虛擬現(xiàn)實(shí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究

1、虛擬現(xiàn)實(shí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究 類型：轉(zhuǎn)載| 來源：第二軍醫(yī)大學(xué)網(wǎng)站| 時(shí)間：2006-07-10【摘要】網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)日趨成熟，但在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用卻未見普及。由于網(wǎng)絡(luò)VR的技術(shù)優(yōu)勢對提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量有著重要意義，本文闡述了相關(guān)的理論、主流技術(shù)、針對性實(shí)驗(yàn)對比研究和實(shí)際教學(xué)應(yīng)用分析，同時(shí)論述了網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相互促進(jìn)和推動(dòng)的發(fā)展趨勢?！娟P(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；Web 3D虛擬現(xiàn)實(shí)（VRVirtual Reality）是通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶以自然的方式對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行體驗(yàn)和交互。然而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)大多是基于Web的，要在其中普

2、及由視覺頭盔和數(shù)字手套等設(shè)備構(gòu)成的力反饋式交互VR是極其困難的（一是技術(shù)原因，二是資金原因）。但是以鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等常規(guī)輸入輸出設(shè)備在客戶機(jī)瀏覽器中構(gòu)成交互環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)卻日趨成熟和完善，這些以Web 3D技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)同樣以模擬自然、體驗(yàn)逼真和交互極強(qiáng)為目標(biāo)，在相當(dāng)程度上高效、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了VR系統(tǒng)的目標(biāo)。由于網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)的出現(xiàn)，不僅促進(jìn)了VR技術(shù)的普及應(yīng)用，而且也給網(wǎng)絡(luò)教學(xué)帶來了新的教學(xué)手段，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的質(zhì)量。因此，充分認(rèn)識(shí)VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的重要性、研究網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用規(guī)律，從而進(jìn)一步促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展，已成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的一個(gè)重要課題。一、 虛擬

3、現(xiàn)實(shí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的作用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)具有以下特點(diǎn)：臨場感用戶感覺到沉浸于在瀏覽器中所呈現(xiàn)的虛擬環(huán)境中。多感知性用戶能以視覺、聽覺等多種形式感知信息。交互性用戶能以接近自然的習(xí)慣，用常規(guī)的輸入輸出設(shè)備對虛擬環(huán)境中的物體或場景進(jìn)行操作和得到反饋。真實(shí)性虛擬環(huán)境中的物體運(yùn)動(dòng)接近符合物理定律。高效率虛擬環(huán)境中三維空間的建立和顯示不過分依賴客戶機(jī)的硬件性能并可實(shí)時(shí)渲染，所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小且可流式傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)的上述特點(diǎn)，它在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中正起著獨(dú)特的作用：1 知識(shí)學(xué)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)所表達(dá)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行交互，從而學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)。采用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)表達(dá)教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生在瀏覽器中觀察到在現(xiàn)

4、實(shí)生活中不能或不易觀察到的現(xiàn)象或事物，并提供了極為自然的理想觀察模式。2 激發(fā)創(chuàng)造通過網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)可將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的假設(shè)進(jìn)行虛擬，呈現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果或效果。這樣有力于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，進(jìn)行主動(dòng)的探索性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。3 虛擬實(shí)驗(yàn)采用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)可以將合適的實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室中表達(dá)出來，并由學(xué)生在這些虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)。這樣可以完成不易觀察的、有危險(xiǎn)的或費(fèi)用高的實(shí)驗(yàn)，提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課的效率。4 技能培訓(xùn)由于網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在逼真的虛擬環(huán)境中以自然的方式進(jìn)行交互，所以它非常適于進(jìn)行技能培訓(xùn)，使學(xué)習(xí)者在接近真實(shí)的環(huán)境中更易于掌握相應(yīng)的技能。雖然目前在網(wǎng)絡(luò)上用普通出入輸出設(shè)

5、備不易實(shí)現(xiàn)直接的力反饋，但可實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行有關(guān)三維空間位置、變形、時(shí)間順序、顏色紋理及音視頻等方面的交互，從而可進(jìn)行與這些內(nèi)容相關(guān)的技能培訓(xùn)。二、 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的常用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)目前網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)大多是基于Web 3D技術(shù)的，而Web 3D技術(shù)主要由實(shí)時(shí)3D建模和動(dòng)態(tài)顯示兩部分組成。通常實(shí)時(shí)3D建模和動(dòng)態(tài)顯示分為兩種類型，一種是基于幾何模型，另一種是基于圖像。1這兩種技術(shù)方案各有其特點(diǎn)，前者可方便地建立以任意角度進(jìn)行觀察的3D空間，但計(jì)算量大，因而對硬件要求較高，對復(fù)雜模型的建模過程較為困難；后者采用圖像鑲嵌方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)建模，開發(fā)成本低，計(jì)算量小且效果逼真，但數(shù)據(jù)量較大。各種網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)為了

