沈旭昆

摘要:“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”是一門學科高度交叉,特征鮮明,不斷產(chǎn)生新思想、新技術(shù),應(yīng)用越來越廣泛的學科,本文在分析“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”課程學科交叉綜合性強、數(shù)理基礎(chǔ)要求高、創(chuàng)新思維豐富、工程應(yīng)用突出等特點的基礎(chǔ)上,結(jié)合多年研究工作積累以及課程教學實踐,給出了詳細的教學大綱,重點闡述在教學活動中貫徹“突出三個基本,注重融會貫通;點面結(jié)合,各有側(cè)重;結(jié)合實例,促進創(chuàng)新思維”的實踐與思考,最后提出進一步提高教學效果的努力方向。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實;教學實踐;三個基本;點面結(jié)合

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設(shè)備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環(huán)境中的實體對象進行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構(gòu)想(Imagination)特性。交互特性強調(diào)參與者通過專用設(shè)備以人類自然方式與VE中的對象進行相互操作;沉浸特性要求計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境能使參與者產(chǎn)生置身其中的體驗;構(gòu)想特性是指虛擬環(huán)境能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并輔助產(chǎn)生創(chuàng)新思維。

二十世紀六十年代初,“圖靈獎”獲得者,被稱為計算機圖形學之父的美國科學家Ivan Sutherland發(fā)表“終極顯示”論文提出虛擬現(xiàn)實概念,自此,虛擬現(xiàn)實技術(shù)歷經(jīng)一系列里程碑式的理論、方法與技術(shù)研究工作,并取得了重大工程應(yīng)用成果。今天虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛,主要包括三大應(yīng)用方向,即訓練演練、規(guī)劃設(shè)計與預測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進行作戰(zhàn)指揮模擬,宇宙飛船、飛機、艦船模擬駕駛訓練,飛機、導彈、輪船等復雜系統(tǒng)的虛擬設(shè)計與制造,城市環(huán)境規(guī)劃及其建筑物的展示,手術(shù)培訓與導航,游戲動漫與影視制作等。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及的學科綜合性、交叉性強,是可以拉動多學科發(fā)展,不斷產(chǎn)生新思想、新技術(shù),具有廣泛和重大應(yīng)用前景的科學技術(shù)領(lǐng)域,國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)把虛擬現(xiàn)實技術(shù)確定為信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一。

2課程的特點

北京航空航天大學計算機學院從1994年開始從事虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域的研究,取得許多創(chuàng)新成果,在相關(guān)學科領(lǐng)域產(chǎn)生了較大影響,逐步形成了北航計算機學院一個新的優(yōu)勢學科方向。作為計算機應(yīng)用本科生的專業(yè)限選課程,“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”課程教學已經(jīng)講授了5年。本課程的教學目的是通過對有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)外研究熱點問題、典型研究工作的介紹,使學生了解當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展趨勢;通過對虛擬現(xiàn)實基本原理、基本算法、開發(fā)方法、主流系統(tǒng)的介紹,使學生掌握虛擬現(xiàn)實主要技術(shù)、開發(fā)環(huán)境與平臺;以虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室研究工作為主要實踐教學支撐,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,滿足國民經(jīng)濟和國防部門對虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域?qū)ｉT人才的需求。虛擬現(xiàn)實課程具有以下特點:

2.1學科交叉性、綜合性強

國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要指出:“虛擬現(xiàn)實技術(shù)重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、實時分布系統(tǒng)、電子學和多媒體技術(shù)等多學科融合的技術(shù),研究醫(yī)學、娛樂、藝術(shù)與教育、軍事及工業(yè)制造等多個相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)?！碧摂M現(xiàn)實技術(shù)主要從計算機科學與技術(shù)、控制科學與技術(shù)、機械工程科學與先進制造技術(shù)等學科中孕育并實現(xiàn)跨越,逐步發(fā)展成熟,涉及心理學、認知科學、計算機圖形學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等,學科交叉性、綜合性強,如圖1所示。

2.2數(shù)理基礎(chǔ)要求高

虛擬現(xiàn)實課程的許多理論、方法和技術(shù)涉及大量的數(shù)學公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中所涉及的計算機圖形學,基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中所涉及的圖像處理和信號處理技術(shù),在建模技術(shù)中涉及的動力學、運動學等,都需要學生具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)。

