摘 要：體感交互技術(shù)能為學(xué)習(xí)者提供更加自然的人機(jī)交互方式，能夠給課堂加入信息化的元素。將體感交互技術(shù)應(yīng)用到高中地理教學(xué)的課堂上，能豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的趣味性，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。本文介紹了體感交互技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)基于體感交互技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)的研究進(jìn)行了可行性分析，并闡述了體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義及其前景展望。

關(guān)鍵詞：kinect體感交互技術(shù)；智能地理教學(xué)；太陽(yáng)系三維模型；教育信息化

中圖分類號(hào)：TP391.7

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，當(dāng)前主流的圖形用戶界面已漸漸不能滿足市場(chǎng)的需求，于是出現(xiàn)了新一代的人機(jī)交互方式——體感交互。體感交互技術(shù)是指可以讓用戶利用肢體動(dòng)作、手勢(shì)、語(yǔ)音等現(xiàn)實(shí)生活中已有的知識(shí)和技能，進(jìn)行人機(jī)交互。這種自然的交互方式使用戶擺脫了鼠標(biāo)、鍵盤等控制器的約束，簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)的操作，已得到了廣泛的認(rèn)同，并逐漸滲透到教育領(lǐng)域。

1 kinect體感交互技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 kinect體感交互技術(shù)概述

體感交互技術(shù)，在于人們可以很直接地使用肢體動(dòng)作，與周邊的裝置或環(huán)境互動(dòng)，而無(wú)需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身歷其境地與內(nèi)容做互動(dòng)。Kinect可以在不需任何穿戴裝置的情況下，準(zhǔn)確地識(shí)別人的動(dòng)作，手勢(shì)以及聲音?；谠撎攸c(diǎn)，Kinect體感交互技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于商務(wù)，醫(yī)療，教育等多個(gè)領(lǐng)域。隨診科技水平的日益提高，它必將會(huì)融入大眾，給我們的日常生活發(fā)生巨大變革。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 醫(yī)療領(lǐng)域

很多手術(shù)中對(duì)無(wú)菌操作的要求很高，但是目前的技術(shù)在醫(yī)生不接觸設(shè)備的情況下，很難保證進(jìn)行手術(shù)的醫(yī)生與設(shè)備很好的交互，因此，手術(shù)的準(zhǔn)確和安全便不易實(shí)現(xiàn)。而kinect體感操作恰恰可以克服這方面的困難。在手術(shù)中需要電腦完成某些任務(wù)時(shí)，醫(yī)生不需要接觸設(shè)備，便可以通過手勢(shì)和語(yǔ)音來(lái)控制他們，而且還能保證較高的識(shí)別率。

1.2.2 電子商務(wù)領(lǐng)域

而Kinect應(yīng)用開發(fā)的進(jìn)一步深入，勢(shì)必會(huì)給電子商務(wù)的發(fā)展帶來(lái)全新的變革。例如，將Kinect應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，為大型商場(chǎng)的服裝店創(chuàng)建虛擬試衣鏡，為顧客提供便捷的試穿服務(wù)。顧客不需要在換衣間更換衣服，便可以直接看到挑選的服裝衣帽在自己身上的搭配效果?；谶\(yùn)動(dòng)捕捉，顧客還可以通過轉(zhuǎn)身，彎腰等動(dòng)作，實(shí)時(shí)地看到不同角度的穿戴效果。

1.3 應(yīng)用新趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人機(jī)交互的方式也逐漸趨于自然。Kinect作為一個(gè)革命性的產(chǎn)品，在此過程中起到了一個(gè)里程碑式的作用。它能夠識(shí)別用戶的聲音，動(dòng)作，手勢(shì)，并且將這些信息處理為電腦可以接受的命令，讓人們擺脫了鍵盤鼠標(biāo)以及各種輸入設(shè)備，真正做到了“用戶的身體便是控制器”。

kinect在人機(jī)交互方面的優(yōu)勢(shì)也大大地吸引了教育工作者的目光。Kinect 具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)、骨骼跟蹤、語(yǔ)音控制、社群互動(dòng)等功能，可以整合到課堂教學(xué)中，提供更為自然的人機(jī)交互方式。將kinect應(yīng)用于課堂教學(xué)中，能提高課堂效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)教學(xué)信息化的進(jìn)程。

2 研究?jī)?nèi)容

此項(xiàng)目的內(nèi)容是設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)基于kinect技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與太陽(yáng)系模型的自然交互以及一些地理天文知識(shí)的科普。具體內(nèi)容可以分為以下三個(gè)方面，即自然交互式太陽(yáng)系天體的展示，地球自轉(zhuǎn)、海陸分布、晝夜交替及時(shí)差現(xiàn)象的展示以及日食、月食天文現(xiàn)象的演示。

