姜艷玲，鄧彩紅，孫站英

(天津師范大學 教育科學學院，天津 300387)

裸眼3D視頻的教育應用研究

姜艷玲，鄧彩紅，孫站英

(天津師范大學 教育科學學院，天津 300387)

在介紹裸眼3D視頻相關概念的基礎上，簡介了4種常見3D顯示技術的教育應用特點，并通過設計實驗和分析美國兩個典型的裸眼3D視頻教學實驗案例，發(fā)現(xiàn)裸眼3D視頻在創(chuàng)設身臨其境的學習環(huán)境和提高學生在教學過程中的參與度方面有較好的成效，進而總結了裸眼3D視頻應用于教育的優(yōu)勢，論證了裸眼3D視頻在教育中應用的價值所在。

裸眼3D技術；3D視頻；裸眼3D視頻

3D技術就是利用三維立體形態(tài)呈現(xiàn)視覺圖像[1]，目前主要分為眼鏡式3D技術和裸眼3D技術。裸眼3D技術彌補了眼鏡式3D技術容易造成觀察者視覺疲勞的劣勢，沒有了眼鏡的束縛，觀察者可以更加輕松地看到生動立體的影像，從而獲得更加震撼的視覺體驗。

據(jù)統(tǒng)計，韓國、日本、荷蘭、中國、美國等地區(qū)掌握了裸眼3D顯示技術領域的絕大部分專利；通過對全球裸眼3D顯示技術主要申請人數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)眾多影像顯示行業(yè)公司都投入了該領域的產(chǎn)品研發(fā)[2]。由于3D顯示技術通常帶給人們更真實、更精細、更震撼的視覺感受，因此在廣告、影視、游戲、工業(yè)設計、建筑設計、輔助教學、多媒體制作等領域均有廣泛應用[3]。

有關提高教育教學標準和質量方面的研究表明，在課堂上使用3D視頻，會使學生更專心和快速地理解新知識，提高課堂學習效率。教育專家伯納德·迪金森提出的3D學習解決方案能夠在很大程度上提高在線教學效果，對學生學習技能的培養(yǎng)很有裨益。3D視頻技術以其在知識創(chuàng)新、深度學習、虛擬實驗及技能訓練等多個教育教學方面的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的教育應用創(chuàng)新的技術支撐，并為教育教學提供了新環(huán)境、新平臺、新資源、新工具和新范式。但是我國對裸眼3D技術的研究起步較晚，很多方面的研究還不成熟，有必要對裸眼3D視頻在教育教學中的應用進行研究。

1 裸眼3D技術與裸眼3D視頻概述

3D技術特指基于電腦/互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化3D/三維/立體技術，即三維數(shù)字化[2]。3D技術是虛擬現(xiàn)實、實時仿真和交互三維設計結合產(chǎn)生的關鍵技術，包括3D顯示技術、3D虛擬現(xiàn)實技術和3D打印技術[3]。

3D顯示技術指的是通過光學技術、計算機技術、微控制技術、微電子技術等還原出已獲取的二維平面圖像中內容的深度信息，并以三維形式展現(xiàn)出來，從而真實再現(xiàn)物體，更具有真實感。3D顯示技術通過讓雙眼感受到不同畫面，從而實現(xiàn)立體顯示，主要包括兩個種類：利用輔助工具來實現(xiàn)3D顯示和不利用輔助工具來實現(xiàn)3D顯示，即俗稱的裸眼3D技術[4]。

3D視頻是利用兩臺虛擬攝像機在三維虛擬場景中進行拍攝的視頻，采用的是雙視點拍攝[5]。3D視頻在觀看時需要搭配特定的眼鏡將兩路信號分別送入觀看者的雙眼[6]，長時間觀看容易惡心眩暈，視頻觀看的舒適度大大降低[7]。

裸眼3D視頻一般是在虛擬3D場景中以平行攝像機陣列或匯聚型攝像機陣列搭建多臺攝像機進行拍攝的視頻，采用的是多視點拍攝[7]。在觀看裸眼3D視頻時觀看者不需要佩戴特定的眼鏡，利用多視點顯示器就可以觀看視頻，適用于不同的應用環(huán)境，觀看的視角范圍相對廣闊，使觀看者更有身臨其境的感覺。

