虚拟现实教学资源库研究

收稿日期:2005-09-20 作者简介:李玉忠(1956～),男,河北省青龙人,广东技术师范学院机电系教授,高级工程师,主要研究方向:虚拟现实、虚拟制造、机电一体化设计等.广东技术师范学院学报2005年第6期Journal of Guangdong Polytechnic Nor mal UniversityNo .6,2005虚拟现实教学资源库研究李玉忠(广东技术师范学院机电系,广东广州　510665) 摘　要:基于W E B 的远程教学是以学生为中心的现代教学的重要手段,基于虚拟现实的教学资源是网上教学资源中一个重要部分.本文设计了一个基于I nternet 的教学资源库的系统,提出虚拟建模的新思路,把虚拟现实的建模分成三个层次,数据存储层、计算逻辑层和显示层.并对基于I nternet 的虚拟现实的两类VR 引擎的代表———图形渲染软件VR ML 和图像渲染软件Quickti m e VR 的建模方法与相关问题进行了研究. 关键词:虚拟现实模型;X ML 数据;计算逻辑;VR ML;Quickti m e VR 中图分类号:G 434 文献标识码: 文章编号:1672-402X (2005)06-0001-051　引言现在网络教学活动正如火如荼地兴起,各种教学课件、软件也是琳琅满目.然而,一些教学软件大多是文本文件、视频播放文件,尽管其中也不乏动画,但品种比较单一且多为2D 形式,缺乏沉浸感、交互性及构想力,达不到身临其境的境地.为此,我们认为基于网络的教学活动形式应该是多种多样的,要有较强的吸引力,而且能够以学生为中心,才能使学习者产生较好的构想力,达到知识的迁移和技能掌握的目的.网络教学的课程很多,其类型也必然很多,构建教学资源库应包含多种形式的教学资源.根据教育学理论,人们学习是一个认知过程,情感过程,而且其中还有教与学的相互交融;不同的课程内容,不同的人[1],其认知的方法可能不完全相同.因此,设计教学资源时必须根据人们学习的认知能力、教学规律,设计基于不同类型教学模式、不同表现形式的教学软件,以满足不同用户、不同目的、不同课程类型学习之需.认知能力的获得须经了解、理解、掌握三个过程,如图1所示.虚拟现实技术能本质地表现客观世界、再现客观世界、陈述与解释客观世界,运用实物虚化,虚物实化技术,学习者可与虚拟情景中物体交互,并沉浸于情景中.随意控制学习进度,使学习者通过教学资源了解、理解所学知识,最后达到掌握知识和技能的目的.因此,采用虚拟现实技术设计教学软件是一个好的教学载体.图1　认知能力的级层结构2　基于W EB 的教学资源库的系统结构设计由于教学资源是由多人开发和设计的,基于不同课程所需的软件形式、内容不可能相同,其开发平台、VR 引擎与软件环境也会各不相同;又由于用户所用网络不同,拨号上网的窄带、Adsl 、校园网及其它各种宽带的网络都有.因此,教学资源库必须是一个系统的集成,支持多种平台、满足各种软硬件环境的、基于1I nternet 的桌面虚拟现实教学系统.为此,设计下面的教学资源库的系统结构[3],如图2所示.图2　基于I nternet 的虚拟现实教学资源库系统 图2是一个基于I nternet 的虚拟现实教学资源库系统,资源库包括各种CA I 、多媒体文件、音视频流媒体文件、VRML 文件、Quick ti m e VR (或VR 2worx )文件、X ML /HT ML 文件等.当然,这是一个逻辑存储模式,具体的教学软件可能包含其中的一种或几种类型的文件.问题解答库中存储的是对课程中疑难问题及解答模块,其工作过程是:当用户提出问题后,问题识别模块进行精确识别和模糊识别,库中有解答,则返回解答给用户;若无现成的解答,看科任老师是否在线,在线由老师直接回答问题给用户,同时老师回答的答案与学生提出的问题进入问题答案库;若老师不在线,学生的问题进入待答库中,老师按约定的时间上线后回答待答问题,系统发给提问的同学或以E 2mail 的形式发给用户,同时问题和解答也要进入问题及解答库中,经过一定时间的积累,问题解答库可能就成为海量了(这里需要数据挖掘技术).这里的工具箱是为用户配备的各种阅读器、浏览器、及使用各种虚拟现实所需的相关软件工具;客户网络识别器是识别用户正在使用的是宽带还窄带网,若是宽带,用户点播了流媒体文件或Quick ti m e VR 文件后,可直接进行流式播放;若是窄带则要进行下载后播放,所有这些由虚拟仿真管理器来管理.3　基于W EB 的虚拟现实建模新思想虚拟现实资源库的建立,其难点是基于W E B 的各种虚拟现实课件和系统的建模问题.对于某一虚拟教学系统来说,不管采用何种VR 引擎,虚拟现实都是要通过一定的软硬件开发环境、各种模型来实现的.