VR虛擬現實技術在課件開發中的應用研究

李 強

（珠海城市職業技術學院 廣東 珠海 519090）

1 引言

VR虛擬現實技術是由仿真系統延伸而來，最早是美國VPL公司提出的新詞匯[1]，這種技術是用戶佩戴上特殊的傳感設備、頭盔顯示器、數據手柄等一系列設備后，以鼠標、鍵盤為輔助進入虛擬世界體驗，并成為虛擬空間的一份子[2]。用戶可通過在現實世界中的基本反應動作向設備發送指令，并接收虛擬環境對使用者感官的及時反饋，進而有一種身臨其境的體會[3]。VR虛擬現實技術自誕生后便擁有多種獨特的優勢，并廣泛應用于醫學、建筑設計、教育、訓練、航空航天、娛樂等多領域。尤其是將課件開發領域引向全新的領域，擴展教育課件設計的種類，并成為眾多設計模式中的領先技術?；诖?，本文深入探究VR虛擬現實技術的基本原理，闡述VR虛擬現實平臺及在課件開發中的應用。

2 VR虛擬現實技術概述與運行原理

2.1 VR虛擬現實技術概述

VR虛擬現實技術屬于一種匯總多種資料，融合動態視覺技術與實際行為的交互式仿真系統，是目前科研的主要方向之一[4]。VR虛擬現實技術能夠使用戶與虛擬世界交換信息，使人感受到宏觀或微觀世界中事物的真實變化規律。在這種特性下，VR虛擬現實技術推動人機對接技術進一步發生變革，是一種劃時代的重要科研成果。VR虛擬現實技術具有交互、沉浸、多元感知等特性，在課件開發中有較大應用優勢[5]。相較于傳統課件制作方式，VR虛擬現實技術的操作更加便利，可使知識點更加復雜、立體且多維，為學生帶來更加直觀及深刻的影響。傳統的課件開發方式主要以學生的視覺與聽覺為基礎，激發學生探索知識的積極性，而VR虛擬現實技術開發的課件是將學生的視、聽、嗅、觸、味5種感知體驗融合在一起，組建成多元感知系統，深化學生對知識點的理解與掌握。VR虛擬現實技術可達到的表現效果遠超其他技術，為觀賞者留下深刻的印象。VR虛擬現實技術具有交互性，能夠使學生成為虛擬場景中的一部分，參與虛擬事物的變化過程，獲得真實的感受[6]。另外，VR虛擬現實技術制作的課件能夠長久保存，通過網絡云或者計算機存儲虛擬場景，無論經過多長時間或改變多少次存儲地點都不會改變場景內容。

2.2 VR虛擬現實技術運行原理

通常人們看現實世界時會因觀看位置不同而形成不同的觀測圖像，進一步判斷事物的形狀、高低、深淺等信息，增加物體的立體性。VR虛擬現實技術是利用人的視覺差異，向眼睛傳遞各種圖片，使人感受到一種立體的畫面[6]。VR虛擬現實技術設計出的系統一般由硬件與軟件共同構成，硬件使人與機器之間形成一種感知反饋，軟件負責建立虛擬世界及信息傳輸。

硬件方面，VR虛擬現實技術開發的系統硬件需要用戶頭部傳感器、操縱設備、信息傳輸傳感器、顯示儀等裝備支持。用戶頭部傳感器能夠實時收集用戶的位置與移動信息，及時傳送到指定位置。操縱設備可將用戶需求或反饋快速交互到虛擬系統中，推動程序下一步發展。信息傳輸傳感器能夠傳送特定的數據信息，增強虛擬現實體驗的真實性。

軟件方面，VR虛擬現實技術開發的系統需要空間大范圍定位、眼球追蹤以及三維成像等技術提供實時幫助，構成立體化的虛擬世界。大范圍定位技術需要獲取用戶的運動軌跡，并測算出用戶的實時位置。眼球追蹤技術需要利用傳感器確定人眼看到的景象，再用圖片特征計算出用戶視覺的關注點，進而時刻捕捉眼球運動軌跡。三維成像技術是將某一事物通過掃描切換、透視化制作、渲染著色、幾何轉換等一系列操作后，在設備中呈現出立體仿真圖像的技術。三維成像需要實時生成，進而提升虛擬立體效果顯示的真實性。

在硬件設備與軟件系統的支持下，用戶能夠使用操縱設備更換眼前看到的虛擬場景。隨著用戶移動自身位置，虛擬場景會跟著進行相應的移動。若用戶向左看，VR系統會提前感知到運動方向，快速渲染左側的虛擬場景，使用戶移動目光后能看到持續變化的場景。