目前，裸眼3D技術與裸眼3D視頻以其獨具的特點和強大的優(yōu)勢越來越多地被應用于各行各業(yè)中，其中教育教學領域的應用更具魅力。

2 3D顯示技術及其教育應用

目前常見的3D顯示技術有擺動立體圖技術、紅藍立體技術、偏振光3D技術、3D Vision技術[8]。

2.1 擺動立體圖技術

Wiggle Stereoscopy翻譯為“擺動立體圖”。這種技術不需要觀察者配戴眼鏡，而是利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，通過觀察兩幅快速交替出現(xiàn)的圖片來獲得一種景深效果，在普通屏幕上讓觀眾感受到圖片的立體效果，實質上是一種“模擬的3D圖片”。這種立體圖技術不需要任何額外的設備就可以獲得模擬的立體效果，并且有研究發(fā)現(xiàn)，在上課時使用3D圖片，學生表現(xiàn)得更好，更專心并且更快地吸收新的概念。這種圖片在互聯(lián)網(wǎng)上能夠搜集到，但是很零散，沒有系統(tǒng)性，而且晃動厲害，長時間觀看之后眼睛不舒服。這種技術雖然投資成本小，但是并不適合在學校教育教學中推廣。

2.2 紅藍立體技術

這種3D顯示技術的應用配置也比較簡單，普通的顯示器加上一副紅藍眼鏡就可以讓觀察者體驗到立體的效果。近年來網(wǎng)絡上出現(xiàn)了很多可用于教學的3D視頻，其中有一些視頻具有一定的教育價值，可以直接應用于課堂教學。

3D視頻在互聯(lián)網(wǎng)上易于獲取，提高了這種技術在教育教學中的可用性。但學生需要佩戴紅藍眼鏡才能觀看3D圖片或視頻，因為色差的關系會造成頭暈目眩等不良反應，造成諸如衛(wèi)生風險、課堂上小組討論問題時眼神交流不便和近視的學生需要戴兩副眼鏡等方面的問題[9]。

2.3 偏振光3D技術

偏振光分為線偏振光和圓偏振光，線偏振光要求觀察者必須坐的筆直，如果稍有偏轉就會看到重影，可視范圍有很大局限，而圓偏振光對觀察者的姿勢和可視角度都沒有嚴格的要求，觀眾在觀看時可以隨意扭動頭部，而不影響觀影效果。偏振光技術目前大量應用于電影院，還被應用到了3D計算機和3D電視中，但是從目前的情況來看，還不適合用來建立3D教室。

2.4 3D Vision技術

3D Vision是一套以電腦為中心，并且包含了軟硬件設備、內容和應用的完整的3D系統(tǒng)，能夠滿足用戶、家庭和學校等消費群體的不同需求。在目前的3D Vision系統(tǒng)中，觀察者必須佩戴3D眼鏡。3D Vision具有優(yōu)良的性能和技術，而且價位較低，在未來的教育教學中有很大的應用潛力。

3 裸眼3D視頻的教育應用分析

李應樵博士曾指出，裸眼3D LCD 顯示技術通過以下兩種方式支持小學教學：1)以3D多媒體內容吸引學生；2)通過“使對象真實”給學生帶來相對“真實”的體驗[9]。筆者認為在中小學課堂教學中，如在地理學科中的立體地圖演示、物理化學學科的實驗演示、生物學科的模型演示和手工課和繪畫課中的藝術品演示等，可使用裸眼3D視頻：1)可以將抽象的知識具象化，立體展示即將學習的內容，提供“可視化”的概念；2)為學生創(chuàng)設一種身臨其境的學習環(huán)境，營造一個自然和愉快的學習氛圍，提高學生在教學過程中的參與度。

3.1 實驗分析

為了驗證以上對裸眼3D視頻在教育應用中的價值推測，筆者隨機選取了天津市某小學六年級的學生，針對科學學科教學中《探索宇宙》知識點，分別開展了持續(xù)時間相同的2D和3D教學實驗。在教學過程中，筆者根據(jù)課堂觀察量表觀察并記錄學生的課堂參與度。

