張向華，董曉英，葉 霞，蔣琴仙，畢 偉

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的遠程教育在現(xiàn)代教學(xué)中占據(jù)越來越重要的地位?，F(xiàn)代遠程教育是隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型的教育形式，這種以計算機網(wǎng)絡(luò)等高科技手段為載體的雙向交互式教學(xué)形式在現(xiàn)代教育中扮演了重要角色[1]。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為學(xué)習(xí)者提供豐富的多媒體教學(xué)資源和有效的學(xué)習(xí)情境，是遠程教育中首先面臨的主要問題。然而傳統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教育平臺在其發(fā)展過程中主要受到三個因素的制約：

一是，網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸極大地限制了教學(xué)視頻音頻的傳輸，使得教學(xué)效果下降。

二是，利用視頻進行網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)時學(xué)生無法親自動手，實驗效果較差。

三是，現(xiàn)有的一般網(wǎng)絡(luò)教學(xué)主要是用動態(tài)網(wǎng)頁、Flash、流媒體等技術(shù)展示和呈現(xiàn)知識信息，在真實環(huán)境的營造、實時交互性等方面存在一些不足，無法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性[2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，為解決遠程教育中所存在的這些制約因素提供了幫助。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸、交互和多感知三大特點，其能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演一個角色，這對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。為此，文章在介紹基于VRML 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源設(shè)計和開發(fā)中的具體應(yīng)用, 并探討了其中的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于VRML 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)原本是美國軍方開發(fā)研究出來的一項電腦技術(shù)，其利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會[3]。

虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling language，以下簡稱VRML)是一種與Internet 結(jié)合，用來描述三維交互虛擬世界的程序語言，可應(yīng)用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實的對象、場景和展示模型等。通過瀏覽器，用戶可以觀賞到由VRML 創(chuàng)建的三維虛擬現(xiàn)實，而不再只是二維的圖形或圖像，并能夠在三維世界中進行實時移動和實時操縱。基于VRML 的虛擬現(xiàn)實只是一種桌面虛擬現(xiàn)實，但由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，制作成本低，因此將其應(yīng)用于遠程教育具有可行性。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程教育中的具體應(yīng)用

2.1 VRML 在工程圖學(xué)課程遠程教學(xué)中的應(yīng)用

工程圖學(xué)課程是工科院校一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、空間想象能力、形體構(gòu)形能力以及閱讀和繪制工程圖樣能力的一門應(yīng)用性學(xué)科。其研究的主要對象是圖形，教學(xué)中心是解決畫圖和讀圖的問題，教學(xué)重點和難點是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象和構(gòu)思能力。在傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教學(xué)中，常用直觀的教具來輔助教學(xué)，但在遠程教育中，學(xué)生主要依靠工程圖學(xué)課程網(wǎng)站來輔助學(xué)習(xí)。目前的許多工程圖學(xué)課程網(wǎng)站主要是由靜態(tài)網(wǎng)頁組成，網(wǎng)頁內(nèi)容主要是文字、圖形和圖像，表現(xiàn)形式單一。網(wǎng)頁里也用到了一些動畫，但主要是GIF 和Flash 等二維平面動畫，這些動畫缺乏直觀表達能力，這樣就限制了遠程教學(xué)的教學(xué)效果。為此，可以在網(wǎng)頁中插入一些具有三維表現(xiàn)力的圖形和動畫文件。

（1）基于VRML 的模型展示

在工程圖學(xué)的教學(xué)過程中，經(jīng)常會講解各種不同形體的表達。在以前的遠程教學(xué)中主要是結(jié)合形體的圖片來說明，但圖片的表現(xiàn)力有限，對于復(fù)雜的形體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能很好的表達。為此，可在網(wǎng)頁中加入VRML 模型，這些模型可以嵌入網(wǎng)頁，如圖1所示，也可以采用鏈接的方式單獨打開，如圖2 所示。學(xué)生只需在瀏覽器中安裝有關(guān)的插件就可以瀏覽到網(wǎng)頁上的虛擬模型，并且可以利用鼠標(biāo)對模型進行旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等多種操作，對模型進行全方位的觀察[4]。

