基于偏振式3D的立体虚拟现实课件设计与开发

邱飞岳 李瑞星 陈宏

摘 要：虚拟现实技术在教育领域的应用逐渐被人们重视， 基于虚拟现实技术的教学资源设计开始成为职业教育领域研究的热点。当前基于虚拟现实技术的教学资源设计可以模拟并构建实物的三维模型，却不能有效地体现教学资源在空间层次上的沉浸感和交互性。文章将偏振式3D立体虚拟现实技术应用于职业院校计算机组装与维护课程的课件设计过程中，介绍了利用Unity3D软件配合偏振显示屏开发3D立体教学资源的方法，给出了相应的技术选型方案和开发流程，将3D立体教学视频和3D立体教学实验以课件的形式整合到一块，对视频教学和实践操作进行了有机的结合。

关键词：偏振式3D；虚拟现实；教学资源

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2015）16-0059-04

一、引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出要深入推进中等职业教育改革创新，加快培养高素质劳动者和技能型人才，这也对职业院校学生的实践动手能力提出了要求。因此，能否提高职业院校学生的实践动手能力成为职业教育教学急需解决的重点问题之一，而设计一种具有较强交互特征的学习资源是解决该问题的关键。由于3D立体虚拟现实技术可以提供一种实时的三维立体虚拟环境，使学习者可以完全沉浸在虚拟环境中，产生空间上的感知，因此将3D立体虚拟现实技术应用于职业院校教学资源的设计过程中，能够增强学生学习兴趣，提高学生参与度和实践、创新能力，极大满足了职业院校学生的内在学习需求，且与当前职业教育教学中注重学生创新实践能力的观点兼容，具有较大的理论研究价值和社会应用价值。

目前3D立体效果的实现方式主要有红蓝眼镜、主动式3D和偏振式3D三种。其中，红蓝眼镜成本低廉，但由于其呈现色彩有限，因此画面色彩还原度不高，不能满足一般用户的需求。主动式3D是透过眼镜本身的主动运作来达成3D立体效果，其优势是可以完全还原图像的分辨率，但是需要配套设备的支持，成本昂贵且会出现画面闪烁等问题，增加用户眼睛负荷。偏振式3D技术可以很好的解决红蓝眼镜无法重现原本图像色彩的缺点，同时随着偏振显示器技术的发展，其价格不断下降，成本也得到了有效控制。为了还原图像原本的色彩，减少设备成本以及降低教学资源制作的难度等，本文以职业院校计算机组装与维护课程为例，采用基于偏振式3D立体虚拟现实技术实现教学资源的设计与开发。

二、国内外研究现状

虚拟现实技术是指通过计算机将现实环境编制到计算机中构成三维空间，并通过多种专用设备使得用户在视觉、听觉、触觉、味觉等多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉[1]。

当前虚拟现实技术在职业教育领域的应用已经有了一定的发展。王金岗对虚拟现实技术的内涵及特征进行深入分析，提出虚拟仿真实践教学设计的5个步骤，优化了实训教学的环境，提高了实训教学的效益，拓展了顶岗实习的空间，促进了学生全面发展[2]。刘颖针对电子类专业职业教育的培养目标，将虚拟现实技术应用于电子类专业职业教育，提高了学生实际动手能力的需要[3]。林康等人结合工学的教学特点，探讨了应用虚拟现实技术实现实验条件与实验环境的途径[4]。M.Travassos Valdez等人将桌面式虚拟现实技术用在远程教育当中，为学生提供了足够的学习空间，并使他们能更好的与设备进行交互[5]。徐素宁等人提出基于虚拟现实技术的实景图像虚拟旅游系统，避开复杂的场景建模与绘制，实现了自然风景的虚拟观光旅游[6]。M.Karkoub等人提出一个基于虚拟现实技术的互动管道检测系统，使学生能够识别管道的不同类型缺陷，降低实验成本，提高学习效率[7]。Joseph Psotka 将沉浸式虚拟现实技术应用于教育培训系统的开发，加速学生技能学习，增强学生实际动手能力[8]。Joel C. Adams等人将虚拟现实技术用到计算机图形学课堂上，并有效激发学生创造力和想象力[9]。

设计优良的教学资源对于职业教育教学的提高具有至关重要的作用，而具有良好交互性的虚拟现实技术可以极大满足职业院校学习者在学习过程中的交互性学习需求[10]，因此，将虚拟现实技术应用于职业教育教学资源设计研究中，有利于进一步激发学生学习兴趣，增强学习体验。徐智仕等人利用虚拟技术建设三维实验教学资源，模拟了教学实验内容，加深学生对所学知识的印象[11]。饶跃东将虚拟现实技术融入网络教学之中，使传统的教学资源利用虚拟现实技术更加形象化、真实化地展示给学习者，使之能够在虚拟世界中得到更佳的学习体验[12]。王波等人提出立体视觉课堂辅助教学模型和四种适用于学校3D教学资源的建设方案，改进了教学手段，激发学生学习兴趣[13]。A.Z.Sampaio等人将虚拟现实技术运用到建筑工程土木专业的学习资源设计中，以可视化的形式辅助学生实现更好的分析监控[14]。

