投影面沉浸式虚拟环境在教学系统中的应用

陶婷婷+贺静静+张亚萍

摘 要：多投影面沉浸式虚拟环境以其超高分辨率、超大视觉范围为学习者提供了沉浸式的体验，已成为虚拟现实、增强现实技术的主要发展方向。本文在研究多投影面沉浸式环境系统结构及关键技术的同时，探讨了多投影面沉浸式虚拟环境的特点，着重论述了其在教学中的重要作用。

关键字：多投影面；教学系统；沉浸式环境

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）02-0070-03

虚拟现实技术的发展使得计算机技术不再是完成某一项工作的重要工具，而是朝着更人性化的一面发展，它可以使用户足不出户就享受到计算机虚拟世界给我们带来的真实感觉。显示技术是最终形成虚拟环境的关键步骤。目前沉浸式显示技术正处于蓬勃发展的阶段。

多投影面沉浸式虚拟环境是由多台投影仪拼接而组成的大规模显示设备，加上各种人机交互设备，能够更加清晰地模拟现实世界场景以及对历史的逼真反映，给用户带来更佳的视野范围和更强的沉浸感，[1]它可以是对高性能计算结果或数据库的可视化，也可以是纯粹的虚拟空间。多投影面沉浸式虚拟环境为学校教学中创设鲜活的情境提供了技术支持，可以成为一种全新的教学平台，学习者可以以各种自然的交互手段与虚拟世界进行交互获取知识，改变了传统学习环境下学习者被动接受的学习方式，让学习者有一种主动学习的环境。

一、多投影面沉浸式虚拟环境的实现

1.系统总体设计

多投影面沉浸式虚拟环境按系统结构主要分为：投影系统、用户交互系统、图形与计算系统。投影系统主要包括投影仪阵列以及投影屏幕，用来显示大范围画面，实现沉浸式体验；用户交互系统是让用户通过各种虚拟现实交互设备与系统应用程序之间进行自然的交互；图形与计算系统是负责生成虚拟环境并对用户的交互信息进行处理。

在投影系统搭建的过程中，图1所示的多投影面沉浸式虚拟环境的系统设计方案如下：使用多台PC机、多台投影仪、一个摄像机，将其中一台PC机作为图像校正服务器（Client PC），负责捕获投影仪的反馈信息，计算校准数据；另外几台PC机（Server PC）作为客户端，分别连接一台投影仪，用于负责读取、处理并根据相应位置分布绘制各显示区域的数据；最后分别通过相应的投影仪输出到投影屏幕，构成一个完整的无缝的显示画面，各计算机通过局域网进行连接和通信，采用鼠标或键盘等方式与系统进行交互。

2.关键技术

在多投影面沉浸式虚拟环境的构建过程中，为了保证高清晰、实时流畅、逻辑上完整的显示效果，几何校正和颜色校正是最为关键的问题。技术流程如图2所示。

几何校正是为了解决单个投影在投影屏幕上产生畸变问题以及多个投影仪之间的画面对齐问题，使得整个投影画面看起来具有连续性。[2]

在本系统中，我们在前人研究的基础之上，采用一台反馈照相机来获取投影图像的几何位置信息，根据图像处理技术对原始图像进行几何畸变校正，使得各投影仪投出的图像能形成一幅完整的画面，使使用者完全沉浸在由多个投影仪创建的虚拟环境中。在实验过程中考虑到由照相机镜头自身畸变而造成的扭曲，所以在几何校正之前，我们采用张正友[3]提出的摄像机标定的方法对数码相机进行标定，从而对拍摄出的图像进行预校正。

几何校正方案如下：

第一步，特征点采集与处理。对每台投影仪以此投影一组特征图案，利用数码相机进行特征图案采集。再利用图像处理技术对拍摄图像进行处理，对投影仪依次编号记为Hi，与Hi对应的帧缓存中的特征点记为Fi；

