２０１０年第２１期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＯＩＴ论坛０ 科技信息 基于虚拟现实技术的课件制作方式研究 张树才王明俊 （中国人民装备指挥技术学院 中国 北京 １０１４１６） 【摘要】虚拟现实技术的发展为课堂教学手段的进步带来新的契机，虚拟现实技术的３Ｉ特征，即沉浸感（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ），交互 （Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）， （Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ），使参与者有身临其境的真实感觉。构建基于虚拟现实技术的课堂教学课件，是对当前多媒体课件的有效补充和拓展。 【关键词】教学；课件；虚拟现实 虚拟环境融为一体．而且在操作过程中介入者可以自始至终地发挥作 构０前言 用。例如用户可以用手去直接抓取和移动虚拟环境中的物体，不仅有 计算机技术的发展为我们课堂教学技术手段带来巨大的进步，传 抓东西的感觉，还能感到物体的重量，就像在真正的客观现实世界中 统的黑板也逐步变 样。 成了“电子白板”．课 交互性是介入者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的 观 抽象的经验 件也从单纯的文字 能力，介入者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现 逐步发展到现在的 Ｉ 对虚拟环境的认知。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交 视堂符号 验 包括文字、声音、图 互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊 静态图像 形图像、三维动画等 录音广播 设备．如头盔、数据手套等进行交互，计算机能根据使用者的头、手、 多媒体形式．教学手 眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音，最新的交互技 电影电视 段不断丰富。作为计 术可达到介入者可以徒手与虚拟环境进行交互，虚拟环境可以识别人 参观展览 算机科学前沿的虚 的手势含义执行相关的动作。 拟现实技术的发展 野外旅行 构想性是指介入者沉浸在虚拟现实场景中，依靠自己的感知和认 为我们教学手段进 观摩示范 知能力全方位地获取知识。发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念 步提供了新的机遇 和构想，主动地寻求探索接收信息，而不是被动地接收，因而更具有创 与挑战，目前多媒体 意。因此虚拟现实是一个学习一创造一再学习一再创造的过程。 设计的经验 ＼ 做的经验 做 验 课件主要基于图形、 一． 图像、动画和文字超 有目的的直接经验 ＼ ２ 技术实现途径 自１９６５年Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ提出虚拟现实的概念以来，其技术的发展 始终是与计算机三维图形与仿真技术同步发展和进步。在设计开发虚 链接实现．属于观察 的经验．从戴尔的经 图１ 戴尔的经验之塔理论 验之塔（如图１）看处在学习经验的中间位置，戴尔的经验之塔理论指 拟现实系统的过程中，由于采用的软件及硬件设备的不同，最终实现 出，教学活动应从具体经验人手，逐步进入抽象经验，虚拟现实技术打 的虚拟现实系统的效果是不同的。虚拟现实技术应用于教学过程涉及 破了传统的单向传授知识的教学模式，让参与者有身临其境的真实感 到三维建模、虚拟现实引擎、场景发布等几个方面，课件的设计贯穿整 觉，得到直接的学习体验．