基于VR技術(shù)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁浩竣 林水鳳 陸紅艷 宮海曉

摘要：傳統(tǒng)病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)無(wú)法滿足數(shù)字化教學(xué)模式，消耗大量教學(xué)時(shí)間，降低教學(xué)質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的新型病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)該教學(xué)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，引入新型投影顯示裝置，結(jié)合虛擬軟件設(shè)計(jì)器模塊與播放器模塊，完成新型病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)比可知此系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，在日后的教學(xué)中使用此系統(tǒng)作為主要教學(xué)平臺(tái)，以更好地傳授病毒防控知識(shí)。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);病毒防控;3D技術(shù)

中文分類號(hào)：TP311.52? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）08-0169-02

傳統(tǒng)的病毒防控知識(shí)大部分都是報(bào)紙、視頻、講座或展覽的形式進(jìn)行傳授，其過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，時(shí)間地點(diǎn)的限制，大量的病毒防控知識(shí)不能夠讓學(xué)生很好地掌握。基于VR技術(shù)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)是針對(duì)病毒的防控知識(shí)利用VR技術(shù)所設(shè)計(jì)的模擬體驗(yàn)式系統(tǒng)產(chǎn)品，其集成了VR技術(shù)、3D全景建模、仿真系統(tǒng)等新型技術(shù)產(chǎn)品[1-3]。老師使用該教學(xué)系統(tǒng)立體直觀地向?qū)W生提供病毒病源、傳播途徑、防護(hù)防治等多方面的防控知識(shí)介紹。一體化病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)可以增加學(xué)生模擬體驗(yàn)流程，通過(guò)在全息環(huán)境中，模擬出不同生活工作場(chǎng)景中病毒防控措施，增強(qiáng)防控意識(shí)，做好病毒防控工作。

1 病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 頭盔顯示器

通過(guò)在傳統(tǒng)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)中添加頭盔顯示器，打破虛擬世界的束縛，根據(jù)立體三維空間中虛擬-現(xiàn)實(shí)頭盔的不同位置、運(yùn)動(dòng)方向軌跡等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息改變整個(gè)球面反投影過(guò)程的視覺(jué)角度[4]。頭盔顯示器利用其兩塊顯示屏幕構(gòu)建虛擬空間左眼與右眼看到的相應(yīng)畫面，并通過(guò)使用這兩塊屏幕與左右眼的不同位置、視線方位等數(shù)據(jù)信息計(jì)算出視覺(jué)圖。其技術(shù)相較于僅一塊顯示屏幕的硬件設(shè)備，頭盔顯示器成像效果更接近人裸眼特點(diǎn)，較大程度上滿足了VR技術(shù)在病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)中3D體驗(yàn)的需求。通過(guò)頭盔顯示器播放的VR視頻，對(duì)雙眼進(jìn)行兩次信息渲染，以正常接收到的視覺(jué)信息使用不同的視覺(jué)參數(shù)對(duì)全景圖進(jìn)行拆分、反投影，融合左右視覺(jué)信息形成立體圖像，完成整個(gè)虛擬-現(xiàn)實(shí)空間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

1.2 DLP投影機(jī)

DLP投影機(jī)以新型空間光源調(diào)節(jié)器（DMD芯片）作為投影核心部分，采用全數(shù)字信息，以高像素的分辨率對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行分析。由于DLP采用新型激光光源在增加整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上降低了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，縮短了系統(tǒng)反應(yīng)速度。由于DLP投影機(jī)添加了特有的TIR組件，將不同方向照射進(jìn)入DMD的光束通過(guò)其不固定的反射角度進(jìn)入TIR與RTIR中，縮小整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)體積框架并提升光源利用率，整個(gè)DLP投影過(guò)程提升了系統(tǒng)光源利用率與系統(tǒng)微型化。

在此次教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將上面兩個(gè)部分融合進(jìn)傳統(tǒng)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的硬件框架作為其教學(xué)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，充分利用VR技術(shù)提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

2 病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)器模塊

針對(duì)此次病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在VR環(huán)境下，3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)器模塊通過(guò)設(shè)置物體的函數(shù)軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)象的復(fù)雜仿真運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)器以層為最小單位構(gòu)建整個(gè)軟件模塊通過(guò)3DMax、PS、MAYA等技術(shù)手段[5]，利用模塊化組合成虛擬場(chǎng)景、動(dòng)畫、文字、視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)環(huán)境。病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)在VR技術(shù)控制下利用上文所設(shè)計(jì)的硬件性能與高效3D算法，對(duì)軟件設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染[6]。

