袁浩竣 林水鳳 陸紅艷 宮海曉

摘要：傳統(tǒng)病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)無法滿足數(shù)字化教學(xué)模式，消耗大量教學(xué)時間，降低教學(xué)質(zhì)量。因此，設(shè)計基于VR技術(shù)的新型病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)。通過對該教學(xué)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進行系統(tǒng)設(shè)計，引入新型投影顯示裝置，結(jié)合虛擬軟件設(shè)計器模塊與播放器模塊，完成新型病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。構(gòu)建系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，通過對比可知此系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，在日后的教學(xué)中使用此系統(tǒng)作為主要教學(xué)平臺，以更好地傳授病毒防控知識。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);病毒防控;3D技術(shù)

中文分類號：TP311.52? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0169-02

傳統(tǒng)的病毒防控知識大部分都是報紙、視頻、講座或展覽的形式進行傳授，其過程相對復(fù)雜，時間地點的限制，大量的病毒防控知識不能夠讓學(xué)生很好地掌握。基于VR技術(shù)的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)是針對病毒的防控知識利用VR技術(shù)所設(shè)計的模擬體驗式系統(tǒng)產(chǎn)品，其集成了VR技術(shù)、3D全景建模、仿真系統(tǒng)等新型技術(shù)產(chǎn)品[1-3]。老師使用該教學(xué)系統(tǒng)立體直觀地向?qū)W生提供病毒病源、傳播途徑、防護防治等多方面的防控知識介紹。一體化病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)可以增加學(xué)生模擬體驗流程，通過在全息環(huán)境中，模擬出不同生活工作場景中病毒防控措施，增強防控意識，做好病毒防控工作。

1 病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 頭盔顯示器

通過在傳統(tǒng)的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)中添加頭盔顯示器，打破虛擬世界的束縛，根據(jù)立體三維空間中虛擬-現(xiàn)實頭盔的不同位置、運動方向軌跡等實時數(shù)據(jù)信息改變整個球面反投影過程的視覺角度[4]。頭盔顯示器利用其兩塊顯示屏幕構(gòu)建虛擬空間左眼與右眼看到的相應(yīng)畫面，并通過使用這兩塊屏幕與左右眼的不同位置、視線方位等數(shù)據(jù)信息計算出視覺圖。其技術(shù)相較于僅一塊顯示屏幕的硬件設(shè)備，頭盔顯示器成像效果更接近人裸眼特點，較大程度上滿足了VR技術(shù)在病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)中3D體驗的需求。通過頭盔顯示器播放的VR視頻，對雙眼進行兩次信息渲染，以正常接收到的視覺信息使用不同的視覺參數(shù)對全景圖進行拆分、反投影，融合左右視覺信息形成立體圖像，完成整個虛擬-現(xiàn)實空間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

1.2 DLP投影機

DLP投影機以新型空間光源調(diào)節(jié)器（DMD芯片）作為投影核心部分，采用全數(shù)字信息，以高像素的分辨率對整個光譜進行分析。由于DLP采用新型激光光源在增加整個教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上降低了該系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度，縮短了系統(tǒng)反應(yīng)速度。由于DLP投影機添加了特有的TIR組件，將不同方向照射進入DMD的光束通過其不固定的反射角度進入TIR與RTIR中，縮小整個教學(xué)系統(tǒng)體積框架并提升光源利用率，整個DLP投影過程提升了系統(tǒng)光源利用率與系統(tǒng)微型化。

在此次教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，將上面兩個部分融合進傳統(tǒng)的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)，將設(shè)計的硬件框架作為其教學(xué)系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺，充分利用VR技術(shù)提升整個系統(tǒng)的運行效果。

2 病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 3D場景設(shè)計器模塊

針對此次病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在VR環(huán)境下，3D場景設(shè)計器模塊通過設(shè)置物體的函數(shù)軌跡實現(xiàn)對象的復(fù)雜仿真運動。該系統(tǒng)軟件設(shè)計中3D場景設(shè)計器以層為最小單位構(gòu)建整個軟件模塊通過3DMax、PS、MAYA等技術(shù)手段[5]，利用模塊化組合成虛擬場景、動畫、文字、視頻等實時數(shù)據(jù)環(huán)境。病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)在VR技術(shù)控制下利用上文所設(shè)計的硬件性能與高效3D算法，對軟件設(shè)計環(huán)境進行實時渲染[6]。

2.2 VR播放控制器模塊

通過上述虛擬場景設(shè)計，完成軟件整體布局設(shè)計，結(jié)合播放模塊實現(xiàn)整個虛擬軟件部分設(shè)計。由于VR播放控制器以虛擬-現(xiàn)實內(nèi)容進行播放，將場景模板、流媒體、網(wǎng)頁、動畫等添加到系統(tǒng)軟件資源中，學(xué)生需要利用上文提到的頭盔顯示器、交互手柄等硬件進行操作，在這次系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，滿足對上文硬件部分基本設(shè)置的同時利用數(shù)據(jù)信息自動調(diào)節(jié)其VR信息參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)計中的VR播放控制器通過引出項的修改、數(shù)據(jù)庫實時更新、觸發(fā)方式的設(shè)置對該設(shè)計教學(xué)系統(tǒng)的播放列表進行系統(tǒng)控制。較大程度上縮短了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)中老師需花費課程的五分之一時間將教學(xué)內(nèi)容引進來，也降低了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)操作難度。使用此次系統(tǒng)設(shè)計的VR播放器進行病毒防控知識教學(xué)、場景實訓(xùn)、還原真實實驗環(huán)境，把教學(xué)系統(tǒng)與教學(xué)有機結(jié)合一起。由于系統(tǒng)設(shè)計的VR播放控制器可任意導(dǎo)入3D虛擬目標，關(guān)聯(lián)其運動軌跡，即任意虛擬環(huán)境下的教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)目標物均可飛到老師面前，并通過老師不同手勢、手柄等終端對虛擬環(huán)境下的物體進行放大、縮小等響應(yīng)動作，較為清晰直觀地展現(xiàn)VR技術(shù)下的虛擬物體。VR播放控制器使病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計更加貼近技術(shù)發(fā)展方向，促進教學(xué)有序發(fā)展。

