现代信息技术构建虚拟水文实验的研究

范 敏，岳延兵，张龙改

（山西水利职业技术学院，山西 运城 044004）

1 虚拟实验教学的特点

虚拟实验是真实空间的一种映射[1]，与真实环境中的实验相比，有以下几个方面的特点：

1）实验设备的虚拟性

在虚拟实验中操作的设备虽然能看到感觉到，但它们事实上并不存在，是由计算机所模拟的，是虚拟的。虚拟实验设备能减少设备与空间，节约资金，改善实验条件。追求真实性是科学实验的首要条件，因此，虚拟实验本身就要创建一种虚拟的“真实性”，为科学认识提供一条途径[2]。

2）实验环节的多目标、多层次性

在虚拟实验环境中，教师的辅导作用主要通过软件自身实现，另外，考虑到实验者客观存在的水平差异性，因此所提供的实验应该满足各个层次的实验者的要求。虚拟实验环节的多目标、多层次性有助于学生把科学的理性与逻辑、自我想象力与创造性相结合起来，有效地发挥自身的能动性。

3）实验过程的灵活性

实验过程的灵活性主要表现为：在虚拟实验的过程中，学生能方便地改变事物的条件以观察所发生的变化，有利于学生获得丰富的感性认识，便于学生根据自己的假设分析实验数据[3]。在此环节中并不一定需要一种理论或假设做指导，但却可能会为某一理论提出某些观点或意见。实验过程的灵活性使得学生能从实验过程中学习，不仅知道实验的结果，而且能体验知识的发现过程，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣。另外，在虚拟实验中，评价的侧重点不仅仅是实验数据的处理和结果，更重要的是学生是否掌握了相关领域的概念、解决问题的基本技能及从虚拟向真实情境迁移的能力。

虚拟实验的出现有助于培养学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。在虚拟实验中如果学生能把虚拟环境与真实的相比较、在合作的基础上进行探究，必将产生很大的教育价值。

2 虚拟实验教学的过程模型

虚拟实验教学的过程是建立在一般实验教学活动过程、学生的认知过程和实践活动，以及教学的基本规律的基础之上的[4]。因此，可将虚拟实验教学过程概括为用户界面、情境设置、过程模拟、总结评价4个步骤。

2.1 用户界面

虚拟实验系统不同于真实的实验室环境，实验者是通过用户界面与之交互作用的。因此，界面的设计既要方便友好、易于操作，又要使实验者感觉处于一种解决实际问题的情境中，即使面对的可能是科学家们早已熟知的资料或已有确定答案的问题，随着问题的逐步进展，学生仍然会体验到发现知识、寻求解决问题方案过程的成就感。虚拟实验系统的真实性可以丰富学生在虚拟情境中的体验，智能化主要表现在实验过程中跟踪学生的实验进度，并适时地为其提出指导性建议。

2.2 情境设置

实验辅导员（教师或系统 Agent 等）依据学生的经验、知识背景及需求，提出具体的实验目标，呈现融于模拟过程中的概念。另外，在利用虚拟实验教学的过程中，应有意识地安排一些省略（这种省略可以是1个实验的计划，可以是某一实验中控制某一因素的方法，可以是从所给资料中得出的结论，也可以是用来解释所给资料的1个假设）、空白或者令人感到奇怪之处，让学生把它们填补出来，以激发学生的兴趣。

2.3 过程模拟

虚拟实验过程模拟阶段，通过观察、分析实验现象，处理实验数据，并根据反馈调整策略、澄清错误概念，检验自己的假设和实验设计方案，这有助于提高对反馈的反应能力及对因果关系的敏感性。另一方面，在虚拟实验过程中，学生必须有意识地关注自己的经验，明确地叙述实验结果并用现有的思想综合它们，通过这种方式，使自己的想法被重新组合成新的、更强有力的形式。

