基于虛擬現實技術的高校在線實驗教學平臺設計

段汝林

(廣東青年職業學院 計算機工程系， 廣東 廣州 510545)

0 引言

實驗教學是整個教學模式中至關重要的一部分，有助于提高學生解決實際問題能力以及操作動手能力。在眾多教學科目中，尤其是理科教學過程中，常常使用實驗教學作為基礎，提高教學的趣味性，加強學生對教學內容的記憶。但是目前高校教學設備并不完善，導致許多實驗難以實行，尤其是難度較大、內容較為抽象的物理、化學類實驗在現實場景下不能具體實行，阻礙了學生實踐學習[1-3]。

虛擬現實技術融合數字圖像處理、人工智能技術以及多媒體技術，可以構建一個虛擬而真實的人工場景，使用計算機生成虛擬環境，雖是虛擬的場景卻能反映真實情境[3-5]。虛擬現實技術通過交互使用戶產生身臨其境之感，目前廣泛應用于影視娛樂、醫學、軍事、航空、設計、教學等領域[6-8]。

為提高實驗教學的交互性能，提出了基于虛擬現實技術的實驗教學平臺，并通過仿真實驗分析了其性能。

1 虛擬現實技術高校在線實驗教學平臺

1.1 平臺體系結構

設計虛擬現實技術的高校在線實驗教學平臺的設計目的是構建一個為實驗教學服務的虛擬實驗環境，該虛擬場景中除去實驗室整體環境還包括實驗設備和元器件。實驗教學平臺總體結構,如圖1所示。

圖1 實驗教學平臺結構體系

實驗教學平臺結構體系主要分為兩部分，服務器端和客戶端。服務器端主要包含Web服務器與數據庫服務器，共同實現平臺應用功能[9]；數據庫服務器又由文件數據庫、虛擬原件庫與文件庫管理維護共同組成；客戶端主要負責實現虛擬實驗教學，構建實驗教學的虛擬環境，由眾多虛擬實驗運行模塊組成。

實驗教學平臺工作流程如下：統一資源定位符指定Web服務器接受通過瀏覽器的客戶端提出的HTTP請求服務申請，通過HTTP協議Web服務器將鑲嵌HTML用戶程序軟件上傳到瀏覽器，瀏覽器內運行客戶軟件，生成客戶端與虛擬實驗教學界面之間的連接口，在虛擬實驗教學界面通過各模塊提供虛擬實驗環境，實現交互協同。服務器指定的端口與通信端口通信連接數據庫，得到信息數據，經Web服務器把文件資料傳遞給用戶，瀏覽器輸出客戶端接受的文件信息。

1.2 虛擬交互功能實現

虛擬交互模塊工作流程,如圖2所示。

圖2 虛擬交互模塊工作流程

利用3DMax和VRML工具中的仿真工具完成實驗教學平臺的實驗教學場景仿真，3DMax工具對實驗教學場景模擬并將結果反饋，將模擬與反饋結果實行解算并輸出，傳遞至驅動功能中，驅動功能對場景渲染，將結果傳遞至顯示場景，同時顯示場景功能接受實時采集的實驗教學信息，顯示出所搭建的實驗場景，生成具體的實驗操作教學場景。

1.2.1 虛擬場景建立

設計實驗教學平臺目的是構建一個交互式的虛擬實驗環境，也就是在該平臺中模擬出真實的實驗儀器和實驗設備，儀器設備的形狀與實際相同，在質感、形態、光照等方面達到逼真的效果。將3DMax與VRML工具結合起來實現交互[10]。在實驗教學平臺中，假設數個對象共同組成真實實驗室，由多邊形擬合出對象的外部幾何形狀，賦予多邊形光照和材質效果，提升對象的真實感。虛擬場景建模過程,如圖3所示。

圖3 虛擬場景建模過程

1.2.2 虛擬交互實現場景旋轉

使用虛擬技術構建實驗教學平臺內的三維場景時常常需要旋轉、移動場景中的物體。使用鼠標控制三維模型發生旋轉時，最關鍵的一點是要保證所控制的物體中心點始終在原來的位置保持不變，使用鼠標選中物體保持不放開狀態，鼠標指針移動方向為水平或垂直，同時控制實驗教學平臺內的三維模型，實現全方位360°瀏覽。

1.2.3 虛擬實驗室教學全景漫游實現

在實現虛擬實驗室教學全景漫游時主要通過制造景觀和制造全景視頻兩個方面實現。

(1) 制造景觀。收集并處理各景觀模型的紋理信息。通過紋理處理工具處理所選紋理的格式和大小。模型建模時，紋理圖片邊長需為2n才能在漫游時顯示正確的模型，實現實時性顯示圖形。

