摘 要：本文論述基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、立體視覺技術(shù)及三維可視化技術(shù)開發(fā)積件式輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)的應(yīng)用可突破傳統(tǒng)多媒體課件制作模式，從二維空間拓寬到三維空間，使學(xué)生在真三維感知的基礎(chǔ)上互動(dòng)學(xué)習(xí)，理解那些空間性的、抽象難于理解的教學(xué)內(nèi)容，提供一種新的教、學(xué)手段，從而達(dá)到高效教學(xué)及學(xué)習(xí)的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；立體視覺；積件系統(tǒng)；輔助教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.41

傳統(tǒng)的多媒體課件大多采用平面展示方式，難以表現(xiàn)抽象的三維形體和行為。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality-VR）是一種用于建立真實(shí)世界場景模型的技術(shù)，用以描述三維物體及其行為，可以構(gòu)建虛擬境界，其基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體，基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、逼真性等[1-2]。相比傳統(tǒng)的多媒體課件，VR課件在這些方面顯示出其獨(dú)有的強(qiáng)大優(yōu)勢，可建構(gòu)出神奇、真實(shí)的學(xué)習(xí)場境，顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在代表國際VR發(fā)展的水平的美國，VR技術(shù)早已廣泛應(yīng)用，課堂教學(xué)主要有以下方面的應(yīng)用：立體物體和立體空間的展示，虛擬空間和虛擬場景的營造與構(gòu)建；科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用于虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)室等。我國各種輔助教學(xué)軟件，都是采用傳統(tǒng)的普通多媒體輔助教學(xué)軟件，一般為平面方式展示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)?；赩R和立體視覺技術(shù)的輔助教學(xué)軟件研究，突破傳統(tǒng)圖片加文字課件制作模式，主要研究三維課件制作技術(shù)，積件式開發(fā)技術(shù)，海量多源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，異型模型、運(yùn)動(dòng)仿真模型建模技術(shù)等。適于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程制圖等課程的教學(xué)。

2.2 系統(tǒng)組成。教學(xué)軟件系統(tǒng)由積件庫和積件組合平臺(tái)構(gòu)成，積件庫包括各種獨(dú)立學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容，類型包括定義、定理、公式、習(xí)題、多媒體、聲音等。積件組合平臺(tái)由各功能模塊組成，可以根據(jù)不同需求進(jìn)入相應(yīng)模塊。

3 系統(tǒng)功能

3.1知識(shí)輸入及數(shù)據(jù)管理模塊。（1）異型模型可視化：包括數(shù)學(xué)中的空間模型，物理中的實(shí)驗(yàn)器模型、電子模型和場示意性模型，化學(xué)中的常見分子模型、原子模型、電子模型，地理中的星球模型、地形模型等的可視化；（2）地物地貌多源數(shù)據(jù)管理方法：高分辨率影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、交通、河流、居民地?cái)?shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的可視化疊加顯示、動(dòng)態(tài)管理、動(dòng)態(tài)調(diào)度；（3）文本信息輸入，包括公式定理等；（4）多媒體信息輸入。

3.2 學(xué)生互動(dòng)模塊。學(xué)生可以在三維瀏覽窗口中對模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，也可以改變與所顯示模型相關(guān)的參數(shù)觀察各參數(shù)所起的作用，還可以查詢相關(guān)公式、定理以及例題。可以選擇試題測試以鞏固學(xué)習(xí)成果，加深記憶。

3.3 授課內(nèi)容編排模塊。首先，輸入本講的名稱或主題；然后，根據(jù)已定計(jì)劃設(shè)計(jì)文字、圖片以及三維場景出現(xiàn)的先后順序以及講解時(shí)間；接著根據(jù)老師自己的教學(xué)習(xí)慣編輯相關(guān)思考題和習(xí)題，插入講解過程；最后保存課件。