其建模包括:首先进行虚拟场景的建模、虚拟物体在虚拟场景中的三维几何造型;而虚拟物体在受到其它虚拟物体的力作用会产生变形,即要建立力的模型和变形模型;虚拟物体在虚拟空间中是运动的,要建立运动模型;虚拟物体能在虚拟场景中可见,必须建立虚拟物体的纹理映射模块和光照模型;虚拟物体能发出声音则要建立音频模型;要想实现人的沉浸和干预,必有输出和交互模块等等.通过分析,可以看出整个虚拟现实建模系统实际上分为两大类:算法类和数据类,虚拟仿真是通过算法调用数据而形成的.为此对上述各模块进行分类:算法类如对象的平移(上、下、左、右、远、近)算法、旋转(三轴方向)算法、综合(平移、旋转)算法,力学模型的变形算法,交互映射、实时仿真管理等算法.可化为数据类的模块有:(1)虚拟物体的几何造型中由各种三角形、多边形顶点坐标及样条构造的不同形状的图形对象,转化为数据;(2)光照模型分为单点和多点,可以将不同点的光照参数化为数据;(3)力学模型中实际描述的是对象在虚拟环境中的受力,外特性主要有力和力矩等参数,可将其转化为数据;(4)对象在虚拟空间位置参数可用各种坐标数据描述和变换;(5)音频模型中仿真大自然的各种声音,分别以元模型形式转化为数据;(6)对象的行为时序可化为数据;(7)纹理映射中各种不同的材质可以以材质表形式保存为数据.因此,虚拟现实技术本质上是各种模型的建模和模型所需的数据调用问题.为实现虚拟现实建模,我们提出新的基于W E B 的虚拟现实建模思想,将整个模型分成三个层次:数据与存储层、计算逻辑层和用户界面层.然后针对每个逻辑单元独立进行开发设计,由于计算逻辑是建模的主要部分,为了分散建模难度和模块化建模思想,计算逻辑层又可再分成多层,以便实现各种算2法及其调用逻辑关系.使应用程序的设计更加灵活,易于共享.如何将模型数据保存和描述也是一个重要问题,为了资源共享和数据的重用,作者认为可用X ML 来描述模型数据.X ML 的主要优点是:(1)与平台无关,主要是面向描述数据结构,而不是显示数据的置标语言.(2)标记本身由开发者自己确定,故可以设置为易于识别和理解的标记,而不是象H t m l 那样由语言事先规定标记,从标记本身并不能看出数据的意义,因此,从X ML 的标记就可以理解数据,它是自描述语言.(3)它有良好的可扩充性,各行业可根据自己独特的需要自行定义其标记,以便不同软件系统之间数据的方便存储、转换、传输、网上检索,实现数据的标准化,便于共享信息.(4)严格的语法和逻辑,使相关语言调用X ML 数据时更方便而不发生错误.(5)保值性,由于数据、计算逻辑、显示三者的分离,使我们目前的数据和文档在以后不会因为软件的更新换代而失效.因此,用X ML 来描述模型数据最合适.把多个X ML 数据文档作为数据与存储层,通过DOM (是X ML 与其它语言的接口)被计算逻辑所调用.对于显示问题可根据不同用户需要,采用不同系统、不同方式来建立显示界面,如HT ML 的样式CSS 或VR ML 插件方式显示虚拟现实的场景.基于X ML 的虚拟现实新的建模思想系统结构[6]如图3所示.图3　基于X ML 数据的虚拟现实模型 事实上,X ML 数据文件可以是新建文件,也可以是从数据库等其它软件系统通过ASP /JSP 等方法格式化后转换得来.本方法的优点是:将数据、计算逻辑与显示分开,使不同类型用户可访问同一计算层但可根据每一类用户的特定需求定制各自的不同界面;数据存储层可以被不同的应用程序调用或共享;还允许在对数据存储方式完全改变的情况下,不影响应用程序的计算逻辑或用户界面.4　基于VRML 的虚拟现实技术VR ML 是基于W EB 的图形渲染虚拟建模语言,是目前基于I nternet 的虚拟建模标准语言,有较完备的虚拟现实3D 建模方法,现版本为VR ML2.0.图形渲染主要是要经过虚拟场景建模、视点选择及光照建模、声音建模,虚拟物体的几何建模、运动建模和纹理映射等处理.VR ML 把虚拟世界用对象来构成,并用节点(node )来描述对象和属性,每个节点都属于某种类型,如外形节点Shape 、几何节点Geometry 、外观节点Appearance 、组节点Gr oup 、孩子节点child 、造型节点、雾化效果Fog 节点、动画效果Ti m esens or 节点、碰撞检测节点Collisi on 等等.其节点和属性的数据在编程时要注意采用X ML 文件格式,以便调用.虚拟场景的建模之前,要根据虚拟现实的需要和物体运动范围,确定有多少个场景,然后对每个场景先进行总体规划,设定场景坐标系及其中的物体间(如道路、房屋、河流、草地、树林等等)相对位置、动态与静态描述等等.对具体某一虚拟场景建模的一个好的方法是:要将大的场景分割为多个小场景,用一个或多个VRML 文件描述一个小场景.之后再把多个场景的VR ML 文件集成到一起来创建较复杂的虚拟场景.