基于虚拟现实技术的人文类电视课程的开发与应用

李 帆，王 宇

(陕西广播电视大学，陕西 西安 710119)

随着虚拟现实技术日趋发展与成熟，其应用领域变得越来越广泛。虚拟现实技术创建了与现实社会类似的环境，解决了学习媒体情景化及自然交互性问题，是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具应用前景的“明星”技术[1]。将虚拟技术应用于人文类电视课程教学中，能更加生动地展现教学内容，充分调动学生学习的积极性，有效突破当前人文课程纯理论知识的单调教学模式，为电视课程提供了更丰富有效的学习资源。基于此，将虚拟现实技术融入到人文类电视课程的开发和应用中，实现优质学习资源的共享，对人文课程教学具有重要保障作用。

1 虚拟现实技术的相关发展概述

1.1 虚拟现实技术的概念模型

虚拟现实技术主要是指利用计算机生成的一种虚拟的、交互的三维动态场景，能让用户仿佛置身其中，具有身临其境的体验，因此有时候也称之为临境技术。该技术涵盖了图像生成技术、自动控制技术、电子信息技术、智能传感技术以及动态的交互技术等，实现对真实环境仿真的一种新型技术，目前在医疗卫生、军事训练、工程建筑以及科学教育等诸多领域[2]。虚拟现实技术的概念模型如图1所示。在该模型图中，虚物实化和实物虚化技术是该系统最为核心的部分，一般情况下还包括了诸如检测模块、传感器模块、反馈模块以及控制模块和建模模块等几个主要的部分。

图1 虚拟现实技术系统概念模型

1.2 属性特征

沉浸性、想象性以及交互性是虚拟现实技术最基本的三个特征。

(1)沉浸性，有时也被称为是临场感，其主要指的是在虚拟情境中用户角色的转变，由传统的被动观察者转变为主动参与者，并且在这个过程中自身融入虚拟情境中，通过听觉、视觉以及触觉等自身的感官产生一种身临其境的体验。沉浸性的产生主要是源自用户对于虚拟情境产生的感知和体验。

(2)想象性，该特性主要是指用户将真实的情境想象勾勒到虚拟情境中，在多维的信息空间中用户根据自己的认知、感知能力，发挥自身的主观能动性获取知识以及锻炼技能。虚拟情境大部分是根据人的想象力虚拟而来，这跟设计者的思想有很大的关系，因此也可以用来实现一定的目标。比如根据自身的某些经历或者是在现实生活中的尚未发生、已经发生的某些事情虚拟成一定的情境，人们在这情境里进行一定的探索、研究和创新[3]。

(3)交互性，交互性主要是指用户可以跟虚拟情境中的对象进行一个实时的交互互动，在这个过程中虚拟情境中的对象也可以根据用户的行为作出相应的反应动作。其主要有以下三个特点：人机交互的有效性、实时性以及人的参与和反馈。

2 基于虚拟现实技术的人文类电视课程开发的意义

将虚拟现实技术应用于人文类电视课程开发，将技术和艺术进行有效的结合，利用虚拟现实技术的“感知性、临场性、交叉性”，有助于增强课程的实践性，极大程度满足学习主体的参与感、临场感，从而提升学生学习的积极性和主动性。

目前，对于人文类的电视课程相关的学习资源比较匮乏，在学习的过程中仅靠文字教程描述显然无法满足当今时代发展需求，而且在相关的教材中对于一些图像或者图形的解释都比较欠缺，这对于学生们的学习造成了非常大的困扰[4]。

虚拟现实技术能够为学习者提供和创设生动、逼真的交互式学习环境。人文素养教育离不开审美，而审美感知往往又比较抽象。虚拟现实通过场景还原，让学生在虚拟学习环境中完成角色扮演，身临其境地感受人文和历史文化。虚拟场景中创造了“自主学习”情境，这对于传统的教学模式起到了极大的冲击作用，真正地让学生实现了从被动到主动。并且，虚拟现实技术可以给原本枯燥的电视课程教学带来更加丰富多彩的信息，诸如可以用形象的三维信息来取代比较抽象冗长的文本，可以用形象生动的动画来描述曾经难以理解的知识点，极大地丰富了传统教学的方法和内容[5]。

