裸眼3D视频的教育应用研究

姜艳玲，邓彩红，孙站英

(天津师范大学 教育科学学院，天津 300387)

裸眼3D视频的教育应用研究

姜艳玲，邓彩红，孙站英

(天津师范大学 教育科学学院，天津 300387)

在介绍裸眼3D视频相关概念的基础上，简介了4种常见3D显示技术的教育应用特点，并通过设计实验和分析美国两个典型的裸眼3D视频教学实验案例，发现裸眼3D视频在创设身临其境的学习环境和提高学生在教学过程中的参与度方面有较好的成效，进而总结了裸眼3D视频应用于教育的优势，论证了裸眼3D视频在教育中应用的价值所在。

裸眼3D技术；3D视频；裸眼3D视频

3D技术就是利用三维立体形态呈现视觉图像[1]，目前主要分为眼镜式3D技术和裸眼3D技术。裸眼3D技术弥补了眼镜式3D技术容易造成观察者视觉疲劳的劣势，没有了眼镜的束缚，观察者可以更加轻松地看到生动立体的影像，从而获得更加震撼的视觉体验。

据统计，韩国、日本、荷兰、中国、美国等地区掌握了裸眼3D显示技术领域的绝大部分专利；通过对全球裸眼3D显示技术主要申请人数据分析，可以发现众多影像显示行业公司都投入了该领域的产品研发[2]。由于3D显示技术通常带给人们更真实、更精细、更震撼的视觉感受，因此在广告、影视、游戏、工业设计、建筑设计、辅助教学、多媒体制作等领域均有广泛应用[3]。

有关提高教育教学标准和质量方面的研究表明，在课堂上使用3D视频，会使学生更专心和快速地理解新知识，提高课堂学习效率。教育专家伯纳德·迪金森提出的3D学习解决方案能够在很大程度上提高在线教学效果，对学生学习技能的培养很有裨益。3D视频技术以其在知识创新、深度学习、虚拟实验及技能训练等多个教育教学方面的优势，已经发展成为一种重要的教育应用创新的技术支撑，并为教育教学提供了新环境、新平台、新资源、新工具和新范式。但是我国对裸眼3D技术的研究起步较晚，很多方面的研究还不成熟，有必要对裸眼3D视频在教育教学中的应用进行研究。

1 裸眼3D技术与裸眼3D视频概述

3D技术特指基于电脑/互联网的数字化3D/三维/立体技术，即三维数字化[2]。3D技术是虚拟现实、实时仿真和交互三维设计结合产生的关键技术，包括3D显示技术、3D虚拟现实技术和3D打印技术[3]。

3D显示技术指的是通过光学技术、计算机技术、微控制技术、微电子技术等还原出已获取的二维平面图像中内容的深度信息，并以三维形式展现出来，从而真实再现物体，更具有真实感。3D显示技术通过让双眼感受到不同画面，从而实现立体显示，主要包括两个种类：利用辅助工具来实现3D显示和不利用辅助工具来实现3D显示，即俗称的裸眼3D技术[4]。

3D视频是利用两台虚拟摄像机在三维虚拟场景中进行拍摄的视频，采用的是双视点拍摄[5]。3D视频在观看时需要搭配特定的眼镜将两路信号分别送入观看者的双眼[6]，长时间观看容易恶心眩晕，视频观看的舒适度大大降低[7]。

裸眼3D视频一般是在虚拟3D场景中以平行摄像机阵列或汇聚型摄像机阵列搭建多台摄像机进行拍摄的视频，采用的是多视点拍摄[7]。在观看裸眼3D视频时观看者不需要佩戴特定的眼镜，利用多视点显示器就可以观看视频，适用于不同的应用环境，观看的视角范围相对广阔，使观看者更有身临其境的感觉。