第二步，求出所有投影仪显示区域的最大有效显示区域，并按等距离原则细分最大有效区域，记为Pi；

第三步，利用最小二乘法计算相机图像到投影仪帧缓存图像的映射关系，记为M。并求出映射矩阵M的逆矩阵M-1，再利用投影仪的有效显示区域预校正缓存区的图像。

为了真正地实现画面的完整性，还有一个必须解决的问题就是颜色校正问题。颜色校正主要用来解决不同投影仪表现在颜色上的差异而导致画面整体上的颜色不一致问题。所以要采用有效的方法尽可能地消除或缩小这种颜色差异，给人更好的视觉效果，具体算法本文不做详细介绍。

二、多投影面沉浸式虚拟环境的特点及应用实例

1.多投影面沉浸式虚拟环境的特点

①逼真性

在多投影面沉浸式虚拟环境中，逼真性主要表现在环境的真实性、视野范围的无限扩充和对象动作的流畅展示。通过增加投影仪的数量，使用超大的物理尺寸屏幕，可以体现出真实的图像质量，实现单个投影所不能获得的视觉效果，给用户带来身临其境的感觉。

②沉浸感

理想的虚拟环境是使用户达到难以分辨真假的程度。在多投影面沉浸式虚拟环境中，沉浸感主要是用户对由计算机创造和显示出来的虚拟环境的感知和认识。当用户置身在多投影面沉浸式虚拟环境中时，其感觉系统在处理来自虚拟环境中的视觉和其他感知数据时的方式如同在真实环境下一样。

③交互性

在多投影面沉浸式虚拟环境中，用户可以与计算机生成的虚拟环境进行自然交互，能够用人类自然的感知能力与虚拟环境中的对象进行实时交互，让我们很容易地进入角色，大大增强了参与其中的趣味性。

2.应用实例

根据多投影面沉浸式虚拟环境的特点以及其他领域的广泛应用，在教学系统中的应用可以分为两大类别的学科：①结构演示和位置信息展示等学科的学习。包括工程中的结构图、地理学习中的信息图示、模型演示等。如化学学习过程中，通过多投影面沉浸式虚拟环境真实地展示出物质分子结构模型。②动作演示类的科目。主要包括具体的操作以及与操作相关的位置信息等。其在医疗手术、化学实验的具体操作当中有很好的应用价值。

三、多投影面沉浸式虚拟环境对教学的促进作用endprint

1.创建逼真的实习场，为情境学习提供更真实的学习环境

根据情境学习理论的观点，实践不是独立于学习的，意义也不是与实践和情境脉络相分离的，真正的意义是在实践和情境脉络中加以协商的。[4]情境学习的关键是创设学习环境，在教学场所与空间内必须有真实的情境作为学习活动的目标，即实习场的创建。然而学校的学习环境与现实生活中的环境是完全不一样的。如何创建这样的实习场就成为我们要考虑的问题。传统的抛锚式教学是通过真实化的录像境脉来呈现与解决问题相关的信息。然而，这样只能使学习者被动地观看，不能导致学习的发生。多投影面沉浸式虚拟环境通过无限扩充学习者的视角视野，为学习者营造出身临其境的感觉，将整个学习活动都抛锚在真实的情境之中。它构建出的实习场，不仅高度接近真实情境，将抽象化的知识具体化为可视化信息，而且其学习过程也与现实生活中的问题解决过程类似。学习者可以直接参与到“真实”的情境中，从而接触许多平时不易接触的场景。学生受到多感官强烈的刺激，增加了学习者体验的真实性，改变了学习者仅仅面对静态文字的传统学习方式。