6、能在網(wǎng)絡(luò)這一特殊環(huán)境下不斷發(fā)展，都不僅具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，而且也都盡量揚(yáng)長避短，形成了各自的技術(shù)風(fēng)格，這也為我們在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中針對不同教學(xué)內(nèi)容選用最為合適的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。有鑒于此，研究和對比分析各種主流網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)是十分必要的。1 VRMLVRML（Virtual Reality Modeling Language虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言）是專門用于在網(wǎng)上建立虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)語言，它采用基于幾何模型的實(shí)時(shí)建模和動(dòng)態(tài)顯示方法。VRML可以用于建立真實(shí)世界的場景模型，也可建立虛構(gòu)的三維空間。VRML提供了所謂的6+1度瀏覽，即沿三軸方向移動(dòng)場景和旋轉(zhuǎn)場景，同時(shí)還可以建立與其他3D空間的超鏈接。

7、VRML文件是文本文件，它可以用文本編輯器編寫生成，其文件擴(kuò)展名是.wrl。由于VRML語言語法規(guī)則較為復(fù)雜和嚴(yán)格，靠人工編寫VRML文件工作量極大，因此一些三維建模工具（如3DS MAX）以可視化方式建立3D空間并自動(dòng)生成VRML文件，提高了開發(fā)效率，但這樣生成的VRML文件數(shù)據(jù)量比人工編寫的文件大得多。VRML適用于構(gòu)造虛擬三維環(huán)境，而對于表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)場景和物體則略感不足。2 QuickTime VRQuickTime是Apple公司開發(fā)的數(shù)字圖像影視技術(shù)規(guī)范，它包含多種媒體數(shù)據(jù)的壓縮/解壓縮技術(shù)。QuickTime VR是其中一種新的媒體數(shù)據(jù)格式。它包含了對象影視（Object M

8、ovie）、全景影視（Panoramic Movie）和多節(jié)點(diǎn)影像（Multi-Node Scene）等幾種形式，其文件擴(kuò)展名是.mov。2由于過去QuickTime是Mac系列機(jī)上的數(shù)字視頻規(guī)范，因而制作QuickTime VR的開發(fā)工具大多在Mac機(jī)上運(yùn)行，缺少PC機(jī)Windows上的開發(fā)工具，而現(xiàn)在已出現(xiàn)了許多Windows上的QuickTime VR的專業(yè)開發(fā)工具，如VR ToolBox等，使得開發(fā)用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的QuickTime VR影視更為便捷和高效。3 Cult3DCult3D是Cycore公司基于Java開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)，它具有獨(dú)特的渲染方式，可動(dòng)態(tài)顯示極高質(zhì)量的圖像且不依賴

9、3D加速卡等硬件，所產(chǎn)生的文件（.co）數(shù)據(jù)量小且可保留建模工具中所建立的貼圖，并可以在3D物體上設(shè)計(jì)各種交互和添加聲音，特別適合于在網(wǎng)絡(luò)上表達(dá)3D對象。3Cult3D技術(shù)本身并無創(chuàng)建3D模型的能力，它依靠專門的3D建模工具軟件來建立3D模型，并通過安裝在這些軟件中的插件導(dǎo)出所需的3D模型。支持這一功能的3D建模軟件有3DS MAX 和Maya。在Cult3D的交互功能設(shè)計(jì)軟件Cult3D Designer中為3D對象設(shè)計(jì)動(dòng)作和交互并輸出用于網(wǎng)絡(luò)的壓縮文件。Cult3D技術(shù)的弱點(diǎn)是不易表達(dá)360的全景虛擬環(huán)境。4 ViewpointViewpoint是Viewpoint公司的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)，其正

10、式名稱是VET（Viewpoint Experience Technology），4 它的前身是著名的MetaStream技術(shù)。由于Viewpoint開發(fā)的VR文件數(shù)據(jù)量小、可流式下載、動(dòng)態(tài)顯示圖像質(zhì)量好以及可實(shí)時(shí)交互控制改變紋理貼圖，因此被廣泛用于在網(wǎng)上表達(dá)3D對象。Viewpoint技術(shù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件狀況自動(dòng)調(diào)整顯示3D對象的細(xì)節(jié)和播放幀率，因此它對網(wǎng)絡(luò)帶寬適應(yīng)能力較強(qiáng)。通常開發(fā)Viewpoint的VR文件是從3DS MAX中導(dǎo)出ASE文件，在Viewpoint的核心應(yīng)用程序Viewpoint Scene Builder中導(dǎo)入ASE文件，并對相應(yīng)3D場景的有關(guān)元素（如：材質(zhì)、動(dòng)畫、交互動(dòng)