2.4 总结评价

分析虚拟实验的进程，描述自己的感觉和反应，以判断自己概念掌握及问题分析、解决能力，意识到自己存在的问题和不足，并寻求新的解决问题的方法；同时，把虚拟情境与真实世界相比较，把虚拟实验和实际应用联系起来，使得在虚拟情境中掌握的概念和解决问题的方法运用于实际中，提高学生的自信心和灵活性。

另外，虚拟实验教学的数据共享也存在一定问题[5]，在使用虚拟实验教学时还要注意以下几个因素：注重培养学生的独立能动性；尽可能地采用课题探索策略；在团体合作过程中学习；虚拟实验环境的丰富性程度对学生能力的影响。

虚拟实验环境并不能完全代替真实环境，因此，我们需要认识虚拟与真实2者之间的共同之处，并研究我们能做些什么来帮助学生很好地处理虚实2者间的关系。虚拟实验教学的过程模型如图1所示。

图1 虚拟实验教学的过程模型

3 虚拟实验室开发平台

构建虚拟现实系统的目的是为了开发虚拟现实应用,所以任何一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括2个部分：1）硬件开发平台，即高性能图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站；2）软件开发平台，即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台[6]。这其中面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台是最主要的，它在虚拟现实应用开发过程中承担着三维图形场景驱动的建立和应用功能的2次开发，是虚拟现实应用开发的高层 API，同时也是连接 VR 外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台，没有它将无法开发出功能完善的虚拟现实应用程序。因此，开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个 VR 场景的开发、运算、生成，是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，并与它们共同组成完整的虚拟现实系统。

3.1 显示系统

虚拟三维投影显示系统是整个虚拟实验室系统中最重要的 3D/VR 图形显示输出系统，其核心部分是立体版的高亮度投影机及相关组件，它将 VR 工作站生成的高分辨率 3D/VR 场景以大幅立体投影的方式显示出来，让要交互的三维虚拟世界高度逼真地浮现于参与者的眼前，从而为 VR 用户提供一个团体式参与，集体观看，具有高度临场感的投入型虚拟现实环境，并结合必要的虚拟外设（如数据手套、6自由度位置跟踪系统或其他交互设备），参与者可从不同的角度和方位自由地进行交互、操纵，实现三维虚拟世界的实时交互和漫游。在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性，而在这些所有的显示系统或设备中，虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统，因此，该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，也是一种最典型、实用、高级别的投入型虚拟现实显示系统。

3.2 交互系统

6自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓，离开实时交互，虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义，这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，比如：力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器或6自由度空间鼠标、操纵杆等。

3.3 集成控制系统

一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分，比如多台投影机、音响系统及多路视频的输入和切换系统，甚至是辅助的灯光和窗帘，这些都需要方便的控制和管理，每个部分又包括很多产品和设备，这些产品设备之间需要相互连接、依赖，彼此之间协同工作。然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作，就需要进行管理，集成控制系统便是承担该项工作的载体，它是整个虚拟现实系统有效管理和运行的基本保障。虚拟实验室集成控制系统如图2所示。

3.4 技术应用方案

虚拟现实应用的研究与开发是一项技术要求比较高的工作，它需要有相应的系统环境和完善的技术解决方案配套进行。虚拟实验室技术的应用如图3所示。

图2 虚拟实验室集成控制系统

一个完善的虚拟现实系统通常需要解决的技术问题包括：数字图像边缘融合与无缝拼接；通道间的色彩与亮度平衡；数字几何矫正（即非线性失真矫正）、多通道视景同步控制；新一代立体成像与显示、虚拟现实集成控制等技术。

