基于虛擬技術的多媒體英語教學系統設計

馮文奐, 周云飛, 王金策*， 閆婷婷, 梁成君, 趙國飛, 曹亞平

(山西能源學院 1. 基礎教學部; 2. 計算機與信息工程系; 3. 安全工程系, 山西 晉中 030600)

0 引言

隨著當代信息技術與網絡的普遍運用，多媒體教學已成為教育領域內的必然發展方向[1]。采用網絡進行多媒體教學，不但能夠降低教育成本，可解決教育資源分布不均衡的問題，并能夠有效避免傳統教育方式的缺陷[2-3]。近年來，我國推出了基于網絡的多媒體教學計劃，已在各大高校內實行多媒體教學試驗。隨著英語教學的不斷完善，英語課堂教學的模式在不斷發展，多媒體教學作為一種新型的教學模式，被廣泛應用于現代英語教學中[4-6]。

3DS MAX虛擬技術是一種集合了仿真技術、圖像學、多媒體技術、網絡技術和數字處理技術等的真實模擬技術，通過計算機等設備創建仿真模型，提供三維視覺等更逼真的感官感受，實現虛擬動態交互令用戶更好地融入到虛擬環境中[7-9]。用戶行為可實時作用到虛擬環境中即為虛擬動態交互，當前虛擬動態交互可通過兩種方式實現，分別是典型的程序語言設計的實現及虛擬現實三維立體網絡程序語言VRML設計的實現[10]。

為了提高英語教學效果，本研究采用3DS MAX虛擬技術創建多媒體英語教學系統，并分析了其性能。

2 基于虛擬技術的多媒體英語教學系統

2.1 英語教學課堂遠程教學系統開發原理

采用3DS MAX虛擬現實技術創建英語遠程教學系統，首先創建教學系統的整體結構模型，搭建開發環境并設計系統結構模型，通過場景渲染與多線程調動的方式設計教學系統頂層，在嵌入式開發環境及Mutigen Creator中完成Lynx Prime圖形界面的設計，當英語遠程教學系統處于靜態視景模型庫時，組成感知控制層、網絡傳輸層和業務邏輯層等三層體系結構[11-12]。感知控制層采用傳感器設備為用戶供應及時、順暢的可視化界面，通過多媒體感知技術、無線射頻識別對教學場景的信息化收集與多媒體渲染，根據Lynx Prime設計的多媒體教學數據庫分配課堂的教學資源信息。通過C++編程與標準模板庫實現3D虛擬現實設計，并創建英語教學課堂視景仿真模型，系統運行仿真根據信息處理次序，通過多線程技術實現開發。功能層采用c++軟件，將邏輯編入程序中，基于移動通信網、校園網絡及易購網環境內創建英語教學課堂遠程教學系統的網絡傳輸層模塊；數據層負責數據管理，使用SQL語言將功能層數據傳輸至數據層，并完成數據更新和檢索。創建英語教學課堂的遠程教學中間件，軟件調動時，依據壓縮感知的魯棒可分離方法實現，根據雙工通信方式，用戶代理服務器端對用戶供應信息管理服務，通過移動通信網、校園網絡、互聯網創建系統網絡傳輸層。通過Browser/Server結構設計用戶代理服務器，將通信雙方的多媒體信息流編碼格式用于SIP代理服務器通信，在SDP協議內創建3D虛擬現實視景仿真軟件，使英語遠程教學系統的界面呈現、業務邏輯控制得到實現。由于英語教學課堂教學系統的軟件是靈魂。其框架結構，如圖1所示。

圖1 英語教學課堂遠程教學系統開發框架結構

1.2 英語遠程教學系統的功能模塊架構

在Mutigen Creator3.2開發環境中對英語遠程教學系統實行整設計。通過感知控制層對用戶行為進行定義，采用多樣化top-shapelets變換方式遠程控制課堂教學的多媒體與網絡變換。系統遠程網絡通信時通過局域網、互聯網以及校園網實現[13]。為實現英語遠程教學系統的遠程開機關機、啟動教學電動幕布和檢索數據信息等功能，利用通信協議連接C/S與B/S模式，并依據網絡架構對英語遠程教學設備的輸入與輸出端口實行統一設計。

由硬件與軟件設計共同構成的英語教學系統模塊化設計，其中硬件模塊為完成集成調動與輸出操控遠程多媒體教學信息，以Prime供應的API函數用開發組件設計核心控制模塊，通過3D虛擬技術擴展8-16位數據線，用集成封裝的方式于vpApp類中，對VP應用程序實行封裝，操控DSP并準確配備串口，編程與接口用vpModule::initialize Module對應用程序實現初始化。根據Vega Prime實現應用程序加載。初始化內存分配時，vpApp類控制終端接管操控程序設計、對配置程序實行驅動，最終實現軟件的設計。

