基于虚拟现实的交互实验设计和实现

2013-04-29石永琪

电脑知识与技术 2013年8期

石永琪

摘要：在传统的教育过程中，理论知识的学习往往过于重视，而实验技能的实践机会却不断减少，这就导致了理论与实践之间不平衡矛盾越来越突出。虚拟实验教学环境正是在这种环境下产生的，它一定程度上丰富了实践技能的内容，提高了整体教学的质量。该文在考察大学计算机硬件实验教学现状的基础之上，结合大学计算机实验的具体特点，确定采用VRML技术进行开发；同时，分别从实用角度、运作原理、编辑环境几个方面对VRML语言进行全面的解读和分析；其次，分析了虚拟实验的基本需求，并结合需求对虚拟实验的总体架构进行了设计及功能模块的划分；最后，结合具体的三维模型，从模型的绘制、贴图的赋予、交互行为的添加三个方面给出了具体的实现。

关键词：虚拟现实；交互设计；VRML；漫游

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1968-07

1 概述

虚拟现实，早已不再是一个陌生的名词，随着计算机图形学的进一步发展，虚拟现实技术的应用变得更加广泛。其应用领域覆盖了军事、教育、医疗、城市规划、远程实验等众多领域。虚拟现实技术通过硬件设备和软件资源，为用户提供一种身临其境的真实感觉，增强用户的体验深度和记忆层次，进而达到辅助行业的作用。其硬件设备主要包括立体头盔、数据手套及各种传感器，软件资源包括图形处理系统、建模软件及各种交互软件。

虚拟现实技术的发展与成熟，为教育行业的实验教学带来了新的手段和机遇。传统的实验教学一直存在着一些无法逾越的障碍，主要体现在三个方面，其一，学校硬件设备资源有限，对于部分贵重的设备无法做到一人一份，学生无法自由地进行实践性尝试；其二，设备管理与维护的成本较高，很多学校的教师承担了上课与管理设备的双重压力；其三，实验过程中，学生的人身安全及设备的安全问题都很难得到控制，这也导致了部分实验的搁浅；通过采用虚拟现实技术，打造一个虚拟的三维空间，将现实世界中的实验设备，完全地、完整地迁移到虚拟空间，学生在虚拟的仿真空间中，通过鼠标和键盘的操作，进行完全逼真的实验，基本达到教育实践的目的。

2 虚拟现实技术分析

几何造型节点（shape）：shape节点定义了立体图形的色彩、材质、纹理、尺寸、形状等外观特征。主要有外观特征节点（appearance）和几何形状节点（geometry）。

交互节点：交互节点可以用来强调虚拟环境的真实程度。从侧面反映出现实世界中的事物相互之间存在联系。

插补器节点：该节点的使用是用来操纵动画的，原理很简单，通过引入一组跟时间对应的关键点，让每个关键点跟其中一组动态的动画产生联系，当场景中的时间发生变化的时候，场景中的与之关联的对象会同步地对位移、造型做出变化。

传感器节点：传感器节点（Senser）类似人的神经系统，可以一定程度上提前感知某些外界的状态的变化，用户可以借此做出合理的判断。通过传感器节点的合理应用，可以方便地感知用户的操作状态和目的，让互动场景更加具有真实性。

脚本节点：脚本节点（Script）指包含程序设计的节点，通过使用编程语言，引入不同的脚本，可以为开发人员提供更强大的用户接口，可以使编程更加灵活，设计出更加有趣的场景。

3 三维建模与系统设计

3.1 系统总体框架

3.1.1 系统需求分析

虚实结合的虚拟现实系统的主要目的在于：使学生不受时间、地点、网络带宽的限制，通过访问接入网络的VRML服务器，利用虚拟实验设备进行实验，通过鼠标或键盘对虚拟三维模型进行合理地操作，增强趣味型。通过观看虚拟设备动画，加深对理论知识的理解。

虚拟现实系统在设计时考虑的角度有：

1）为学生搭建一个自由、开放的学习环境