周世菊

(山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同 037009）

虛擬攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周世菊

(山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同 037009）

遠(yuǎn)程教育教學(xué)分離的特征導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)難于進(jìn)行，而虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，則很好地解決了這一問題.基于VRML設(shè)計(jì)和開發(fā)了虛擬攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并就實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和原理做了介紹.系統(tǒng)經(jīng)測試取得了較好的使用效果，對遠(yuǎn)程教育具有一定的借鑒意義.

VRML 虛擬實(shí)驗(yàn) 攝像實(shí)驗(yàn) 遠(yuǎn)程教育

實(shí)驗(yàn)操作是理工科教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力、確保教學(xué)質(zhì)量方面扮演著極為重要的角色.然而在遠(yuǎn)程教育中，由于教學(xué)機(jī)構(gòu)與學(xué)習(xí)者在空間上的分離，使得學(xué)習(xí)者難于到實(shí)驗(yàn)室操作儀器，這在一定程度上影響了遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量.為了解決這個(gè)問題，有人已采用了現(xiàn)在迅速發(fā)展并已應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并取得了可喜的成果.[1]

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是指利用各種軟硬件技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)設(shè)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)總和.近年來，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)已成為遠(yuǎn)程教學(xué)研究的重要方面.《電視教材編導(dǎo)與制作》課程是教育技術(shù)專業(yè)的主干課程之一，其中的攝像實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基礎(chǔ)、關(guān)鍵的環(huán)節(jié).為探索研究遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，基于VRML和JavaScript設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了虛擬攝象機(jī)和外景練習(xí)環(huán)境，在實(shí)踐中取得了預(yù)期的效果.

1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)選擇

通過總結(jié)分析國內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，目前能實(shí)現(xiàn)三維物體顯示的技術(shù) (渲染引擎)有很多，比如Cu1t3D，Java3D，Viewpoint，OpenGL，Adobe Atmosphere等，這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是都能較好地虛擬現(xiàn)實(shí)世界，顯示三維場景供用戶瀏覽，而且也都具有一定的交互性：如用戶可隨意地在虛擬世界中行走、變換視點(diǎn)或是觸摸、旋轉(zhuǎn)虛擬世界中的物體.但它們要么因文件太大，不適于網(wǎng)上實(shí)時(shí)傳輸，要么交互性能有限，不適于在虛擬實(shí)驗(yàn)中完成復(fù)雜的人機(jī)交互，而且它們均非國際標(biāo)準(zhǔn)，通用性差.[2]

相反VRML(Virtual reality modeling language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)是在解決數(shù)據(jù)帶寬與處理能力之間的矛盾中產(chǎn)生的.它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，是一種基于文本的、描述圖形的三維造型和渲染的語言，被作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC-14772并能提供一種與3D數(shù)據(jù)有效的交互方式.VRML憑著它獨(dú)有的如下一些特點(diǎn)：(1)基于Internet的三維虛擬世界.(2)平臺(tái)獨(dú)立性.(3)可擴(kuò)展性.(4)基于事件的交互.(5)低帶寬要求.(6)腳本功能.使得它在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等方面具有強(qiáng)大的生命力和發(fā)展前景.[3]

通過上述分析,筆者選擇虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(以下簡稱VRML)作為本系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，這是因?yàn)閂RML是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的利器；利用VRML語言的三維造型和實(shí)時(shí)渲染圖形描述功能、交互功能、編程功能把HTML、JavaScript與多媒體信息等有機(jī)的結(jié)合起來，創(chuàng)建一個(gè)使參與者有身臨其境感覺并能與其交互的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

目前，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)采用的體系有基于客戶/服務(wù)器(C/S)和基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)兩種結(jié)構(gòu).C/S架構(gòu)發(fā)布、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等都較為繁瑣，而B/S架構(gòu)將WEB瀏覽器作為系統(tǒng)的客戶端，用戶只需要知道服務(wù)器的地址就可以方便的訪問系統(tǒng)資源，不需要安裝客戶端軟件，避免了C/S架構(gòu)的不足.為利于發(fā)布和使用，本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn).[4]

