基于虚拟技术的多媒体英语教学系统设计

冯文奂, 周云飞, 王金策*， 闫婷婷, 梁成君, 赵国飞, 曹亚平

(山西能源学院 1. 基础教学部; 2. 计算机与信息工程系; 3. 安全工程系, 山西 晋中 030600)

0 引言

随着当代信息技术与网络的普遍运用，多媒体教学已成为教育领域内的必然发展方向[1]。采用网络进行多媒体教学，不但能够降低教育成本，可解决教育资源分布不均衡的问题，并能够有效避免传统教育方式的缺陷[2-3]。近年来，我国推出了基于网络的多媒体教学计划，已在各大高校内实行多媒体教学试验。随着英语教学的不断完善，英语课堂教学的模式在不断发展，多媒体教学作为一种新型的教学模式，被广泛应用于现代英语教学中[4-6]。

3DS MAX虚拟技术是一种集合了仿真技术、图像学、多媒体技术、网络技术和数字处理技术等的真实模拟技术，通过计算机等设备创建仿真模型，提供三维视觉等更逼真的感官感受，实现虚拟动态交互令用户更好地融入到虚拟环境中[7-9]。用户行为可实时作用到虚拟环境中即为虚拟动态交互，当前虚拟动态交互可通过两种方式实现，分别是典型的程序语言设计的实现及虚拟现实三维立体网络程序语言VRML设计的实现[10]。

为了提高英语教学效果，本研究采用3DS MAX虚拟技术创建多媒体英语教学系统，并分析了其性能。

2 基于虚拟技术的多媒体英语教学系统

2.1 英语教学课堂远程教学系统开发原理

采用3DS MAX虚拟现实技术创建英语远程教学系统，首先创建教学系统的整体结构模型，搭建开发环境并设计系统结构模型，通过场景渲染与多线程调动的方式设计教学系统顶层，在嵌入式开发环境及Mutigen Creator中完成Lynx Prime图形界面的设计，当英语远程教学系统处于静态视景模型库时，组成感知控制层、网络传输层和业务逻辑层等三层体系结构[11-12]。感知控制层采用传感器设备为用户供应及时、顺畅的可视化界面，通过多媒体感知技术、无线射频识别对教学场景的信息化收集与多媒体渲染，根据Lynx Prime设计的多媒体教学数据库分配课堂的教学资源信息。通过C++编程与标准模板库实现3D虚拟现实设计，并创建英语教学课堂视景仿真模型，系统运行仿真根据信息处理次序，通过多线程技术实现开发。功能层采用c++软件，将逻辑编入程序中，基于移动通信网、校园网络及易购网环境内创建英语教学课堂远程教学系统的网络传输层模块；数据层负责数据管理，使用SQL语言将功能层数据传输至数据层，并完成数据更新和检索。创建英语教学课堂的远程教学中间件，软件调动时，依据压缩感知的鲁棒可分离方法实现，根据双工通信方式，用户代理服务器端对用户供应信息管理服务，通过移动通信网、校园网络、互联网创建系统网络传输层。通过Browser/Server结构设计用户代理服务器，将通信双方的多媒体信息流编码格式用于SIP代理服务器通信，在SDP协议内创建3D虚拟现实视景仿真软件，使英语远程教学系统的界面呈现、业务逻辑控制得到实现。由于英语教学课堂教学系统的软件是灵魂。其框架结构，如图1所示。

图1 英语教学课堂远程教学系统开发框架结构

1.2 英语远程教学系统的功能模块架构

在Mutigen Creator3.2开发环境中对英语远程教学系统实行整设计。通过感知控制层对用户行为进行定义，采用多样化top-shapelets变换方式远程控制课堂教学的多媒体与网络变换。系统远程网络通信时通过局域网、互联网以及校园网实现[13]。为实现英语远程教学系统的远程开机关机、启动教学电动幕布和检索数据信息等功能，利用通信协议连接C/S与B/S模式，并依据网络架构对英语远程教学设备的输入与输出端口实行统一设计。

由硬件与软件设计共同构成的英语教学系统模块化设计，其中硬件模块为完成集成调动与输出操控远程多媒体教学信息，以Prime供应的API函数用开发组件设计核心控制模块，通过3D虚拟技术扩展8-16位数据线，用集成封装的方式于vpApp类中，对VP应用程序实行封装，操控DSP并准确配备串口，编程与接口用vpModule::initialize Module对应用程序实现初始化。根据Vega Prime实现应用程序加载。初始化内存分配时，vpApp类控制终端接管操控程序设计、对配置程序实行驱动，最终实现软件的设计。

