虚拟摄像实验系统的设计与实现

周世菊

(山西大同大学教育科学与技术学院，山西大同 037009）

虚拟摄像实验系统的设计与实现

周世菊

(山西大同大学教育科学与技术学院，山西大同 037009）

远程教育教学分离的特征导致实验教学难于进行，而虚拟实验技术的出现，则很好地解决了这一问题.基于VRML设计和开发了虚拟摄像实验系统，并就实现技术的选择、系统设计目的和原理做了介绍.系统经测试取得了较好的使用效果，对远程教育具有一定的借鉴意义.

VRML 虚拟实验 摄像实验 远程教育

实验操作是理工科教学环节中的一个重要组成部分，在培养学生动手能力、分析问题和解决问题的能力、确保教学质量方面扮演着极为重要的角色.然而在远程教育中，由于教学机构与学习者在空间上的分离，使得学习者难于到实验室操作仪器，这在一定程度上影响了远程教育的教学质量.为了解决这个问题，有人已采用了现在迅速发展并已应用于实际教学活动中的虚拟实验技术，并取得了可喜的成果.[1]

虚拟实验技术是指利用各种软硬件技术，特别是网络技术，在计算机上创设出一个实验环境，以完成实验教学的技术总和.近年来，由于虚拟现实技术和网络技术的飞速发展，网上实验已成为远程教学研究的重要方面.《电视教材编导与制作》课程是教育技术专业的主干课程之一，其中的摄像实验教学是基础、关键的环节.为探索研究远程虚拟实验技术，基于VRML和JavaScript设计实现了虚拟摄象机和外景练习环境，在实践中取得了预期的效果.

1 实现技术选择

通过总结分析国内外虚拟实验系统，目前能实现三维物体显示的技术 (渲染引擎)有很多，比如Cu1t3D，Java3D，Viewpoint，OpenGL，Adobe Atmosphere等，这些技术的共同特点是都能较好地虚拟现实世界，显示三维场景供用户浏览，而且也都具有一定的交互性：如用户可随意地在虚拟世界中行走、变换视点或是触摸、旋转虚拟世界中的物体.但它们要么因文件太大，不适于网上实时传输，要么交互性能有限，不适于在虚拟实验中完成复杂的人机交互，而且它们均非国际标准，通用性差.[2]

相反VRML(Virtual reality modeling language，虚拟现实建模语言)是在解决数据带宽与处理能力之间的矛盾中产生的.它类似Web超级链接所使用的HTML语言，是一种基于文本的、描述图形的三维造型和渲染的语言，被作为国际标准ISO/IEC-14772并能提供一种与3D数据有效的交互方式.VRML凭着它独有的如下一些特点：(1)基于Internet的三维虚拟世界.(2)平台独立性.(3)可扩展性.(4)基于事件的交互.(5)低带宽要求.(6)脚本功能.使得它在虚拟现实技术等方面具有强大的生命力和发展前景.[3]

通过上述分析,笔者选择虚拟现实建模语言(以下简称VRML)作为本系统的开发技术，这是因为VRML是构建虚拟实验的利器；利用VRML语言的三维造型和实时渲染图形描述功能、交互功能、编程功能把HTML、JavaScript与多媒体信息等有机的结合起来，创建一个使参与者有身临其境感觉并能与其交互的网上虚拟实验系统.

目前，基于网络的虚拟实验采用的体系有基于客户/服务器(C/S)和基于浏览器/服务器(B/S)两种结构.C/S架构发布、安装、运行和维护等都较为繁琐，而B/S架构将WEB浏览器作为系统的客户端，用户只需要知道服务器的地址就可以方便的访问系统资源，不需要安装客户端软件，避免了C/S架构的不足.为利于发布和使用，本虚拟实验系统基于B/S架构实现.[4]

2 系统设计目的与原则

本虚拟摄像实验系统在设计分析时的目的主要有两个：一是使学习者体验利用虚拟现实技术开发的虚拟摄像实验这种动感逼真的虚拟学习形式；二是使学习者通过本虚拟摄像实验系统掌握最基本最关键的摄像技能.如：白平衡的调节、焦距的调节、光圈和快门的配合使用、固定镜头的拍摄、运动镜头的拍摄、构图练习以及摄录回放综合练习等.为了实现上述设计目的，制作并实现了虚拟摄像机和虚拟校园(练习场景).

在明确设计目的的前提下，本虚拟实验系统力求按如下原则设计开发：

(1)实验用户界面友好.

(2)实验中用到的虚拟摄像机大部分关键技术操作点，力求与真实摄像机的使用相一致，达到较高的逼真性，以尽可能的提高实验效率.

(3)在保证实验功能的前提下，为保障网络使用的实时性，实验在设计开发时应尽可能压缩VRML文件，提高网络传输速度.

3 系统设计分析与实现

虚拟摄像机和虚拟校园的设计是一个使用3DSMax进行三维建模的过程，这里不作讨论.这里就使用VRML和JavaScript建模仿真及交互原理做一简要论述.