筆者要求實驗組學生的老師在教學中播放了一個長約 6 min 30 s的名為《已知的宇宙》(如圖1所示)的裸眼3D視頻，然后結合課本內容進行課堂教學，最后對學生進行提問。在對照組中，教師主要通過演示相關的包含一系列圖片和文字的PPT教學資源進行課堂教學，最后也對學生進行提問。

圖1 《已知的宇宙》裸眼3D視頻截圖

實驗組的18名學生在課堂提問環(huán)節(jié)每個學生都積極舉手回答問題，其中有12名學生舉手超過3次，學生的課堂參與度為100%，積極發(fā)言的學生占總人數(shù)的67%，發(fā)言的5名學生回答的準確率為80%，并且能夠在教師所講的內容的基礎上形成比較完善的觀點。相比而言，對照組的18名學生只有6人舉手回答問題，其中只有一名學生舉手兩次，發(fā)言的5名學生回答的準確率僅為40%，也沒有形成比較完善的觀點。

在課堂教學中，實驗組的學生在觀看教學視頻時能夠保持長時間的注意力，完全沉浸在對視頻的學習中，并且在視頻播放完之后，也能夠積極主動地參與到教師后續(xù)的教學中。而對照組的大部分學生僅能夠在課堂開始的前十幾分鐘保持注意力集中，僅有少數(shù)同學與教師互動。課后筆者對實驗組學生進行了調查，他們明確表示，這種視頻比一般的視頻觀看起來更加生動立體，獲得了更加震撼的視覺體驗。 這主要有3個原因：首先，《已知的宇宙》裸眼3D視頻利用畫面多角度的切換立體展示了宇宙的微觀和宏觀的景象，將宇宙這一抽象概念具象化，與2D教學相比，降低了學生的認知負荷；其次，《已知的宇宙》裸眼3D視頻為學生營造了一種身處宇宙中的氛圍，吸引并保持學生的注意力，使其積極參與教學活動；最后，能夠幫助學生迅速理解所學知識，并建構自己的知識體系。

3.2 案例分析

我國在3D技術方面的研究起步較晚，與歐美國家相比關于3D技術的教育應用研究的實驗少或者典型性差，因此，筆者在美國巨石谷學區(qū)和謝爾頓學校已完成的實驗中，選取了兩個典型的裸眼3D視頻在教育中的應用實驗[8]，對裸眼3D視頻教育教學應用價值進行了進一步的探究。

在美國巨石谷學區(qū)的實驗研究中，一些四年級的老師積極使用3D仿真課件庫(Classroom3)中的3D視頻教學資源，讓學生自己探索太陽系，在學習過程中學生們都非常投入，并且能夠開展討論，主動探索發(fā)現(xiàn)，以多種方式互動學習。最重要的是通過比較課前和課后的簡單測試結果，發(fā)現(xiàn)學生的成績提高了50%以上，每一個學生在課后測試中都有進步。巨石谷學區(qū)的眾多教學實驗都證明了將裸眼3D視頻應用于教學是非常有價值的，這種全新的教學體驗無疑會大大提高學生的學習效率。

在謝爾頓學校開展的實驗教學過程中，學生們踴躍參與，非常專心，借助這些形象真實、生動易懂的3D視頻教學資源，學生可以更加容易地理解數(shù)學中的一些抽象概念。在課程結束后的測驗中，發(fā)現(xiàn)學習過3D視頻課程的學生考試成績與之前相比得到了明顯提高。五六年級的教師對3D視頻教學給予高度的評價，他們認為這種教學方式比交互式平板教學效率更高，這種教學方式容易抓住學生的注意力，創(chuàng)造出一種沉浸性的環(huán)境。通過清晰生動的視頻演示，學生可以學到更多內容，并且記憶更加深刻。

可見，觀看裸眼3D視頻的過程中，學生會不自主地被生動立體、動態(tài)變幻的畫面深深吸引，不僅能夠幫助學生保持較長時間的注意力，更重要的是學生會以強烈的主體精神和積極主動的態(tài)度進入學習過程以及其他與學習有關的過程，感受、觀察、思考、建構自己的知識結構[10]。

4 裸眼3D視頻應用于教育的優(yōu)勢

鑒于以上實驗測試及案例分析研究的結果，裸眼3D視頻的教育應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面。