可利用基本几何造型节点(如Box 、3Sphere、Cylinder,、Cone等节点)或多边形顶点法(如I ndexedL ineSet、I ndexedFaceSet和Col or节点)及配合Gr oup与Children节点、原型定义等方法构造复杂场景和其中的物体,并定义相应的材质material 节点、纹理Texture(I m ageTexture、MovieTexture、PixeTexture)节点、光照Pointlight、D irecti onal L ight 与Spot L ight节点、背景Backgr ound节点.具体每个场景建模时,使分割后的小场景分别进行渲染,形成多个VR ML文件.然后,再用内联节点I nline及内联节点I nline的多层嵌套技术,将多个VR ML文件按规则和逻辑有机地集成到一个VR ML文件中,完成整个虚拟场景的建模.这样即可使单个VRML文件不会太大而易于调试、检查,又能在用户浏览时不用一次将整个文件读入,较易建立合适的约束框架,以提高浏览速度.对虚拟场景中运动的虚拟物体建模也和场景建模一样,采用基本几何造型节点或多边形顶点法、原型定义等方法构造场景中运动的虚拟物体.对事件的描述,是通过脚本Scri p t来实现控制和触发事件及路由,通过Scri p t将由人控制(或自动)的虚拟物体放入场景中,用Sound节点添加背景声音和动作声音,用Ti m eSens or节点实现动画;为实现交互功能,用环境检测器(PlaneSens or、Sphere2 Sens or、CylinderSens or节点)检测的动作方位,用V isibilitySens or节点感知浏览者的可见区域,用Pr oxi m itySens or感知浏览者进入、退出和移动当前坐标系内的区域,用Collisi on组节点检测虚拟空间中观察者与物体是否碰撞,用内联节点I nline将多个VRML文件综合在一起.此外,还可用Anchor节点实现跳转或超链接功能.这样就可实现基于VRML 的虚拟现实计算机建模技术.由于VR ML语言本身缺乏数学描述能力和较好的对象交互机制,对有复杂的数学运动规律的结点就难以描述,若将VR ML与JAVA相结合则可解决更复杂的问题.JAVA是面向I nternet的跨平台的语言,有较强的数学运算和事物处理能力,可实现更复杂、逼真的虚拟现实功能.此外,为了实现扩充与利用现有其它软件,VR ML还可有将其它软件建模的文件以插件的形式放在VR ML中使用,如用3D MAX、JAVA3D等.可更加丰富VR ML的功能.此外,专业的VR ML制作集成调用软件UnitSpace3D Shop的使用,通过集成的VRML模型库的零部件的调用,可以使我们更高效地创作VRML作品!如图4　是我们开发的采用基于X ML的VR ML 虚拟现实系统的数控机床模型.本系统可使机床铣刀旋转进行铣削加工,并可作Z轴方向的移动;工作台实现X、Y方向移动.真实地反映了现实中数控铣床的运动加工过程.其建模是采用前述方法完成的.图4数控钻铣床VR ML模型5　基于Quick ti m e VR的虚拟现实技术Quick Ti m e VR是由美国App le公司于1993年推出的基于柱面全景图像的虚拟现实系统,该系统生成虚拟环境不需要图像的三维几何信息,但支持用户在虚拟环境中向左、右、上、下看、及360度环视、沿固定路线前进和后退等漫游操作.是基于图像渲染(I m age Rased Rendering简称I B R)系统的事实上的工业标准.事实上,基于几何的描述中使用的渲染过程是一种仿真,而基于图像的描述中使用的渲染过程是一种函数近似或信号重构.它把全光模型经一些假设和离散采样后重构四维光图函数.以摄像机采集图像为例,光图系统生成的流程图如下.图5　光图系统流程图 若多幅这样重构的图像,再经视图插值、图像变形、基于外极几何(Ep i polar Geometry)关系获取中间图像、3D折叠(3D war p)、层次深度图像(Layered Dep th I m age)绘制方法等技术,便得到了基于部分4几何信息的I B R 技术的连续重构图像.为了使人们能漫游于重构的场景中,建立N 维虚拟空间或VSP (V irtual Panora m ic Space )空间模型系统,在空间操纵上实现位置关联、时间关联、虚化关联和焦距关联,用链来描述视点空间的关联,对应的有位置链、时间链、虚化链和焦距链.VPS 系统有两部分:虚拟全景空间生成平台与虚拟全景空间浏览器.生成平台又分为全景图像生成器与空间编辑器.图6　虚拟全景空间生成过程 Quick Ti m e VR 就是这样的全景图像生成器和空间编辑器.在Quick Ti m e VR 中实现以上重构虚拟全景空间有三种类型,Object 360、Panar oma 360和Scene 以实现柱面和球面不同虚拟场景空间.