2.3創(chuàng)新思維豐富

虛擬現(xiàn)實被眾多學者認為是科學研究與工程實踐中理論和實驗方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達的宏觀或微觀環(huán)境,進行研究和體驗;在虛擬環(huán)境下進行逼真的規(guī)劃、設(shè)計、訓練演練,作出評價和決策,其與生俱來的構(gòu)想特性能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并產(chǎn)生創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于多學科交叉性,在不同學科交叉融合中源源不斷地產(chǎn)生新思想、新方法。

2.4工程應(yīng)用突出

虛擬現(xiàn)實技術(shù)既有堅實的理論基礎(chǔ)和方法,也有大量的典型算法,同時又是一門應(yīng)用牽引強,各種開發(fā)平臺和應(yīng)用工具豐富,人機交互設(shè)備多,軟硬件結(jié)合與系統(tǒng)集成占相當比重的課程。

2.5課程內(nèi)容多課時緊

本課程是本科生計算機應(yīng)用方向的限選課程,在本科四年級上學期開設(shè),其間正值學生考研復習準備階段,課時總計36學時,課內(nèi)教學18學時、課外實踐18學時,授課時間十分緊張。

3教學內(nèi)容安排

我們經(jīng)過多年的教學實踐,在不斷與學生教與學交互的活動中,結(jié)合自身學科研究特色,總結(jié)、完善主要教學內(nèi)容,形成了如下的教學大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術(shù)語、虛擬現(xiàn)實特征、里程碑工作和研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外典型應(yīng)用實例。

第二章:虛擬現(xiàn)實硬件與系統(tǒng)(2h)

虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備、虛擬現(xiàn)實輸出設(shè)備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統(tǒng)的構(gòu)建實例。

第三章:基于圖形的虛擬現(xiàn)實建模與開發(fā)技術(shù)(6h)

視覺感知相關(guān)基本概念、場景表示與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計、CREATOR建模軟件與合成自然環(huán)實例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發(fā)軟件、虛擬場景漫游應(yīng)用程序開發(fā)實例。

第四章:基于圖像的虛擬現(xiàn)實建模與繪制技術(shù)(2h)

IBMR技術(shù)與全光函數(shù)、全景圖像與柱面全景圖像實例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環(huán)境建模、運動系統(tǒng)、逼真性與效率權(quán)衡。

第六章:虛擬人技術(shù)(2h)

人體抽象模型與國際標準、逼真運動獲取與表示、運動約束與重用、虛擬人技術(shù)應(yīng)用實例。

第七章:分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(2h)

DIS技術(shù)與IEEE1278、HLA技術(shù)與IEEE1516、分布交互仿真程序開發(fā)與應(yīng)用實例。

教學實踐與課外教學安排:(18h)

課外研讀學習OpenGL、構(gòu)建虛擬現(xiàn)實漫游程序;參觀虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,觀看演示、操作實驗室研究設(shè)備,了解當前主要研究方向和趨勢。

4教學實踐與思考

針對虛擬現(xiàn)實課程的上述特點,我們在課程的教學活動中形成了“突出三個基本,注重融會貫通;點面結(jié)合,各有側(cè)重;結(jié)合實例,促進創(chuàng)新思維”的教學思路。

4.1突出三個基本,注重融會貫通

在教學中突出三個基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現(xiàn)實課程的諸多內(nèi)容來自不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對于這部分內(nèi)容在教學活動中應(yīng)有意識進行聯(lián)系,分析講解,努力讓學生融會貫通。以細節(jié)層次概念(LOD)為例,細節(jié)層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復雜程度(常常以多邊形數(shù)來衡量)各不相同的實體細節(jié)層次模型來描述對象,在運行時根據(jù)一些主客觀標準在這些LOD模型間進行切換,實時改變場景的復雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時產(chǎn)生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復雜光照模型實時繪制等研究工作中也引入和應(yīng)用了同樣的原理,因此在講解細節(jié)層次概念時進行舉一反三,加深學生對這一滿足逼真性和繪制實時性普適基本方法的理解,進一步可以引伸出連續(xù)細節(jié)層次方法以及與視點相關(guān)的遞進傳輸技術(shù)如何滿足基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用問題。這樣教學思路始終貫徹在七維全光函數(shù)降維、八叉樹的數(shù)據(jù)組織方法等諸多教學內(nèi)容中,以達到融會貫通的目的。