处在戴尔经验之塔的基础部分，比传统多媒 个制作过程．技术实现过程如图３所示，其工作过程为：首先，根据课 体教材有更好的学习体验。实际上，虚拟现实技术已经应用到教学过 程需要利用建模软件构建场景中的三维模型；第二步，将模型导人到 程，如基于虚拟现实技术的飞机、船艇仿真训练；虚拟校园的建设等， 虚拟现实引擎场景；第三步，在虚拟现实引擎中为模型添加行为和交 但这些应用是基于大型的虚拟现实仿真引擎和专业的软件编程，成本 互；第四步，输出场景文件，完成场景发布。其各部分功能如下： 高、周期长并没有得到普及应用，近几年几款针对桌面计算机系统的 虚拟现实引擎的发布为我们的课堂虚拟现实应用提供了新的契机。 广一一一一－曩 １ 虚拟现实技术的特性 虚拟现实技术是指利用计算机系统、虚拟现实软件和硬件构成虚 拟现实环境，利用交互设备使用户置身于该虚拟现实环境中，在该环 境中用户直接与虚拟现实场景中的对象进行交互，通过感官刺激，如 ： 。’’’’。’ 。’’ｊ。’ ’ ’ ’ 。 教学课件设计 卜一一一一一 图３虚拟现实课件技术实现过程示意图 视觉、听觉、触觉等来感知世界产生身临其境的感受。图２为虚拟现实 的概念模型，介入者（学习者或参入者）通过虚拟现实场景的刺激感知 ２．１ 三维建模 三维建模主要是构建虚拟场景中的三维实体，如讲 世界，有反应系统通过反应动作作用虚拟现实场景。 述机动车原理课程。场景中的三维模型包括发动机、传动系统、转向系 统、制动系统、悬架系统、行驶系统、车架和车身等几大部分组合而成。 虚拟环境 完成虚拟场景中三维模型的构建主要有以下几种方法： ２．１．１ 利用通用建模软件如３ｄｓ ｍａｘ．ｍａｙａ等，这类软件在传统多媒 体课件制作中主要用来制作三维动画．在影视特技制作中也得到广泛 的应用，也是我们首选的三维建模软件。利用这类软件进行三维建模 的优点是社会拥有量大、会使用的人多、参考资料相对丰富、素材容易 图２虚拟现实的概念模型 虚拟现实技术典型的特征是其３Ｉ特征，即沉浸感（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ），交 互性（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ），构￣（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ）。 沉浸感是指介入者作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多 媒体技术虽然形式多样，包括图形、图像、三维动画和超链接等使人机 之间可以方便交互，但在交互过程中，人们只能从计算机外部去观察 这些表现形式，自己感觉处于界面之外；而虚拟现实中的介入者 可通过多种方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，让人完全地沉 浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与 获得，缺点是需要专用的转换软件或插件把模型转换成虚拟现实引擎 识别的格式，由于这类软件针对三维动画设计制作，在模型设计时注 重的是最终生成效果，即三维动画的生成可以在模型制作完毕后由计 算机“慢慢”着色生成．制作一分钟的动画可能需要计算机几个小时的 时间去着色生成．而虚拟现实场景由于其实时交互性，要求画面在一 秒中内要刷新二十五次以上才能满足视觉连贯性要求，因此虚拟现实 场景建模需要有针对性的优化，通用建模软件在建模时没有很好针对 虚拟现实场景进行优化．最终会影响到虚拟现实场景的渲染效率。 ２．１．