李 強(qiáng)

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 珠海 519090）

1 引言

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由仿真系統(tǒng)延伸而來，最早是美國VPL公司提出的新詞匯[1]，這種技術(shù)是用戶佩戴上特殊的傳感設(shè)備、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手柄等一系列設(shè)備后，以鼠標(biāo)、鍵盤為輔助進(jìn)入虛擬世界體驗(yàn)，并成為虛擬空間的一份子[2]。用戶可通過在現(xiàn)實(shí)世界中的基本反應(yīng)動(dòng)作向設(shè)備發(fā)送指令，并接收虛擬環(huán)境對(duì)使用者感官的及時(shí)反饋，進(jìn)而有一種身臨其境的體會(huì)[3]。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自誕生后便擁有多種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、建筑設(shè)計(jì)、教育、訓(xùn)練、航空航天、娛樂等多領(lǐng)域。尤其是將課件開發(fā)領(lǐng)域引向全新的領(lǐng)域，擴(kuò)展教育課件設(shè)計(jì)的種類，并成為眾多設(shè)計(jì)模式中的領(lǐng)先技術(shù)。基于此，本文深入探究VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理，闡述VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)及在課件開發(fā)中的應(yīng)用。

2 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述與運(yùn)行原理

2.1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)屬于一種匯總多種資料，融合動(dòng)態(tài)視覺技術(shù)與實(shí)際行為的交互式仿真系統(tǒng)，是目前科研的主要方向之一[4]。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shí)變化規(guī)律。在這種特性下，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)人機(jī)對(duì)接技術(shù)進(jìn)一步發(fā)生變革，是一種劃時(shí)代的重要科研成果。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互、沉浸、多元感知等特性，在課件開發(fā)中有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[5]。相較于傳統(tǒng)課件制作方式，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作更加便利，可使知識(shí)點(diǎn)更加復(fù)雜、立體且多維，為學(xué)生帶來更加直觀及深刻的影響。傳統(tǒng)的課件開發(fā)方式主要以學(xué)生的視覺與聽覺為基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的積極性，而VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的課件是將學(xué)生的視、聽、嗅、觸、味5種感知體驗(yàn)融合在一起，組建成多元感知系統(tǒng)，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可達(dá)到的表現(xiàn)效果遠(yuǎn)超其他技術(shù)，為觀賞者留下深刻的印象。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性，能夠使學(xué)生成為虛擬場(chǎng)景中的一部分，參與虛擬事物的變化過程，獲得真實(shí)的感受[6]。另外，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的課件能夠長(zhǎng)久保存，通過網(wǎng)絡(luò)云或者計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)虛擬場(chǎng)景，無論經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間或改變多少次存儲(chǔ)地點(diǎn)都不會(huì)改變場(chǎng)景內(nèi)容。

2.2 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)行原理

通常人們看現(xiàn)實(shí)世界時(shí)會(huì)因觀看位置不同而形成不同的觀測(cè)圖像，進(jìn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)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(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)一般由硬件與軟件共同構(gòu)成，硬件使人與機(jī)器之間形成一種感知反饋，軟件負(fù)責(zé)建立虛擬世界及信息傳輸。

硬件方面，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)硬件需要用戶頭部傳感器、操縱設(shè)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?qū)崟r(shí)收集用戶的位置與移動(dòng)信息，及時(shí)傳送到指定位置。操縱設(shè)備可將用戶需求或反饋快速交互到虛擬系統(tǒng)中，推動(dòng)程序下一步發(fā)展。信息傳輸傳感器能夠傳送特定的數(shù)據(jù)信息，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的真實(shí)性。

軟件方面，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)需要空間大范圍定位、眼球追蹤以及三維成像等技術(shù)提供實(shí)時(shí)幫助，構(gòu)成立體化的虛擬世界。大范圍定位技術(shù)需要獲取用戶的運(yùn)動(dòng)軌跡，并測(cè)算出用戶的實(shí)時(shí)位置。眼球追蹤技術(shù)需要利用傳感器確定人眼看到的景象，再用圖片特征計(jì)算出用戶視覺的關(guān)注點(diǎn)，進(jìn)而時(shí)刻捕捉眼球運(yùn)動(dòng)軌跡。三維成像技術(shù)是將某一事物通過掃描切換、透視化制作、渲染著色、幾何轉(zhuǎn)換等一系列操作后，在設(shè)備中呈現(xiàn)出立體仿真圖像的技術(shù)。三維成像需要實(shí)時(shí)生成，進(jìn)而提升虛擬立體效果顯示的真實(shí)性。

在硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)的支持下，用戶能夠使用操縱設(shè)備更換眼前看到的虛擬場(chǎng)景。隨著用戶移動(dòng)自身位置，虛擬場(chǎng)景會(huì)跟著進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)。若用戶向左看，VR系統(tǒng)會(huì)提前感知到運(yùn)動(dòng)方向，快速渲染左側(cè)的虛擬場(chǎng)景，使用戶移動(dòng)目光后能看到持續(xù)變化的場(chǎng)景。

3 VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)課件的關(guān)鍵是在虛擬環(huán)境中建立模型，并在平臺(tái)中使用交互控制技術(shù)。虛擬環(huán)境中創(chuàng)立課件模型的基礎(chǔ)在于設(shè)計(jì)三維模型、二維平面圖形，VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建模會(huì)用到AUTOCAD、RHINO、3DMAX、MAYA等軟件。VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開發(fā)虛擬交互控制功能時(shí)會(huì)用到Cult3D、OpenGL、VRML等技術(shù)。將上述兩類技術(shù)進(jìn)行不同組合后，VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中的課件開發(fā)技術(shù)主要涉及如下幾類：（1）VRML主導(dǎo)技術(shù)。VRML屬于虛擬現(xiàn)實(shí)中的一類造型語言，是虛擬世界中描繪3D圖形的專業(yè)格式。在VRML技術(shù)的主導(dǎo)下，設(shè)計(jì)者可以在虛擬世界中創(chuàng)建高度近似真實(shí)世界的環(huán)境。這種將三維物體信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲谋镜男问脚c仿真系統(tǒng)的運(yùn)行原理高度相似，但是需要編寫大量的程序語言，對(duì)設(shè)計(jì)者的虛擬語言技術(shù)要求較高。VRML主導(dǎo)技術(shù)開發(fā)課件的形式僅適合專業(yè)設(shè)計(jì)虛擬系統(tǒng)的大型公司，不適合個(gè)人獨(dú)自完成創(chuàng)建任務(wù)。（2）基于Flash平臺(tái)開展交互活動(dòng)。這種創(chuàng)建方式同樣需要編程實(shí)現(xiàn)交互功能，利用事件機(jī)制原理獲取、分辨與規(guī)定虛擬事物的實(shí)體屬性?；贔lash的VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)需要設(shè)計(jì)不同操作動(dòng)作按鈕的全局變量，并設(shè)置響應(yīng)沖突事件的鼠標(biāo)指令，從而完成虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬目標(biāo)。（3）OpenGL與VC++支撐的技術(shù)。OpenGL屬于近些年虛擬技術(shù)中創(chuàng)新制造出的一種高性能軟件接口，可輔助用戶搭建出質(zhì)量高的三維立體圖形。VC++是Windows系統(tǒng)運(yùn)行中集成可視化的開發(fā)環(huán)境，是VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建設(shè)編程的最佳選擇。在OpenGL與VC++支持下，VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)建模、顏色調(diào)試、更換、材質(zhì)與光照設(shè)計(jì)、動(dòng)畫位圖雙緩存顯示、紋理映射、圖像強(qiáng)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(shù)創(chuàng)建出的VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是先由AUTOCAD、3DMAX、RHINO、MAYA造型軟件進(jìn)行建模，再用虛擬交互軟件合成人機(jī)交互情景，最后進(jìn)行微調(diào)組成VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。（5）基于SolidWorks軟件建立的裝配模型。這種方法主要運(yùn)用到SolidWorks的裝配功能與三維圖形建造功能。在軟件中設(shè)計(jì)好后，設(shè)計(jì)者將文件保存成eDrawings格式，同時(shí)選擇“確定可測(cè)量此e—Drawings文件”選項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)在任何一臺(tái)Windows系統(tǒng)電腦中查看三維動(dòng)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(zhuǎn)、播放、移動(dòng)、測(cè)量、分解與標(biāo)注。要想實(shí)現(xiàn)上述操作，僅需在電腦中安裝eDrawings插件或?qū)D形文件保存為.exe格式即可。