3 VR虛擬現實平臺

VR虛擬現實技術開發課件的關鍵是在虛擬環境中建立模型，并在平臺中使用交互控制技術。虛擬環境中創立課件模型的基礎在于設計三維模型、二維平面圖形，VR虛擬現實平臺建模會用到AUTOCAD、RHINO、3DMAX、MAYA等軟件。VR虛擬現實平臺開發虛擬交互控制功能時會用到Cult3D、OpenGL、VRML等技術。將上述兩類技術進行不同組合后，VR虛擬現實平臺中的課件開發技術主要涉及如下幾類：（1）VRML主導技術。VRML屬于虛擬現實中的一類造型語言，是虛擬世界中描繪3D圖形的專業格式。在VRML技術的主導下，設計者可以在虛擬世界中創建高度近似真實世界的環境。這種將三維物體信息轉變為文本的形式與仿真系統的運行原理高度相似，但是需要編寫大量的程序語言，對設計者的虛擬語言技術要求較高。VRML主導技術開發課件的形式僅適合專業設計虛擬系統的大型公司，不適合個人獨自完成創建任務。（2）基于Flash平臺開展交互活動。這種創建方式同樣需要編程實現交互功能，利用事件機制原理獲取、分辨與規定虛擬事物的實體屬性?；贔lash的VR虛擬現實平臺需要設計不同操作動作按鈕的全局變量，并設置響應沖突事件的鼠標指令，從而完成虛擬現實的模擬目標。（3）OpenGL與VC++支撐的技術。OpenGL屬于近些年虛擬技術中創新制造出的一種高性能軟件接口，可輔助用戶搭建出質量高的三維立體圖形。VC++是Windows系統運行中集成可視化的開發環境，是VR虛擬現實平臺建設編程的最佳選擇。在OpenGL與VC++支持下，VR虛擬現實平臺可實現建模、顏色調試、更換、材質與光照設計、動畫位圖雙緩存顯示、紋理映射、圖像強化等多種操作，使虛擬世界更加逼真。（4）融合虛擬交互軟件和造型軟件。這種技術創建出的VR虛擬現實平臺是先由AUTOCAD、3DMAX、RHINO、MAYA造型軟件進行建模，再用虛擬交互軟件合成人機交互情景，最后進行微調組成VR虛擬現實平臺。（5）基于SolidWorks軟件建立的裝配模型。這種方法主要運用到SolidWorks的裝配功能與三維圖形建造功能。在軟件中設計好后，設計者將文件保存成eDrawings格式，同時選擇“確定可測量此e—Drawings文件”選項，從而實現在任何一臺Windows系統電腦中查看三維動畫效果。通過這種方式保存之后的文件不僅可以查看三維圖像，還能將圖形縮放、旋轉、播放、移動、測量、分解與標注。要想實現上述操作，僅需在電腦中安裝eDrawings插件或將圖形文件保存為.exe格式即可。

通過上文分析，課件開發過程中應根據高校的實際需求與基礎條件，靈活運用這5種技術。比如，實驗設計課件開發可用第2種技術，依托Flash交互功能，遵循事件機制設計、分析、提取實驗物件的實體參數，為實驗步驟設置不同的動作按鈕與鼠標響應事件，進而模擬實驗操作教學。開發課件需要設計三維空間演示時，可用第4種技術先建模再創建交互功能，最后合成媒體交互操作。在零部件拆裝實驗課件設計中，設計者可用第5種技術，基于SolidWorks軟件建模，用插件完成元件的分解與測量。

4 VR虛擬現實技術在課件開發中的應用

在開發課件時，VR虛擬現實技術主要用到的硬件有一套HTCvive頭盔與手柄、一臺圖形工作站，軟件有C4D、UE4、PS。課件通過電腦呈現，將圖像傳輸到VR設備中，使學生看到立體化的內容。用戶的視覺反饋與操作命令傳輸到電腦中，進行數據處理，使課件持續運行下去。C4D主要負責三維立體圖像的實時生成，傳輸到UE4中搭建出虛擬環境，結合PS制作的貼圖，與用戶形成交互。

課件內容開發流程共分為3步，依次是制作三維模型、貼圖、搭建場景。首先，根據課件內容需要，運用C4D按照1:1比例建立相應的物體、碰撞體以及光照UV，整理貼圖后導出初步三維成果文件。其次，將貼圖放置在對應的位置，并用PS處理貼圖的細節，使虛擬世界的視覺感更加真實。最后，運用UE4完成場景搭建及交互，使虛擬場景的光線、天空更加仿真，依據物體的性質形成對應材質的質感，并建立交互邏輯系統。

VR虛擬現實技術應用于課件開發后，學生可在教室內看到任何文化場景，對于建筑的物理結構或某種人文情懷能夠產生更深刻的感受，快速理解其中的原理或產生共鳴。課件中設計有大量的交互操作，允許學生扮演虛擬場景中的一個角色，主導情節的變化。學生通過親身體驗學習知識點，可強化學生學習的主動性、增加教學的趣味性，從多角度鞏固掌握知識點。教師可利用VR虛擬現實技術模擬特殊狀況，引導學生應用已掌握的知識點應對突發問題，檢驗學生能否應用理論靈活解決問題。

5 結語

通過分析VR虛擬現實技術的概念及運行原理，探索構建課件設計與VR虛擬現實技術相融合的課件。VR虛擬現實技術開發課件可充分發揮交互、直觀、沉浸的優點，將平面、抽象的知識點轉變成具體可操作的東西，帶領學生積極解決問題。學生在VR虛擬現實平臺中可看到不同類型的課件，對知識點有深刻的認知，形成良好的實踐經驗。VR虛擬現實技術能幫助學生將理論應用于實踐，轉變學生被動獲取知識的情況，補充理論教學的不足之處。