VR虚拟现实技术在课件开发中的应用研究

李 强

（珠海城市职业技术学院 广东 珠海 519090）

1 引言

VR虚拟现实技术是由仿真系统延伸而来，最早是美国VPL公司提出的新词汇[1]，这种技术是用户佩戴上特殊的传感设备、头盔显示器、数据手柄等一系列设备后，以鼠标、键盘为辅助进入虚拟世界体验，并成为虚拟空间的一份子[2]。用户可通过在现实世界中的基本反应动作向设备发送指令，并接收虚拟环境对使用者感官的及时反馈，进而有一种身临其境的体会[3]。VR虚拟现实技术自诞生后便拥有多种独特的优势，并广泛应用于医学、建筑设计、教育、训练、航空航天、娱乐等多领域。尤其是将课件开发领域引向全新的领域，扩展教育课件设计的种类，并成为众多设计模式中的领先技术。基于此，本文深入探究VR虚拟现实技术的基本原理，阐述VR虚拟现实平台及在课件开发中的应用。

2 VR虚拟现实技术概述与运行原理

2.1 VR虚拟现实技术概述

VR虚拟现实技术属于一种汇总多种资料，融合动态视觉技术与实际行为的交互式仿真系统，是目前科研的主要方向之一[4]。VR虚拟现实技术能够使用户与虚拟世界交换信息，使人感受到宏观或微观世界中事物的真实变化规律。在这种特性下，VR虚拟现实技术推动人机对接技术进一步发生变革，是一种划时代的重要科研成果。VR虚拟现实技术具有交互、沉浸、多元感知等特性，在课件开发中有较大应用优势[5]。相较于传统课件制作方式，VR虚拟现实技术的操作更加便利，可使知识点更加复杂、立体且多维，为学生带来更加直观及深刻的影响。传统的课件开发方式主要以学生的视觉与听觉为基础，激发学生探索知识的积极性，而VR虚拟现实技术开发的课件是将学生的视、听、嗅、触、味5种感知体验融合在一起，组建成多元感知系统，深化学生对知识点的理解与掌握。VR虚拟现实技术可达到的表现效果远超其他技术，为观赏者留下深刻的印象。VR虚拟现实技术具有交互性，能够使学生成为虚拟场景中的一部分，参与虚拟事物的变化过程，获得真实的感受[6]。另外，VR虚拟现实技术制作的课件能够长久保存，通过网络云或者计算机存储虚拟场景，无论经过多长时间或改变多少次存储地点都不会改变场景内容。

2.2 VR虚拟现实技术运行原理

通常人们看现实世界时会因观看位置不同而形成不同的观测图像，进一步判断事物的形状、高低、深浅等信息，增加物体的立体性。VR虚拟现实技术是利用人的视觉差异，向眼睛传递各种图片，使人感受到一种立体的画面[6]。VR虚拟现实技术设计出的系统一般由硬件与软件共同构成，硬件使人与机器之间形成一种感知反馈，软件负责建立虚拟世界及信息传输。

硬件方面，VR虚拟现实技术开发的系统硬件需要用户头部传感器、操纵设备、信息传输传感器、显示仪等装备支持。用户头部传感器能够实时收集用户的位置与移动信息，及时传送到指定位置。操纵设备可将用户需求或反馈快速交互到虚拟系统中，推动程序下一步发展。信息传输传感器能够传送特定的数据信息，增强虚拟现实体验的真实性。

软件方面，VR虚拟现实技术开发的系统需要空间大范围定位、眼球追踪以及三维成像等技术提供实时帮助，构成立体化的虚拟世界。大范围定位技术需要获取用户的运动轨迹，并测算出用户的实时位置。眼球追踪技术需要利用传感器确定人眼看到的景象，再用图片特征计算出用户视觉的关注点，进而时刻捕捉眼球运动轨迹。三维成像技术是将某一事物通过扫描切换、透视化制作、渲染着色、几何转换等一系列操作后，在设备中呈现出立体仿真图像的技术。三维成像需要实时生成，进而提升虚拟立体效果显示的真实性。

在硬件设备与软件系统的支持下，用户能够使用操纵设备更换眼前看到的虚拟场景。随着用户移动自身位置，虚拟场景会跟着进行相应的移动。若用户向左看，VR系统会提前感知到运动方向，快速渲染左侧的虚拟场景，使用户移动目光后能看到持续变化的场景。