通過上文分析，課件開發(fā)過程中應(yīng)根據(jù)高校的實(shí)際需求與基礎(chǔ)條件，靈活運(yùn)用這5種技術(shù)。比如，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課件開發(fā)可用第2種技術(shù)，依托Flash交互功能，遵循事件機(jī)制設(shè)計(jì)、分析、提取實(shí)驗(yàn)物件的實(shí)體參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)置不同的動(dòng)作按鈕與鼠標(biāo)響應(yīng)事件，進(jìn)而模擬實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)。開發(fā)課件需要設(shè)計(jì)三維空間演示時(shí)，可用第4種技術(shù)先建模再創(chuàng)建交互功能，最后合成媒體交互操作。在零部件拆裝實(shí)驗(yàn)課件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者可用第5種技術(shù)，基于SolidWorks軟件建模，用插件完成元件的分解與測(cè)量。

4 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課件開發(fā)中的應(yīng)用

在開發(fā)課件時(shí)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用到的硬件有一套HTCvive頭盔與手柄、一臺(tái)圖形工作站，軟件有C4D、UE4、PS。課件通過電腦呈現(xiàn)，將圖像傳輸?shù)絍R設(shè)備中，使學(xué)生看到立體化的內(nèi)容。用戶的視覺反饋與操作命令傳輸?shù)诫娔X中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使課件持續(xù)運(yùn)行下去。C4D主要負(fù)責(zé)三維立體圖像的實(shí)時(shí)生成，傳輸?shù)経E4中搭建出虛擬環(huán)境，結(jié)合PS制作的貼圖，與用戶形成交互。

課件內(nèi)容開發(fā)流程共分為3步，依次是制作三維模型、貼圖、搭建場(chǎng)景。首先，根據(jù)課件內(nèi)容需要，運(yùn)用C4D按照1:1比例建立相應(yīng)的物體、碰撞體以及光照UV，整理貼圖后導(dǎo)出初步三維成果文件。其次，將貼圖放置在對(duì)應(yīng)的位置，并用PS處理貼圖的細(xì)節(jié)，使虛擬世界的視覺感更加真實(shí)。最后，運(yùn)用UE4完成場(chǎng)景搭建及交互，使虛擬場(chǎng)景的光線、天空更加仿真，依據(jù)物體的性質(zhì)形成對(duì)應(yīng)材質(zhì)的質(zhì)感，并建立交互邏輯系統(tǒng)。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于課件開發(fā)后，學(xué)生可在教室內(nèi)看到任何文化場(chǎng)景，對(duì)于建筑的物理結(jié)構(gòu)或某種人文情懷能夠產(chǎn)生更深刻的感受，快速理解其中的原理或產(chǎn)生共鳴。課件中設(shè)計(jì)有大量的交互操作，允許學(xué)生扮演虛擬場(chǎng)景中的一個(gè)角色，主導(dǎo)情節(jié)的變化。學(xué)生通過親身體驗(yàn)學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，可強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、增加教學(xué)的趣味性，從多角度鞏固掌握知識(shí)點(diǎn)。教師可利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬特殊狀況，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已掌握的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)對(duì)突發(fā)問題，檢驗(yàn)學(xué)生能否應(yīng)用理論靈活解決問題。

5 結(jié)語

通過分析VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及運(yùn)行原理，探索構(gòu)建課件設(shè)計(jì)與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相融合的課件。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)課件可充分發(fā)揮交互、直觀、沉浸的優(yōu)點(diǎn)，將平面、抽象的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)變成具體可操作的東西，帶領(lǐng)學(xué)生積極解決問題。學(xué)生在VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中可看到不同類型的課件，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有深刻的認(rèn)知，形成良好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能幫助學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐，轉(zhuǎn)變學(xué)生被動(dòng)獲取知識(shí)的情況，補(bǔ)充理論教學(xué)的不足之處。