姚 琪，蔣達(dá)央

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，江蘇 常州 213164）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，三維網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了高校一線教學(xué)。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，讓使用者有身歷其境之感。虛擬現(xiàn)實(shí)的感官模擬功能對(duì)提高實(shí)訓(xùn)類課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要作用，它可將傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課無縫移植到三維網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開展教學(xué)活動(dòng)［1］?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，可以減少學(xué)校對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的投入，降低設(shè)備損耗，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)缺乏真實(shí)環(huán)境模擬，在很大程度上影響了實(shí)訓(xùn)類課程的教學(xué)效果。本設(shè)計(jì)將三維Web技術(shù)和虛擬技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了二維網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程向三維網(wǎng)絡(luò)課堂的轉(zhuǎn)變。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂主要利用Web3D技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用3D互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將現(xiàn)實(shí)世界中與實(shí)訓(xùn)教學(xué)相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)過程進(jìn)行三維虛擬立體展示，用戶可對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)操作［2］。所有三維模型和交互動(dòng)畫的設(shè)計(jì)開發(fā)都基于Web3D技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員在虛擬實(shí)訓(xùn)課堂平臺(tái)中可搭建專業(yè)實(shí)訓(xùn)教室，每個(gè)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教室可以根據(jù)實(shí)訓(xùn)課程的要求添加設(shè)備模塊。學(xué)生以虛擬人物角色進(jìn)入實(shí)訓(xùn)教室，可選擇不同難度系數(shù)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)。整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程采用視頻錄像形式全程記錄，以便于教師評(píng)分。三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是建模技術(shù)分析、定位技術(shù)分析和角色動(dòng)畫技術(shù)分析。

1.1 三維建模技術(shù)分析

三維模型構(gòu)建的方式很多，但虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂的運(yùn)行必須基于Web瀏覽器，且模型的開發(fā)要簡(jiǎn)單、高效，模型的文件格式要規(guī)范、通用。因此，三維建模這項(xiàng)基礎(chǔ)工作是整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

第一種模型設(shè)計(jì)方式是將二維圖像經(jīng)過三維技術(shù)處理后直接顯示成偽三維圖像，對(duì)于復(fù)雜圖像則需進(jìn)一步使用Catmull－Rom插值算法和濾波等三維平滑處理技術(shù)［2］，以減少銳刺、馬賽克的出現(xiàn)。該方式主要面向精度要求不高且無須參與后期三維交互動(dòng)畫設(shè)計(jì)的靜態(tài)三維模型設(shè)計(jì)，例如實(shí)訓(xùn)樓外觀、教室內(nèi)部布局模型設(shè)計(jì)等。

第二種模型設(shè)計(jì)方式是采用傳統(tǒng)三維建模軟件設(shè)計(jì)模型的方式。該方式主要應(yīng)用于復(fù)雜實(shí)物模型的設(shè)計(jì)，尤其是后期有交互動(dòng)畫需求的實(shí)訓(xùn)設(shè)備模型的設(shè)計(jì)。因?yàn)閷?shí)訓(xùn)所用的儀器設(shè)備幾何面與線條復(fù)雜，要求建模精度高，所以利用專業(yè)的三維模型設(shè)計(jì)軟件可以降低設(shè)備三維模型的建模難度，提高建模效率和滿足應(yīng)用需求。常用的教學(xué)儀器設(shè)備三維建模軟件有OpenGL、Pro／Engineer、Sketchup、3ds MAX［3］。這幾個(gè)軟件對(duì)機(jī)械、電子、建筑行業(yè)的設(shè)備建模能力非常強(qiáng)，且都有自己的函數(shù)庫和基礎(chǔ)模型庫，可以極大地提高建模效率［4］。采用這種建模方式需注意所生成的模型文件格式與Web3D平臺(tái)所支持的文件格式的兼容性。例如，Pro／Engineer自身不具備 Web3D技術(shù)平臺(tái)所用文件格式的導(dǎo)出插件，在進(jìn)行三維模型輸出時(shí)需先導(dǎo)出.3ds格式的中間文件，然后再導(dǎo)入3ds MAX軟件中，再將其輸出為.c3d文件，從而實(shí)現(xiàn)該模型能在3D網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中瀏覽［5］。

第三種模型設(shè)計(jì)方式是采用新興的三維激光掃描技術(shù)建模。該技術(shù)應(yīng)用成本較高，主要用于對(duì)現(xiàn)有實(shí)體物件的三維外觀設(shè)計(jì)。該技術(shù)利用激光測(cè)距原理獲取實(shí)體目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速、準(zhǔn)確生成三維數(shù)據(jù)模型。三維激光掃描技術(shù)可以真實(shí)描述目標(biāo)對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，具有不需要合作目標(biāo)，高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點(diǎn)［6］。