11、作和場景定義信息）進(jìn)行編輯和設(shè)計(jì)，最終輸出可在瀏覽器中播放的Viewpoint數(shù)據(jù)文件（.mts和.mtx）。5 FlashFlash是Macromedia公司開發(fā)的矢量動(dòng)畫技術(shù)。Flash動(dòng)畫采用網(wǎng)上流式播放技術(shù)，在安裝了Flash播放器的瀏覽器中可以流暢地播放Flash動(dòng)畫。在Flash中制作動(dòng)畫時(shí)，不僅可在開發(fā)環(huán)境中繪制矢量對象，而且還可以導(dǎo)入外部矢量圖形文件、位圖圖像文件、多種格式的聲音文件甚至還可編輯視頻文件。Flash現(xiàn)在被廣泛用于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)交互矢量動(dòng)畫，然而用它也可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)VR的開發(fā)。用Flash開發(fā)VR數(shù)據(jù)文件，主要是采用其腳本語言ActionScript控制交互，進(jìn)而控制通過導(dǎo)

12、入序列圖像或已拼接的360全景圖像而形成的3D對象或全景虛擬環(huán)境。由于用ActionScript進(jìn)行VR交互控制的靈活性較大，因此所開發(fā)的VR數(shù)據(jù)文件也具有較強(qiáng)的個(gè)性，同時(shí)因?yàn)镕lash并非專門用于開發(fā)VR的，所以開發(fā)時(shí)的步驟較為復(fù)雜些。為了研究和對比上述5種網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)性能和特點(diǎn)，我們分別采用這些技術(shù)制作一個(gè)3D茶壺的對象VR數(shù)據(jù)文件，VR顯示窗尺寸為320240象素，并將VR數(shù)據(jù)文件嵌入網(wǎng)頁，在瀏覽器中體驗(yàn)VR中的物體。在制作過程中，3D茶壺的建模在3DS MAX 3.0中完成，采用默認(rèn)材質(zhì)和不使用貼圖。由于上述5種網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)都可在可視化開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行VR景象的構(gòu)建，并且都可跨平臺(tái)應(yīng)用，

13、因此成為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中采用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)的首選。因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)本身的特點(diǎn)和差異，所以它們適用于不同教學(xué)目的和內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)課程。表1是上述5種網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)性能特點(diǎn)和應(yīng)用狀況對照表。網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)制作過程文件數(shù)據(jù)量動(dòng)態(tài)顯示類型顯示效果適用VR類型瀏覽器插件VRML從3DS MAX中導(dǎo)出35k基于幾何模型較粗糙對象、全景高版本瀏覽器預(yù)裝QuickTime VR從3DS MAX中導(dǎo)出序列圖像，在VRToolBox中制作136K隨壓縮率變化基于圖像隨壓縮率可調(diào)對象、全景、多節(jié)點(diǎn)需安裝Cult3D從3DS MAX中導(dǎo)出模型，在Cult3D Designer中設(shè)計(jì)并導(dǎo)出最終文件12k基于幾何模型效果好，有接近自

14、然的運(yùn)動(dòng)阻力對象需安裝Viewpoint使用插件直接從3DS MAX中導(dǎo)出5k基于幾何模型效果好對象、全景需安裝Flash從3DS MAX中導(dǎo)出序列圖像，在Flash中制作103k隨壓縮率變化基于圖像隨壓縮率可調(diào)對象、全景高版本IE瀏覽器預(yù)裝表1 主流網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)性能特點(diǎn)和應(yīng)用狀況對照表三、 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中VR應(yīng)用實(shí)例分析在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，針對不同的教學(xué)內(nèi)容和要求應(yīng)選擇更為合適的網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)，這樣可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確表達(dá)教學(xué)內(nèi)容、提高開發(fā)效率的目的。以下是本研究在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)的實(shí)例。1. 用QuickTime VR實(shí)現(xiàn)對先天性畸形胎兒教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)教學(xué)內(nèi)容先天性胚胎發(fā)育畸形。舉例觀察一個(gè)先天性畸形

15、胎兒標(biāo)本。此例胎兒標(biāo)本是具有多處畸形的聯(lián)體畸形胎兒，為極為少見的畸形胎兒標(biāo)本。教學(xué)要點(diǎn)通過全方位仔細(xì)觀察畸形胎兒標(biāo)本，加深理解和認(rèn)識(shí)先天性胚胎發(fā)育畸形的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)設(shè)計(jì)此畸形胎兒須觀察的部位發(fā)生在其整體上，所以在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)時(shí)應(yīng)可使學(xué)生在360全方位轉(zhuǎn)動(dòng)、縮放和移動(dòng)標(biāo)本，實(shí)現(xiàn)如同直接觀察標(biāo)本的教學(xué)效果。VR數(shù)據(jù)開發(fā)根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的要求，采用QuickTime VR技術(shù)開發(fā)此項(xiàng)VR數(shù)據(jù)，可使VR效果最為逼真。開發(fā)過程要點(diǎn)是：(1) 用數(shù)碼照相機(jī)每隔10拍攝1張標(biāo)本的圖像。(2) 用Photoshop對攝取的圖像進(jìn)行處理。(3) 在VR ToolBox中導(dǎo)入經(jīng)處理的36幅圖像，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況將壓