目前，裸眼3D技术与裸眼3D视频以其独具的特点和强大的优势越来越多地被应用于各行各业中，其中教育教学领域的应用更具魅力。

2 3D显示技术及其教育应用

目前常见的3D显示技术有摆动立体图技术、红蓝立体技术、偏振光3D技术、3D Vision技术[8]。

2.1 摆动立体图技术

Wiggle Stereoscopy翻译为“摆动立体图”。这种技术不需要观察者配戴眼镜，而是利用人眼的视觉暂留现象，通过观察两幅快速交替出现的图片来获得一种景深效果，在普通屏幕上让观众感受到图片的立体效果，实质上是一种“模拟的3D图片”。这种立体图技术不需要任何额外的设备就可以获得模拟的立体效果，并且有研究发现，在上课时使用3D图片，学生表现得更好，更专心并且更快地吸收新的概念。这种图片在互联网上能够搜集到，但是很零散，没有系统性，而且晃动厉害，长时间观看之后眼睛不舒服。这种技术虽然投资成本小，但是并不适合在学校教育教学中推广。

2.2 红蓝立体技术

这种3D显示技术的应用配置也比较简单，普通的显示器加上一副红蓝眼镜就可以让观察者体验到立体的效果。近年来网络上出现了很多可用于教学的3D视频，其中有一些视频具有一定的教育价值，可以直接应用于课堂教学。

3D视频在互联网上易于获取，提高了这种技术在教育教学中的可用性。但学生需要佩戴红蓝眼镜才能观看3D图片或视频，因为色差的关系会造成头晕目眩等不良反应，造成诸如卫生风险、课堂上小组讨论问题时眼神交流不便和近视的学生需要戴两副眼镜等方面的问题[9]。

2.3 偏振光3D技术

偏振光分为线偏振光和圆偏振光，线偏振光要求观察者必须坐的笔直，如果稍有偏转就会看到重影，可视范围有很大局限，而圆偏振光对观察者的姿势和可视角度都没有严格的要求，观众在观看时可以随意扭动头部，而不影响观影效果。偏振光技术目前大量应用于电影院，还被应用到了3D计算机和3D电视中，但是从目前的情况来看，还不适合用来建立3D教室。

2.4 3D Vision技术

3D Vision是一套以电脑为中心，并且包含了软硬件设备、内容和应用的完整的3D系统，能够满足用户、家庭和学校等消费群体的不同需求。在目前的3D Vision系统中，观察者必须佩戴3D眼镜。3D Vision具有优良的性能和技术，而且价位较低，在未来的教育教学中有很大的应用潜力。

3 裸眼3D视频的教育应用分析

李应樵博士曾指出，裸眼3D LCD 显示技术通过以下两种方式支持小学教学：1)以3D多媒体内容吸引学生；2)通过“使对象真实”给学生带来相对“真实”的体验[9]。笔者认为在中小学课堂教学中，如在地理学科中的立体地图演示、物理化学学科的实验演示、生物学科的模型演示和手工课和绘画课中的艺术品演示等，可使用裸眼3D视频：1)可以将抽象的知识具象化，立体展示即将学习的内容，提供“可视化”的概念；2)为学生创设一种身临其境的学习环境，营造一个自然和愉快的学习氛围，提高学生在教学过程中的参与度。

3.1 实验分析

为了验证以上对裸眼3D视频在教育应用中的价值推测，笔者随机选取了天津市某小学六年级的学生，针对科学学科教学中《探索宇宙》知识点，分别开展了持续时间相同的2D和3D教学实验。在教学过程中，笔者根据课堂观察量表观察并记录学生的课堂参与度。

笔者要求实验组学生的老师在教学中播放了一个长约 6 min 30 s的名为《已知的宇宙》(如图1所示)的裸眼3D视频，然后结合课本内容进行课堂教学，最后对学生进行提问。在对照组中，教师主要通过演示相关的包含一系列图片和文字的PPT教学资源进行课堂教学，最后也对学生进行提问。

