基于VRML的虚拟现实技术在远程教育中的应用

张向华，董晓英，叶 霞，蒋琴仙，毕 伟

（江苏技术师范学院 机械与汽车工程学院，江苏 常州 213001）

随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，以网络为基础的远程教育在现代教学中占据越来越重要的地位。现代远程教育是随着计算机网络技术、现代信息技术的迅速发展而产生的一种新型的教育形式，这种以计算机网络等高科技手段为载体的双向交互式教学形式在现代教育中扮演了重要角色[1]。如何在网络环境下为学习者提供丰富的多媒体教学资源和有效的学习情境，是远程教育中首先面临的主要问题。然而传统基于网络的远程教育平台在其发展过程中主要受到三个因素的制约：

一是，网络带宽的瓶颈极大地限制了教学视频音频的传输，使得教学效果下降。

二是，利用视频进行网络实验教学时学生无法亲自动手，实验效果较差。

三是，现有的一般网络教学主要是用动态网页、Flash、流媒体等技术展示和呈现知识信息，在真实环境的营造、实时交互性等方面存在一些不足，无法提高学生学习的积极性和主动性[2]。

虚拟现实技术的出现，为解决远程教育中所存在的这些制约因素提供了帮助。虚拟现实技术具有沉浸、交互和多感知三大特点，其能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。为此，文章在介绍基于VRML 的虚拟现实技术的基础上，研究了虚拟现实技术在网络教学资源设计和开发中的具体应用, 并探讨了其中的一些关键技术。

1 基于VRML 的虚拟现实技术简介

虚拟现实技术(Virtual Reality)原本是美国军方开发研究出来的一项电脑技术，其利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会[3]。

虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling language，以下简称VRML)是一种与Internet 结合，用来描述三维交互虚拟世界的程序语言，可应用于创建虚拟现实的对象、场景和展示模型等。通过浏览器，用户可以观赏到由VRML 创建的三维虚拟现实，而不再只是二维的图形或图像，并能够在三维世界中进行实时移动和实时操纵。基于VRML 的虚拟现实只是一种桌面虚拟现实，但由于其结构简单，易于实现，制作成本低，因此将其应用于远程教育具有可行性。

2 虚拟现实技术在远程教育中的具体应用

2.1 VRML 在工程图学课程远程教学中的应用

工程图学课程是工科院校一门重要的专业基础课，是培养学生的空间思维能力、空间想象能力、形体构形能力以及阅读和绘制工程图样能力的一门应用性学科。其研究的主要对象是图形，教学中心是解决画图和读图的问题，教学重点和难点是培养学生的空间想象和构思能力。在传统的工程图学教学中，常用直观的教具来辅助教学，但在远程教育中，学生主要依靠工程图学课程网站来辅助学习。目前的许多工程图学课程网站主要是由静态网页组成，网页内容主要是文字、图形和图像，表现形式单一。网页里也用到了一些动画，但主要是GIF 和Flash 等二维平面动画，这些动画缺乏直观表达能力，这样就限制了远程教学的教学效果。为此，可以在网页中插入一些具有三维表现力的图形和动画文件。

（1）基于VRML 的模型展示

在工程图学的教学过程中，经常会讲解各种不同形体的表达。在以前的远程教学中主要是结合形体的图片来说明，但图片的表现力有限，对于复杂的形体，其内部结构不能很好的表达。为此，可在网页中加入VRML 模型，这些模型可以嵌入网页，如图1所示，也可以采用链接的方式单独打开，如图2 所示。学生只需在浏览器中安装有关的插件就可以浏览到网页上的虚拟模型，并且可以利用鼠标对模型进行旋转、移动、缩放等多种操作，对模型进行全方位的观察[4]。

图1 嵌入式模型

图2 链接模型

（2）基于VRML 的三维动画

在工程图学课程的远程教学中，还可以利用三维动画来形象的展示其中的一些内容。例如，在介绍立体的截交线和相贯线时，可以利用截切的动画来展示截交线的形成，如图3 所示；在介绍用形体分析法来分析组合体时，也可以利用三维动画来展示，如图4 所示。

图3 圆锥的截切

图4 形体分析法分析组合体

（4）基于VRML 的装配演示

装配图是工程图学中的重要内容之一。在讲授装配体的表达时，需要讲解装配体的安装与拆卸过程，利用静态图片不能展示该过程，基于VRML 的虚拟模型可以全方位的展示整个拆装过程，如图5 所示。

图5 齿轮泵的装配

2.2 VRML 在机械原理课程远程教学中的应用

机械原理课程是机械类专业的一门重要的专业基础课，在课程中会介绍到各种不同的机构。在传统的教学中，会利用实验室的陈列柜来展示不同的机构，然后安排学生去学习了解。但这种教学方法在远程教学中无法实现，如果直接用文字来解释有很难将各种机构的工作原理解释清楚，为此，可以利用VRML 动画模型来进行展示，非常直观，学生也能很快接受，如图6 所示。