此次設(shè)計的基于VR技術(shù)的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)軟件部分側(cè)重點是實現(xiàn)軟件間交互，由于傳統(tǒng)虛擬軟件大多以編寫代碼實現(xiàn)軟件運行，交互過程較為煩瑣，難度較大，系統(tǒng)實現(xiàn)效率過低。此次設(shè)計的教學(xué)系統(tǒng)基于VR技術(shù)的基礎(chǔ)上觸發(fā)數(shù)據(jù)信息，在每個虛擬目標之間實現(xiàn)交互操作，為虛擬目標添置交互開關(guān)，例如為目標對象增加觸發(fā)操作，在選擇目標對象后為其在彈出的設(shè)置面板選擇合適的參數(shù)值并完成設(shè)定。這種交互式觸發(fā)機制過程簡單便捷，完成度較高;另外在設(shè)置對話框中也可對腳本進行編輯，實現(xiàn)需求與腳本形式之間進行互動。

綜上所述，將該部分中設(shè)計的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)軟件與上文中提及的該教學(xué)系統(tǒng)硬件相結(jié)合，完成基于VR技術(shù)的病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)

3.1 測試環(huán)境設(shè)計

在此次系統(tǒng)測試中，將使用文中設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在指定的測試環(huán)境與測試平臺中，進行統(tǒng)一教學(xué)，設(shè)定測試指標對文中設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用性能展開研究。在此次測試過程中，通過測試平臺技術(shù)參數(shù)設(shè)定的形式，構(gòu)建系統(tǒng)測試平臺，保證文中設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)可在同一環(huán)境中運行，得到有效的測試結(jié)果，避免由于外部原因造成的測試結(jié)果誤差。根據(jù)原有設(shè)定的測試平臺技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建測試載體。將文中設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)安裝到此平臺中，完成系統(tǒng)測試過程。

3.2 測試指標設(shè)計

在此次系統(tǒng)測試中，將系統(tǒng)對比指標設(shè)定為系統(tǒng)用戶承載力以及教學(xué)資源提取時間。通過此兩種指標，對比文中設(shè)計系統(tǒng)與目前使用中系統(tǒng)區(qū)別。為提升實驗結(jié)果的可靠性，將實驗通過兩輪完成，每輪實驗設(shè)定為10次，詳細記錄實驗結(jié)果，完成系統(tǒng)測試及對比。

3.3 測試結(jié)果分析

通過上述系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，文中設(shè)計系統(tǒng)的用戶承載力遠超于目前使用中的兩種教學(xué)系統(tǒng)。對測試結(jié)果進行分析可以看出，文中設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的用戶承載力較為穩(wěn)定，在多次測試的過程中，未發(fā)生波動性變化，可見在此次測試中使用的系統(tǒng)均具有良好運行穩(wěn)定性，但傳統(tǒng)系統(tǒng)的用戶承載力較低，可同時對此系統(tǒng)進行操作的人數(shù)具有一定的局限性。綜合上述分析結(jié)果可知文中設(shè)計系統(tǒng)在此指標對比中優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

通過上述測試結(jié)果可知，文中設(shè)計系統(tǒng)對于教學(xué)資料的提取時間明顯縮短于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在兩輪測試中，文中設(shè)計系統(tǒng)的提取時間較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過多的變化，傳統(tǒng)系統(tǒng)在測試中出現(xiàn)部分測試資料提取時間異常的問題。通過上述分析結(jié)果可初步判定，文中設(shè)計系統(tǒng)由于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

將系統(tǒng)用戶承載力測試結(jié)果與教學(xué)資料提取時長測試結(jié)果進行整理可知，文中設(shè)計系統(tǒng)在基礎(chǔ)性能與系統(tǒng)運載方面都具有一定的優(yōu)勢，將其使用在日常教學(xué)中可提升教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

此次系統(tǒng)設(shè)計分析中在傳統(tǒng)病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入VR技術(shù)，進一步增加頭盔顯示器與DLP投影機系統(tǒng)硬件設(shè)施，并在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上融入了虛擬控制模塊，提升了新型教學(xué)系統(tǒng)的交互性教學(xué)機制，較大程度提升教學(xué)質(zhì)量，降低時間成本的基礎(chǔ)上推進病毒防控知識教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展進程。此次系統(tǒng)設(shè)計仍有一定的改進空間，針對教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的不足，將通過今后的實踐研究進一步改善系統(tǒng)設(shè)計缺陷。隨著VR數(shù)據(jù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將會為病毒防控知識教學(xué)提供更好的系統(tǒng)設(shè)計方案。

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【通聯(lián)編輯：張薇】