【摘要】文章提出了利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)課件中應(yīng)用的基本方法，通過開發(fā)“細(xì)菌和病毒的遺傳”課件研究了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其交互性、三維模型設(shè)計(jì)的方法和需要注意的問題，并通過開發(fā)U型管實(shí)驗(yàn)、DNA的攝取和整合、接合的機(jī)理與過程、性導(dǎo)的機(jī)理與過程及特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)交互式演示和控制，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中收到了較理想效果。

【關(guān)鍵詞】桌面虛擬現(xiàn)實(shí);建模;交互性;3DMax

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【論文編號(hào)】1009—8097(2010)07—0140—03

引言

“細(xì)菌和病毒的遺傳”一章在“遺傳學(xué)”書中排在第七章，是學(xué)生普遍反映難理解的一章[1]。一是由于學(xué)生對(duì)微生物學(xué)了解不多，對(duì)一些基本的專業(yè)術(shù)語和實(shí)驗(yàn)手段不理解;二是可供理論教學(xué)的課時(shí)數(shù)有限，涉及的概念多且相對(duì)抽象;三是教學(xué)過程中，主要是基于課本、掛圖、幻燈片等媒體，且可供參考的圖片較少[2-3]。為了解決這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，也為了提高學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力以及學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本章中的U型管實(shí)驗(yàn)、DNA的攝取和整合、接合的機(jī)理與過程、性導(dǎo)的機(jī)理與過程及特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)等內(nèi)容的動(dòng)態(tài)交互式演示和控制，從而使學(xué)生通過感知獲得生動(dòng)的表象，即增強(qiáng)了對(duì)理論、概念的認(rèn)識(shí)和理解，又改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)環(huán)境。

一 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其交互性

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種高端人機(jī)接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺等多種感覺通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互。從功能上來講，虛擬現(xiàn)實(shí)是用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)構(gòu)造出酷似真實(shí)世界的一種仿真模擬。用戶能以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的沉浸感[4]。交互性主要是指參與者通過使用專門輸入和輸出設(shè)備，用人類的自然技能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬環(huán)境的考察與操作的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互，使交互在學(xué)習(xí)者與其環(huán)境之間發(fā)生。

在目前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的約束下，完善的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)不能普及。根據(jù)使用者投入程度的不同，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)分為:桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。目前普遍應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要還是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)[5]。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，通過各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的充分交互。它允許參與者通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并可以使用輸入設(shè)備與虛擬場(chǎng)景交互并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者缺少完全的沉浸感，因?yàn)樗匀粫?huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一種。因此它也具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)基本特征，三個(gè)“I”，即沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，想象力(Imagination)[6]。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)能夠使學(xué)生以一種嶄新的方式學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，但是也存在一些問題:桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)技術(shù)比較復(fù)雜;開發(fā)技術(shù)的開發(fā)效率比較低;開發(fā)周期比較長(zhǎng)。顯然，這些問題在一定程度上阻礙了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。但是又因?yàn)樽烂嫣摂M現(xiàn)實(shí)不需要附屬的硬件和設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)成本也相對(duì)低廉，所以被廣泛應(yīng)用。

二 “細(xì)菌和病毒的遺傳”課件的設(shè)計(jì)

“細(xì)菌和病毒的遺傳”課件首先進(jìn)行三維建模，然后利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬情境的交互。在設(shè)計(jì)過程中有如下具體的技術(shù)問題需要解決:

1 細(xì)菌和病毒三維模型的建立

當(dāng)前用于開發(fā)三維模型的軟件種類繁多，最常見的如3DSMAX，MAYA，Softimage XSI等。本項(xiàng)目研究的“細(xì)菌和病毒的遺傳”建模采用的是具有強(qiáng)大建模功能的3Dmax軟件。通過模型設(shè)計(jì)、模塊組合和圓滑鏈接，較直觀、形象地展現(xiàn)了細(xì)菌和病毒的三維效果。在虛擬現(xiàn)實(shí)的建模過程中我們重點(diǎn)注意了如下事項(xiàng):