4 虚拟水文实验应用研究

充分认识虚拟技术在水文教学中的重要性、研究网络虚拟技术的特点及其应用规律，从而进一步促进水文教学的发展，是本研究的重要目标。

4.1 实现水文预报教学

用 QuickTime VR 实现对水文预报教学内容的表达（举例观察1次暴雨洪水形成过程）。

教学要点：通过全方位仔细观察产流、汇流过程，加深理解和认识蓄满、超渗产流的形成过程。

教学设计：根据此暴雨须观察的时空分布特点，在实施网络教学时应可使用学生在 360°全方位转动、缩放和移动感受器，实现如同直接观察暴雨的教学效果。

VR 数据开发[7]：根据教学设计的要求，采用QuickTime VR 技术开发此项 VR 数据，可使 VR 效果最为逼真。开发过程要点是：

1）用数码照相机每隔 10°拍摄1张暴雨图像；

2）用 Photoshop 对摄取的图像进行处理；

图3 虚拟实验室技术应用示意图

3）在 VR ToolBox 中导入经处理的36幅图像，根据网络带宽将压缩率设定为 JPEG 的80%，最后导出 VR 影视的 *.mov 文件。

实施网络教学：将 VR 数据文件嵌入到相应的网页中，并设计其在网络课程中的链接，将相关网页和 VR 数据文件上传至服务器，在机浏览器上安装 QuickTime 播放插件（3.0以上版本）。学生即可上网浏览相应的 VR 内容并通过交互控制 VR影视中的各种运动，达到仔细观察暴雨各部位的目的。

由于此例 VR 表达的是暴雨，其整全角状极不规则，因此不宜采用基于几何模型的 VR 技术[8]。采用基于图像的 QuickTime VR 技术可非常好地满足教学设计的要求，并可逼真地表达教学内容。

4.2 实现水文模型教学

用 Cult3D[9]实现对水文模型教学内容的表达。

教学内容：水文模型结构。主要内容包括降水、产流和汇流等。

教学要点：对研究流域大体结构中的各部位的认识、掌握各部位的相互关系。

教学设计：在网络教学中，可对流域进行 3D 空间任意角度的变换，并可依据其大体结构将流域从外至内逐层打开进行仔细观察，所有部位均可任意旋转、缩放和移动。

VR 数据开发：采用 Cult3D 技术开发此例 VR 数据，可高质量的实现教学设计的要求。

开发过程要点是：

1）在 3DS MAX 中分别对研究流域各层结构进行建模并赋予相应材质，按照流域各层结构将建立的物体链接在一起。通过 Cult3D 在 3DS MAX 中的插件 Cult3D Exporter 导出模型文件（*.c3d）。

2）在 Cult3D Designer 中导入模型文件，在其中加入交互功能和运动控制，最后导出经压缩的 VR 数据文件（*.co）。

实施网络教学：将 VR 数据文件嵌入到相应的网页中，并设计其在网络课程中的链接，将相关网页和 VR 数据文件上传至服务器，在浏览器上安装 Cult3D 播放插件。通过上网在浏览器中观察此 VR 内容并可通过交互逐层打开此虚拟的流域研究，仔细观察研究相应教学内容。

由于此例教学设计要求流域大体结构的各层可分别打开并能在任意角度旋转，而流域外形及内壁各层结构造型相对规则，可在 3DS MAX 中建模实现，因此可采用 Cult3D 技术开发 VR 数据文件[10]。Cult3D 是基于几何模型进行动态显示的，其 VR 文件数据量小，显示效果也非常好，其中的交互控制可设计得非常细致，所以此例 VR 应用的网络教学效果很好。

5 结语

通过教学实践和相关研究可以看到，针对不同的教学内容和设计，应采用相适应的网络 VR技术，才能够充分发挥出其技术特点，实现预期的教学目标。尽管网络 VR 技术对于提高网络教学质量有很大的作用，但目前网络 VR 技术的应用还远不如流式视频的矢量动画那样普及，从事网络教学的教育工作者应充分认识网络 VR 技术的优势及其在网络教学中的作用，虽然目前离理想的 VR 境界仍有较大差距，但交互性强、触发事件种类多、动态渲染及显示质量高、可任意链接URL 或其它 3D 空间、适宜网上应用、VR 数据文件共享性强、开发效率高等技术特征使成为网络 VR 技术发展的趋势。

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