齊昕　劉嘉夫　李前杰　馬煥春

[摘 要]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通過分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水污染控制工程教學(xué)中的應(yīng)用，利用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)水污染控制工程交互式三維多媒體課件，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí) 水處理 Unity3D 交互控制 多媒體

[中圖分類號] TP391.9；G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B [文章編號] 2095-3437（2014）14-0171-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù)。[1-3]它生成的視覺環(huán)境呈現(xiàn)出三維立體效果，可以把復(fù)雜、抽象的數(shù)據(jù)信息表示成直觀的、可交互的三維實(shí)體。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)在于通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成三維立體空間，或是把其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到計(jì)算機(jī)中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。[2-5]

水污染控制工程是給排水、環(huán)境類專業(yè)的專業(yè)課程，主要是學(xué)習(xí)水處理工藝及構(gòu)筑物的構(gòu)造。水處理構(gòu)筑物數(shù)量多而且內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，認(rèn)識和觀察水處理構(gòu)筑物構(gòu)造是學(xué)習(xí)水處理原理的重要環(huán)節(jié)。鑒于此，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的交互式三維環(huán)境，開發(fā)水污染控制工程三維交互式多媒體課件，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水污染控制教學(xué)中的應(yīng)用

（一） 構(gòu)筑物三維立體演示

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作三維立體的水處理構(gòu)筑物，可以按1：1的比例制作各種水處理構(gòu)筑物，三維模型可以還原逼真的現(xiàn)場環(huán)境，避免了傳統(tǒng)多媒體課件中主要以二維平面展示為主，教學(xué)容量有限，教學(xué)的表現(xiàn)形式比較枯燥的問題。如圖1所示，將要學(xué)習(xí)的重力式無閥濾池制作成三維模型，能夠真實(shí)展現(xiàn)出實(shí)物外形和內(nèi)部構(gòu)造的方方面面，允許從各角度實(shí)時(shí)觀察重力式無閥濾池，并可以任意縮放、移動視圖，進(jìn)行全方位的瀏覽，避免了教學(xué)中觀測角度不全面，內(nèi)部構(gòu)筑物難以觀察等不足，學(xué)生可以足不出戶就能像在現(xiàn)場一樣觀察到重力式無閥濾池的各個組成部分及內(nèi)部構(gòu)造。

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圖1 重力式無閥濾池三維展示

（二）虛擬教學(xué)情景

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的三維場景，以第一視角在其中穿行漫游，高質(zhì)量的三維畫面使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。例如在講授污水處理廠巡視的注意事項(xiàng)時(shí)，利用三維污水處理廠的虛擬環(huán)境，使學(xué)生感覺自己就是在污水處理廠中行走，一路上會接觸到不同構(gòu)筑物和設(shè)備，然后記錄下各種狀態(tài)。還可以創(chuàng)設(shè)各種異常問題的場景，等待學(xué)生自行解決。這樣就把抽象復(fù)雜的概念變成與現(xiàn)實(shí)接近的直觀感覺，使學(xué)習(xí)者能夠身臨其境，把復(fù)雜的問題簡單化，抽象的概念直觀化，老師和學(xué)生能夠互動，以一種很自然的方式來指導(dǎo)教與學(xué)，使學(xué)生在潛移默化中不斷提高自己的理論水平和實(shí)踐能力，從而彌補(bǔ)了一般多媒體課件的不足。[6]

（三）三維動態(tài)交互

動態(tài)交互是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重要表現(xiàn)，在傳統(tǒng)的二維多媒體中很難做到動態(tài)交互。觀察視角有第一視角、第三視角和自由視角，這三種觀察視角可以隨時(shí)變化。比如在污水處理廠巡視的教學(xué)中，當(dāng)巡視到某一閥門時(shí)，可以切換到自由視角，對該閥門進(jìn)行全方位的觀察。 由于水處理構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，但又被頂蓋遮擋，有時(shí)候需要實(shí)時(shí)地把構(gòu)筑物剖切查看內(nèi)部。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠很容易實(shí)現(xiàn)這種實(shí)時(shí)的剖切效果。這種三維動態(tài)交互的表現(xiàn)，形成很強(qiáng)烈的視覺沖擊，能極大地激發(fā)學(xué)生的參與熱情和學(xué)習(xí)激情。