2.沉浸式的学习体验，提高了学习者的参与性

人类学学家Lave在他的代表著作 《情境学习：合法的边缘性参与》中指出：学习应该从参与实际活动的过程中学习知识。[5]也就是学习者不是被动的观察者，而是主动参与其中的过程，那么如何使学习者主动参与其中而不偏离主题，这也是我们需要考虑的问题。另外，还有一些学者担心学习者参与到真实情境中可能会带来一些危险。多投影面沉浸式虚拟环境具有高仿真、宽屏幕、大视角、宏大震撼的效果，不再是传统的书本教育和普通的多媒体教学，能极大地提高学习者的学习热情和参与度，将学习者完全吸引并投入到当前情境中去，而忘却了计算机设备的存在，过滤掉很多不相关的知觉，使注意力完全集中到学习任务中去。为学习者提供了丰富的情感虚拟体验，使整个学习过程充满乐趣，亲身体验更加强化了学习者的记忆和知识的建构。

3.交互式学习环境，丰富了情境学习的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顾了教育信息化发展的历程之后，提出为了给予学生力量，让我们把交互式学习技术带进教室吧。[6]其中就讲到了如何实现课堂教学中的交互活动最大化。多投影面沉浸式虚拟环境应用于教学的过程中，为学习者提供了更加直接的交互环境，学习者在与虚拟信息的交互中获得知识和经验，超越了传统的以知识接受为主的间接获取学习经验的方式，有助于培养学习者的动手实践能力和自主探索问题的能力。学习者通过与系统进行交互，置身于“超越现实、身临其境”的学习环境中。同时，多投影面沉浸式虚拟环境还是一个支持合作的协同环境，合作学习也是情境学习的重要方面，学习者可以以小组的形式参与到真实境脉中来，大大地改善了传统的课堂学习氛围，提高了学习者的学习积极性。在多投影面沉浸式虚拟环境中，学习者之间、学习者与教师之间进行协作，提出问题、讨论结果、分享发现、探索未知的领域。

四、总结

本文探讨了多投影面沉浸式虚拟环境对教学的重要作用，它所创造的逼真情境使学习者可以在课堂的实习场中体验到现实生活的经验，并且支持交互操作、学习的交流合作等，学习者沉浸在虚拟环境中，实现知识的建构和迁移，并还原到实际生活中去。多投影面沉浸式虚拟环境由于其高度沉浸感和交互性，在遥感技术、展览、工业设计、计算机可视化中具有非常好的应用前景。随着虚拟现实技术的发展以及在教学中的应用，多投影面沉浸式虚拟环境的教育意义也备受关注，其在教育领域仍有很大的发展空间，有待于我们积极开发和应用。

参考文献：

[1]林柏伟.PC架构的多投影面沉浸式虚拟环境及其应用[D].杭州：浙江大学，2003.

[2]黄淼，周志光，陶煜波，林海.基于数码相机参数还原的多屏拼接几何校正技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010（10）.

[3]马颂德，张正友.计算机视觉[M].北京：科学出版社，1998.

[4]俞贞.情境学习和学校环境中实习场的建构[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文静.人类学视野中的情境学习[J].外国中小学教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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1.创建逼真的实习场，为情境学习提供更真实的学习环境

根据情境学习理论的观点，实践不是独立于学习的，意义也不是与实践和情境脉络相分离的，真正的意义是在实践和情境脉络中加以协商的。[4]情境学习的关键是创设学习环境，在教学场所与空间内必须有真实的情境作为学习活动的目标，即实习场的创建。然而学校的学习环境与现实生活中的环境是完全不一样的。如何创建这样的实习场就成为我们要考虑的问题。传统的抛锚式教学是通过真实化的录像境脉来呈现与解决问题相关的信息。然而，这样只能使学习者被动地观看，不能导致学习的发生。多投影面沉浸式虚拟环境通过无限扩充学习者的视角视野，为学习者营造出身临其境的感觉，将整个学习活动都抛锚在真实的情境之中。它构建出的实习场，不仅高度接近真实情境，将抽象化的知识具体化为可视化信息，而且其学习过程也与现实生活中的问题解决过程类似。学习者可以直接参与到“真实”的情境中，从而接触许多平时不易接触的场景。学生受到多感官强烈的刺激，增加了学习者体验的真实性，改变了学习者仅仅面对静态文字的传统学习方式。

