石永琪

摘要：在傳統(tǒng)的教育過(guò)程中，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)往往過(guò)于重視，而實(shí)驗(yàn)技能的實(shí)踐機(jī)會(huì)卻不斷減少，這就導(dǎo)致了理論與實(shí)踐之間不平衡矛盾越來(lái)越突出。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境正是在這種環(huán)境下產(chǎn)生的，它一定程度上豐富了實(shí)踐技能的內(nèi)容，提高了整體教學(xué)的質(zhì)量。該文在考察大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，結(jié)合大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的具體特點(diǎn)，確定采用VRML技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)；同時(shí)，分別從實(shí)用角度、運(yùn)作原理、編輯環(huán)境幾個(gè)方面對(duì)VRML語(yǔ)言進(jìn)行全面的解讀和分析；其次，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)的基本需求，并結(jié)合需求對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的總體架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及功能模塊的劃分；最后，結(jié)合具體的三維模型，從模型的繪制、貼圖的賦予、交互行為的添加三個(gè)方面給出了具體的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；交互設(shè)計(jì)；VRML；漫游

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）08-1968-07

1 概述

虛擬現(xiàn)實(shí)，早已不再是一個(gè)陌生的名詞，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用變得更加廣泛。其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了軍事、教育、醫(yī)療、城市規(guī)劃、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等眾多領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)硬件設(shè)備和軟件資源，為用戶提供一種身臨其境的真實(shí)感覺(jué)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)深度和記憶層次，進(jìn)而達(dá)到輔助行業(yè)的作用。其硬件設(shè)備主要包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套及各種傳感器，軟件資源包括圖形處理系統(tǒng)、建模軟件及各種交互軟件。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與成熟，為教育行業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新的手段和機(jī)遇。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直存在著一些無(wú)法逾越的障礙，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，其一，學(xué)校硬件設(shè)備資源有限，對(duì)于部分貴重的設(shè)備無(wú)法做到一人一份，學(xué)生無(wú)法自由地進(jìn)行實(shí)踐性嘗試；其二，設(shè)備管理與維護(hù)的成本較高，很多學(xué)校的教師承擔(dān)了上課與管理設(shè)備的雙重壓力；其三，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生的人身安全及設(shè)備的安全問(wèn)題都很難得到控制，這也導(dǎo)致了部分實(shí)驗(yàn)的擱淺；通過(guò)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，打造一個(gè)虛擬的三維空間，將現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完全地、完整地遷移到虛擬空間，學(xué)生在虛擬的仿真空間中，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的操作，進(jìn)行完全逼真的實(shí)驗(yàn)，基本達(dá)到教育實(shí)踐的目的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分析

幾何造型節(jié)點(diǎn)（shape）：shape節(jié)點(diǎn)定義了立體圖形的色彩、材質(zhì)、紋理、尺寸、形狀等外觀特征。主要有外觀特征節(jié)點(diǎn)（appearance）和幾何形狀節(jié)點(diǎn)（geometry）。

交互節(jié)點(diǎn)：交互節(jié)點(diǎn)可以用來(lái)強(qiáng)調(diào)虛擬環(huán)境的真實(shí)程度。從側(cè)面反映出現(xiàn)實(shí)世界中的事物相互之間存在聯(lián)系。

插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)的使用是用來(lái)操縱動(dòng)畫(huà)的，原理很簡(jiǎn)單，通過(guò)引入一組跟時(shí)間對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，讓每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)跟其中一組動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫(huà)產(chǎn)生聯(lián)系，當(dāng)場(chǎng)景中的時(shí)間發(fā)生變化的時(shí)候，場(chǎng)景中的與之關(guān)聯(lián)的對(duì)象會(huì)同步地對(duì)位移、造型做出變化。

傳感器節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)（Senser）類(lèi)似人的神經(jīng)系統(tǒng)，可以一定程度上提前感知某些外界的狀態(tài)的變化，用戶可以借此做出合理的判斷。通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)的合理應(yīng)用，可以方便地感知用戶的操作狀態(tài)和目的，讓互動(dòng)場(chǎng)景更加具有真實(shí)性。

腳本節(jié)點(diǎn)： 腳本節(jié)點(diǎn)（Script）指包含程序設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)使用編程語(yǔ)言，引入不同的腳本，可以為開(kāi)發(fā)人員提供更強(qiáng)大的用戶接口，可以使編程更加靈活，設(shè)計(jì)出更加有趣的場(chǎng)景。

3 三維建模與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框架

3.1.1 系統(tǒng)需求分析

虛實(shí)結(jié)合的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要目的在于：使學(xué)生不受時(shí)間、地點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，通過(guò)訪問(wèn)接入網(wǎng)絡(luò)的VRML服務(wù)器，利用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行合理地操作，增強(qiáng)趣味型。通過(guò)觀看虛擬設(shè)備動(dòng)畫(huà)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的角度有：

1）為學(xué)生搭建一個(gè)自由、開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生搭建一個(gè)自由、開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間可以不再局限于有限的課堂教學(xué)，空間上也有了更大的選擇余地，比如在家里、在寢室等環(huán)境，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)提供的“虛擬仿真環(huán)境"，學(xué)生在可以接入網(wǎng)絡(luò)的任何地方都可以自由地借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)與共同學(xué)習(xí)者合作、交流，討論獲取知識(shí)或技能。

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