3.4 教學(xué)授課與真三維交互學(xué)習(xí)模塊。借助3DPT真三維投影平臺(tái)，教師可以方便的以三維可視化方式的制作課件，當(dāng)在客戶端加載后，路線漫游，錄音播放、媒體鏈接、音樂播放、圖片調(diào)入等功能以真三維方式顯示，并可以在三維瀏覽窗口中進(jìn)行模型縮放、旋轉(zhuǎn)的等交互操作，交互過程中可以觸發(fā)教師預(yù)設(shè)的場景事件并產(chǎn)生動(dòng)畫、特效或場景變更等效果；通過調(diào)整模型參數(shù)，可以觀察各參數(shù)所起的作用，還可以查詢相關(guān)公式、定理以及例題。整個(gè)交互過程，提供了使用鍵盤、鼠標(biāo)和游戲控制桿等多種方式。

3.5 輸出模塊。將課件和講課錄音結(jié)合起來輸出為一個(gè)視頻文件，供學(xué)生復(fù)習(xí)。將老師編寫的課件輸出為文本或HTML文檔的格式，包含所有的圖片和視頻信息，作為教案文檔備案或者提供給學(xué)生。可以定制輸出成績單和成績曲線圖。

4 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)

基于GPU技術(shù)和場景的多遍渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體集合中多面體的真三維互動(dòng)表達(dá)以及復(fù)雜三維曲線的制作與交互式表現(xiàn)。所有的效果實(shí)現(xiàn)都可以通過紅青立體或者偏振光立體的方式實(shí)現(xiàn)真三維立體的渲染效果。該系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

4.1 層次細(xì)節(jié)技術(shù)。層次細(xì)節(jié)（Level of Detail-LOD）技術(shù)是在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。該技術(shù)通常對每一原始多面體模型建立幾個(gè)不同逼近精度的幾何模型。與原模型相比，每個(gè)模型均保留了一定層次的細(xì)節(jié)。在繪制時(shí)，根據(jù)不同的表現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)膶哟文Ｐ蛠肀硎疚矬w。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸等行為的人機(jī)交互技術(shù)。它有兩個(gè)基本特征，即“沉浸”和“交互”。VR的“沉浸”要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境的體驗(yàn)。VR的“交互”主要是指參與者通過使用專用設(shè)備來實(shí)現(xiàn)用人類自然技能，對虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行考察與操作，使得研究者能在時(shí)間與空間上自由穿行。

4.3 立體視覺技術(shù)。應(yīng)用立體視覺原理，將左右眼的圖像分別輸出。偏振光圖像可以用于大型三維現(xiàn)實(shí)，通過紅青圖像在普通顯示器上既可以實(shí)現(xiàn)真三維效果。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于彌補(bǔ)傳統(tǒng)授課方式難于形象表達(dá)宏觀、微觀、抽象、立體等復(fù)雜問題的不足，在單位時(shí)間內(nèi)能夠向?qū)W生傳遞多維的關(guān)聯(lián)信息，引起多種感官的立體綜合反應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)約授課時(shí)間，減小學(xué)生疲勞度的目的，使學(xué)生在逼真、新奇、浸入的學(xué)習(xí)環(huán)境中激發(fā)出自主性、創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，變被動(dòng)接收式教學(xué)為啟發(fā)探索式學(xué)習(xí)。對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)習(xí)能力具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Li Jiahou，Wang Xuqing.Second Generation Classroom Instruction Software：Integrable Ware[J].MMW MultiMedia World，1997（10）：45-46.（In Chinese）

[4]Gao Xiaojuan，Zhu Xinjuan.The design and the research of Integrable Ware System based on the tiny teaching unit[J].Electronics Design Engineering，2009（04）：29-31.（In Chinese）

[5]Burdea G，Coiffet P.Virtual reality technology.New York：A Wiley-Interscience Publication，John WileySons，Inc，1994：1-14.

作者簡介：李軍杰（1971-），男，河南長葛人，博士，參與國家863重點(diǎn)項(xiàng)目“高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)”，研究方向：低空高精度遙感與三維重建。

作者單位：河南城建學(xué)院，河南平頂山 467000；北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100070

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2008AA121301）；地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201116）。