图6 机械原理中机构的展示

3 系统中的关键技术

3.1 系统结构设计

系统在设计中选用以浏览器/ 服务器(Browser/Server)模式为基础的体系结构，如图7 所示。浏览器端需安装VRML 插件才能显示虚拟模型；Web 服务器接收浏览器HTTP 请求并传给应用服务器；应用服务器将请求转换为数据库能辨识的SQL 语句，再向数据库服务器发出请求；数据库服务器负责数据的存储、维护、处理等，并将结果返回应用服务器；应用服务器对结果进行分析处理后发送给Web 服务器；最后由Web 服务器返回给Web 浏览器[5]。基于此结构，用户可通过带有VRML 插件的浏览器查看网页中的虚拟模型。

图7 系统体系结构

3.2 VRML 中的建模方法

根据模型的复杂程度, 可以采用不同的建模方法。对于简单的模型,可以直接编程建模。编程的方法有两种：第一种是直接利用记事本编写程序，然后将文件保存为.wrl 格式文件；第二种方法是利用vrmlpad 软件编程。对于复杂的模型,可先利用专业的三维设计软件 (如UG、Solidworks、Catia、Pro/ E、Solid-Edge 等)建立模型,然后再将其导出为VRML 格式的文件。导出的文件采用的是默认的背景和视点，可利用记事本对导出文件进行编辑，增加视点和背景，得到所需要的模型文件。一般都采用第二种建模方法。

3.3 VRML 中动画与交互的实现

VRML 中的动画是依靠一个给定的时间传感器和一系列各种各样的内插节点来控制场景中的各种动作。其基本的方法就是：时间传感器给出一个控制动画效果的时钟，时钟包含了动画效果的开始时间、停止时间、时间间隔和是否循环等动画控制参数。然后通过时钟的输出在虚拟世界中驱动各种内插节点产生各种相应的动画效果，而内插节点中将给出各种动画效果的关键点和关键值，VRML 浏览器将自动地根据这些关键点通过线性插值的方法来完成整个动画过程[6]。

让用户参与动画的过程就是交互，VRML 的交互通过检测器(sensor，或称感应器)实现[7]。在VRML 中，有一组具有动态、交互和感知特性的节点，可用于交互和动画的实现。其中包括[8]：

（1）TimeSensor 时间传感器节点：时间传感器作为动画行为的驱动，创建一个虚拟时钟，并对其他节点发送时间值，控制VRML 立体空间的动态对象的开始、变化和结束过程的时间，实现空间物体造型的移动、变色、变形等自动变化。

（2）PositionInterpolator 位置插补器节点：位置插补器中定义了关键点(Key)和对应的关键值(KeyValue)，然后执行简单的动态计算，形成平滑的动画轨迹，而后在时间传感器和位置传感器之间添加路由，在位置传感器和模型之间添加路由，从而实现动画设计。

（3）触动检测器节点：接触检测器(touchSensor)创建用户感应物体功能；邻近检测器(proximitySensor)自动感应用户进入的特定区域；时间检测器(timeSensor)控制事件的启动和停止。

（4）感知节点：当特定部分变成用户可见时，可见性检测器(visibilitySensor)自动察觉，用来感应观察者和虚拟现实的接触程度。

在VRML 中的行为和交互性是通过事件驱动机制工作的，用户与场景的交互、动画的运行等都是通过各种事件的发送来完成的。通过在几个节点之间事件流的传送，可以实现动画过程。

在简单的VRML 动画中，TimeSensor 不断地发送出时间片信息，Interpolator 节点接收到时间片后根据设定好的关键点，通过插值计算送出动画数据，这种动画数据被送给对象节点去改变某些对象属性，如空间位置、旋转角度等，从而生成所需要的动画。但遇到复杂的动画设计时，单用插值器是不能实现的，所以VRML 提供了另一种机制，即用Script 节点取代插值器节点，在Script 节点中可以加入代码，这些代码可以根据不同动画的需求生成并输出动画数据[9]。

4 结束语

利用基于VRML 的虚拟现实技术来开发一些远程教育教学资源，极大的增强了远程教育中学生身临其境的参与感，可以大大的激发学生的学习兴趣，提高学习效率。

[1]瞿 畅，王君泽. 网络教学资源开发中的Web3D 技术应用研究[J].南通大学学报（自然科学版），2007，6（3）：90-93．

[2]许爱军，张文金，易 丹. 基于虚拟现实技术的远程教育平台研究与实现[J].计算机系统应用，2007，（8）：23-26．

[3]方德葵.虚拟大学－现代远程教育理论与实践[M].北京：中国广播电视出版社，2003．

[4]张向华，董晓英.VRML 语言优化图视思维网络课件的研究[J].计算机工程与设计，2006,27（14）：2573-2574.

[5]徐素霞，马文婕. 虚拟现实技术及其在远程教学中的应用[J].软件导刊，2006，（2）:28-30.

[6]王巧玉，田 凌.基于VRML 模型的协同装配工艺规划仿真方法[J].高技术通讯，2006,16（8）：802-807.

[7]董艇舰，王太勇，盖 青，等.基于VRML 的虚拟模型构建和网络开发[J].天津理工大学学报，2005,21（4）：58-60.

[8]汪兴谦，牛燕明. VRML 与Java 编程实例详解[M]. 北京:中国水利水电出版社，2002.

[9]张红燕.远程虚拟实验中交互与动画的实现[J].计算机与现代化，2006，（4）：40-42.