1.2 定位技術(shù)分析

在現(xiàn)實(shí)世界，實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)設(shè)備的定位分3個(gè)層級(jí)：第一級(jí)是課程名稱的定位；第二級(jí)是實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)的定位；第三級(jí)是實(shí)訓(xùn)設(shè)備機(jī)位號(hào)定位。但是在三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂中，除以上3個(gè)層級(jí)外，還需要增加一個(gè)難度系數(shù)層級(jí)。所謂難度系數(shù)層級(jí)是指根據(jù)教學(xué)需要，把同一設(shè)備劃分成若干難度不同的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)位有不同難度技能訓(xùn)練的目的。例如定位某個(gè)學(xué)生某門課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度，該系統(tǒng)將采用基于OpenURL（開放鏈接）位置查詢的APIS（應(yīng)用程序接口）來獲取位置，以下為APIS返回的XML代碼：

1.3 人物角色動(dòng)畫技術(shù)分析

賦予靜態(tài)的三維人物模型以生命力，這是三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂設(shè)計(jì)不可缺少的組成部分。目前主流的人物角色動(dòng)畫控制技術(shù)是關(guān)節(jié)骨架控制技術(shù)［7］。該技術(shù)通過三維人物角色的關(guān)節(jié)，使其符合實(shí)際的物理規(guī)律。角色動(dòng)畫有骨骼動(dòng)畫和頂點(diǎn)動(dòng)畫兩種類型。骨骼動(dòng)畫比頂點(diǎn)動(dòng)畫占用空間小，因?yàn)樗恍枰耥旤c(diǎn)動(dòng)畫那樣需存儲(chǔ)每一幀的各個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而是只需存儲(chǔ)每一幀的骨骼的數(shù)據(jù)。因此，在虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂系統(tǒng)中主要采用骨骼動(dòng)畫設(shè)計(jì)技術(shù)，以非剛體運(yùn)動(dòng)方式模擬人物角色生動(dòng)逼真的動(dòng)畫。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂的實(shí)現(xiàn)主要需做好以下幾個(gè)方面的工作：（1）三維虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地環(huán)境的建設(shè)；（2）課程及設(shè)備資源的標(biāo)注與定位；（3）Web3D系統(tǒng)與教學(xué)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)。

三維網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)訓(xùn)課堂的主要功能模塊有5個(gè)。

（1）用戶管理模塊。不同的用戶角色具有不同的權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的分級(jí)管理。超級(jí)管理員可操控其他用戶的功能權(quán)限，教師用戶可以對(duì)學(xué)生用戶進(jìn)行協(xié)助學(xué)習(xí)過程控制。

（2）系統(tǒng)管理模塊?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境及實(shí)訓(xùn)設(shè)備的增加、刪除和修改等功能，以及對(duì)系統(tǒng)的虛擬教學(xué)資源的更新等工作。

（3）實(shí)訓(xùn)課程難度系數(shù)劃分與定位管理模塊?？蓪?shí)現(xiàn)將整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程分成若干個(gè)難度系數(shù)不同的單元，而后可將該單元附加到虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備上。

（4）定位管理模塊。可實(shí)現(xiàn)對(duì)課程有關(guān)資源信息（如課程名稱、實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)等）在三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)注定位管理（如標(biāo)簽集中分發(fā)、調(diào)整等）。

（5）數(shù)據(jù)庫接口管理模塊。可實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)課堂系統(tǒng)與教務(wù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。常用數(shù)據(jù)包括課程數(shù)據(jù)、教師數(shù)據(jù)、學(xué)生數(shù)據(jù)、成績數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)Web應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用微軟公司的Windows 2008Server操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用微軟公司的SQL Server2005。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境使用微軟公司的Visual Studio 2010，該開發(fā)環(huán)境在研發(fā)基于.NET4.0動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁時(shí)可以減少代碼的輸入，并且可兼容多種程序設(shè)計(jì)語言。動(dòng)畫整合設(shè)計(jì)充分利用了法國Dassault Systemes公司的Virtools實(shí)時(shí)三維創(chuàng)建工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算、行為處理以及場(chǎng)景渲染。

2.3 跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)

三維虛擬實(shí)訓(xùn)課堂系統(tǒng)利用XML技術(shù)，先將教務(wù)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫按普通文件方式打開，讀出系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)項(xiàng)，然后將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序完成教務(wù)數(shù)據(jù)庫到虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換，并按新的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，從而在不損壞原數(shù)據(jù)的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。對(duì)于學(xué)生成績數(shù)據(jù)，也可以將虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口存回教務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

2.4 虛擬實(shí)訓(xùn)課堂要素的實(shí)現(xiàn)

三維虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂的教學(xué)環(huán)境主要包括4類三維視圖，各視圖均以三維形態(tài)展示給用戶：

（1）實(shí)訓(xùn)基地建筑三維視圖：展示完整的虛擬實(shí)訓(xùn)樓外觀和內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)；