2.1 創(chuàng)建自然交互式太陽(yáng)系天體展示系統(tǒng)

2.1.1 3D太陽(yáng)系虛擬模型的展示

制作太陽(yáng)及八大行星的模型，模擬行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，幫助學(xué)生從宏觀上認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系。

2.1.2 利用Kincet與太陽(yáng)系模型進(jìn)行自然交互

構(gòu)建基于Kinect手勢(shì)識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別的自然交互系統(tǒng)，通過手勢(shì)控制太陽(yáng)系模型的放大、縮小，說(shuō)出某一行星的名字，視角即轉(zhuǎn)向該行星，可以讓用戶具體觀察，行星旁邊可以顯示其具體信息。

2.2 關(guān)于地球自轉(zhuǎn)、海陸分布、晝夜交替及時(shí)差現(xiàn)象的展示

當(dāng)視角切換到地球后，發(fā)出“自轉(zhuǎn)”的語(yǔ)音命令，地球模型開始逆時(shí)針（從北極上空看）旋轉(zhuǎn)，地球的詳細(xì)信息（如自轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)周期、軌道半徑等）在旁邊顯示，地球上的海陸分布的信息很直觀地展現(xiàn)出來(lái)。這時(shí)通過手勢(shì)旋轉(zhuǎn)視角到兩極，可以直觀地觀察到地球自轉(zhuǎn)方向。當(dāng)發(fā)出“?！钡恼Z(yǔ)音命令時(shí)，地球停止自轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^手勢(shì)來(lái)人為控制地球的自轉(zhuǎn)，由于受到太陽(yáng)光照的影響，地球晝夜交替的現(xiàn)象、晨昏線的變化也可以很清晰地展現(xiàn)，同時(shí)，也可以解釋時(shí)差現(xiàn)象，即時(shí)間的東早西晚。

2.3 關(guān)于日食、月食天文現(xiàn)象的演示

制作日食、月食演示動(dòng)畫，通過“日食”或“月食”的語(yǔ)音命令，播放相應(yīng)的演示動(dòng)畫，讓學(xué)生能夠很容易理解這些天文現(xiàn)象的形成原理，方便地理教學(xué)。

3 實(shí)現(xiàn)方案及可行性分析

基于體感交互技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)按功能劃分為以下三個(gè)模塊：體感交互的輸入模塊，信息處理模塊以及虛擬現(xiàn)實(shí)的輸出模塊。體感交互的輸入模塊包括對(duì)人體手勢(shì)信息和語(yǔ)音信息的輸入與采集；信息處理模塊主要是對(duì)采集到的信息進(jìn)行智能解析。虛擬現(xiàn)實(shí)的輸出模塊主要是開發(fā)系統(tǒng)的三維互動(dòng)界面，包括構(gòu)建太陽(yáng)系的三維模型以及用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)體感輸入與顯示界面的互動(dòng)。

3.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)的開發(fā)框架如圖1所示

圖1 系統(tǒng)開發(fā)框架

在軟件層級(jí)，Unity 3D是一款功能強(qiáng)大的渲染引擎，整合了一套完整的開發(fā)工具，能通過快速的開發(fā)流程創(chuàng)造出可交互的虛擬空間，其腳本系統(tǒng)為開發(fā)者提

供了極大的靈活性。目前主流的體感游戲開發(fā)主要是采用Unity3D和Kinect結(jié)合交互進(jìn)行開發(fā)?？▋?nèi)基梅隆提供了kinectWrapper.unitypackage這個(gè)包，可以導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中進(jìn)行開發(fā)。

在硬件層級(jí)，本系統(tǒng)將選用的是有著成熟的硬件以及高效算法的Microsoft Kinect。Kinect對(duì)系統(tǒng)有很好的兼容性。在硬件的輸出端，系統(tǒng)將選用的是普通的PC的輸出設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)可行性的測(cè)試。