4.2點面結(jié)合,各有側(cè)重

虛擬現(xiàn)實課程涉及學科眾多,內(nèi)容十分豐富,有限的課時內(nèi)做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學大綱基本覆蓋虛擬現(xiàn)實的主要研究分支,重點是基于圖形和基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù),由于增強現(xiàn)實在其他課程有重點講授,不過多涉及。其次注重對當前國內(nèi)外的研究重點、熱點問題,以及當前的主流設(shè)備、開發(fā)工具與平臺介紹。通過發(fā)揮授課教師的計算機科學與技術(shù)專業(yè)背景,結(jié)合實驗室多年的研究工作進行知識點的深入講解。例如在分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學中,實驗室在該方向上開展了長達十年的研究工作,研究成果既體現(xiàn)了該內(nèi)容的基本方法、國際標準,又體現(xiàn)了當前的最新研究成果。該內(nèi)容的教學從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術(shù)的對比,重點講解分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)如何應(yīng)用數(shù)據(jù)抽象與封裝、發(fā)布與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術(shù)解決大規(guī)模交互仿真問題,進一步引伸介紹目前該方向的研究進展,讓同學了解當前研究熱點問題。

4.3結(jié)合實例,促進創(chuàng)新思維

虛擬現(xiàn)實是一門多學科交叉的科學技術(shù),不同學科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創(chuàng)新尤為明顯。因此在講授具體內(nèi)容的同時,應(yīng)介紹該研究工作和成果產(chǎn)生的背景,體現(xiàn)交叉創(chuàng)新、集成創(chuàng)新思路,啟迪同學的創(chuàng)造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標。在課程綜述中重點介紹信息資源環(huán)境的智能化、普適化、協(xié)同化、沉浸化發(fā)展的各個不同歷史時期代表性工作,以及仿真技術(shù)、先進制造技術(shù)等學科對虛擬現(xiàn)實的重要貢獻,突出虛擬現(xiàn)實技術(shù)交叉融合的特性。將具體的課程知識點講授融入到典型實例中,人工生命課程教學中以ACM優(yōu)秀博士論文工作為基礎(chǔ),講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環(huán)境建模等,目的在于突出建模內(nèi)涵的寬泛性和在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學分析、總體方案設(shè)計,行為與運動系統(tǒng)實現(xiàn),歸納總結(jié)出多學科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創(chuàng)新所在。在講授虛擬人技術(shù)時,首先提出逼真人體運動復雜性和實時性這一矛盾,引入機器人技術(shù)領(lǐng)域的逆向運動學以及信號與系統(tǒng)中的信號處理方法,重點介紹借鑒其他學科方法解決虛擬人運動重用和大規(guī)模人群等關(guān)鍵問題,強調(diào)借鑒啟迪是創(chuàng)新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環(huán)境中同樣貫徹了結(jié)合實例,促進創(chuàng)新思維這一教學思路。

5結(jié)論與展望

“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”涉及面寬、內(nèi)容十分豐富,同時發(fā)展迅速,應(yīng)用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個需要不斷探討、研究總結(jié)的教學課題。筆者在多年的教學活動中,通過教與學的交流,不斷總結(jié)形成了一些教學思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實,主要包括兩個方面內(nèi)容:(1)如何做好虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程與計算機圖形學、多媒體技術(shù)、圖像處理技術(shù)的銜接;(2)如何利用好虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室的研究環(huán)境、軟硬件資源以進一步加強虛擬現(xiàn)實課程的實踐環(huán)節(jié)。我們將在今后繼續(xù)研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻:

[1] 趙沁平. DVENET分布式虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)運行平臺與開發(fā)工具[M]. 北京:科學出版社,2004.

[2] 石教英. 虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)及實用算法[M]. 北京:科學出版社,2002.

[3] Mel Slater Anthony Steed. 計算機圖形學與虛擬環(huán)境[M]. 程成,等譯. 北京:機械工業(yè)出版社,2004.