2.沉浸式的学习体验，提高了学习者的参与性

人类学学家Lave在他的代表著作 《情境学习：合法的边缘性参与》中指出：学习应该从参与实际活动的过程中学习知识。[5]也就是学习者不是被动的观察者，而是主动参与其中的过程，那么如何使学习者主动参与其中而不偏离主题，这也是我们需要考虑的问题。另外，还有一些学者担心学习者参与到真实情境中可能会带来一些危险。多投影面沉浸式虚拟环境具有高仿真、宽屏幕、大视角、宏大震撼的效果，不再是传统的书本教育和普通的多媒体教学，能极大地提高学习者的学习热情和参与度，将学习者完全吸引并投入到当前情境中去，而忘却了计算机设备的存在，过滤掉很多不相关的知觉，使注意力完全集中到学习任务中去。为学习者提供了丰富的情感虚拟体验，使整个学习过程充满乐趣，亲身体验更加强化了学习者的记忆和知识的建构。

3.交互式学习环境，丰富了情境学习的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顾了教育信息化发展的历程之后，提出为了给予学生力量，让我们把交互式学习技术带进教室吧。[6]其中就讲到了如何实现课堂教学中的交互活动最大化。多投影面沉浸式虚拟环境应用于教学的过程中，为学习者提供了更加直接的交互环境，学习者在与虚拟信息的交互中获得知识和经验，超越了传统的以知识接受为主的间接获取学习经验的方式，有助于培养学习者的动手实践能力和自主探索问题的能力。学习者通过与系统进行交互，置身于“超越现实、身临其境”的学习环境中。同时，多投影面沉浸式虚拟环境还是一个支持合作的协同环境，合作学习也是情境学习的重要方面，学习者可以以小组的形式参与到真实境脉中来，大大地改善了传统的课堂学习氛围，提高了学习者的学习积极性。在多投影面沉浸式虚拟环境中，学习者之间、学习者与教师之间进行协作，提出问题、讨论结果、分享发现、探索未知的领域。

四、总结

本文探讨了多投影面沉浸式虚拟环境对教学的重要作用，它所创造的逼真情境使学习者可以在课堂的实习场中体验到现实生活的经验，并且支持交互操作、学习的交流合作等，学习者沉浸在虚拟环境中，实现知识的建构和迁移，并还原到实际生活中去。多投影面沉浸式虚拟环境由于其高度沉浸感和交互性，在遥感技术、展览、工业设计、计算机可视化中具有非常好的应用前景。随着虚拟现实技术的发展以及在教学中的应用，多投影面沉浸式虚拟环境的教育意义也备受关注，其在教育领域仍有很大的发展空间，有待于我们积极开发和应用。

参考文献：

[1]林柏伟.PC架构的多投影面沉浸式虚拟环境及其应用[D].杭州：浙江大学，2003.

[2]黄淼，周志光，陶煜波，林海.基于数码相机参数还原的多屏拼接几何校正技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010（10）.

[3]马颂德，张正友.计算机视觉[M].北京：科学出版社，1998.

[4]俞贞.情境学习和学校环境中实习场的建构[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文静.人类学视野中的情境学习[J].外国中小学教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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1.创建逼真的实习场，为情境学习提供更真实的学习环境

根据情境学习理论的观点，实践不是独立于学习的，意义也不是与实践和情境脉络相分离的，真正的意义是在实践和情境脉络中加以协商的。[4]情境学习的关键是创设学习环境，在教学场所与空间内必须有真实的情境作为学习活动的目标，即实习场的创建。然而学校的学习环境与现实生活中的环境是完全不一样的。如何创建这样的实习场就成为我们要考虑的问题。传统的抛锚式教学是通过真实化的录像境脉来呈现与解决问题相关的信息。然而，这样只能使学习者被动地观看，不能导致学习的发生。多投影面沉浸式虚拟环境通过无限扩充学习者的视角视野，为学习者营造出身临其境的感觉，将整个学习活动都抛锚在真实的情境之中。它构建出的实习场，不仅高度接近真实情境，将抽象化的知识具体化为可视化信息，而且其学习过程也与现实生活中的问题解决过程类似。学习者可以直接参与到“真实”的情境中，从而接触许多平时不易接触的场景。学生受到多感官强烈的刺激，增加了学习者体验的真实性，改变了学习者仅仅面对静态文字的传统学习方式。