3.1 虚拟场景设计与实现

笔者采用山西大同大学御东校区的南区及部分北区作为虚拟场景，目的是让实验者通过这个实验，既能进行镜头和构图的练习，又能更好地感受虚拟实验带给我们的神奇和快乐；同时也为了让大家更好地认识到虚拟现实技术与教育结合的意义和潜力.山西大同大学校园包括教学楼、实验楼、学生公寓、教师公寓、餐厅、篮球场以及路灯等等.下面简要讨论篮球场的实现原理.

由于篮球场中各个场地球架和地面全部相同，因此采用了VRML中的实例化技术和DEF的USE机制，可以在增加同类物体数量时不增加多边形数量，同时可以减少代码及避免重复编程.

这里给第一组篮球架的球框、球架和球板分别用DEF定义了名字qk1、qj1和qb1，并将其命名为lanqiujia1.在剩下的11组篮球架中分别用USE引用和inline实例化引用即可.

DEF qk1 Shape{……}//球框

DEF qj1 Shape{……}//球架

DEF qb1 Shape{……}//球板

这样其它场地的篮球架实现就相当简单：

qk2 children[USE qk1]…

qj2 children[USE qk1]…

qb2 children[USE qk1]…

Lanqiujia2 Inline{“lanqiujia1”}……//篮球架整体实例引用

实例化技术和DEF的USE机制使场景文件表达更简洁，更具可维护性和可重用性.[5]场景中路灯、路牌、草坪及树木本身结构相同，因此同样通过实例化技术和DEF的USE机制来实现，因原理相同这里不再讨论.

3.2 虚拟摄象机交互程序设计与实现

本虚拟实验的交互包括四大部分：部件名称提示功能、基本交互功能、变焦镜头、光圈调节的实现以及摄录回放功能的实现.这些交互效果都要在新的窗口中来展示，即当在摄像机上操作功能按钮时，在主页面的右上角实时出现一个新的窗口用来表示在液晶显示器中的观察效果，这就需要实现VRML-HTML-VRML之间的分屏通信.下面简要说明这一效果的实现原理.

当学习者对虚拟摄像机进行操作时，摄像机发出相应的信息，同时场景要实时接收摄像机发出的信息.关键代码如下：

ROUTE huan.rotation TO script.rot//校园场景位移随着焦距值变化而变化

4 系统运行说明

虚拟摄像实验系统最终完成图及部分模块界面分别如图1，2，3所示.

图1 系统首页

图2 虚拟模块首页

图3 实时分屏效果

在VRML场景中，可以通过鼠标左键对摄像机进行多种操作，比如：开关机、调节光圈、焦距等，通过右键可以进行快捷操作以及得到帮助等，另外还可以通过配合键盘的前后左右键进行校园漫游，浏览到美景时可以实时拍摄记录，并且可以回放观看.

5 结论

找到新技术新思想、预见新技术在教育领域的未来、设计新技术在教育中的典型应用、实施新技术试点研究是教育技术的一个重要研究领域[6].而虚拟实验教学研究就是一个很好的例子.

通过本虚拟系统的设计与实现可知，此实验系统能够形象、直观地进行实验，基于VRML语言的虚拟实验能够在一定程度上仿真模拟实际实验，适合于理工科教学中设备操作类实验的模拟，是现阶段仿真实验技术中系统要求较低、软硬件投入资源较少、具有较好教学效果的解决方案，对于辅助传统实验教学、训练学生的实际操作技能将起到非常好的效果，同时能够在一定程度上缓解远程教育中实验教学所面临的问题，推动远程教育向更深层次发展.

[1]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理，2005，22(1)：35-37.

[2]朱婷婷.基于VRML的虚拟实验的设计与研究[D].成都：四川师范大学，2009.

[3]周世菊.虚拟摄像实验教学系统的研究与实现[D].成都：四川师范大学，2009.

[4]李泰峰.基于VRML的仿真迈克尔逊干涉实验的设计与实现[J].实验技术与管理，2007，24(6)：78-79.

[5]Andrea LAmes，David RNadeau，John LMoreland.VRML资源手册[M].宗志方译.北京：电子工业出版社，1998:152-200.

[6]乔世东，康淑瑰，张军征.现代教育信息技术与高校数学教学整合的途径和方法[J].山西大同大学学报：自然科学版，2007，23(4)：61-70.

Design and Realization of Virtual Camera Experimental System

ZHOU Shi-ju
(School of Education Science and Technology，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

Experiment is difficult to launch because the separation of learning and teaching in Remote Education，the emergence of Virtual Labs Technology solves this problem very well.Design and developed Virtual Camera Experimental System on the basis of VRML，the choice of technology and design propose and principle is discussed in this thesis.This simulation had

good feedback，it has certain referencemeanings in the experimenteducation of remote education.

VRML；virtual experimental；camera experimental；remote education.

O211.67

A

〔编辑李海〕

1674-0874(2010)02-0035-03

2010-01-26

周世菊(1980-)，男，山西应县人，硕士，助教，研究方向:数字传媒技术与艺术.