陸軍裝甲兵學(xué)院 王鈺博

1.引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)多媒體處理技術(shù)，其利用先進(jìn)的圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，為人們提供一個(gè)沉浸感很強(qiáng)的仿真環(huán)境，具有極強(qiáng)的趣味性和生動(dòng)性。虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)很多，基本技術(shù)包括注冊技術(shù)、3D對象建模技術(shù)、顯示技術(shù)，已經(jīng)在裝配制造、飛行訓(xùn)練、航空科研、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的應(yīng)用成效。智慧課堂作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，本文詳細(xì)地描述了虛擬現(xiàn)實(shí)在智慧課堂中的應(yīng)用技術(shù)及詳細(xì)設(shè)計(jì)情況，能夠進(jìn)一步創(chuàng)新學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)成效，具有重要的作用和意義[1]。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，自然交互已經(jīng)成為非常關(guān)鍵的事件觸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)能夠利用先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)等技術(shù)采集輸入特征，利用圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)記，實(shí)時(shí)接收外部的輸入信息，然后采用特征提取、模式識(shí)別、事件觸發(fā)等激活系統(tǒng)功能，渲染一個(gè)虛擬的操作環(huán)境展現(xiàn)給用戶。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)很多，比如跟蹤注冊技術(shù)、3D對象建模技術(shù)、顯示技術(shù)等[2]。

（1）跟蹤注冊技術(shù)

跟蹤注冊技術(shù)可以利用標(biāo)記將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境信息進(jìn)行配準(zhǔn)注冊，實(shí)現(xiàn)虛擬信息和真實(shí)場景的無縫融合。跟蹤注冊技術(shù)采用機(jī)器學(xué)習(xí)可以針對標(biāo)記特征進(jìn)行提取，實(shí)時(shí)獲取圖像標(biāo)記的位置信息，觸發(fā)系統(tǒng)的事件，比如輸出3D模型、實(shí)現(xiàn)事件處理，具有重要的作用和意義。目前，跟蹤注冊過采用的核心技術(shù)為特征提取和特征識(shí)別，利用先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)可以針對圖像標(biāo)記進(jìn)行處理，將目標(biāo)特征從復(fù)雜的背景圖像中提取出來，然后將其與數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)事件進(jìn)行對比，目前提取圖像中的目標(biāo)特征包括自然手勢、激光等，提高智慧課堂的交互性。

（2）3D對象建模技術(shù)

3D對象建?？梢允褂肕aya軟件、AUTO CAD軟件、3DS Max軟件、SKETCH UP軟件等準(zhǔn)確地仿照外部環(huán)境進(jìn)行建模，全方位、立體化地展示每一個(gè)目標(biāo)對象，比如可以設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)學(xué)原理動(dòng)畫模型，該模型能夠展示函數(shù)離散函數(shù)的發(fā)生機(jī)制以及運(yùn)算結(jié)果，這樣就可以更加生動(dòng)地展示某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的趣味性。

（3）顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)與用戶進(jìn)行交互時(shí)，其重要的組成部件就是輸出設(shè)備，也即是顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)為了能夠更加逼真地展示虛實(shí)融合景象，可以利用具有高分辨率的頭盔顯示器、自然顯示設(shè)備等。顯示設(shè)備可以為用戶提供信息輸入、虛擬融合輸出內(nèi)容，與用戶進(jìn)行交互操作。