一是要處理好場(chǎng)景中的模型個(gè)數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三要素之間的關(guān)系，從而保障了模型在虛擬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流暢、逼真，不出現(xiàn)卡、頓等現(xiàn)象。

二是合理有效地做了簡(jiǎn)模處理。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中的運(yùn)行畫面每一幀都是依靠顯卡和CPU實(shí)時(shí)計(jì)算出來的，如果面數(shù)太多，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度急劇降低，甚至無法運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布也會(huì)導(dǎo)致下載時(shí)間增加。我們?cè)诒ＷC基本效果的前提下，考慮到了該軟件運(yùn)行環(huán)境要求和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。

三是在調(diào)用模型或創(chuàng)建模型時(shí)，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長(zhǎng)條型。長(zhǎng)條形的面不利于實(shí)時(shí)渲染，還會(huì)出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象。

四是合理規(guī)劃模型數(shù)量。場(chǎng)景中的模型數(shù)量太多會(huì)給后面的工序帶來很多麻煩，如會(huì)增加烘焙物體的數(shù)量和時(shí)間，降低運(yùn)行速度等。

五是合理布局模型密度。我們的研究和實(shí)踐表明，模型密度分布的不合理、不均勻?qū)ζ浜竺娴倪\(yùn)行速度是有一定影響的。

六是在建立模型時(shí)，看不見的地方不用建模?？床灰姷牡胤讲唤＞蜁?huì)減少整個(gè)場(chǎng)景的面數(shù)，可以有效提高交互場(chǎng)景的運(yùn)行速度。

七是在場(chǎng)景中，我們盡量合并了材質(zhì)類型相同的模型，以減少物體個(gè)數(shù)，縮短場(chǎng)景加載時(shí)間和提高運(yùn)行速度。但在模型的面數(shù)過多且相隔距離很遠(yuǎn)就沒有將其進(jìn)行合并，否則也會(huì)影響虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行速度。

八是對(duì)所建模型進(jìn)行了優(yōu)化。通過模型的優(yōu)化提高了演示速度。模型的優(yōu)化是在制作前期進(jìn)行的，否則就要重新回到3DMax里修改模型，出現(xiàn)重復(fù)工作情況，會(huì)大大降低工作效率[7]。

“細(xì)菌和病毒的遺傳”的開發(fā)使用了幾種不同的建模方法:細(xì)菌的建模采用的是多邊形建模方式，如圖1所示;DNA和U型管的建模采用的是放樣建模方式;噬菌體的建模采用的是標(biāo)準(zhǔn)基本體和擴(kuò)展基本體相組合的建模方式。

2 模型燈光設(shè)置、材質(zhì)賦予、渲染及烘焙

在燈光設(shè)置中，我們針對(duì)不同模型根據(jù)相關(guān)場(chǎng)景的需求進(jìn)行相應(yīng)的燈光設(shè)置，所采用的虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器對(duì)燈光的類型沒有特殊要求。

由于虛擬三維場(chǎng)景的視覺真實(shí)感和沉浸感不僅來自于物體正確的外型結(jié)構(gòu)和相對(duì)比例，更來自于三維模型表面的質(zhì)感。因此在給物體賦予材質(zhì)過程中，我們通過設(shè)置三維模型的材質(zhì)屬性，經(jīng)過圖形渲染技術(shù)可以使其表現(xiàn)出接近真實(shí)物體的表面質(zhì)感，以及光影效果。虛擬物體的質(zhì)感是否真實(shí)，取決于模型的材質(zhì)。虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器支持高級(jí)燈光材質(zhì)和建筑材質(zhì)。但是建議使用普通材質(zhì)，普通材質(zhì)進(jìn)行烘焙時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生兩層貼圖，一層是物體本身材質(zhì)，另一層是物體的光照。普通材質(zhì)方便更換物體的材質(zhì)，在烘焙時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的幾率也非常小。本案例中，用到的材質(zhì)主要包括:細(xì)胞貼圖材質(zhì)、半透明材質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)、多維子物體材質(zhì)、發(fā)光材質(zhì)。