２利用专用建模软件，如Ｍｕｌｔｉｇｅｎ—Ｐａｒａｄｉｎｇ公司的Ｃｒｅａｔｏｒ建模 工具。这类建模软件优缺点与通用建模软件正好相反，再就是这类软 科技信息 Ｏ ＩＴ论坛０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１０年第２１期 件一般是以虚拟现实系统组件的方式发布，整个系统价格昂贵，不适 宜于桌面虚拟现实课堂教学系统。 国内自主开发的仿真引擎，这类引擎主要面向专业领域，如战场 环境仿真、数字地球等，利用它开发产品需要引擎开发人员亲自完成， ２．１．３ 利用图形生成环境Ｏｐｅｎ ＧＬ或者ＶＲＭＬ（Ｖｉｒｔｕａｌ ＲｅＭｉｔｙ 二次开发能力差，开发成本很高，对场景中环境渲染、粒子特效、声音 Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｌａｎｇｕａｇｅ）虚拟现实建模语言．这类工具需要专业的编程知 效果支持差。优点是具有知识产权。识，难于普及。 ２．２虚拟现实引擎２．４课件生成课件生成即课件的场景发布，实际上是虚拟现实引 设计制作用于课堂教学的虚拟现实课件，如果 擎实现的功能，我们关注的是它场景输出方式和发布的文件格式，虚 没有引擎的帮助而从原始代码编写开始，其工作量和难度是巨大的。 拟现实场景作为课堂教学课件的一种形式，其易用性和制作成本是关 虚拟现实引擎就像计算机操作系统实现的功能一样，它为用户提供一 键因素。不同引擎的场景发布方式是不一样的，专注于大型仿真系统 个公共虚拟现实应用平台．完成虚拟三维场景的实时显示，显示设备、 的引擎其场景发布一般采用许可证方式，每用户需单独购买一个许可 音频设备和交互设备的驱动控制等，用户只需往场景中添加行为与交 证，后续开发成本高不利于普及应用；小型引擎一般对终端用户数量 互控制即可。以机动车原理课程为例，首先，三维建模软件生成的机动 没有，后续开发成本低易于普及应用。不同引擎发布的场景格式 车各部分模型被导人到引擎场景中：然后通过引擎的行为模块为模型 不尽相同，有的需要专用浏览器运行；有的是执行的程序；有的是 作为插件输出的场景格式比较适合 添加行为控制，如碰撞检测、力反馈、交互控制及音效等。用户不需要 作为插件嵌入到其他程序中运行，专注三维场景显示刷新．三维空间声效定位及交互和显示设备的驱动 课堂教学应用，它可以有效与其他媒体融合，方便易用。 与控制，这些功能已由引擎帮你实现；第三步，对场景和外围设备测试 ３结束语 无误后即可对场景进行发布。虚拟现实引擎很多，针对不同的应用有 不同的侧重．有的专注于科学研究，有的专注于游戏开发．有的专注于 虚拟现实技术作为一种新型的教学手段，得到教育界的极大关 大型系统仿真，有的专注于视景仿真等，目前广泛使用的商用引擎及 注。尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，交互手段还不尽如人 特点如下： 意。但是，随着虚拟现实技术软硬件的不断发展和完善，我们相信，虚 Ｍｕｈｉｇｅｎ开发系统，该系统专注于大型仿真系统的开发，在国内 拟现实技术作为一个新型的教学媒体，就像多媒体课件广泛应用于教 成功开发实现的项目有飞机驾驶模拟系统，国防试验仿真等。该引擎 学中～样，以其自身强大的优势和潜力．在教育领域得到广泛应用并 能够仿真大型场景，支持地理信息输入，但该系统价格昂贵，终端用户 发挥其重要作用。 也需要购买使用许可，后续使用成本很高；另一点就是在模型渲染效 果上并不尽如人意。 【参考文献】 Ｏｖｅｎ ＧＶＳ开发系统，该系统专注于大型仿真系统的开发，成功开 ［１］汤跃明．虚拟现实技术在教育中的应用［Ｍ】．北京：科学出版社，２００７，１． 发的项目有车辆驾驶模拟系统、飞行模拟等，价格较昂贵，每用户需要 ［２］关于教育技术研究方向的二十个课题．网址：ｈｔｔｐ：／／２５．２Ｏ．