1.3 基于3DS MAX 创建虚拟教室模型

1.3.1 创建模型过程

结合图形渲染、三维建模及三维动画的3DS MAX软件，不仅能够创建逼真模型，还可利用渲染性能成功渲染出逼真图形，依据路线制成三维动画，在众多领域，如游戏设计、产品设计及建筑设计等得以了成功应用[14-15]。

采用3DS MAX创建三维模型，若效果高度逼真、精准度极高时，会造成系统运行速度低、出现延迟现象，无法保障系统的实时交互性；若建模精准度极低时，用户操作时的沉浸感会受到干扰，因此在保证模型外观逼真的前提下，能够具备顺畅的展现效果。模型创建的步骤包括：合适单位的设定、对应模型的创建、对应纹理贴图的设定和VRML97相符的*.wrl文件的输出。

(1) 虚拟教学环境的3D模型文件创建

以某教学楼内某楼层为模拟对象，包括线编室、录音间、多媒体教室、办公室和非编室等空间，依据现实尺寸，采用AUTOCAD2004将建筑平面图绘出，根据文件-输入命令输入dwg文字图纸于3DS MAX内，再以线勾勒出并通过extrude修改器创建墙体。采用基础几何体创建模型，导出模型成为*.wrl文件。在File文件菜单下Export输出，选取VRML97(*.wrl)格式，在下拉菜单内命名且保存模型。多边形类别、初始值、位图及初始背景等的设置通过VRML97导出器完成。输出wrl文件应注意贴图问题，拷贝所应用的贴图到场景文件scene目录的maps内，在Bitmap URL Prefix(位图URL前缀)内反选WsePrefix(使用前缀)，设置导出器，以防止贴图在导出文件后丢失，wrl文件的完整得以保障。

此外在3DS MAX内，可通过创建面板中辅助对象调出VRML97选项，用户通过建立接触性传感器节点为对象增添加触动感应器，并且使用者在场景内采用锚建立URL链接，与此同时也包含各个工具选项。

通过3DS MAX导出*.wrl文件时，应匹配单位，设定以米为默认单位。当模型多次反复出现时，若采用单独创建模型方式，文件代码将增加，虚拟场景实时性差，因此采用公告牌技术在所建二维表层或十字交叉面片处粘贴透明纹理，此二维物体在设置时依据摄像机位置自动调动法线方向。

(2) 虚拟教学设备3D模型文件的创建

采用3DS MAX创建的教学设备模型作为交互文件基础，将纹理贴图的图片转化为位图格式，并降低图片精准度，降低精准度准测为：确保贴图图片够小条件下，尽可能保障图片的清晰度，减少图片储存空间。模型创建通过纹理代替，如：系统内的天花板、地板及窗户类的模型，可根据现实尺寸创建基础形态，然后对其纹理实行贴图，不需要创建繁琐的集合模型。为避免贴图后产生与现实不符的状况，以及于VRML虚拟现实场景内无法正常观看的状况，根据现实尺寸创建基础形态，通过烘焙贴图性能表达物体凹凸状况的特点，防止贴图在3DS MAX内呈现出平面化状态，提高视觉效果令物体的呈现效果更逼真。

根据以上步骤实现了可视化编辑器创建模型，不仅可达到视觉的基础需求，同时可保证虚拟仿真系统运行顺畅。视频展示台模型，如图2所示。

图2 视频展示台模型

1.3.2 虚拟教学场景的创建技术

根据3DS MAX创建的模型输出成*.wrl，在VRAMPad内将其打开增加交互。为令场景中物体与用户可达成交互，应该通过过程实现。交互过程示意图，如图3所示。

图3 交互过程示意图

采用TouchSensor、PositionInterpolater、ViewPoint和TimeSensor创建的线性关键帧动画，其中使用鼠标单击控制播放，通过PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor、ProximitySensor、Collision和VisibilitySensor等节点为对象增加多类别感知器，采用TouchSensor创建点击、拖拉和移动等对象交互，用户使用鼠标操控物体且完成交互的宗旨得以实现，当VRML内置节点不能实现繁琐的交互时，通过Script节点嵌入JavaScript或者Java更深入地扩大功效。

1.4 视频展示台灯光交互功能的实现

在视频展示台两臂与底板位置设有灯泡，在展示台光线较暗的情况下所投射的图像会较暗，此时应打开两臂处灯光，提升物体光度；在投射幻灯片时打开底板处的灯光，光通过幻灯片底下透射出，提高幻灯片影像的清晰度。用一个按钮循环操控此两组灯泡，灯光没有开启之前，单击按钮可打开两臂灯光，第二次单击可打开底板处灯光、关闭两臂灯光，第三次单击回到起始状态，以此循环操控。制作时应将三种状态设定好，分别为无灯状态、两臂灯状态及底板灯状态。开始制作时，在3DS MAX内调整三种状态时灯光所处位置、范围及强度，然后将其导入VRML内设定交互功能。