3.2 系統(tǒng)總體技術(shù)路線

本系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線圖

在總體技術(shù)路線中，人體手勢(shì)輸入模塊包括如旋轉(zhuǎn)、放大或者縮小的手勢(shì)；之后利用kinect的彩色相機(jī)和深度相機(jī)對(duì)手勢(shì)信息數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體手勢(shì)的智能解析；人體語(yǔ)言輸入模塊，如喊出某一個(gè)星球的名字，對(duì)應(yīng)的星球就會(huì)出現(xiàn)在視野中，之后利用kinect的語(yǔ)音識(shí)別功能進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體語(yǔ)音的智能解析；而對(duì)于系統(tǒng)的最終現(xiàn)實(shí)模塊主要是在unity3D中實(shí)現(xiàn)的，首先用Unity3D開發(fā)出用戶顯示端的三維互動(dòng)界面，然后離線導(dǎo)入在MAYA等三維建模軟件中構(gòu)建好的太陽(yáng)系各大天體的三維模型，之后在線捕獲人體手勢(shì)及語(yǔ)音的信息，設(shè)計(jì)智能解析算法，得出控制指令，導(dǎo)入到顯示端控制三維天體的運(yùn)動(dòng)。

4 體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義及前景展望

基于Kinect的體感交互技術(shù)能充分調(diào)動(dòng)用戶的視覺、聽覺、觸覺，可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。若應(yīng)用在教育領(lǐng)域必定有著很強(qiáng)的教育教學(xué)意義和廣闊的發(fā)展前景。

4.1 應(yīng)用于課堂理論教學(xué)中

在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知形式單一，且處于被動(dòng)接受知識(shí)狀態(tài)，缺乏探索知識(shí)的主動(dòng)性和發(fā)散思維的創(chuàng)造性。體感交互技術(shù)可以全方位地以最自然直接的方式展示客觀事物，如建立相應(yīng)的三維立體模型介紹地球、宇宙、建筑等方面的知識(shí)。學(xué)生在感性上直觀認(rèn)知事物，拓展三維空間構(gòu)建能力；在理性上深入思考知識(shí)，發(fā)散思維。從而降低了知識(shí)講授和認(rèn)知的難度，提高了學(xué)習(xí)興趣，并有利于學(xué)生創(chuàng)新力的培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的提升。

4.2 應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中

在目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往限于客觀因素，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)難度等，實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果不是很理想，且很多實(shí)驗(yàn)難以長(zhǎng)時(shí)間多次實(shí)施。體感交互的虛擬實(shí)驗(yàn)便能將這些問題迎刃而解。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生通過肢體動(dòng)作操作虛擬的實(shí)驗(yàn)材料，通過語(yǔ)音觸發(fā)相應(yīng)的事件，交互系統(tǒng)會(huì)做出反應(yīng)或給出提示，從而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的效果。也可以避免某些危險(xiǎn)性較高的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的危害。加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，降低了教學(xué)成本，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)極大地給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)便利。

4.3 應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬學(xué)習(xí)中

體感交互技術(shù)可以建立虛擬的學(xué)校、圖書館，用戶足不出戶就可以“行走”在知識(shí)海洋中，如在虛擬圖書館中翻開書籍、穿越到巴西平原感受熱帶雨林的景象。也可以在虛擬教室中和老師、同學(xué)探討問題。

基于Kinect的體感交互技術(shù)在輔助教育教學(xué)中有著顯著的作用，但也存在識(shí)別精確度不高，圖像場(chǎng)景渲染不夠真實(shí)等不足，在我國(guó)教育領(lǐng)域的應(yīng)用中還很少見。隨著體感交互技術(shù)的發(fā)展和交互設(shè)備的普及，這一技術(shù)必將在不遠(yuǎn)的未來(lái)教育中掀起新一輪的浪潮。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文的工作是在Kinect的手勢(shì)識(shí)別及語(yǔ)音識(shí)別的基礎(chǔ)之上，提出實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于體感交互技術(shù)的地理教學(xué)輔助軟件。首先，從大體上分析了自然交互方式在教育領(lǐng)域的應(yīng)用需求，為了達(dá)到這一目的，本文引出了Kinect體感交互技術(shù)，并論述了其應(yīng)用現(xiàn)狀，以及在教育領(lǐng)域的應(yīng)用新趨勢(shì)。然后，對(duì)基于體感交互技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并設(shè)計(jì)出了一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)方案，以使該項(xiàng)目具有較高的可行性。最后，論述了體感交互技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的意義，期望基于體感交互技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：張必蘭（1992.09-），女，江西上饒人，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：教育技術(shù)；陳艷蕾（1995.1—），女，河南南陽(yáng)人，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)；王磊（1994.8-），男，湖北鄂州人，在讀學(xué)士，專業(yè)研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)；宋萬(wàn)福（1993.8-）男，漢，山東商河，華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

基金項(xiàng)目：本文系華中師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于體感交互技術(shù)的太陽(yáng)系三維模型演示系統(tǒng)的研究”的階段性研究成果。

作者單位：華中師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，武漢 430079