石永琪

摘要：在傳統(tǒng)的教育過程中，理論知識的學(xué)習(xí)往往過于重視，而實驗技能的實踐機會卻不斷減少，這就導(dǎo)致了理論與實踐之間不平衡矛盾越來越突出。虛擬實驗教學(xué)環(huán)境正是在這種環(huán)境下產(chǎn)生的，它一定程度上豐富了實踐技能的內(nèi)容，提高了整體教學(xué)的質(zhì)量。該文在考察大學(xué)計算機硬件實驗教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，結(jié)合大學(xué)計算機實驗的具體特點，確定采用VRML技術(shù)進行開發(fā)；同時，分別從實用角度、運作原理、編輯環(huán)境幾個方面對VRML語言進行全面的解讀和分析；其次，分析了虛擬實驗的基本需求，并結(jié)合需求對虛擬實驗的總體架構(gòu)進行了設(shè)計及功能模塊的劃分；最后，結(jié)合具體的三維模型，從模型的繪制、貼圖的賦予、交互行為的添加三個方面給出了具體的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；交互設(shè)計；VRML；漫游

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1968-07

1 概述

虛擬現(xiàn)實，早已不再是一個陌生的名詞，隨著計算機圖形學(xué)的進一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用變得更加廣泛。其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了軍事、教育、醫(yī)療、城市規(guī)劃、遠程實驗等眾多領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過硬件設(shè)備和軟件資源，為用戶提供一種身臨其境的真實感覺，增強用戶的體驗深度和記憶層次，進而達到輔助行業(yè)的作用。其硬件設(shè)備主要包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套及各種傳感器，軟件資源包括圖形處理系統(tǒng)、建模軟件及各種交互軟件。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與成熟，為教育行業(yè)的實驗教學(xué)帶來了新的手段和機遇。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一直存在著一些無法逾越的障礙，主要體現(xiàn)在三個方面，其一，學(xué)校硬件設(shè)備資源有限，對于部分貴重的設(shè)備無法做到一人一份，學(xué)生無法自由地進行實踐性嘗試；其二，設(shè)備管理與維護的成本較高，很多學(xué)校的教師承擔(dān)了上課與管理設(shè)備的雙重壓力；其三，實驗過程中，學(xué)生的人身安全及設(shè)備的安全問題都很難得到控制，這也導(dǎo)致了部分實驗的擱淺；通過采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，打造一個虛擬的三維空間，將現(xiàn)實世界中的實驗設(shè)備，完全地、完整地遷移到虛擬空間，學(xué)生在虛擬的仿真空間中，通過鼠標和鍵盤的操作，進行完全逼真的實驗，基本達到教育實踐的目的。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)分析

幾何造型節(jié)點（shape）：shape節(jié)點定義了立體圖形的色彩、材質(zhì)、紋理、尺寸、形狀等外觀特征。主要有外觀特征節(jié)點（appearance）和幾何形狀節(jié)點（geometry）。

交互節(jié)點：交互節(jié)點可以用來強調(diào)虛擬環(huán)境的真實程度。從側(cè)面反映出現(xiàn)實世界中的事物相互之間存在聯(lián)系。

插補器節(jié)點：該節(jié)點的使用是用來操縱動畫的，原理很簡單，通過引入一組跟時間對應(yīng)的關(guān)鍵點，讓每個關(guān)鍵點跟其中一組動態(tài)的動畫產(chǎn)生聯(lián)系，當(dāng)場景中的時間發(fā)生變化的時候，場景中的與之關(guān)聯(lián)的對象會同步地對位移、造型做出變化。

傳感器節(jié)點：傳感器節(jié)點（Senser）類似人的神經(jīng)系統(tǒng)，可以一定程度上提前感知某些外界的狀態(tài)的變化，用戶可以借此做出合理的判斷。通過傳感器節(jié)點的合理應(yīng)用，可以方便地感知用戶的操作狀態(tài)和目的，讓互動場景更加具有真實性。

腳本節(jié)點： 腳本節(jié)點（Script）指包含程序設(shè)計的節(jié)點，通過使用編程語言，引入不同的腳本，可以為開發(fā)人員提供更強大的用戶接口，可以使編程更加靈活，設(shè)計出更加有趣的場景。

3 三維建模與系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框架

3.1.1 系統(tǒng)需求分析

虛實結(jié)合的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要目的在于：使學(xué)生不受時間、地點、網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，通過訪問接入網(wǎng)絡(luò)的VRML服務(wù)器，利用虛擬實驗設(shè)備進行實驗，通過鼠標或鍵盤對虛擬三維模型進行合理地操作，增強趣味型。通過觀看虛擬設(shè)備動畫，加深對理論知識的理解。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在設(shè)計時考慮的角度有：

1）為學(xué)生搭建一個自由、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)生搭建一個自由、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)時間可以不再局限于有限的課堂教學(xué)，空間上也有了更大的選擇余地，比如在家里、在寢室等環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實提供的“虛擬仿真環(huán)境"，學(xué)生在可以接入網(wǎng)絡(luò)的任何地方都可以自由地借助計算機進行學(xué)習(xí)，通過與共同學(xué)習(xí)者合作、交流，討論獲取知識或技能。

參考文獻：

[1] Steve Cunningham.計算機圖形學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] Mel Slater.計算機圖形學(xué)與虛擬環(huán)境[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3] Grigore C，Burdea，Philippe Coiffet.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 奧利弗·格勞.虛擬藝術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[5] 劉光然.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] 呂建德.游戲程序設(shè)計概論[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[7] 耿衛(wèi)東，陳凱，李鑫，徐明亮.三維游戲引擎設(shè)計與實現(xiàn)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.

[8] 張寶榮，呂新欣.Maya總動員：動畫編程篇[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.