3DS MAX内设定三种灯光状态：采用VRML语言控制物体材质自发光属性emissive值，达到两臂灯与底板灯二者的外观色彩在状态不一致时产生改变的目的。当灯光未开启时，其emissiveColor值是000，几乎不发光；当开启灯光时，emissiveColor值是111，光线为白色。将三种灯光状态设定好，并在VRML程序内采用JavaScript代码交互操控。在虚拟实验过程内其运行效果，如图4所示。

图4 视频展示台两臂灯打开状态的场景效果

2 系统的性能测试

2.1 系统运行效果分析

在校园网中，对本研究所设计系统实行测试。将虚拟机安装于机房电脑的XP系统中，并搭建windows2003服务器，网络组件安装在服务器中，并分配一个固定的IP地址，然后整合本研究所设计系统为一个网站并放到服务器端，并与服务器端的IP地址对应，系统测试时通过IP地址实现用户访问服务器中的网站平台。

由于使用本研究所设计系统的用户主要为在校大学生，在远程教育中，系统测试平台的用户端以普通电脑为主，基本配置为：intel(R)Core(TM)2 Duo CPU，2GB的内存，NVIDIA GeForee 8400 SE显卡及校园网络。

本研究所设计系统英语教学测试结果为：英语虚拟教学的全部操作过程中，只是在第一次访问网站时，会出现一点时间延缓状况，下载时需等候20秒左右，而进行其它交互操作时，均为没有出现延缓状态，这表明本研究所设计系统可于校园网内实现实时交互，客户端运行十分流畅。

一般而言，面对面教学时学生可随时咨询老师，本研究所设计系统可实现此目标，当学生有疑点时，可通过系统随时将远程协助请求发向教师端计算机，教师端计算机得到学生端计算机的请求后，采用远程桌面的连接方法操控学生端计算机，处理疑点后学生端可实时取消连接操控。操控界面,如图5所示。

图5 操控界面图

2.2 系统教学效果调查分析

测试调查中发放180份问卷并收回160份，89%的回收率，其中有6份问卷无效，154份有效问卷，测试有效率达到85.6%。调查问卷的具体状况，如表1所示。

表1 调查问卷整体状况

采用统计学分析调查结果，分析结果表明，本研究所设计系统可以帮助学生展开英语学习、提高学生英语练习的乐趣，其中教学功能与系统界面呈现效果都可实现预估目标。通过调查问卷结果可以看到，超出一半的学生对本研究设计系统认知，在虚拟英语教学实验练习后进一步加深，经过练习后的学生，在实际英语教学操作时可迅速上手，几乎无需老师的讲解即可单独完成，且了解英语教学内的投影仪如何开关机、视频展示台所活动的范围等事项。在英语教学过程中，使用本研究所设计系统可以大幅度提升教学成效，可节省教学资源，提高教学设备的使用率，学生可通过本系统实现学习的目标。

2.3 性能分析

进一步对本研究所设计系统性能方面展开测试，由于教师端计算机需同时对局域网中全部在线学生端计算机发送屏幕与音频信息，网络的传送信息量大，因此对传送性能与学生端接收成效展开测试。在教师端计算机对文档与视频实行演示时，分别对比在线60台学生端计算机与120台学生端计算机的接收顺畅情况，学生端计算机上测试结果，如表2所示。

表2 本研究所设计系统的性能测试结果

从表2可以看出，在教师端计算机屏幕不断改变的状况下，本研究所设计系统运行效果较好，其中当教师端计算机进行Word演示时，学生端计算机数量不影响接收、显示效果；当教师端计算机进行视频播出时，学生端计算机数量对接收时间及画面效果略有影响，但影响不大。整体测试结果表明：本研究所设计系统接收顺畅，画面效果较为稳定，系统性能较高。

3 总结

采用3DS MAX虚拟技术，本文设计了多媒体英语教学系统，并通过实验验证了本研究所设计系统性能较好，运行效果稳定，为学生的英语学习提供一个全新的学习渠道，并促进教学资源的开发，为提高我国教育事业信息化水平奠定基础。但是本研究所设计系统在未来的发展过程中，其虚拟环境的美感与模拟真实性等方面仍需进一步完善。