通过对现有研究的分析，我们发现，虚拟现实技术在职业教育教学资源设计中的应用还处于三维仿真、模拟阶段，没有引入立体视差的概念，无法为学生提供一种空间感知的环境，学生对虚拟环境中模型的距离没有感官上的刺激，不能很好的激发学生学习兴趣。同时，目前基于虚拟现实的教学资源在设计上偏向于视觉呈现方面，在知识点整合与操作交互方面还有所欠缺。

为了解决这些问题，本文将偏振式3D立体虚拟现实技术引入职业教育教学资源设计中，解决学习资源在立体空间交互上的不足，加强学生实践动手能力，同时将教学的知识点材料与虚拟现实环境有机融合，使学生从知识点学习到动手操作可以一步到位。

三、偏振式3D立体虚拟现实技术

1.偏振式3D立体成像原理

偏振式3D立体是根据光线的“振动方向”原理来组织原始图像，利用偏振显示屏，向观看者输送两幅偏振方向不同的图像。当图像通过偏振眼镜时，每只镜片只能接受一个偏振方向的图像，因此，人的左右眼就能接收两组具有视差的图像，再经过大脑合成，达到立体影像的效果[15]，如图1所示。

2.立体视差生成算法

对于立体视差的生成，本研究采用双中心投影法，双中心投影法在计算图像对应位置的时候不会产生垂直视差，立体窗口是共面的，不会发生扭曲，并且最大水平视差是有界的，因此该方法的效果最为理想[16]。其原理是在显示屏上选取两个中心点，一个中心点Le对应左眼视图，另一个中心点Re对应右眼视图。如图2所示。

Le与Re之间相差距离为E，投影的平面垂直于XZ平面，并且位于距离Z轴坐标D处。Le的坐标是（-E/2，0，0），Re的坐标为（E/2，0，0），可以得出P点的坐标（X0，Y0，Z0）的左右眼在立体窗口中的投影坐标分别是：

XL=D*X/Z-D*E/2*Z+E/2； Yl=D*Y/Z

XR=D*X/Z+D*E/2*Z-E/2； Yr=D*Y/Z

四、基于偏振式3D立体虚拟现实技术的教学资源设计与开发

在众多教学资源的表现形式中，多媒体课件以其直观性、灵活性、实时性、立体化的特点发挥着其他教学资源所无法替代的优势[17]。本文以职业院校计算机组装与维护课程为背景，针对计算机组装与拆卸和计算机故障排查这两个实训部分的内容，设计开发了基于偏振式3D立体虚拟现实技术的多媒体课件。

1.偏振式3D立体教学课件设计

课件设计是对课件内容、呈现方式、教学理论以及课件使用技术等各方面的整体规划。课件设计需要符合科学性、程序性、教学性、艺术性等原则，并遵循学生的认知规律与教学规律，因此课件设计是课程开发的首要任务[18]。本文的课件设计如图3所示。

（1）以演示为主的非交互式立体教学视频

主要是录制专业教师讲解基础知识信息的3D立体视频，包括计算机组件的功能介绍、教师操作如何组装的演示过程、计算机故障演示、计算机故障排除等。录制的视频经过后期的加工剪辑之后形成完整的3D立体技能教学微视频。

（2）以操作为主的交互式立体教学模拟操作实验

交互模块主要包括计算机组件辨识模拟实训、计算机组装与拆卸模拟实训和计算机故障排查模拟实训，目的是通过互动的方式引起学生兴趣，提高学生的投入度，并通过虚拟环境的模拟增强学生的实际动手能力。

计算机组件辨识模拟实训部分，主要是让学生在虚拟环境中认识计算机组件。学生可以通过鼠标多角度观察屏幕上的组件及其详细介绍，加深学生对计算机组件的认识。计算机组装与拆卸模拟实训部分，主要是让学生通过鼠标去操作移动虚拟环境里的计算机组件，模拟计算机组装与拆卸的过程。而计算机故障排查模拟实训部分，主要是在虚拟环境中模拟计算机的故障状态，学生通过听声音和模拟检测，最终排查正确故障。

2.偏振式立体3D课件开发

基于偏振式立体3D的计算机课程教学课件开发主要分为非交互模块开发和交互模块开发，其实验工具如下：

硬件设备：台式机及其配套组件，台式机型号为LENOVO THINKSTATION E32 VT；3D摄像机一台，型号为HDC-TMT750GK；三脚架，型号为百诺A1682TB0。