2.2 VR播放控制器模塊

通過(guò)上述虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)，完成軟件整體布局設(shè)計(jì)，結(jié)合播放模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬軟件部分設(shè)計(jì)。由于VR播放控制器以虛擬-現(xiàn)實(shí)內(nèi)容進(jìn)行播放，將場(chǎng)景模板、流媒體、網(wǎng)頁(yè)、動(dòng)畫等添加到系統(tǒng)軟件資源中，學(xué)生需要利用上文提到的頭盔顯示器、交互手柄等硬件進(jìn)行操作，在這次系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，滿足對(duì)上文硬件部分基本設(shè)置的同時(shí)利用數(shù)據(jù)信息自動(dòng)調(diào)節(jié)其VR信息參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的VR播放控制器通過(guò)引出項(xiàng)的修改、數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)更新、觸發(fā)方式的設(shè)置對(duì)該設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)的播放列表進(jìn)行系統(tǒng)控制。較大程度上縮短了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)中老師需花費(fèi)課程的五分之一時(shí)間將教學(xué)內(nèi)容引進(jìn)來(lái)，也降低了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)操作難度。使用此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的VR播放器進(jìn)行病毒防控知識(shí)教學(xué)、場(chǎng)景實(shí)訓(xùn)、還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，把教學(xué)系統(tǒng)與教學(xué)有機(jī)結(jié)合一起。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的VR播放控制器可任意導(dǎo)入3D虛擬目標(biāo)，關(guān)聯(lián)其運(yùn)動(dòng)軌跡，即任意虛擬環(huán)境下的教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)目標(biāo)物均可飛到老師面前，并通過(guò)老師不同手勢(shì)、手柄等終端對(duì)虛擬環(huán)境下的物體進(jìn)行放大、縮小等響應(yīng)動(dòng)作，較為清晰直觀地展現(xiàn)VR技術(shù)下的虛擬物體。VR播放控制器使病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)更加貼近技術(shù)發(fā)展方向，促進(jìn)教學(xué)有序發(fā)展。

此次設(shè)計(jì)的基于VR技術(shù)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)軟件部分側(cè)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)軟件間交互，由于傳統(tǒng)虛擬軟件大多以編寫代碼實(shí)現(xiàn)軟件運(yùn)行，交互過(guò)程較為煩瑣，難度較大，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效率過(guò)低。此次設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)基于VR技術(shù)的基礎(chǔ)上觸發(fā)數(shù)據(jù)信息，在每個(gè)虛擬目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)交互操作，為虛擬目標(biāo)添置交互開(kāi)關(guān)，例如為目標(biāo)對(duì)象增加觸發(fā)操作，在選擇目標(biāo)對(duì)象后為其在彈出的設(shè)置面板選擇合適的參數(shù)值并完成設(shè)定。這種交互式觸發(fā)機(jī)制過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，完成度較高;另外在設(shè)置對(duì)話框中也可對(duì)腳本進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)需求與腳本形式之間進(jìn)行互動(dòng)。

綜上所述，將該部分中設(shè)計(jì)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)軟件與上文中提及的該教學(xué)系統(tǒng)硬件相結(jié)合，完成基于VR技術(shù)的病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)

3.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

在此次系統(tǒng)測(cè)試中，將使用文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在指定的測(cè)試環(huán)境與測(cè)試平臺(tái)中，進(jìn)行統(tǒng)一教學(xué)，設(shè)定測(cè)試指標(biāo)對(duì)文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用性能展開(kāi)研究。在此次測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試平臺(tái)技術(shù)參數(shù)設(shè)定的形式，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，保證文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)可在同一環(huán)境中運(yùn)行，得到有效的測(cè)試結(jié)果，避免由于外部原因造成的測(cè)試結(jié)果誤差。根據(jù)原有設(shè)定的測(cè)試平臺(tái)技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建測(cè)試載體。將文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)安裝到此平臺(tái)中，完成系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程。

3.2 測(cè)試指標(biāo)設(shè)計(jì)

在此次系統(tǒng)測(cè)試中，將系統(tǒng)對(duì)比指標(biāo)設(shè)定為系統(tǒng)用戶承載力以及教學(xué)資源提取時(shí)間。通過(guò)此兩種指標(biāo)，對(duì)比文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與目前使用中系統(tǒng)區(qū)別。為提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩輪完成，每輪實(shí)驗(yàn)設(shè)定為10次，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成系統(tǒng)測(cè)試及對(duì)比。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)上述系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可以看出，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶承載力遠(yuǎn)超于目前使用中的兩種教學(xué)系統(tǒng)。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的用戶承載力較為穩(wěn)定，在多次測(cè)試的過(guò)程中，未發(fā)生波動(dòng)性變化，可見(jiàn)在此次測(cè)試中使用的系統(tǒng)均具有良好運(yùn)行穩(wěn)定性，但傳統(tǒng)系統(tǒng)的用戶承載力較低，可同時(shí)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行操作的人數(shù)具有一定的局限性。綜合上述分析結(jié)果可知文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)在此指標(biāo)對(duì)比中優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于教學(xué)資料的提取時(shí)間明顯縮短于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在兩輪測(cè)試中，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的提取時(shí)間較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)多的變化，傳統(tǒng)系統(tǒng)在測(cè)試中出現(xiàn)部分測(cè)試資料提取時(shí)間異常的問(wèn)題。通過(guò)上述分析結(jié)果可初步判定，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

將系統(tǒng)用戶承載力測(cè)試結(jié)果與教學(xué)資料提取時(shí)長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理可知，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)在基礎(chǔ)性能與系統(tǒng)運(yùn)載方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，將其使用在日常教學(xué)中可提升教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中在傳統(tǒng)病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入VR技術(shù)，進(jìn)一步增加頭盔顯示器與DLP投影機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)施，并在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上融入了虛擬控制模塊，提升了新型教學(xué)系統(tǒng)的交互性教學(xué)機(jī)制，較大程度提升教學(xué)質(zhì)量，降低時(shí)間成本的基礎(chǔ)上推進(jìn)病毒防控知識(shí)教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍有一定的改進(jìn)空間，針對(duì)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，將通過(guò)今后的實(shí)踐研究進(jìn)一步改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷。隨著VR數(shù)據(jù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)為病毒防控知識(shí)教學(xué)提供更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

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【通聯(lián)編輯：張薇】