图1 《已知的宇宙》裸眼3D视频截图

实验组的18名学生在课堂提问环节每个学生都积极举手回答问题，其中有12名学生举手超过3次，学生的课堂参与度为100%，积极发言的学生占总人数的67%，发言的5名学生回答的准确率为80%，并且能够在教师所讲的内容的基础上形成比较完善的观点。相比而言，对照组的18名学生只有6人举手回答问题，其中只有一名学生举手两次，发言的5名学生回答的准确率仅为40%，也没有形成比较完善的观点。

在课堂教学中，实验组的学生在观看教学视频时能够保持长时间的注意力，完全沉浸在对视频的学习中，并且在视频播放完之后，也能够积极主动地参与到教师后续的教学中。而对照组的大部分学生仅能够在课堂开始的前十几分钟保持注意力集中，仅有少数同学与教师互动。课后笔者对实验组学生进行了调查，他们明确表示，这种视频比一般的视频观看起来更加生动立体，获得了更加震撼的视觉体验。 这主要有3个原因：首先，《已知的宇宙》裸眼3D视频利用画面多角度的切换立体展示了宇宙的微观和宏观的景象，将宇宙这一抽象概念具象化，与2D教学相比，降低了学生的认知负荷；其次，《已知的宇宙》裸眼3D视频为学生营造了一种身处宇宙中的氛围，吸引并保持学生的注意力，使其积极参与教学活动；最后，能够帮助学生迅速理解所学知识，并建构自己的知识体系。

3.2 案例分析

我国在3D技术方面的研究起步较晚，与欧美国家相比关于3D技术的教育应用研究的实验少或者典型性差，因此，笔者在美国巨石谷学区和谢尔顿学校已完成的实验中，选取了两个典型的裸眼3D视频在教育中的应用实验[8]，对裸眼3D视频教育教学应用价值进行了进一步的探究。

在美国巨石谷学区的实验研究中，一些四年级的老师积极使用3D仿真课件库(Classroom3)中的3D视频教学资源，让学生自己探索太阳系，在学习过程中学生们都非常投入，并且能够开展讨论，主动探索发现，以多种方式互动学习。最重要的是通过比较课前和课后的简单测试结果，发现学生的成绩提高了50%以上，每一个学生在课后测试中都有进步。巨石谷学区的众多教学实验都证明了将裸眼3D视频应用于教学是非常有价值的，这种全新的教学体验无疑会大大提高学生的学习效率。

在谢尔顿学校开展的实验教学过程中，学生们踊跃参与，非常专心，借助这些形象真实、生动易懂的3D视频教学资源，学生可以更加容易地理解数学中的一些抽象概念。在课程结束后的测验中，发现学习过3D视频课程的学生考试成绩与之前相比得到了明显提高。五六年级的教师对3D视频教学给予高度的评价，他们认为这种教学方式比交互式平板教学效率更高，这种教学方式容易抓住学生的注意力，创造出一种沉浸性的环境。通过清晰生动的视频演示，学生可以学到更多内容，并且记忆更加深刻。

可见，观看裸眼3D视频的过程中，学生会不自主地被生动立体、动态变幻的画面深深吸引，不仅能够帮助学生保持较长时间的注意力，更重要的是学生会以强烈的主体精神和积极主动的态度进入学习过程以及其他与学习有关的过程，感受、观察、思考、建构自己的知识结构[10]。

