试析光技术应用于虚拟现实课堂教学的可行性

2009-06-02吴平彭晓南蒋莉

现代教育技术 2009年12期

吴平彭晓南蒋莉

【摘要】虚拟光电三维成像利用相干光和衍射光等技术以及激光、全息照相等其它相关技术可实现光的空间三维成像,达到虚拟现实所需“真实”图像的目的。虚拟现实可以适应虚拟课堂教学的特点,满足教学的需求。将光技术应用于虚拟现实,有可能使教育技术仿真产生一个飞跃。

【关键词】教育技术;三维成像;光技术;虚拟现实

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097(2009)12—0102—04

一虚拟现实研究现状

虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、超声波、心理学等。我们必须清醒地认识到,虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。

就像电影《黑客帝国》里描述的那样,未来的我们竟可以生活在一个由电脑控制的虚拟世界里。在这个世界里,我们同样拥有各种感觉,同样拥有亲戚朋友,同样拥有工作,同样拥有现实世界的一切“真实”。只是,这一切都是虚拟的[1]。虚拟现实如果应用于教育有可能是教育技术仿真的一个飞跃。虚拟现实营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习方式代之以由学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式,能做到在教学活动中“学生为主体、教师为主导”。将其引入课堂,展现那些在传统的教学模式中无法实现的教学过程、虚拟各种实验设备和实训环境,甚至用于远程教育,从而生动地表现教学内容。因此,虚拟现实技术进入高校教学的研究,势必将会对探索发展现代教育思想、提高教学质量水平、改善实验培训环境、优化教学过程、加速培养现代化的专业技术人才产生深远的影响[2]。

如何显示虚拟场景呢?现在应用的虚拟现实广角(宽视野)的立体显示,主要采用多通道平面或环幕立体投影展示系统,需配戴跟踪头部运动的虚拟现实头套,另外一些设备还需要数据手套和数据衣。这些系统使用复杂,局限性强,仿真效果差,价格昂贵推广不易。本文虚拟仿真显示的设计构思是采用光技术,利用光投影机投射而成的3D全息展示系统,人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。能将课堂教学情景、课件内容立体真三维可视化,再配合声音、资源库、智能系统等双向互动,完全模拟真实情景,与现场无异,它具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率,以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。

美国麻省一位叫Chad Dyne的29岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术,这是显示技术上的一个里程碑,它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理,将图像投射在水蒸气上,由于分子震动不均衡,可以形成层次和立体感很强的图像。另据报道,日本公司Science and Technology发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像,这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时,混合成的气体变成灼热的浆状物质,并在空气中形成一个短暂的3D图像。还有,南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员目前宣布他们成功研制一种360度全息显示屏,这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像,只不过好像有点危险。可以说这些技术很多国家都在研制,毫不夸张的说这项技术它包含了未来,谁最先使用这项技术,谁就最先走入未来的先进技术行列。[3]

二光技术及其应用效果

1 三维成像如何显示

人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等[4]。

根据人眼立体视觉的特性,实现立体电视的方式也对应为两大类:一类是利用两眼的视差特性,使一对视差信号的两幅图像同时出现在屏幕上,让两眼分别观看这两幅图像来获得立体感觉;第二类是利用一只眼睛也能获得立体感的特性,将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上,从而获得立体感觉。

第三种就是真三维成像,本文拟推荐应用光技术全息三维成像,使用普通光束即可(不需银幕真三维)。这个系统可以用来拍摄诸如篮球比赛的三维影片。如果你的家中有三维播放机,你就可以在虚拟现实状态下观看篮球比赛,观看者会感觉自己仿佛就在场内一样(见图1)。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展。同理,课堂教学也能够获得同样的视觉和听觉效果。