(2) 全景視頻。利用攝像機運動跟蹤算法，假設攝像機坐標中的一個點為(xu,yu,zu)，通過透視將該點投影至成像平面獲取該點坐標為(x,y)，(x,y)與(xu,yu,zu)之間關系,如式(1)。

(1)

式中,e為攝像機焦距。

若攝像機焦距位置不發生改變，假設像素坐標(x,y)轉變為(x′,y′)，轉變前后兩個坐標間關系,如式(2)。

(2)

式中,e′表示變化后的焦距。

攝像機能夠做出六種自由度運動，分別為：旋轉(φx,φy,φz)與位移(rx,ry,rz)，φx，φy，φz，rx，ry，rz，均代表攝像機運動參數，沿著x軸攝像機旋轉成φx角度，像素發生的變化,如式(3)。

(3)

式中，p表示周期。

攝像機幀圖內每個像素點位置變化情況,如式(4)。

(4)

假如沿著y軸攝像機旋轉成φy角度，幀圖內每個像素點位置變化,如式(5)。

(5)

假如沿著z軸攝像機旋轉成φz角度，像素點坐標發生的變化,如式(6)。

(6)

通過以上變化過濾能夠完成構建全景視頻，最終實現高校在線實驗教學平臺全景漫游。

2 仿真測試

邀請某大學物理應用實驗員和學生使用該平臺實際進行在線實驗教學活動，并對系統性能實行測試，使用者登錄平臺后，進入虛擬實驗教學界面，通過鼠標滑動界面實現旋轉漫游，使視角發生改變。界面主要包含一個虛擬走廊和一個虛擬引導員。虛擬走廊兩側有很多門，每個門代表一個類型的實驗室，每個實驗室包含不同分類的實驗，比如力學實驗室內包含量子力學實驗、理論力學實驗、電動力學實驗等，鼠標指針放置在任意實驗室門上，虛擬引導員會對該實驗室實行介紹，包括該實驗室主要包含何種實驗、開放時間、注意事項等。使用者按照需求點擊相應的門進入不同的實驗室，再按需求進行下一步操作。使用者也可以直接點擊頁面右側的按鈕，按需求直接進入所需界面。圖4應用物理專業學生使用本文平臺實行空氣折射率實驗，該實驗中操作虛擬儀器時使用虛擬手實現交互仿真,如圖4所示。

圖4 虛擬手交互仿真

通過鼠標控制平臺中的虛擬手，操作平臺中的虛擬工具調整邁克爾遜干涉儀實行具體實驗，使用者通過虛擬手完成旋轉、移動、抓取、測量等各種操作，實現交互控制。界面中還設置提示按鈕，點擊該按鈕可以播放下一步實驗步驟，輔助遇到障礙的使用者完成實驗。

使用者完成實驗后，向平臺提交實驗結果以及實驗報告，平臺根據實驗操作情況以及實驗結果，對實驗結果實行評分。某應用物力專業學生開展實行空氣折射率實驗后的評分結果,如圖5所示。

圖5 智能評分界面

由圖5能夠看出，實驗完成時長、使用提示的次數和實驗效果都計入評分標準內，其中最主要的評分內容為實驗效果，該項評分結果分為優、良、較好、合格與不合格。平臺完成評分后，界面中還會根據完成實驗的內容及評分情況向使用者推薦其他類型的實驗，如果使用者根據興趣可以進行下一步實驗。

為了驗證平臺性能，在物理專業學生使用平臺實行在線實驗教學時，平臺管理員對平臺性能進行測試并統計，測試時間為一周，測試完成后對平臺性能觀察時間為一學期，測試結果,如表1所示。

表1 在線實驗教學平臺性能的安全測試

由表1可以看出，本文平臺具有良好的性能，在虛擬場景構建以及在線實驗教學方面都具有良好的功能效果，適合推廣使用。

3 總結

使用虛擬現實技術作為基礎設計一個高校在線實驗教學平臺。該平臺的設計能夠保障學生在一個交互性強、場景逼真的虛擬實驗環境中完成實驗教學內容。通過操作鼠標及鍵盤完成各種高校教學實驗；通過交互，學生在虛擬環境中扮演一個角色，獲得真實的實驗操作感受。不但可以獲得良好的教學效果，而且還能夠滿足學生的好奇心及求知欲，提高學生學習積極性。平臺中豐富的實驗內容與實驗資源，提高了實驗教學質量，推動了教育信息化發展。