我們采用默認(rèn)的渲染器對(duì)模型進(jìn)行了渲染。用于渲染的渲染器很多，如Insight、Brazil、Finalrenderr和MentalRay。

烘焙場(chǎng)景是把3DMax中的物體的光影以貼圖的方式帶到虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器中，以求真實(shí)感。在實(shí)際開發(fā)制作中，我們認(rèn)為烘焙是整個(gè)操作過程中比較費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作，需要細(xì)心、耐心地進(jìn)行該操作。

3 通過虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器實(shí)現(xiàn)交互

目前開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的程序有很多種，常見的如VirTools，Cult3D，Quest3D，Shockwave3D等等。我們?cè)陧?xiàng)目研制中采用了中視典數(shù)字科技有限公司研發(fā)的VRP-BUILDER虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器進(jìn)行三維場(chǎng)景的模型導(dǎo)入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設(shè)計(jì)、打包發(fā)布等工作。這是虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)。

在3Dmax中完成烘焙操作之后，利用3Dmax的Vrp-for-max插件，將場(chǎng)景導(dǎo)出至虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器中，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中交互式活動(dòng)設(shè)計(jì)。交互性強(qiáng)調(diào)人與計(jì)算機(jī)之間互相反饋信息，產(chǎn)生互動(dòng)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互主要包括以下四個(gè)層次:一是學(xué)習(xí)者與其環(huán)境之間的控制交互;二是學(xué)習(xí)者與教師之間的教學(xué)交互;三是學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)任務(wù)之間的信息交互;四是學(xué)習(xí)者之間、教師之間的互動(dòng)交流。[8]

我們是通過虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的控制和角色的動(dòng)作。在噬菌體侵染細(xì)菌的虛擬場(chǎng)景中，教師和學(xué)生即可以指出噬菌體各部分結(jié)構(gòu)名稱，也可對(duì)噬菌體模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、推拉。通過設(shè)置交互行為，使學(xué)生更好地理解噬菌體侵染細(xì)菌的過程:吸附→注入→復(fù)制DNA和合成蛋白質(zhì)→“組裝”階段→再次侵染。在實(shí)現(xiàn)交互控制中，學(xué)習(xí)者可以提出諸如“噬菌體是怎樣侵染細(xì)菌的”、“DNA明顯表現(xiàn)出了遺傳物質(zhì)的什么特性”等問題，并通過交互式操作在本系統(tǒng)中找到答案。圖2為噬菌體侵染細(xì)菌動(dòng)態(tài)過程的截圖。

在DNA的攝取與整合的虛擬場(chǎng)景中，通過交互式操作使學(xué)習(xí)者更好地理解DNA的空間結(jié)構(gòu)、DNA的雙螺旋模式及DNA復(fù)制的過程及特點(diǎn)。圖3為DNA攝取與整合動(dòng)態(tài)交互場(chǎng)景的截圖。

在設(shè)計(jì)過程中我們力求要達(dá)到兩個(gè)目標(biāo):一是使參與者有真實(shí)的體驗(yàn)，二是能提供方便的、豐富的人機(jī)交互手段[9]。

三 結(jié)論

目前，“細(xì)菌和病毒的遺傳”桌面虛擬現(xiàn)實(shí)資源已應(yīng)用于教學(xué)及學(xué)生的自主探究式學(xué)習(xí)。經(jīng)過對(duì)教師和學(xué)生的走訪調(diào)查，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)“細(xì)菌和病毒的遺傳”的教學(xué)手段和教學(xué)方法產(chǎn)生了深刻的影響，即有利于提高教學(xué)質(zhì)量拓展教學(xué)思路，又填補(bǔ)了教學(xué)資源的不足之處，使學(xué)習(xí)者獲得了豐富的學(xué)習(xí)信息，具有較好的學(xué)習(xí)效果。

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