1.3 基于3DS MAX 創建虛擬教室模型

1.3.1 創建模型過程

結合圖形渲染、三維建模及三維動畫的3DS MAX軟件，不僅能夠創建逼真模型，還可利用渲染性能成功渲染出逼真圖形，依據路線制成三維動畫，在眾多領域，如游戲設計、產品設計及建筑設計等得以了成功應用[14-15]。

采用3DS MAX創建三維模型，若效果高度逼真、精準度極高時，會造成系統運行速度低、出現延遲現象，無法保障系統的實時交互性；若建模精準度極低時，用戶操作時的沉浸感會受到干擾，因此在保證模型外觀逼真的前提下，能夠具備順暢的展現效果。模型創建的步驟包括：合適單位的設定、對應模型的創建、對應紋理貼圖的設定和VRML97相符的*.wrl文件的輸出。

(1) 虛擬教學環境的3D模型文件創建

以某教學樓內某樓層為模擬對象，包括線編室、錄音間、多媒體教室、辦公室和非編室等空間，依據現實尺寸，采用AUTOCAD2004將建筑平面圖繪出，根據文件-輸入命令輸入dwg文字圖紙于3DS MAX內，再以線勾勒出并通過extrude修改器創建墻體。采用基礎幾何體創建模型，導出模型成為*.wrl文件。在File文件菜單下Export輸出，選取VRML97(*.wrl)格式，在下拉菜單內命名且保存模型。多邊形類別、初始值、位圖及初始背景等的設置通過VRML97導出器完成。輸出wrl文件應注意貼圖問題，拷貝所應用的貼圖到場景文件scene目錄的maps內，在Bitmap URL Prefix(位圖URL前綴)內反選WsePrefix(使用前綴)，設置導出器，以防止貼圖在導出文件后丟失，wrl文件的完整得以保障。

此外在3DS MAX內，可通過創建面板中輔助對象調出VRML97選項，用戶通過建立接觸性傳感器節點為對象增添加觸動感應器，并且使用者在場景內采用錨建立URL鏈接，與此同時也包含各個工具選項。

通過3DS MAX導出*.wrl文件時，應匹配單位，設定以米為默認單位。當模型多次反復出現時，若采用單獨創建模型方式，文件代碼將增加，虛擬場景實時性差，因此采用公告牌技術在所建二維表層或十字交叉面片處粘貼透明紋理，此二維物體在設置時依據攝像機位置自動調動法線方向。

(2) 虛擬教學設備3D模型文件的創建

采用3DS MAX創建的教學設備模型作為交互文件基礎，將紋理貼圖的圖片轉化為位圖格式，并降低圖片精準度，降低精準度準測為：確保貼圖圖片夠小條件下，盡可能保障圖片的清晰度，減少圖片儲存空間。模型創建通過紋理代替，如：系統內的天花板、地板及窗戶類的模型，可根據現實尺寸創建基礎形態，然后對其紋理實行貼圖，不需要創建繁瑣的集合模型。為避免貼圖后產生與現實不符的狀況，以及于VRML虛擬現實場景內無法正常觀看的狀況，根據現實尺寸創建基礎形態，通過烘焙貼圖性能表達物體凹凸狀況的特點，防止貼圖在3DS MAX內呈現出平面化狀態，提高視覺效果令物體的呈現效果更逼真。

根據以上步驟實現了可視化編輯器創建模型，不僅可達到視覺的基礎需求，同時可保證虛擬仿真系統運行順暢。視頻展示臺模型，如圖2所示。

圖2 視頻展示臺模型

1.3.2 虛擬教學場景的創建技術

根據3DS MAX創建的模型輸出成*.wrl，在VRAMPad內將其打開增加交互。為令場景中物體與用戶可達成交互，應該通過過程實現。交互過程示意圖，如圖3所示。

圖3 交互過程示意圖

采用TouchSensor、PositionInterpolater、ViewPoint和TimeSensor創建的線性關鍵幀動畫，其中使用鼠標單擊控制播放，通過PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor、ProximitySensor、Collision和VisibilitySensor等節點為對象增加多類別感知器，采用TouchSensor創建點擊、拖拉和移動等對象交互，用戶使用鼠標操控物體且完成交互的宗旨得以實現，當VRML內置節點不能實現繁瑣的交互時，通過Script節點嵌入JavaScript或者Java更深入地擴大功效。