16、縮率設(shè)定為JPEG的80%，最后導(dǎo)出VR影視的.mov文件。實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)將VR數(shù)據(jù)文件嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁中，并設(shè)計(jì)其在網(wǎng)絡(luò)課程中的鏈接，將相關(guān)網(wǎng)頁和VR數(shù)據(jù)文件上傳至服務(wù)器，在學(xué)生機(jī)瀏覽器上安裝QuickTime播放插件（3.0以上版本）。學(xué)生至此即可上網(wǎng)瀏覽相應(yīng)的VR內(nèi)容并通過交互控制VR影視中的各種運(yùn)動(dòng)，達(dá)到仔細(xì)觀察標(biāo)本各部位的目的，見圖1所示。圖1 畸形胎兒的VR表達(dá)分析由于此例VR表達(dá)的對象是畸形胎兒標(biāo)本，其整體形狀極不規(guī)則，因此不宜采用基于幾何模型的VR技術(shù)。采用基于圖像的QuickTime VR技術(shù)則可非常好地滿足教學(xué)設(shè)計(jì)的要求并可逼真地表達(dá)教學(xué)內(nèi)容。在此例開發(fā)和實(shí)施應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意VR

17、影視圖像質(zhì)量與數(shù)據(jù)量及網(wǎng)絡(luò)帶寬的關(guān)系，VR影視數(shù)據(jù)量大時(shí)應(yīng)在服務(wù)器上安裝QuickTime服務(wù)器端應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)流式播放。2. 用Cult3D實(shí)現(xiàn)對眼球解剖教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)教學(xué)內(nèi)容眼球大體結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容包括眼球外形、眼球壁和眼球內(nèi)容等。教學(xué)要點(diǎn)對眼球大體結(jié)構(gòu)中的各解剖部位的認(rèn)識(shí)、解剖名詞的記憶和掌握各部位的相互關(guān)系。教學(xué)設(shè)計(jì)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，應(yīng)使學(xué)生可對眼球進(jìn)行3D空間任意角度的觀察，并可依據(jù)其大體結(jié)構(gòu)將眼球從外至內(nèi)逐層打開進(jìn)行仔細(xì)觀察，所有解剖部位均可任意旋轉(zhuǎn)、縮放和移動(dòng)。VR數(shù)據(jù)開發(fā)采用Cult3D技術(shù)開發(fā)此例VR數(shù)據(jù)，可高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的要求。開發(fā)過程要點(diǎn)是：(1) 在3DS MAX中分

18、別對眼球各層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并賦予相應(yīng)材質(zhì)，按照眼球各層結(jié)構(gòu)將建立的物體鏈接在一起。通過Cult3D在3DS MAX中的插件Cult3D Exporter導(dǎo)出模型文件（*.c3d）。(2) 在Cult3D Designer中導(dǎo)入模型文件，在其中加入交互功能和運(yùn)動(dòng)控制，最后導(dǎo)出經(jīng)壓縮的VR數(shù)據(jù)文件（*.co）。實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)將VR數(shù)據(jù)文件嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁中，并設(shè)計(jì)其在網(wǎng)絡(luò)課程中的鏈接，將相關(guān)網(wǎng)頁和VR數(shù)據(jù)文件上傳至服務(wù)器，在學(xué)生機(jī)瀏覽器上安裝Cult3D播放插件。學(xué)生可通過上網(wǎng)在瀏覽器中觀察此VR內(nèi)容并可通過交互逐層打開此虛擬的眼球，仔細(xì)觀察相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，見圖2所示。圖2眼球解剖的VR表達(dá)分析由于此例教學(xué)設(shè)計(jì)要求眼球大體結(jié)構(gòu)的各層可分別打開并能在任意角度旋轉(zhuǎn)，而眼球外形及眼球壁各層結(jié)構(gòu)造型相對規(guī)則，可在3DS MAX中建模實(shí)現(xiàn)，因此可采用Cult3D技術(shù)開發(fā)VR數(shù)據(jù)文件。Cult3D是基于幾何模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示的，其VR文件數(shù)據(jù)量小，顯示效果也非常好，其中的交互控制可設(shè)計(jì)得非常細(xì)致，所以此例VR應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)效果很好。四、 總結(jié)網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中已經(jīng)發(fā)揮了越來越大的作用，由于它在技術(shù)上的優(yōu)勢，使得采用網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)