１７６．１３／ｅｔｃ／ｎｅｗｓ． ［３］孟．基于ＶＲＭＬ的虚拟实验室框架的研究【工学硕士学位论文】．电子科技 购买使用许可，系统整合稍差，需要大量程序开发人员。 ３ Ｖｉｒｔｏｏｌｓ开发系统，专注于小型游戏开发和科学仿真展示。成功的 大学，２００３，三维游戏设计师宝典一Ｖｉ￣ｏｄｓ技术实战篇．汕头：汕头大学出版社， 案例有网上“红牛杯”特技飞行比赛，元素周期表及龙卷风成因分析等 ［４］刘明昆．课件展示。支持网络浏览，操作简便，价格便宜。但渲染效果稍差。 ［５］赵沁平，郝爱民，王莉莉，何兵．实时三维图形平台ＢＨ—ＧＲＡＰＨ叨．计算机研 Ｅｏｎ Ｓｔｕｄｉｏ开发系统，专注于商品展示和科学仿真，在国外很多大 学被作为虚拟现实基础应用课程讲授。成功的案例有网上购物虚拟模 究与发展．２００６． ２００６． 型展示，生产线效果展示，网上虚拟实验室构建等。支持网络浏览，价 作者简 ：张树才，装备指挥技术学院副教授，主要从事视频技术、计算机 格便宜，对模型细节渲染效果好。但对大型场景支持差。 图形图像等领域研究。 基于ＶＲＭＬ虚拟仿真，ＶＲＭＬ是虚拟现实建模语言标准，几年前 王明俊，装备指挥技术学院副教授，主要从事软件工程、图形图像等领域研 网上提供一些免费的场景渲染器，目前渲染器需要购买，如ＣｕＬＴ３Ｄ， Ｘ３Ｄ等基于ＶＲＭＬ的虚拟现实开发环境。但这类开发工具优点是对 媒体的支持比较好，能够嵌入Ｏｆｆｉｃｅ系统，价格便宜；缺点是建模需要 编程，缺少特效，渲染效果差。 究。 ［责任编辑：翟成梁］ ＪＪ．工况自动 （上接第１Ｏ６页）煤矿采、掘、运设备的应用和推广，极大地提升了我国 ［２］谭得健，徐希康．自动化技术、信息技术在我国煤矿企业的应用【２００３． 煤矿生产的综合实力。为实现高效、安全、洁净、结构优化的煤炭工业 化．［３］程炜．无人化是煤炭信息化的主要目标［Ｎ］．中国电子报，２００８，（１ ｏ）． 生产打下了扎实的基础。 ［４］张念超．我国煤矿机电一体化技术的发展现状浅析【 学术探讨，２００８，（８）． 【参考文献】 ［１］机电一体化实用手册［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７ ［责任编辑：曹明明］ （上接第１２５页）面上的慰藉。一种“心孝”的方式应该被作为“孝道”的 死，摒弃传统的亲情伦 观念，更符合传统的医学人道主义精神。 本质内涵被认识 。“心孝”可以理解为，在患者临终前发自内心地对亲 人的尊重和体恤，尊重其在生命临终阶段的各种需求、想法和选择。而 【参考文献】 从人道主义立场看“安乐死”Ⅱ】．２００６，（１２）：９０—９１． 不是传统孝道中不顾一切挽救长辈或亲人的生命，不考虑亲人的感受 ［１］薛文婷．２］沈铭贤．“生死俱善，人道毕矣”——中国古代的生死观及其现代意义ｆＪ】． 等“愚孝”观念。安乐死实施的对象正是那些身患绝症极端痛苦的患 ［２）：９９－１０７． 者，安乐死是他们的心愿，他们希望通过安乐死使身体和精神上都得 １９９７，（到解脱。所以在某个角度上可以将安乐死视为新的行孝方式。 ３．３实现安乐死的理性情感 每一个今天的幼者都必定是未来的老者，我们应该不仅只重视每 ［３］岳立松．碰撞与交融：关汉卿杂剧的家庭伦理问题［Ｊ］．２０ｏ４，２６【６］：２５—２８． ［４］马晓．从中国传统道德的视角看临终关怀本土化『Ｊ１．中国医学伦理学， ２００９．２２（６）：７３—７４． 作者简介：王明丽（１９８３一），黑龙江人，女，汉族，助教，在读硕士。 个生命的出生与成长，同时也应该关注生命安详、尊严的结束。也就是 说不但重视优生，而且重视优逝，这符合每一个人对完整生命历程的需 求。传统的医学道德具有丰富的人道主义思想，这些丰富的人道内涵 ［责任编辑：张慧］ 应用于安乐死亦具有其生命活力。对那些极度痛苦的生命实施安乐 ７３
