“虚拟现实技术”课程教学实践与思考

沈旭昆

摘要:“虚拟现实技术”是一门学科高度交叉,特征鲜明,不断产生新思想、新技术,应用越来越广泛的学科,本文在分析“虚拟现实技术”课程学科交叉综合性强、数理基础要求高、创新思维丰富、工程应用突出等特点的基础上,结合多年研究工作积累以及课程教学实践,给出了详细的教学大纲,重点阐述在教学活动中贯彻“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的实践与思考,最后提出进一步提高教学效果的努力方向。

关键词:虚拟现实;教学实践;三个基本;点面结合

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、发布与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

[1] 赵沁平. DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M]. 北京:科学出版社,2004.

[2] 石教英. 虚拟现实基础及实用算法[M]. 北京:科学出版社,2002.

[3] Mel Slater Anthony Steed. 计算机图形学与虚拟环境[M]. 程成,等译. 北京:机械工业出版社,2004.