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的與原則

本虛擬攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)分析時(shí)的目的主要有兩個(gè)：一是使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的虛擬攝像實(shí)驗(yàn)這種動(dòng)感逼真的虛擬學(xué)習(xí)形式；二是使學(xué)習(xí)者通過本虛擬攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)掌握最基本最關(guān)鍵的攝像技能.如：白平衡的調(diào)節(jié)、焦距的調(diào)節(jié)、光圈和快門的配合使用、固定鏡頭的拍攝、運(yùn)動(dòng)鏡頭的拍攝、構(gòu)圖練習(xí)以及攝錄回放綜合練習(xí)等.為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的，制作并實(shí)現(xiàn)了虛擬攝像機(jī)和虛擬校園(練習(xí)場景).

在明確設(shè)計(jì)目的的前提下，本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)力求按如下原則設(shè)計(jì)開發(fā)：

(1)實(shí)驗(yàn)用戶界面友好.

(2)實(shí)驗(yàn)中用到的虛擬攝像機(jī)大部分關(guān)鍵技術(shù)操作點(diǎn)，力求與真實(shí)攝像機(jī)的使用相一致，達(dá)到較高的逼真性，以盡可能的提高實(shí)驗(yàn)效率.

(3)在保證實(shí)驗(yàn)功能的前提下，為保障網(wǎng)絡(luò)使用的實(shí)時(shí)性，實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)應(yīng)盡可能壓縮VRML文件，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)

虛擬攝像機(jī)和虛擬校園的設(shè)計(jì)是一個(gè)使用3DSMax進(jìn)行三維建模的過程，這里不作討論.這里就使用VRML和JavaScript建模仿真及交互原理做一簡要論述.

3.1 虛擬場景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

筆者采用山西大同大學(xué)御東校區(qū)的南區(qū)及部分北區(qū)作為虛擬場景，目的是讓實(shí)驗(yàn)者通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，既能進(jìn)行鏡頭和構(gòu)圖的練習(xí)，又能更好地感受虛擬實(shí)驗(yàn)帶給我們的神奇和快樂；同時(shí)也為了讓大家更好地認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育結(jié)合的意義和潛力.山西大同大學(xué)校園包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生公寓、教師公寓、餐廳、籃球場以及路燈等等.下面簡要討論籃球場的實(shí)現(xiàn)原理.

由于籃球場中各個(gè)場地球架和地面全部相同，因此采用了VRML中的實(shí)例化技術(shù)和DEF的USE機(jī)制，可以在增加同類物體數(shù)量時(shí)不增加多邊形數(shù)量，同時(shí)可以減少代碼及避免重復(fù)編程.

這里給第一組籃球架的球框、球架和球板分別用DEF定義了名字qk1、qj1和qb1，并將其命名為lanqiujia1.在剩下的11組籃球架中分別用USE引用和inline實(shí)例化引用即可.

DEF qk1 Shape{……}//球框

DEF qj1 Shape{……}//球架

DEF qb1 Shape{……}//球板

這樣其它場地的籃球架實(shí)現(xiàn)就相當(dāng)簡單：

qk2 children[USE qk1]…

qj2 children[USE qk1]…

qb2 children[USE qk1]…

Lanqiujia2 Inline{“l(fā)anqiujia1”}……//籃球架整體實(shí)例引用

實(shí)例化技術(shù)和DEF的USE機(jī)制使場景文件表達(dá)更簡潔，更具可維護(hù)性和可重用性.[5]場景中路燈、路牌、草坪及樹木本身結(jié)構(gòu)相同，因此同樣通過實(shí)例化技術(shù)和DEF的USE機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，因原理相同這里不再討論.