4.1 在構建學習環(huán)境創(chuàng)設學習情境方面的優(yōu)勢

裸眼3D視頻能最大程度地構建獲得直接經(jīng)驗的學習環(huán)境，為學生創(chuàng)設易于主動參與體驗學習過程的情境[10]。首先，裸眼3D視頻呈現(xiàn)的教學內容對學生有很強的吸引能力，視頻資源的震撼力、情境性，有助于降低學生的認知負荷。這種沉浸式的學習環(huán)境，能使學生在學習的過程中體會到更多的學習樂趣，并且能夠較長時間保持注意力，學生可以學到更多的內容，記憶也更加深刻。其次，裸眼3D視頻作為探究工具和學習伙伴，其真實感和操作性較之以往的教學媒體有很大的優(yōu)勢，學生更容易投入學習過程，并且能夠主動探索發(fā)現(xiàn)、開展討論，以多種方式互動學習。最后，裸眼3D視頻構建的學習情境，能夠促進學生身心大腦高度參與學習過程，完成學生自身的知識建構過程[10]，并且學生也樂于發(fā)表自己的觀點，真正提高了學生的課堂參與度，提高學生的學習成績和學習效率。

4.2 信息展示方式方面的優(yōu)勢

較之以往的2D教學資源，裸眼3D視頻提供了更加立體、逼真的效果。雖然三維動畫也能夠很好地建立空間感和立體感，但是其創(chuàng)造的課堂沉浸感和真實感明顯不如裸眼3D視頻的效果。虛擬現(xiàn)實技術所創(chuàng)造的課堂交互性、沉浸感、實時性和真實感也很優(yōu)秀，但是這些效果的實現(xiàn)需要配備數(shù)據(jù)手套和和數(shù)字頭盔等一系列價格昂貴和裝配麻煩的設備，一般的學校負擔不起，這也是虛擬現(xiàn)實技術不能在學校教學中推廣的原因之一。在教學中使用裸眼3D視頻，可以改善由于危險性或學校設施局限部分實踐環(huán)節(jié)無法開展的局面；在條件允許的情況下，學生可以課后在家中或其他地方觀看裸眼3D視頻繼續(xù)學習。加之裸眼3D視頻全方位的交互性、真實的沉浸感、設備的簡潔性和較低的成本，使裸眼3D視頻在教學中具有更廣泛的應用潛力和更高的應用價值。

4.3 實驗教學方面的優(yōu)勢

首先，學生上課的時間固定，教學活動基本在學校開展，由于時間和空間限制，部分實踐活動沒有機會開展，通過觀看裸眼3D視頻，學生可以更進一步地學習有關知識。其次，少量的價格昂貴實驗設備不能供學生全面使用，甚至不能操作。最后，在某些實驗環(huán)節(jié)中，存在各種危險隱患，在傳統(tǒng)教學中多數(shù)以演示為主，學生無法直接參與，因而不能形成對該實驗的感性認識。在以上兩種情況下，裸眼3D視頻，尤其是具有交互功能的裸眼3D視頻能夠表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。學生足不出戶便可以做各種各樣的虛擬實驗，也不用考慮各種危險的或對人體有危害的實驗帶來的傷害。在這些情況下，獲得與真實實驗一樣的體驗，從而豐富對這些學習內容的感性認識，也提高了學習興趣，增加了學生學習的深度與廣度，從而加深對教學內容的理解。

總之，裸眼3D視頻能最大程度地構建獲得直接經(jīng)驗的學習環(huán)境，為學生創(chuàng)設易于主動參與體驗學習過程的情境[10]。裸眼3D視頻立體展示了教學內容，將抽象的知識具體化，降低學生的認知負荷，提高學生的學習能力。在時間和空間上對教學進行了擴展，具有強大的交互功能，讓學習者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，使學習者真正成為教學過程的參與者。

5 結束語

由于國內關于3D技術的研究起步較晚，因此研究裸眼3D視頻的文獻還比較少。但是國外大量的教學實驗研究已經(jīng)表明裸眼3D視頻對教育教學改革有著重大意義?，F(xiàn)在，國內積極開展此方面研究，將裸眼3D視頻更多更好地應用到教育教學中，可以提高教育教學水平，優(yōu)化教學過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的創(chuàng)新能力，給當今的教育教學注入新鮮的血液。