3 基于虚拟现实技术的人文类电视课程设计与开发

3.1 开发平台的选择

人文类电视课程一般数据的处理比较大，而且需要频繁的实现数据的交互处理，因此开发平台选择Virtools Dev，其主要的优势有以下几个方面：(1)Virtools具有全三维的开发环境，其三维引擎也已经是被微软认可的操作系统，可以通过交互方式将可视化的文件格式进行有效的整合，比如三维模型构建、二维图形或者音效的处理等等。并且该平台具有强大的编辑功能以及非常灵活的开发模式，可以广泛地运用在数字影视艺术、三维游戏以及虚拟博物馆、交互多媒体等诸多应用领域[6]。(2)在3D互动展示等方面该平台技术非常强大，其主要的组成部分包括动作引擎、Web播放器、应用程序、软件开发工具包以及渲染引擎等。(3)该开发平台除了自身的3D虚拟开发工具以外，还包括了物理属性、网络服务器、游戏开发、人工智能以及沉浸式的开发平台等部分，这为虚拟技术电视课堂的功能实现及技术开发提供了有效的基础保障。(4)该开发平台具有直观式的图像图形开发接口，内部大约包括了600多个行为模块，为复杂程序的开发实现提供了较大的技术保障，对于相关设计开发人员来说能根据自身的实际需求设计满足特定功能的交互模块。另外，该开发平台还可以让设计人员通过拖拉的简单方式将需要的互动行为模块赋给适当的对象上，用流程图的模式处理行为模块，最终形成一个完整的交互式虚拟世界[7]。并且在背景方面也可以满足相关的设计需要，这样就可以实现程序设计人员和3D美术设计的良好分工、合作，能够极大的缩短整体的开发流程，有效的避免程序代码的编写以及繁复冗长的动态交互设计。(5)该开发平台最大的特色就是不但可以编译单个的可执行文件，而且还能将作品输出成网络浏览的格式，这样能够方便进一步的进行编辑或者将作品输出成网络浏览的模式来进行互动式的虚拟现实。

3.2 设计开发过程

基于虚拟现实技术的人文类电视课程在设计开发的时候离不开模型的构建环节，对于虚拟现实情境的交互以及造型等方面的构建都是通过以静态的虚拟现实情境或者造型为设计的基础环节，因此，虚拟现实技术的开发一般都可以分为以下三个部分：VRML场景开发、动画控制开发以及交互操作。

(1)对于VRML场景的开发过程，要想实现虚拟现实技术最根本的就是开发VRML场景，对于人文类电视课程中虚拟情境要想有较高的逼真度,离不开场景以及造型的设计开发，而几何节点、组节点、造型节点、光源节点以及坐标转换节点等都是比较重要的部分[8]。首先要设置合适的坐标系，并构建相应的背景颜色。在虚拟情境中，由于不同的造型都具有自己单独的坐标系，因此为了能够体现对象的真实背景必须构建统一的坐标系，这样才能进行虚拟对象的造型构建。可以通过改变角度来实现颜色的变化，因此对于虚拟造型的颜色变化可以通过改变坐标弧度来实现。坐标弧度转换表如表1所示。

表11 坐标弧度转换表

角度030456090弧度00.530.791.051.57角度120135150180—弧度2.102.362.623.14—

(2)其次是要构建几何和物理模型，一般情况下，在构建模型时先应该构建其几何模型，这样就能够确定其几何元素以及空间位置，在构建几何模型时要根据虚拟情境的各个部分之间的结构关系，这有利于确定其树状层次结构图并提高最终几何模型的构建效果。