（2）教室內(nèi)部環(huán)境三維視圖：展示不同專業(yè)實(shí)訓(xùn)教室的三維空間結(jié)構(gòu)及裝潢；

（3）實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備三維視圖：展示實(shí)訓(xùn)教室的儀器設(shè)備及機(jī)位編號(hào)；

（4）人物角色三維視圖：展示實(shí)訓(xùn)參與人員，包括教師角色和學(xué)生角色。

由于各三維視圖的作用和使用方式不同，所以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中采用了不同設(shè)計(jì)方式。實(shí)訓(xùn)基地建筑視圖、教室內(nèi)部環(huán)境視圖因展現(xiàn)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，修改頻次較少，因此采用靜態(tài)的三維視圖來完成；而人物角色、儀器設(shè)備視圖因需要重點(diǎn)體現(xiàn)交互式動(dòng)畫設(shè)計(jì)，內(nèi)容更新快，傳輸數(shù)據(jù)量大，因此對(duì)這兩個(gè)視圖采用動(dòng)態(tài)三維視圖生成的方法完成，尤其是與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的交互操作三維動(dòng)畫，主要采用基于VSL Sript（virtools scripting language）程序設(shè)計(jì)語言來完成［8］。

2.5 不同難度系數(shù)實(shí)訓(xùn)單元查詢功能的實(shí)現(xiàn)

查詢功能主要指對(duì)實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)三維坐標(biāo)的查詢和具體實(shí)訓(xùn)單元標(biāo)簽信息的查詢。當(dāng)用戶在查詢框中輸入查詢條件后，系統(tǒng)的三維場(chǎng)景視圖中心點(diǎn)立即定位在對(duì)應(yīng)的查詢位置。

利用Virtools生成的三維虛擬場(chǎng)景與Web3D網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換是系統(tǒng)查詢功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵［9］。三維虛擬場(chǎng)景以對(duì)象的形式嵌入在3D網(wǎng)頁中，虛擬場(chǎng)景只能通過向網(wǎng)頁發(fā)送JavaScript腳本來實(shí)現(xiàn)與其相對(duì)應(yīng)的功能［10］。該功能是通過Virtools自身的BBs（Building Blocks）功能來實(shí)現(xiàn)。下面編寫的是一個(gè)關(guān)于實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景觸發(fā)網(wǎng)頁事件的函數(shù)模塊腳本程序。該程序利用OpenWindow（）函數(shù)接受一個(gè)三維場(chǎng)景調(diào)用網(wǎng)頁上的JavaScript指令，Open－Window（）函數(shù)原型定義如下：

以上程序表示用戶在網(wǎng)頁中瀏覽三維場(chǎng)景時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在該場(chǎng)景頁面中彈出新窗口。用戶可在新窗口輸入查詢條件，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從三維場(chǎng)景向服務(wù)器傳遞的功能。服務(wù)器端將查詢結(jié)果返回客戶端的代碼相對(duì)簡(jiǎn)單，采用Response.Write（）語句輸出到網(wǎng)頁即可。

對(duì)于服務(wù)器返回的信息，系統(tǒng)可利用Virtools自帶的DoCommand（）函數(shù)傳達(dá)信息以激活三維虛擬場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的模塊，關(guān)鍵程序?qū)崿F(xiàn)如下：

以上程序代碼實(shí)現(xiàn)了將網(wǎng)頁消息發(fā)送給三維場(chǎng)景中指定物體的功能。當(dāng)網(wǎng)頁中發(fā)出的消息同時(shí)滿足SendMessage是message和ObjectName是lab1時(shí)，該程序就執(zhí)行。系統(tǒng)通過Web getdata獲得課程在服務(wù)器上的地址字符串，并把該值傳遞給課程信息調(diào)用模塊，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端加載相應(yīng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備模型到三維場(chǎng)景中，從而完成網(wǎng)頁信息和三維場(chǎng)景信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)信息查詢功能。

2.6 網(wǎng)頁角色行進(jìn)交互動(dòng)作功能實(shí)現(xiàn)

利用Web3D支持JavaScript這一功能，在網(wǎng)頁代碼中編寫jsp腳本程序來實(shí)現(xiàn)人物角色的行進(jìn)動(dòng)作控制功能。下面就是一個(gè)利用鍵盤的W鍵對(duì)人物角色進(jìn)行前進(jìn)和停止的控制程序。

該程序利用onKeyDown和onKeyUp事件，判斷其中的switch（event.keyCode）的值來控制場(chǎng)景視角，從而實(shí)現(xiàn)角色的前進(jìn)和停止動(dòng)作。

3 結(jié)束語

Web3D技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)類課程中的應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)形式和教學(xué)方式產(chǎn)生了重要影響。無論從網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容的組織形式和表示方式來分析，還是從學(xué)生的學(xué)習(xí)心理特點(diǎn)來研究，基于三維虛擬技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課堂的優(yōu)點(diǎn)都非常突出。這種設(shè)計(jì)思想改善了網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)效果，提升了教學(xué)應(yīng)用價(jià)值，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)全新的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

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