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圖2 重力式無閥濾池實(shí)時(shí)剖切

（四）水處理運(yùn)行管理仿真訓(xùn)練

水處理運(yùn)行管理是水污染控制工程的重要內(nèi)容，通常情況下是采用校外實(shí)踐的形式培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。由于學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間短，對專業(yè)知識掌握程度還不夠成熟，可提供的實(shí)際操作空間有限，而且實(shí)習(xí)的時(shí)間有限，使得校外實(shí)踐不能達(dá)到預(yù)想的效果，不能真正地提高學(xué)生的動手能力。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作整個水廠的構(gòu)筑物和設(shè)備，學(xué)生足不出戶便可以進(jìn)行各項(xiàng)運(yùn)行管理的操作，獲得與真實(shí)操作一樣的體會，既豐富了學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識，又加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解，減少了經(jīng)費(fèi)的投入。同時(shí)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以避免真實(shí)操作所帶來的危險(xiǎn)；虛擬環(huán)境中的設(shè)備可以重復(fù)使用，也可以隨時(shí)更新設(shè)備，使實(shí)踐訓(xùn)練跟上技術(shù)的發(fā)展。通過仿真訓(xùn)練，學(xué)生可以熟練掌握水處理運(yùn)行中的各項(xiàng)操作技能，熟練掌握某些儀器設(shè)備的操作技能，增強(qiáng)安全意識、動手能力和經(jīng)驗(yàn)的積累。

二、基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)課件開發(fā)

Unity3D 是一款多平臺的游戲開發(fā)工具，采用Unity3D作為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺，開發(fā)效率高，效果逼真，交互能力強(qiáng)。

首先廣泛的收集水污染控制工程中所涉及的圖片、文字、聲音和視頻等，同時(shí)調(diào)研附件的水處理廠，收集構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)圖集。然后利用3ds Max 進(jìn)行各個構(gòu)筑物的三維建模，并進(jìn)行貼圖，建模完成后，將模型塌陷為網(wǎng)格物體，導(dǎo)出擴(kuò)展名為FBX的文件。把模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺，導(dǎo)入后可在Unity3D 中貼圖， 添加燈光效果。 場景構(gòu)建完成后做系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)。交互設(shè)計(jì)采用JavaScript腳本文件編寫控制代碼，開發(fā)第一視角、第三視角和自由視角三種視角交互模式。系統(tǒng)完成后進(jìn)行性能測試， 最后生成可執(zhí)行文件，同時(shí)發(fā)布到PC平臺和安卓系統(tǒng)平臺。

由于水處理構(gòu)筑物的數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型面數(shù)多，在程序執(zhí)行時(shí)，渲染消耗系統(tǒng)資源較大，因此需要對場景進(jìn)行優(yōu)化。在Unity3D采用漫反射材質(zhì)，貼圖的大小要適中，將不可移動的物體設(shè)置成static狀態(tài)，通過內(nèi)置的Beast烘焙工具根據(jù)網(wǎng)格物體、材質(zhì)貼圖和燈光屬性的設(shè)置來烘培場景，同時(shí)取消動態(tài)陰影效果。這樣就可以使課件在配置較低的計(jì)算機(jī)上也可流暢運(yùn)行。

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在教育領(lǐng)域的作用越來越明顯。傳統(tǒng)的水污染控制工程多媒體課件由于其本身所具有的缺陷，已經(jīng)逐漸不能滿足水污染控制工程教學(xué)的需要，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)課件能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)多媒體課件的缺點(diǎn)，不僅使學(xué)生能夠感到模型和場景十分逼真地存在，能深入構(gòu)筑物的各個位置進(jìn)行觀察，而且能對學(xué)生的操作做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)，使學(xué)生獲得與現(xiàn)場操作一樣的感受，從而增強(qiáng)了感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，使學(xué)生能在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學(xué)習(xí)環(huán)境中去，使學(xué)生陶醉于課程學(xué)習(xí)中。

[ 注 釋 ]

[1] 干建松.基于Unity3d的室內(nèi)漫游仿真系統(tǒng)[J].淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)） ，2011（6） ：515-518.

[2] 閆海艇，高淑娟，洪玉玲.基于Unity 的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在井下仿真中的應(yīng)用[J] .煤礦安全，2013（8）：99-101.

[3] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d 虛擬展示技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2010（12）：54-55.

[4] 陳洪，馬欽，朱德海.基于unity 3 d 的交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（3）：184-186.

[5] 李姝博.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中應(yīng)用的理論研究[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2013（7）：13-15.

[6] 鄭培峰.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課件中的應(yīng)用[J].福建廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：93-95.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]