4 裸眼3D视频应用于教育的优势

鉴于以上实验测试及案例分析研究的结果，裸眼3D视频的教育应用优势主要体现在以下3个方面。

4.1 在构建学习环境创设学习情境方面的优势

裸眼3D视频能最大程度地构建获得直接经验的学习环境，为学生创设易于主动参与体验学习过程的情境[10]。首先，裸眼3D视频呈现的教学内容对学生有很强的吸引能力，视频资源的震撼力、情境性，有助于降低学生的认知负荷。这种沉浸式的学习环境，能使学生在学习的过程中体会到更多的学习乐趣，并且能够较长时间保持注意力，学生可以学到更多的内容，记忆也更加深刻。其次，裸眼3D视频作为探究工具和学习伙伴，其真实感和操作性较之以往的教学媒体有很大的优势，学生更容易投入学习过程，并且能够主动探索发现、开展讨论，以多种方式互动学习。最后，裸眼3D视频构建的学习情境，能够促进学生身心大脑高度参与学习过程，完成学生自身的知识建构过程[10]，并且学生也乐于发表自己的观点，真正提高了学生的课堂参与度，提高学生的学习成绩和学习效率。

4.2 信息展示方式方面的优势

较之以往的2D教学资源，裸眼3D视频提供了更加立体、逼真的效果。虽然三维动画也能够很好地建立空间感和立体感，但是其创造的课堂沉浸感和真实感明显不如裸眼3D视频的效果。虚拟现实技术所创造的课堂交互性、沉浸感、实时性和真实感也很优秀，但是这些效果的实现需要配备数据手套和和数字头盔等一系列价格昂贵和装配麻烦的设备，一般的学校负担不起，这也是虚拟现实技术不能在学校教学中推广的原因之一。在教学中使用裸眼3D视频，可以改善由于危险性或学校设施局限部分实践环节无法开展的局面；在条件允许的情况下，学生可以课后在家中或其他地方观看裸眼3D视频继续学习。加之裸眼3D视频全方位的交互性、真实的沉浸感、设备的简洁性和较低的成本，使裸眼3D视频在教学中具有更广泛的应用潜力和更高的应用价值。

4.3 实验教学方面的优势

首先，学生上课的时间固定，教学活动基本在学校开展，由于时间和空间限制，部分实践活动没有机会开展，通过观看裸眼3D视频，学生可以更进一步地学习有关知识。其次，少量的价格昂贵实验设备不能供学生全面使用，甚至不能操作。最后，在某些实验环节中，存在各种危险隐患，在传统教学中多数以演示为主，学生无法直接参与，因而不能形成对该实验的感性认识。在以上两种情况下，裸眼3D视频，尤其是具有交互功能的裸眼3D视频能够表现出独特的优势。学生足不出户便可以做各种各样的虚拟实验，也不用考虑各种危险的或对人体有危害的实验带来的伤害。在这些情况下，获得与真实实验一样的体验，从而丰富对这些学习内容的感性认识，也提高了学习兴趣，增加了学生学习的深度与广度，从而加深对教学内容的理解。

总之，裸眼3D视频能最大程度地构建获得直接经验的学习环境，为学生创设易于主动参与体验学习过程的情境[10]。裸眼3D视频立体展示了教学内容，将抽象的知识具体化，降低学生的认知负荷，提高学生的学习能力。在时间和空间上对教学进行了扩展，具有强大的交互功能，让学习者产生一种身临其境的感觉，使学习者真正成为教学过程的参与者。

5 结束语

由于国内关于3D技术的研究起步较晚，因此研究裸眼3D视频的文献还比较少。但是国外大量的教学实验研究已经表明裸眼3D视频对教育教学改革有着重大意义。现在，国内积极开展此方面研究，将裸眼3D视频更多更好地应用到教育教学中，可以提高教育教学水平，优化教学过程，培养学生的创新意识，提高学生的创新能力，给当今的教育教学注入新鲜的血液。

但是由于制作3D视频的投资大，成本高，以及相关技术和实践的缺乏，用于3D电视、互联网、3D手机等3D小型播放终端的3D作品片源匮乏，其中有教育价值的裸眼3D视频资源更可谓是凤毛麟角。因此要想更好地将裸眼3D视频应用于教育，开发其教育应用方面的价值，必须提高普通2D视频转3D视频的关键技术，同时借鉴国外的裸眼3D视频拍摄的先进技术，将小成本裸眼3D拍摄技术作为研究重点，创新国内的拍摄技术。当今裸眼3D显示技术的研发和市场应用正以飞快的速度发展，随着科研技术的不断进步，必将突破现有的瓶颈，从而提高裸眼3D视频在教育中的应用价值。

[1] 韩金荣，王菊芬.裸眼3D显示_技术成就未来[J].技术集锦，2013(9)：56-58.