圖1 嵌入式模型

圖2 鏈接模型

（2）基于VRML 的三維動畫

在工程圖學(xué)課程的遠程教學(xué)中，還可以利用三維動畫來形象的展示其中的一些內(nèi)容。例如，在介紹立體的截交線和相貫線時，可以利用截切的動畫來展示截交線的形成，如圖3 所示；在介紹用形體分析法來分析組合體時，也可以利用三維動畫來展示，如圖4 所示。

圖3 圓錐的截切

圖4 形體分析法分析組合體

（4）基于VRML 的裝配演示

裝配圖是工程圖學(xué)中的重要內(nèi)容之一。在講授裝配體的表達時，需要講解裝配體的安裝與拆卸過程，利用靜態(tài)圖片不能展示該過程，基于VRML 的虛擬模型可以全方位的展示整個拆裝過程，如圖5 所示。

圖5 齒輪泵的裝配

2.2 VRML 在機械原理課程遠程教學(xué)中的應(yīng)用

機械原理課程是機械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在課程中會介紹到各種不同的機構(gòu)。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，會利用實驗室的陳列柜來展示不同的機構(gòu)，然后安排學(xué)生去學(xué)習(xí)了解。但這種教學(xué)方法在遠程教學(xué)中無法實現(xiàn)，如果直接用文字來解釋有很難將各種機構(gòu)的工作原理解釋清楚，為此，可以利用VRML 動畫模型來進行展示，非常直觀，學(xué)生也能很快接受，如圖6 所示。

圖6 機械原理中機構(gòu)的展示

3 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)在設(shè)計中選用以瀏覽器/ 服務(wù)器(Browser/Server)模式為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。瀏覽器端需安裝VRML 插件才能顯示虛擬模型；Web 服務(wù)器接收瀏覽器HTTP 請求并傳給應(yīng)用服務(wù)器；應(yīng)用服務(wù)器將請求轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫能辨識的SQL 語句，再向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)出請求；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、維護、處理等，并將結(jié)果返回應(yīng)用服務(wù)器；應(yīng)用服務(wù)器對結(jié)果進行分析處理后發(fā)送給Web 服務(wù)器；最后由Web 服務(wù)器返回給Web 瀏覽器[5]?；诖私Y(jié)構(gòu)，用戶可通過帶有VRML 插件的瀏覽器查看網(wǎng)頁中的虛擬模型。

圖7 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.2 VRML 中的建模方法

根據(jù)模型的復(fù)雜程度, 可以采用不同的建模方法。對于簡單的模型,可以直接編程建模。編程的方法有兩種：第一種是直接利用記事本編寫程序，然后將文件保存為.wrl 格式文件；第二種方法是利用vrmlpad 軟件編程。對于復(fù)雜的模型,可先利用專業(yè)的三維設(shè)計軟件 (如UG、Solidworks、Catia、Pro/ E、Solid-Edge 等)建立模型,然后再將其導(dǎo)出為VRML 格式的文件。導(dǎo)出的文件采用的是默認(rèn)的背景和視點，可利用記事本對導(dǎo)出文件進行編輯，增加視點和背景，得到所需要的模型文件。一般都采用第二種建模方法。

3.3 VRML 中動畫與交互的實現(xiàn)

VRML 中的動畫是依靠一個給定的時間傳感器和一系列各種各樣的內(nèi)插節(jié)點來控制場景中的各種動作。其基本的方法就是：時間傳感器給出一個控制動畫效果的時鐘，時鐘包含了動畫效果的開始時間、停止時間、時間間隔和是否循環(huán)等動畫控制參數(shù)。然后通過時鐘的輸出在虛擬世界中驅(qū)動各種內(nèi)插節(jié)點產(chǎn)生各種相應(yīng)的動畫效果，而內(nèi)插節(jié)點中將給出各種動畫效果的關(guān)鍵點和關(guān)鍵值，VRML 瀏覽器將自動地根據(jù)這些關(guān)鍵點通過線性插值的方法來完成整個動畫過程[6]。