(3)最后就是关于行为的建模，这主要是为了增强虚拟环境的逼真性和真实感。行为建模主要是指描述运动物体的行为，通过几何变换来描述这种运动，比如线性插值或者非线性插值等等。

3.3 动画控制开发

一般情况下，可以通过TimeSensor时间传感器控制动画的时间来创建VRML动画，可以将前期设定好的动画关键值和时间关键点传给位置插补器，这样就能够实现场景造型位移的效果。为了产生场景造型旋转的效果，可以将前期设定好的两个关键值传输给朝向插补器。

3.4 交互操作

交互操作主要是指提前编辑好交互节点，并对虚拟场景中的物体进行移动变换。在实际开发过程中，一般是利用触摸传感器和平面传感器节点来移动控制虚拟对象。虚拟对象一般是通过定义节点的方法来实现任意角度的自由旋转，在这个过程中，随着角度的变化就会引起不同的视觉效果，因此为了提高视觉逼真的效果，可以通过设置数量多的不同的视点[9]。通常情况下，可以设定3～4个不同的节点来实现视点之间的交互切换。当前虚拟现实技术的开发平台比较多，比如常见的Flash、Cult3D以及VRML等，在人文类电视课程开发的过程中根据其独特的特点，要选择合适的开发工具，这对于能否完成既定目标是非常重要的一个环节。从电视课程教育这个层面来说，相关的开发软件必须具有高效、快捷的交互性；其次是具有较好的易用性和可扩展性；从学习环境来说要具有一定的先进性。

3.5 案例分析

(1)画面的表现形态，在人文类电视课程中的画面再现经常会用到以下几个表达形式：场景再现、局部暗示、模拟历史人物的主观视野等。在人文类电视课程中场景再现是经常用到的一种描述历史人物生活环境的方法，主要是指在符合历史原貌的前提下，通过虚拟现实技术恢复当时真实的历史环境，让观众切身实际的感受当时的历史氛围。这种模式主要是为了渲染节目的历史背景，能够顺利的把观众带到所需的历史时空中。比如在《复活的军团》中，出现上万名的秦国士兵，用当时秦国人的先进攻城武器进行打斗的历史场景，这种情形下，历史场景的重现可以将现实和局部的细节进行结合，能够完整的呈现当时的历史场景，给观众非常真实的体验。

(2)声音的表现，在人文类电视课程中声音和画面的有效结合是非常关键的，因此必须处理好声音的再现部分，包括音乐、音响的真实再现以及语音的真实再现两个主要部分。比如中央电视台的人文纪录片《清宫戏文录》，其内容主要是讲述了梅兰芳会议自己最后一次“进宫”演出的情景，演唱的是《牡丹亭·游园惊梦》，在片尾时伴随着袅袅如丝的唱腔，电视镜头逐渐的从深宫的庭院中淡出，然后宫门关闭，配合古典的丝竹庆典音乐，让观众感受到当时的历史文化。

(3)关于历史的再现，在历史系列的人文类电视课程中，很多时候都会如实的反映事物的全貌，因此在设计的过程中必须遵守历史真实叙事事实。据调查发现，人类对于接受信息量的80%以上都是通过视觉，对于一部人文类的记录电视课程如果没有相关的图像材料作为表述支撑，那么观众很难获得鲜活的信息，因此可以通过虚拟现实技术将历史真实地再现在观众眼前，让观众产生身临其境的切身感受，这是普通文字材料远远达不到的传播效果。

综上所述，随着时代的发展，人们对于虚拟现实技术的研究已经取得了丰硕的成果，特别是将电视课程技术与之结合对于改善传统教学模式起到了极大的推动作用。本文主要研究了通过构建相应的模型，开发场景、动画以及相关的交互操作，实现虚拟电视课程的开发应用，为未来的开发和实践提供了一定的参考价值。