1.4 視頻展示臺燈光交互功能的實現

在視頻展示臺兩臂與底板位置設有燈泡，在展示臺光線較暗的情況下所投射的圖像會較暗，此時應打開兩臂處燈光，提升物體光度；在投射幻燈片時打開底板處的燈光，光通過幻燈片底下透射出，提高幻燈片影像的清晰度。用一個按鈕循環操控此兩組燈泡，燈光沒有開啟之前，單擊按鈕可打開兩臂燈光，第二次單擊可打開底板處燈光、關閉兩臂燈光，第三次單擊回到起始狀態，以此循環操控。制作時應將三種狀態設定好，分別為無燈狀態、兩臂燈狀態及底板燈狀態。開始制作時，在3DS MAX內調整三種狀態時燈光所處位置、范圍及強度，然后將其導入VRML內設定交互功能。

3DS MAX內設定三種燈光狀態：采用VRML語言控制物體材質自發光屬性emissive值，達到兩臂燈與底板燈二者的外觀色彩在狀態不一致時產生改變的目的。當燈光未開啟時，其emissiveColor值是000，幾乎不發光；當開啟燈光時，emissiveColor值是111，光線為白色。將三種燈光狀態設定好，并在VRML程序內采用JavaScript代碼交互操控。在虛擬實驗過程內其運行效果，如圖4所示。

圖4 視頻展示臺兩臂燈打開狀態的場景效果

2 系統的性能測試

2.1 系統運行效果分析

在校園網中，對本研究所設計系統實行測試。將虛擬機安裝于機房電腦的XP系統中，并搭建windows2003服務器，網絡組件安裝在服務器中，并分配一個固定的IP地址，然后整合本研究所設計系統為一個網站并放到服務器端，并與服務器端的IP地址對應，系統測試時通過IP地址實現用戶訪問服務器中的網站平臺。

由于使用本研究所設計系統的用戶主要為在校大學生，在遠程教育中，系統測試平臺的用戶端以普通電腦為主，基本配置為：intel(R)Core(TM)2 Duo CPU，2GB的內存，NVIDIA GeForee 8400 SE顯卡及校園網絡。

本研究所設計系統英語教學測試結果為：英語虛擬教學的全部操作過程中，只是在第一次訪問網站時，會出現一點時間延緩狀況，下載時需等候20秒左右，而進行其它交互操作時，均為沒有出現延緩狀態，這表明本研究所設計系統可于校園網內實現實時交互，客戶端運行十分流暢。

一般而言，面對面教學時學生可隨時咨詢老師，本研究所設計系統可實現此目標，當學生有疑點時，可通過系統隨時將遠程協助請求發向教師端計算機，教師端計算機得到學生端計算機的請求后，采用遠程桌面的連接方法操控學生端計算機，處理疑點后學生端可實時取消連接操控。操控界面,如圖5所示。

圖5 操控界面圖

2.2 系統教學效果調查分析

測試調查中發放180份問卷并收回160份，89%的回收率，其中有6份問卷無效，154份有效問卷，測試有效率達到85.6%。調查問卷的具體狀況，如表1所示。

表1 調查問卷整體狀況

采用統計學分析調查結果，分析結果表明，本研究所設計系統可以幫助學生展開英語學習、提高學生英語練習的樂趣，其中教學功能與系統界面呈現效果都可實現預估目標。通過調查問卷結果可以看到，超出一半的學生對本研究設計系統認知，在虛擬英語教學實驗練習后進一步加深，經過練習后的學生，在實際英語教學操作時可迅速上手，幾乎無需老師的講解即可單獨完成，且了解英語教學內的投影儀如何開關機、視頻展示臺所活動的范圍等事項。在英語教學過程中，使用本研究所設計系統可以大幅度提升教學成效，可節省教學資源，提高教學設備的使用率，學生可通過本系統實現學習的目標。

2.3 性能分析

進一步對本研究所設計系統性能方面展開測試，由于教師端計算機需同時對局域網中全部在線學生端計算機發送屏幕與音頻信息，網絡的傳送信息量大，因此對傳送性能與學生端接收成效展開測試。在教師端計算機對文檔與視頻實行演示時，分別對比在線60臺學生端計算機與120臺學生端計算機的接收順暢情況，學生端計算機上測試結果，如表2所示。

表2 本研究所設計系統的性能測試結果

從表2可以看出，在教師端計算機屏幕不斷改變的狀況下，本研究所設計系統運行效果較好，其中當教師端計算機進行Word演示時，學生端計算機數量不影響接收、顯示效果；當教師端計算機進行視頻播出時，學生端計算機數量對接收時間及畫面效果略有影響，但影響不大。整體測試結果表明：本研究所設計系統接收順暢，畫面效果較為穩定，系統性能較高。

3 總結

采用3DS MAX虛擬技術，本文設計了多媒體英語教學系統，并通過實驗驗證了本研究所設計系統性能較好，運行效果穩定，為學生的英語學習提供一個全新的學習渠道，并促進教學資源的開發，為提高我國教育事業信息化水平奠定基礎。但是本研究所設計系統在未來的發展過程中，其虛擬環境的美感與模擬真實性等方面仍需進一步完善。