讓用戶參與動畫的過程就是交互，VRML 的交互通過檢測器(sensor，或稱感應(yīng)器)實現(xiàn)[7]。在VRML 中，有一組具有動態(tài)、交互和感知特性的節(jié)點，可用于交互和動畫的實現(xiàn)。其中包括[8]：

（1）TimeSensor 時間傳感器節(jié)點：時間傳感器作為動畫行為的驅(qū)動，創(chuàng)建一個虛擬時鐘，并對其他節(jié)點發(fā)送時間值，控制VRML 立體空間的動態(tài)對象的開始、變化和結(jié)束過程的時間，實現(xiàn)空間物體造型的移動、變色、變形等自動變化。

（2）PositionInterpolator 位置插補器節(jié)點：位置插補器中定義了關(guān)鍵點(Key)和對應(yīng)的關(guān)鍵值(KeyValue)，然后執(zhí)行簡單的動態(tài)計算，形成平滑的動畫軌跡，而后在時間傳感器和位置傳感器之間添加路由，在位置傳感器和模型之間添加路由，從而實現(xiàn)動畫設(shè)計。

（3）觸動檢測器節(jié)點：接觸檢測器(touchSensor)創(chuàng)建用戶感應(yīng)物體功能；鄰近檢測器(proximitySensor)自動感應(yīng)用戶進入的特定區(qū)域；時間檢測器(timeSensor)控制事件的啟動和停止。

（4）感知節(jié)點：當(dāng)特定部分變成用戶可見時，可見性檢測器(visibilitySensor)自動察覺，用來感應(yīng)觀察者和虛擬現(xiàn)實的接觸程度。

在VRML 中的行為和交互性是通過事件驅(qū)動機制工作的，用戶與場景的交互、動畫的運行等都是通過各種事件的發(fā)送來完成的。通過在幾個節(jié)點之間事件流的傳送，可以實現(xiàn)動畫過程。

在簡單的VRML 動畫中，TimeSensor 不斷地發(fā)送出時間片信息，Interpolator 節(jié)點接收到時間片后根據(jù)設(shè)定好的關(guān)鍵點，通過插值計算送出動畫數(shù)據(jù)，這種動畫數(shù)據(jù)被送給對象節(jié)點去改變某些對象屬性，如空間位置、旋轉(zhuǎn)角度等，從而生成所需要的動畫。但遇到復(fù)雜的動畫設(shè)計時，單用插值器是不能實現(xiàn)的，所以VRML 提供了另一種機制，即用Script 節(jié)點取代插值器節(jié)點，在Script 節(jié)點中可以加入代碼，這些代碼可以根據(jù)不同動畫的需求生成并輸出動畫數(shù)據(jù)[9]。

4 結(jié)束語

利用基于VRML 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開發(fā)一些遠程教育教學(xué)資源，極大的增強了遠程教育中學(xué)生身臨其境的參與感，可以大大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

[1]瞿 暢，王君澤. 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源開發(fā)中的Web3D 技術(shù)應(yīng)用研究[J].南通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，6（3）：90-93．

[2]許愛軍，張文金，易 丹. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠程教育平臺研究與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2007，（8）：23-26．

[3]方德葵.虛擬大學(xué)－現(xiàn)代遠程教育理論與實踐[M].北京：中國廣播電視出版社，2003．

[4]張向華，董曉英.VRML 語言優(yōu)化圖視思維網(wǎng)絡(luò)課件的研究[J].計算機工程與設(shè)計，2006,27（14）：2573-2574.

[5]徐素霞，馬文婕. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在遠程教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2006，（2）:28-30.

[6]王巧玉，田 凌.基于VRML 模型的協(xié)同裝配工藝規(guī)劃仿真方法[J].高技術(shù)通訊，2006,16（8）：802-807.

[7]董艇艦，王太勇，蓋 青，等.基于VRML 的虛擬模型構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2005,21（4）：58-60.

[8]汪興謙，牛燕明. VRML 與Java 編程實例詳解[M]. 北京:中國水利水電出版社，2002.

[9]張紅燕.遠程虛擬實驗中交互與動畫的實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化，2006，（4）：40-42.