图1 三维播放机

2 如何实现光电三维成像

使用课堂多媒体光电三维成像设备,主教室和各分教室双方的三维立体全息图像便瞬间出现在对方面前,让两个不同空间的人同时出现在一个空间,就好像一个真人站在你面前一样(见图2),然后你便可以和他随意交谈,使用各种表情,那是一种呈现在空气中的光学立体影像,不需要任何屏幕之类的媒质,不像今天的网络卫星远程教学、可视电话还需要一个屏幕才能显像。光虚拟现实技术可很好地应用到虚拟学习环境的建立。它可以虚拟地建立起与真实环境相近的学习场景,可以把远处的人或物以三维的形式投影在空气之中,使学生似乎已处于真实环境之中。另外,比如配一套可触摸超声波虚拟三维物体的系统设备。可使用户通过超声波高度逼真地触摸到虚拟图像,让人们感觉如同把三维图像掌握在手中一样。

图2两个不同空间的人同时出现在一个空间

3 虚拟光电三维成像应用原理

以光干涉为例,获得相干光的方法:两列或几列光波在空间相遇时相互迭加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,形成稳定的强弱分布的现象。不过,只有两列光波的频率相同,位相差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。[5]

因此,由两个(或两个以上的)光束,在满足一定条件下迭加时,在交迭区的不同地点呈现稳定的互相加强或减弱的现象,称为干涉现象。通常两个独立的光源或同一光源上的两个不同部分都不会产生干涉现象。运用某些方法,如光的反射或折射,可以将同一光源发出的光分成两个光束,当这两光束在空间经不同路径而重新聚合时,就能实现干涉现象。

通常采用的方法有两种:分波阵面法和分振幅法。如杨氏双缝、菲涅尔双面镜、洛埃镜和薄膜干涉等。下面分析杨氏双缝干涉原理,如图4。

图4杨氏双缝干涉原理

由垂直于纸面的单缝发出的柱面波的波前被s1和s2两缝分成部分,当两束光到达屏幕P点时,将产生相干叠加,P点的光强

由此可知:半波长的偶数倍加强,半波长的奇数倍减弱。

光的衍射原理:光离开直线路径绕到障碍物几何阴影里去的现象叫光的衍射,只有当小孔、单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时,才能观察到明显的衍射现象[6]。

全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术[7]。

根据相干光干涉、光的衍射原理和利用全息技术原理推理,三维摄像机采用激光作为照明光源,并将光源发出的光分为两束,一束直接射向感光板,另一束经被摄物的反射后再射向感光板。两束光在感光片上叠加产生干涉,感光板上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度,也记录了位相信息,如图4。

图4 全息三维摄影原理

感光板采集后的三维动态数字信息被记录传输全息到存储器,播放时用三维全息投影机播放存储的全息动态三维数字信息,同时利用激光去照射投射的干涉光和衍射光形成的空间立体虚拟光屏上,人眼透过空间立体光屏就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像(见图5)。

图5 动态全息三维投影光电成像

当然,被拍摄的不只是人和物体,同样也包含场景。虚拟光电三维成像就是利用相干光和衍射光等技术以及激光、全息照相等其它相关技术来实现光的空间三维成像,根据前面所述是可行的,可达到虚拟仿真所需图像的目的。利用全息投影机,将拍摄全息影像以大画面显示,实现真正无需戴眼镜的3D效果。这才是立体显示的终极目标。其时,“人的头脑就是一部全像摄影机[8]。” 而“世界是一张全息图[9]”。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展[10]。目前,国外已经有电视、展示等部分行业开始使用这项技术[11]。由于全息立体显示所需要的技术比较复杂,资金投入相对较高,因此目前还没有得到普遍应用。相信随着技术的发展,成本的降低,使用投影技术实现真正全息立体显示将会成为普遍现象。可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感,研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如爆炸和燃烧)等各个方面获得广泛应用。

4 光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同

虚拟现实技术利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户通过使用各种交互设备,同虚拟环境中的实体相互作用,使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流,是一种先进的数字化人机接口技术。