3.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧課堂設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧課堂主要包括四個(gè)關(guān)鍵組成部分，分別是應(yīng)用邏輯組件、GUI交互界面、知識(shí)實(shí)例腳本、虛擬場景渲染。GUI能夠?yàn)樗械慕處?、學(xué)生提供一個(gè)可視化的交互操作流程，這些用戶輸入交互信息請求之后，可以即時(shí)初始化智慧課堂，用戶即可以進(jìn)入到學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行操作。應(yīng)用邏輯組件是一些通信協(xié)議和接口，接收各類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對象，將這些對象利用虛擬現(xiàn)實(shí)算法進(jìn)行實(shí)例化，就可以為教學(xué)知識(shí)點(diǎn)運(yùn)行提供一個(gè)實(shí)例環(huán)境。知識(shí)實(shí)例腳本是開發(fā)人員按照教學(xué)大綱設(shè)計(jì)的課程知識(shí)點(diǎn)模型，這些知識(shí)點(diǎn)模型都采用了裝配式的動(dòng)畫模型進(jìn)行描述，教師和學(xué)生可以輸入相關(guān)的信息觸發(fā)這些知識(shí)點(diǎn)實(shí)例，并且能夠保存智慧課堂的上下文信息，實(shí)時(shí)地記錄教學(xué)內(nèi)容。虛擬場景渲染則可以利用聲音、3D場景模型構(gòu)建一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境，該虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境與傳統(tǒng)的教室類似，但是更加具備趣味性，能夠提供給教師和學(xué)生各類型的導(dǎo)航指示信息[3]。

智慧課堂主要功能是教學(xué)直播，也可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)點(diǎn)播和課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，以便能夠根據(jù)實(shí)際的教學(xué)需求實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、定制化教學(xué)，具有重要的作用和意義。智慧課堂相關(guān)功能設(shè)計(jì)如下所述：

（1）教學(xué)直播功能設(shè)計(jì)

智慧課堂直播教學(xué)運(yùn)行中，虛擬現(xiàn)實(shí)可以為學(xué)生和教師創(chuàng)建一個(gè)仿真的環(huán)境，創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大的操作支撐。智慧課堂可以采用云計(jì)算、流媒體等功能，實(shí)時(shí)向?qū)W生終端設(shè)備推送教學(xué)內(nèi)容，推送消息中包括開課時(shí)間、課程內(nèi)容概要、課程耗費(fèi)時(shí)長等，學(xué)生獲知這些信息之后，可以做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，快到開課時(shí)登陸智慧課堂聽講。智慧課堂的直播教學(xué)功能為教師、學(xué)生提供了強(qiáng)大的在線教學(xué)支持，可以實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生課堂互動(dòng)交流，也可以通過聊天軟件、郵箱、視頻等功能進(jìn)行交流，解決了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的疑問。另外，如果學(xué)生將相關(guān)問題輸入到系統(tǒng)中，智慧課堂可以自動(dòng)檢索問題答案，為學(xué)生提供一個(gè)更好的答案。

（2）教學(xué)點(diǎn)播功能設(shè)計(jì)

教學(xué)點(diǎn)播與直播類似，智慧課堂部署于云平臺(tái)，學(xué)生可以登錄到云端，直接進(jìn)入到智慧課堂進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)點(diǎn)播的案例是預(yù)先存儲(chǔ)的，與直播功能存在差別，這些教學(xué)案例不可更改和定制，但是可以重新建構(gòu)和替換，以便保證教學(xué)知識(shí)的先進(jìn)性和時(shí)代性。

（3）課程設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)

智慧課堂為教師提供了一個(gè)可擴(kuò)展接口，該接口能夠錄制新型的教學(xué)實(shí)例，能讓每一門課程的老師都可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制化教學(xué)，提高了知識(shí)點(diǎn)的個(gè)性化講授，及時(shí)地將課程最新講授模式或?qū)W習(xí)方法錄入到系統(tǒng)中，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。

4.結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧課堂構(gòu)建了一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，利用先進(jìn)的圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠讓教師和學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)課程講授，既可以提高講授知識(shí)的生動(dòng)性和趣味性，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空操作，同時(shí)該系統(tǒng)部署于云端，不需要學(xué)校購置較多的硬件設(shè)備就可以讓學(xué)生完成課程知識(shí)學(xué)習(xí)，利用動(dòng)畫模型展示每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的原理、工作機(jī)制，使枯燥抽象的知識(shí)學(xué)習(xí)變得更加形象和直觀，創(chuàng)新了教學(xué)方法和模式，具有重要的作用和意義。