3 VR虚拟现实平台

VR虚拟现实技术开发课件的关键是在虚拟环境中建立模型，并在平台中使用交互控制技术。虚拟环境中创立课件模型的基础在于设计三维模型、二维平面图形，VR虚拟现实平台建模会用到AUTOCAD、RHINO、3DMAX、MAYA等软件。VR虚拟现实平台开发虚拟交互控制功能时会用到Cult3D、OpenGL、VRML等技术。将上述两类技术进行不同组合后，VR虚拟现实平台中的课件开发技术主要涉及如下几类：（1）VRML主导技术。VRML属于虚拟现实中的一类造型语言，是虚拟世界中描绘3D图形的专业格式。在VRML技术的主导下，设计者可以在虚拟世界中创建高度近似真实世界的环境。这种将三维物体信息转变为文本的形式与仿真系统的运行原理高度相似，但是需要编写大量的程序语言，对设计者的虚拟语言技术要求较高。VRML主导技术开发课件的形式仅适合专业设计虚拟系统的大型公司，不适合个人独自完成创建任务。（2）基于Flash平台开展交互活动。这种创建方式同样需要编程实现交互功能，利用事件机制原理获取、分辨与规定虚拟事物的实体属性。基于Flash的VR虚拟现实平台需要设计不同操作动作按钮的全局变量，并设置响应冲突事件的鼠标指令，从而完成虚拟现实的模拟目标。（3）OpenGL与VC++支撑的技术。OpenGL属于近些年虚拟技术中创新制造出的一种高性能软件接口，可辅助用户搭建出质量高的三维立体图形。VC++是Windows系统运行中集成可视化的开发环境，是VR虚拟现实平台建设编程的最佳选择。在OpenGL与VC++支持下，VR虚拟现实平台可实现建模、颜色调试、更换、材质与光照设计、动画位图双缓存显示、纹理映射、图像强化等多种操作，使虚拟世界更加逼真。（4）融合虚拟交互软件和造型软件。这种技术创建出的VR虚拟现实平台是先由AUTOCAD、3DMAX、RHINO、MAYA造型软件进行建模，再用虚拟交互软件合成人机交互情景，最后进行微调组成VR虚拟现实平台。（5）基于SolidWorks软件建立的装配模型。这种方法主要运用到SolidWorks的装配功能与三维图形建造功能。在软件中设计好后，设计者将文件保存成eDrawings格式，同时选择“确定可测量此e—Drawings文件”选项，从而实现在任何一台Windows系统电脑中查看三维动画效果。通过这种方式保存之后的文件不仅可以查看三维图像，还能将图形缩放、旋转、播放、移动、测量、分解与标注。要想实现上述操作，仅需在电脑中安装eDrawings插件或将图形文件保存为.exe格式即可。

通过上文分析，课件开发过程中应根据高校的实际需求与基础条件，灵活运用这5种技术。比如，实验设计课件开发可用第2种技术，依托Flash交互功能，遵循事件机制设计、分析、提取实验物件的实体参数，为实验步骤设置不同的动作按钮与鼠标响应事件，进而模拟实验操作教学。开发课件需要设计三维空间演示时，可用第4种技术先建模再创建交互功能，最后合成媒体交互操作。在零部件拆装实验课件设计中，设计者可用第5种技术，基于SolidWorks软件建模，用插件完成元件的分解与测量。

4 VR虚拟现实技术在课件开发中的应用

在开发课件时，VR虚拟现实技术主要用到的硬件有一套HTCvive头盔与手柄、一台图形工作站，软件有C4D、UE4、PS。课件通过电脑呈现，将图像传输到VR设备中，使学生看到立体化的内容。用户的视觉反馈与操作命令传输到电脑中，进行数据处理，使课件持续运行下去。C4D主要负责三维立体图像的实时生成，传输到UE4中搭建出虚拟环境，结合PS制作的贴图，与用户形成交互。

课件内容开发流程共分为3步，依次是制作三维模型、贴图、搭建场景。首先，根据课件内容需要，运用C4D按照1:1比例建立相应的物体、碰撞体以及光照UV，整理贴图后导出初步三维成果文件。其次，将贴图放置在对应的位置，并用PS处理贴图的细节，使虚拟世界的视觉感更加真实。最后，运用UE4完成场景搭建及交互，使虚拟场景的光线、天空更加仿真，依据物体的性质形成对应材质的质感，并建立交互逻辑系统。

VR虚拟现实技术应用于课件开发后，学生可在教室内看到任何文化场景，对于建筑的物理结构或某种人文情怀能够产生更深刻的感受，快速理解其中的原理或产生共鸣。课件中设计有大量的交互操作，允许学生扮演虚拟场景中的一个角色，主导情节的变化。学生通过亲身体验学习知识点，可强化学生学习的主动性、增加教学的趣味性，从多角度巩固掌握知识点。教师可利用VR虚拟现实技术模拟特殊状况，引导学生应用已掌握的知识点应对突发问题，检验学生能否应用理论灵活解决问题。

5 结语

通过分析VR虚拟现实技术的概念及运行原理，探索构建课件设计与VR虚拟现实技术相融合的课件。VR虚拟现实技术开发课件可充分发挥交互、直观、沉浸的优点，将平面、抽象的知识点转变成具体可操作的东西，带领学生积极解决问题。学生在VR虚拟现实平台中可看到不同类型的课件，对知识点有深刻的认知，形成良好的实践经验。VR虚拟现实技术能帮助学生将理论应用于实践，转变学生被动获取知识的情况，补充理论教学的不足之处。