2.沉浸式的学习体验，提高了学习者的参与性

人类学学家Lave在他的代表著作 《情境学习：合法的边缘性参与》中指出：学习应该从参与实际活动的过程中学习知识。[5]也就是学习者不是被动的观察者，而是主动参与其中的过程，那么如何使学习者主动参与其中而不偏离主题，这也是我们需要考虑的问题。另外，还有一些学者担心学习者参与到真实情境中可能会带来一些危险。多投影面沉浸式虚拟环境具有高仿真、宽屏幕、大视角、宏大震撼的效果，不再是传统的书本教育和普通的多媒体教学，能极大地提高学习者的学习热情和参与度，将学习者完全吸引并投入到当前情境中去，而忘却了计算机设备的存在，过滤掉很多不相关的知觉，使注意力完全集中到学习任务中去。为学习者提供了丰富的情感虚拟体验，使整个学习过程充满乐趣，亲身体验更加强化了学习者的记忆和知识的建构。

3.交互式学习环境，丰富了情境学习的趣味性

特洛伊·威廉姆斯（Troy Williams）在回顾了教育信息化发展的历程之后，提出为了给予学生力量，让我们把交互式学习技术带进教室吧。[6]其中就讲到了如何实现课堂教学中的交互活动最大化。多投影面沉浸式虚拟环境应用于教学的过程中，为学习者提供了更加直接的交互环境，学习者在与虚拟信息的交互中获得知识和经验，超越了传统的以知识接受为主的间接获取学习经验的方式，有助于培养学习者的动手实践能力和自主探索问题的能力。学习者通过与系统进行交互，置身于“超越现实、身临其境”的学习环境中。同时，多投影面沉浸式虚拟环境还是一个支持合作的协同环境，合作学习也是情境学习的重要方面，学习者可以以小组的形式参与到真实境脉中来，大大地改善了传统的课堂学习氛围，提高了学习者的学习积极性。在多投影面沉浸式虚拟环境中，学习者之间、学习者与教师之间进行协作，提出问题、讨论结果、分享发现、探索未知的领域。

四、总结

本文探讨了多投影面沉浸式虚拟环境对教学的重要作用，它所创造的逼真情境使学习者可以在课堂的实习场中体验到现实生活的经验，并且支持交互操作、学习的交流合作等，学习者沉浸在虚拟环境中，实现知识的建构和迁移，并还原到实际生活中去。多投影面沉浸式虚拟环境由于其高度沉浸感和交互性，在遥感技术、展览、工业设计、计算机可视化中具有非常好的应用前景。随着虚拟现实技术的发展以及在教学中的应用，多投影面沉浸式虚拟环境的教育意义也备受关注，其在教育领域仍有很大的发展空间，有待于我们积极开发和应用。

参考文献：

[1]林柏伟.PC架构的多投影面沉浸式虚拟环境及其应用[D].杭州：浙江大学，2003.

[2]黄淼，周志光，陶煜波，林海.基于数码相机参数还原的多屏拼接几何校正技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010（10）.

[3]马颂德，张正友.计算机视觉[M].北京：科学出版社，1998.

[4]俞贞.情境学习和学校环境中实习场的建构[J].全球教育展望，2006（5）：35.

[5]王文静.人类学视野中的情境学习[J].外国中小学教育，2004（4）.

[6]http：//venturebeat.com/2012/10/30/interactive

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