人感覺不到實在一個數字化的虛幻之中，用細節的真實性將人帶入一個實實在在的課堂之上。

以上步驟是對虛擬教室的教學主體進行了構建，這些構建好的模型，需要在特定的場景中呈現，這就需要構建背景環境，比如，流水潺潺的河邊，亦或青草層疊的山坡專業實時場景驅動工具VEGA可以輕松完成三維模型和窗口可視化展示。只需要將教室的場景、教師與學生的虛擬位置以及視角方向以及光線角度等參數調入，即可完成交互式虛擬教室的建設。VEGA工具同時可以調用立體視覺等傳感器工具，完成人機交互操作體驗。

2.3 實現的基于VR技術的實時交互式虛擬教室

在創建上述虛擬環境之后，整個系統中集成了涉及的軟件和硬件資源。這些資源協同工作還需要接口設備提供一個平臺。

接口設備的功能是將實時交互式虛擬教室中的硬件設備連接到一起，使其能夠協同工作的專用計算機。頭戴式立體視頻顯示器、三維場景生成顯示設備和立體聲音輸出裝置等傳感器設備和顯示設備，其物理接口形制多種多樣，信號定義五花八門，接口設備需要將這些外部設備連接起來，還需要提供一個軟件平臺，將這些設備中的信號進行時間同步，再傳送給相應的輸出設備。例如，將教師的聲音和手勢以及數字教具模型的展示動作同步播放，在學生的頭戴式立體視頻顯示器中顯示的是教師的手勢和數字教具模型的展示過程，而耳機中發出的是教師的同步講解，觸覺力反饋終端上傳來的是數字教具模型柔軟的觸感，這樣才算是實現了實時交互式虛擬教室基本作用。為實現人機交互的環境提供保障。虛擬環境的集成首先是在計算機中實現分布式虛擬網絡環境，其次是將三維實體模型和虛擬場景集成在一起。這些關鍵技術元素實現了關聯和交互[6]，并最終以可執行程序的形式提供給學習者。

三維實體模型、虛擬場景和分布式虛擬網絡環境，三種要素的相互作用，及時地從虛擬環境中獲得反饋，虛擬現實技術可以讓參與者在虛擬環境中實現對虛擬環境的實時操控，進而了解自身狀態等相關數據。實現在實時的情況下可相互交互的虛擬教室教學行為。

3 實驗驗證分析

為驗證提出的基于VR技術的實時交互式虛擬教室的性能，進行實驗驗證，采用相同基于VR技術的虛擬教室，不具有實時交互式的類型進行對比實驗。為保證實驗的嚴謹性，采用傳統教學方法作為實驗論證對比，對教學質量度進行統計。其實驗驗證結果曲線如圖2所示。

圖2中虛線代表不具有實時交互式的VR技術虛擬教室的教學質量，實線代表具有實時交互式的VR技術虛擬教室的教學質量。其中教學知識吸收程度代表Y軸，教學時間代表X軸。其Y越高則證明吸收程度越高。則根據上圖分析可以得出，在相同時間長度下具有實時交互式的VR技術虛擬教室的教學質量占有明顯的優勢，特別當教學時間大于30分鐘之后，教學內容的吸收程度已經開始超過不具有實時交互式的VR技術虛擬教室的教學內容吸收程度。因此，在使用VR技術虛擬教室的教學過程中，要采用具有實時交互式的VR技術虛擬教室，才能擁有更高的教學成效。

4 結束語

現代電子技術的高速發展促成了各種原本不可想象的夢想變為現實，VR技術的應用將枯燥、乏味的課堂變成了可自由探究的學習天堂，拜托了時間、空間、地域乃至內容的限制，為古老的教學行為提供了一種全新的平臺。但是，虛擬教室的體驗還要深入，教學效果的提升還需要高科技成果的注入，這些都是教育工作者和科技工作者共同持久研究的課題。未來，還將在課件資源、教材數據庫的豐富性方面加大投入，讓這種實時交互式的虛擬教室在教學中發揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 朱福軍，鄭萌，顧倩頤.VR技術視角下課堂學習環境革新與重構[J].中國教育技術裝備，2017（2）：43-45.

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[3] 徐愛春.基于HTML5的實時交互式虛擬教室關鍵技術研究及實現[J].計算機時代，2017（9）：16-18.

[4] 田博.探討3DSMAX在虛擬現實構建中三維模型建立的方法和技巧[J].中國管理信息化，2017，20（14）：133-134.

[5] 王曉光，蔣拓，劉穎.基于云技術的C語言課程教學模式改革與探索[J].教育教學論壇，2016（33）：281-282.

[6] 藺薛菲.虛擬現實三維場景建模與人機交互應用技術研究[J].藝術與設計（理論），2017（4）：100-102.

【通聯編輯：張薇】