光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同见表1。

表1光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同

光电三维成像其它虚拟现实技术

实时三维可视化同左

虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求,属于科学仿真系统。同左

操纵者亲身体验虚拟三维空间,身临其境。具有双向互动功能,没有时间限制,可真实详尽的展示。同左

以高性能计算机为核心的虚拟环境,视觉无需配带眼镜、头盔显示器,以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、通过超声波高度逼真地触摸到虚拟图像,省却了数据手套和数据衣等外部随身设备。味觉、嗅觉与触觉反馈系统等功能单元构成。是一种较为接近人们生理习惯,较易接受的一个虚拟物理环境。以高性能计算机为核心的虚拟环境,以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备[12]。以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

三未来课堂教学应用虚拟现实技术的研究方向

未来的新型多媒体教学将是以多媒体技术、计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、传感技术、光技术、人工智能和虚拟现实技术等的有机结合,能够全面整合网络各种“资源”而形成先进的网络多媒体教学平台。在这种教学平台上,多媒体教室不再是孤立的,它已融入到校园网教学系统中,并以校园网资源为“背景”构建出一个富有时代特色的现代化教学环境:即集教学、管理、娱乐为一体的“数字化校园”[13]。多媒体课室是现代教学环境建设的重要组成部分,是教育技术信息传递的展示平台,是教师了解、联系、应用教育技术的桥梁。因此,虚拟现实技术建构的仿真场景对教育的发展起到多么重要的作用。

设想,未来的三维虚拟场景将更接近现实,先进的传感设备,采集现场场景内所有物质,将采集到的信息,利用现代分析技术,特别是仪器分析方法,测定分子的链和聚集态结构实时进行物质“分子结构[14]”分析,比如人的外观形态、表层分子结构、味道分子结构、温度大小、色彩声音触觉等。并将所得分析结果编组成信息发布传输,还可实时同步远程分子结构重组,重现虚拟仿真场景,与现场无异。编组后的信息压缩存储于智能资源库,用户只要登陆虚拟平台,即可将编组信息异步分子结构重组重现虚拟仿真场景。不但场景与现场无异,所有物体和人物都与真的相似,有触觉、味道、温度、声音、感情等。信息显示终端可能会配置物体、味道、温度等所需的分子编组箱,编组信息按菜单提取并按分子结构重组。应用原理如图6所示范。

图6未来的三维虚拟现实应用结构图

未来的虚拟校园为的是要提供学生与讲师们另一个沟通的平台,给学生提供一个能够共同学习、互动、分享以及引导创意的空间。学生们在日益普及的虚拟世界里也能感受得到身为学生的归属感,提倡学生们在现实与虚拟校园中的社交活动。也吸引来自世界各地的访客通过虚拟世界来了解大学,并与在线的学生与讲师们沟通。用户可以自由塑造自己的虚拟人物,甚至把虚拟人物打扮成和现实的自己相似的造型。在虚拟教室上课的情况和现实的课堂情况相似,每个学生需找个位子坐下,而讲师在课室的中央或在学生中间授课。虚拟课堂上可以展示幻灯片,播放影像、音乐,还可以通过虚拟的麦克风同时与多名学生即时交谈,与现实无异。

当然,教学不是盲目地追求科技的步伐,但科技确实能够有效地辅助教学。虚拟和现实的教学平台,各有不同的教学效果。能够巧妙地融合两种平台,来传授教学重点,才能有效地引发学生学习的兴趣,达到教学的目的。

四结束语

信息时代的到来,社会节奏的加快,知识呈现出高速增长和快速更新之势。随着科学技术的发展,还会有更多的新技术应用在教育技术中,光技术就是其中重要的一项,21世纪将是光技术应用发展的时代。我们相信,随着三维虚拟仿真技术的快速发展和软硬件技术的不断进步,在不远的将来,真正意义上的虚拟现实技术将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。

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参考文献

[1]林京彤,虚拟现实技术漫谈[EB/OL].

[2]虚拟现实技术走进高校[EB/OL].

[3]3D全息投影技术[EB/OL].

[4]虚拟现实[EB/OL].

[5]光的干涉[EB/OL].

[6]光的衍射[EB/OL].

[7]全息技术[EB/OL].

[8]宇宙只是幻象,世界是意识的全息投影[EB/OL]

[9]世界是一张全息图[EB/OL].

[10]全息摄影[EB/OL].