为了能在W indows 下开发Quick Ti m e VR 虚拟全景空间,采用VR Tool B ox 公司的VR Worx 编辑和制作Quick Ti m e VR 虚拟现实的影视作品.它包含三大部分VR Object Worx 、VR pano Worx 和VR SceneWorx 组成.VR ObjectWorx 通过不同角度不同方位的相片链接,生成虚拟3D 全景物体,使用户通过鼠标的运动进行多角度观察一个静止物体.VR pano Worx 可以生成从中心位置观察四周360度全景图.VR Scene Worx 是将多个Panar oma 连接成一个整体,使浏览者通过鼠标控制跳转到另一文件的执行,从而产生影片连续播放的效果.为了在I nternet 上基于W E B 的观看Quick Ti 2me VR 节目,可以用Quick Ti m e 的点播流媒体解决方案.使用Quick Ti m e Pr o 可以编辑各种影片,一般情况下一部影片中可能同时包含有video Tracks 、audi o Tracks 、text Tracks 、s p rite Tracks 、Flash Tracks、hinting Tracks 、chap ter divisi ons Tracks 和Quick Ti 2me VRTracks,这里,把Quick Ti m e VR 也作为流媒体的一个Track 来对待,融合其它Tracks,形成Quick Ti m e Strea m ing .就解决了在W EB 上观看采Quick Ti m e VR 的方法.采用流式播放后,使人更有一种实时的、身临其境的感觉.6　结束语虚拟现实技术还在发展,基于W EB 的各种3D 技术不断涌现,如JAVA 3D 、X3D 等.教学资源库的建立也是一个不断发展和完善过程,虚拟现实新技术、新方法和新软件要不断应用到其中.因此,教学资源库要不断充实和完善,还有很多工作要做,尤其是基于虚拟现实的教学资源现在还不多,还需要各方面的专家通力合作.参考文献:[1]　盛群力,李志强.现代教学设计论[M ].浙江教育出版社.[2]　S .E .Chen,L.W illia m s,V ie w I nter polati on f or I m ageSynthesis[J ],Computer Graphics (SI GGRAPH ’93Con 2ference Pr oceedings ),July 1993,pp.279-88.[3]　李玉忠,杜慧军.虚拟现实综述与基于I nternet 的职业技术培训系统设计[J ]计算机工程与应用2002,(16)127-129.[4]　张　丽.流媒体技术大全[M ].中国青年出版社2001,11.[5]　汪兴谦主编.循序渐进学VR ML [M ].中国水利水电出版社2001.[6]　李玉忠,覃达贵.基于X ML 的虚拟现实研究[J ].计算机仿真,2004,6:6.[审稿　赵士滨]Research of Teach i n g Resources W arehouse Ba sed on V i rtua l Rea lityL i Yuzhong(Depart m ent of Electr o mechanics,Guangdong Polytechnic Nor mal University Guangzhou 510665) Abstract:Tele 2educati on on W E B is a i m portant means of teaching on the center f or students,and teachingres ources on VR are a depart m ents of it on I nternet .The paper designs a teaching res ources warehouse on I nternet .The article finds out a ne w idea f ormodeling of virtual reality .The p r ogra m s are divided three layers,that is data lay 2er,calculus layer and dis p layer layer .And researches modeling means of t w o s oft w are 2VR ML and Quickti m e VR. Key words:virtual reality model;X ML data;calculus l ogic;VR ML;Quickti m e VR5。