软件：Photoshop CS4，Adobe Premier CS4，3DMAX_2012，Unity3D_4.6.1f1。

3D摄像机主要用来录制教师讲解的3D立体视频，Photoshop用来处理采集的图像信息，3DMAX通过对实物的建模最后导出可被Unity3D识别的模型格式，Premier用来处理采集的视频信息，最后利用Unity3D进行最后的集成并实现交互。其开发流程如图4所示。

（1）非交互模块的开发

非交互模块的内容主要通过3D摄像机拍摄完成。本研究所需的视频素材主要包含专业教师教授的计算机硬件介绍、计算机组装过程、计算机拆卸过程、计算机故障排查过程等。多媒体人员采集视频素材后，利用视频编辑软件Premier进行后期剪辑。最后由技术人员通过Unity3D将处理好的视频资料整合到课件中。

（2）交互模块的开发

交互模块包含计算机的组装、故障排除、组件辨别等功能，主要涉及对实物的三维建模，行为脚本代码的编写，最后通过Unity3D控制立体视差的生成，形成一个完整的3D立体教学课件。

①三维实物的建模

建模的主要对象包含计算机主板、计算机各组件、实验室场景及配套设施，本文依据华硕P6TSE主板及其对应配件为原型进行建模和后期渲染。

②脚本代码的编写

技术人员根据建模情况，为每个计算机组件编写脚本代码，包括计算机主板模型分层OnTriggerEnter事件，主板插槽与目标组件的碰撞事件等。以下代码为内存条插槽的碰撞检测代码，主要是为目标添加碰撞检测器，检测目标是否发生碰撞需要。

Void OnTriggerEnter（Collider collider）{

If（collider.gameObject.name=“Memery”）{

Flag = true；

}else{

Flag =false；

}

}

③通过Unity3D控制视差生成

根据偏振3D原理，立体视差的实现需要模拟人左右眼所看到的画面。在Unity3D的环境中，两个摄像机可以模拟人的左右眼。人的左右眼间距大致为60mm，因此，我们设置左右摄像机的x轴的初始距离分别是-0.03和0.03，并新建两个plane来投射左右摄像机所拍摄的画面，分别用来表示屏幕的左右两个区域。再添加一个主摄像机来对两个plane进行覆盖。

偏振式3D立体教学课件设计的核心是对交互过程的控制以及理想视差的生成，通过核心代码控制两个区域中组件在拖动过程中产生的视差。当组件进行空间方向上的前后移动时，我们需要专门的公式来处理视差跟组件的缩放比率，使组件在负视差情况下进行相应的放大，并制造“出屏”效果；在正视差情况下进行相应的缩小组件，产生“内嵌”效果 。我们设组件的三维坐标为（x，y，z），计算投影到显示屏上点的缩放比例scale为：

Scale=h/Math.abs（vidiconZ-z）

其中h是我们假设摄像机到屏幕的距离，vidiconZ是摄像机的Z轴坐标，再根据立体视差生成算法，我们可以得出该组件投影到屏幕上的坐标为：

XL=D*X/Z-D*E/2*Z+E/2； YL=D*Y/Z

XR=D*X/Z+D*E/2*Z-E/2； YR=D*Y/Z

通过以上公式变换，我们得到了需要的左右眼的图像组件坐标（XL，YL）、（XR，YR），同时也得到了该组件的缩放比Scale，根据这些条件，可以实现在鼠标移动操作过程中定位左右两个摄像机拍摄区域组件的位置，然后根据键盘按键的方向，确定是否产生正负视差，最终整合成完整的偏振式3D立体教学资源。

四、结论

偏振式3D立体虚拟现实技术为学习者实现立体互动、空间感知的学习提供了条件，并为职业院校培养高素质劳动者和技能型人才创造了可能。然而，在职业教育教学资源设计过程中，设计合理、高效的教学资源来开展互动学习仍然是一项具有挑战性的任务。本文将偏振式3D虚拟现实技术应用于职业教育教学资源设计工作中，为职业教育教学资源设计与开发提出了一种新的尝试。学生利用偏振式3D立体教学资源进行学习，不仅可以感知学习场景的空间纵深度，还可以实现组件上下左右移动、放大缩小、360°全方位观察等基本操作。且能通过键盘方向键来控制空间上的远近操作，提高该课程的实际动手能力，激发学生的学习兴趣。

教学资源有效性研究是考量职业教育教学质量的主要途径，未来对于教学资源的研究，应在偏振式3D立体虚拟现实技术教学资源设计的基础上，更加注重资源的有效性研究。

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（编辑：鲁利瑞）