[2] 李萍，宋海彬.裸眼式3D电视离我们有多远？——裸眼式3D显示技术专利申请人及申请区域分布状态[J].电视技术，2012，36(S2)：12-13.

[3] 王娟，吴永和，段晔，等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015,(1)：62-71.

[4] 郭娟，蒋路帆.裸眼式3D电视离我们有多远？——裸眼式3D显示技术专利申请发展态势分析[J].电视技术，2012，36(S2)：10-11.

[5] 姚李俊.裸眼3D技术在动画中的应用研究[J].品牌，2014(12)：143-144.

[6] 郭冠军.裸眼3D视频转换技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[7] 李丽柏.3D技术原理及发展状况和前景[J].无线互联科技，2013(11)：162.

[8] 赵大泰.3D显示技术及其教育应用[D].西安：陕西师范大学，2011.

[9] 李应樵.裸眼3D电视的优势与未来发展[J].电视技术，2014，38(22)：76-77.

[10]李蕾，王健，曹俊.3D影响资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011(2)：77-80.

姜艳玲，副教授，硕士生导师，主要研究方向为数字媒体技术；

邓彩红，硕士生，主研远程网络教育；

孙站英，硕士生，主研远程网络教育。

责任编辑：许 盈

时代华影全力打造影院裸眼3D媒介系统

随着科学技术的日趋高速发展，中国3D影视市场近年来呈现爆发性增长，人们对硬屏显示的要求也越来越高。多年来，许多企业和研究机构致力于荧屏显示技术的创新研究，使荧屏显示技术由原始普通的平面显示、液晶显示、立体显示发展到今天，已开发出了不需佩戴立体眼镜的3D裸眼显示技术。而硬件设备飞速的发展，使3D影视内容的崛起也异常之快。

时代华影拥有国内影院系统设备供应80%的市场份额，近期正在全国400余家影院投放42 in(1 in=2.54cm)全高清裸眼3D显示屏进行影院3D媒介系统的建设，全力打造裸眼3D应用新的商业模式，具时代华影董事副总裁周永业透露，该系统总计划设立3 000个3D裸眼媒介点，除了自身拥有的影院资源外，也正在与国内一批知名的3D产业公司进行洽谈合作，目前在硬件方面与广州朗辰、上海易维视、重庆卓美等达成了合作共识，在内容制作和商业运作方面已与华南唯一一家立体实拍单位立体互联达成了合作意向，不久将签订合作协议，共同打造裸眼3D产业链和生态模式，为裸眼3D产业的发展助力。

Research of Education Application about Naked Eye 3D Video

JIANG Yanling, DENG Caihong, SUN Zhanying

(CollegeofEducationScience,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China)

Based on the introduction of the related concepts about naked eyes 3D video, the application feature of four kinds of common 3D technology in education are all introduced. By designing the experiment and analysis two typical naked eye 3D video teaching experience in America, it is found that the naked eye 3D video has good effect in creating the immersive learning environment and improves the students’ participation in the teaching process. Finally, the paper summarized the advantages of naked eyes 3D video in education, and demonstrates the value of naked 3D video in education

naked eye 3D technology; 3D video; naked eye 3D video

【本文献信息】姜艳玲，邓彩红，孙站英.裸眼3D视频的教育应用研究[J].电视技术,2015，39(13).

天津市艺术科学规划项目(A14079)；天津师范大学教学改革项目(2013015)

TN948

A

10.16280/j.videoe.2015.13.027

;2015-05-08