3.2 虛擬攝象機(jī)交互程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本虛擬實(shí)驗(yàn)的交互包括四大部分：部件名稱提示功能、基本交互功能、變焦鏡頭、光圈調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)以及攝錄回放功能的實(shí)現(xiàn).這些交互效果都要在新的窗口中來展示，即當(dāng)在攝像機(jī)上操作功能按鈕時(shí)，在主頁面的右上角實(shí)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)新的窗口用來表示在液晶顯示器中的觀察效果，這就需要實(shí)現(xiàn)VRML-HTML-VRML之間的分屏通信.下面簡要說明這一效果的實(shí)現(xiàn)原理.

當(dāng)學(xué)習(xí)者對虛擬攝像機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，攝像機(jī)發(fā)出相應(yīng)的信息，同時(shí)場景要實(shí)時(shí)接收攝像機(jī)發(fā)出的信息.關(guān)鍵代碼如下：

ROUTE huan.rotation TO script.rot//校園場景位移隨著焦距值變化而變化

4 系統(tǒng)運(yùn)行說明

虛擬攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最終完成圖及部分模塊界面分別如圖1，2，3所示.

圖1 系統(tǒng)首頁

圖2 虛擬模塊首頁

圖3 實(shí)時(shí)分屏效果

在VRML場景中，可以通過鼠標(biāo)左鍵對攝像機(jī)進(jìn)行多種操作，比如：開關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)光圈、焦距等，通過右鍵可以進(jìn)行快捷操作以及得到幫助等，另外還可以通過配合鍵盤的前后左右鍵進(jìn)行校園漫游，瀏覽到美景時(shí)可以實(shí)時(shí)拍攝記錄，并且可以回放觀看.

5 結(jié)論

找到新技術(shù)新思想、預(yù)見新技術(shù)在教育領(lǐng)域的未來、設(shè)計(jì)新技術(shù)在教育中的典型應(yīng)用、實(shí)施新技術(shù)試點(diǎn)研究是教育技術(shù)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域[6].而虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究就是一個(gè)很好的例子.

通過本虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可知，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠形象、直觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于VRML語言的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬戏抡婺M實(shí)際實(shí)驗(yàn)，適合于理工科教學(xué)中設(shè)備操作類實(shí)驗(yàn)的模擬，是現(xiàn)階段仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)中系統(tǒng)要求較低、軟硬件投入資源較少、具有較好教學(xué)效果的解決方案，對于輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際操作技能將起到非常好的效果，同時(shí)能夠在一定程度上緩解遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的問題，推動(dòng)遠(yuǎn)程教育向更深層次發(fā)展.

[1]宋象軍.虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22(1)：35-37.

[2]朱婷婷.基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2009.

[3]周世菊.虛擬攝像實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：四川師范大學(xué)，2009.

[4]李泰峰.基于VRML的仿真邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(6)：78-79.

[5]Andrea LAmes，David RNadeau，John LMoreland.VRML資源手冊[M].宗志方譯.北京：電子工業(yè)出版社，1998:152-200.

[6]喬世東，康淑瑰，張軍征.現(xiàn)代教育信息技術(shù)與高校數(shù)學(xué)教學(xué)整合的途徑和方法[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，23(4)：61-70.

Design and Realization of Virtual Camera Experimental System

ZHOU Shi-ju
(School of Education Science and Technology，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

Experiment is difficult to launch because the separation of learning and teaching in Remote Education，the emergence of Virtual Labs Technology solves this problem very well.Design and developed Virtual Camera Experimental System on the basis of VRML，the choice of technology and design propose and principle is discussed in this thesis.This simulation had

good feedback，it has certain referencemeanings in the experimenteducation of remote education.

VRML；virtual experimental；camera experimental；remote education.

O211.67

A

〔編輯李?！?/p>

1674-0874(2010)02-0035-03

2010-01-26

周世菊(1980-)，男，山西應(yīng)縣人，碩士，助教，研究方向:數(shù)字傳媒技術(shù)與藝術(shù).