但是由于制作3D視頻的投資大，成本高，以及相關技術和實踐的缺乏，用于3D電視、互聯(lián)網(wǎng)、3D手機等3D小型播放終端的3D作品片源匱乏，其中有教育價值的裸眼3D視頻資源更可謂是鳳毛麟角。因此要想更好地將裸眼3D視頻應用于教育，開發(fā)其教育應用方面的價值，必須提高普通2D視頻轉3D視頻的關鍵技術，同時借鑒國外的裸眼3D視頻拍攝的先進技術，將小成本裸眼3D拍攝技術作為研究重點，創(chuàng)新國內的拍攝技術。當今裸眼3D顯示技術的研發(fā)和市場應用正以飛快的速度發(fā)展，隨著科研技術的不斷進步，必將突破現(xiàn)有的瓶頸，從而提高裸眼3D視頻在教育中的應用價值。

[1] 韓金榮，王菊芬.裸眼3D顯示_技術成就未來[J].技術集錦，2013(9)：56-58.

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[3] 王娟，吳永和，段曄，等.3D技術教育應用創(chuàng)新透視[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2015,(1)：62-71.

[4] 郭娟，蔣路帆.裸眼式3D電視離我們有多遠？——裸眼式3D顯示技術專利申請發(fā)展態(tài)勢分析[J].電視技術，2012，36(S2)：10-11.

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[10]李蕾，王健，曹俊.3D影響資源在教育中的應用探析[J].中國電化教育，2011(2)：77-80.

姜艷玲，副教授，碩士生導師，主要研究方向為數(shù)字媒體技術；

鄧彩紅，碩士生，主研遠程網(wǎng)絡教育；

孫站英，碩士生，主研遠程網(wǎng)絡教育。

責任編輯：許 盈

時代華影全力打造影院裸眼3D媒介系統(tǒng)

隨著科學技術的日趨高速發(fā)展，中國3D影視市場近年來呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，人們對硬屏顯示的要求也越來越高。多年來，許多企業(yè)和研究機構致力于熒屏顯示技術的創(chuàng)新研究，使熒屏顯示技術由原始普通的平面顯示、液晶顯示、立體顯示發(fā)展到今天，已開發(fā)出了不需佩戴立體眼鏡的3D裸眼顯示技術。而硬件設備飛速的發(fā)展，使3D影視內容的崛起也異常之快。

時代華影擁有國內影院系統(tǒng)設備供應80%的市場份額，近期正在全國400余家影院投放42 in(1 in=2.54cm)全高清裸眼3D顯示屏進行影院3D媒介系統(tǒng)的建設，全力打造裸眼3D應用新的商業(yè)模式，具時代華影董事副總裁周永業(yè)透露，該系統(tǒng)總計劃設立3 000個3D裸眼媒介點，除了自身擁有的影院資源外，也正在與國內一批知名的3D產(chǎn)業(yè)公司進行洽談合作，目前在硬件方面與廣州朗辰、上海易維視、重慶卓美等達成了合作共識，在內容制作和商業(yè)運作方面已與華南唯一一家立體實拍單位立體互聯(lián)達成了合作意向，不久將簽訂合作協(xié)議，共同打造裸眼3D產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)模式，為裸眼3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展助力。

Research of Education Application about Naked Eye 3D Video

JIANG Yanling, DENG Caihong, SUN Zhanying

(CollegeofEducationScience,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China)

Based on the introduction of the related concepts about naked eyes 3D video, the application feature of four kinds of common 3D technology in education are all introduced. By designing the experiment and analysis two typical naked eye 3D video teaching experience in America, it is found that the naked eye 3D video has good effect in creating the immersive learning environment and improves the students’ participation in the teaching process. Finally, the paper summarized the advantages of naked eyes 3D video in education, and demonstrates the value of naked 3D video in education

naked eye 3D technology; 3D video; naked eye 3D video

【本文獻信息】姜艷玲，鄧彩紅，孫站英.裸眼3D視頻的教育應用研究[J].電視技術,2015，39(13).

天津市藝術科學規(guī)劃項目(A14079)；天津師范大學教學改革項目(2013015)

TN948

A

10.16280/j.videoe.2015.13.027

;2015-05-08