虚拟现实技术课程建设中的局限和应对之道

徐志平

（复旦大学 计算机科学技术学院，上海 201203）

0 引言

美国VPL公司创始人Jaron Lanier于1989年创造的虚拟现实（Virtual Reality，VR）这一概念，是利用高性能计算机技术产生让人身临其境的虚拟环境[1]。在这种虚拟现实环境中，一般通过使用头戴式显示器、传感器头盔和数据手套，让人们视觉感知、听觉感知和触觉感知就像在真实世界中一样。头戴显示器主要涉及三维技术、传感器技术、模拟技术以及并行技术的整合使用，而传感器头盔和数据手套主要涉及人工智能技术、传感器技术、模拟技术以及多传感器技术的整合使用。虚拟现实技术以往主要用于军工以及航天等领域，其目的是通过虚拟现实环境的低成本可重复性减少高成本的意外损失。如今，随着虚拟现实技术门槛的降低，VR设备以及技术逐步在教育领域得到普及和应用，为广大学习者带来一种新的知识获取形式[2-3]。

随着虚拟现实技术的不断发展，学校于2009年开设了虚拟现实引论课程，该课程安排16周的教学时间。开设该课程的目的是让学生提前了解虚拟现实技术，初步了解虚拟现实涉及的技术环节，为以后从事这一领域作一定的准备。针对虚拟现实内容创作的流程，笔者开发了相应的课程内容，但在课程建设过程中，笔者发现VR技术的教学普及受到5个方面的影响。

1 虚拟现实技术课程建设中的局限性分析

1.1 VR设备价格上的局限性

VR设备的价格对VR设备的普及来说是不可逾越的障碍。事实上，如果VR设备的价格高于普通大众能够承受的能力，无论它再怎么优秀，也会影响它的最终普及。目前市场上VR产品的数量达到几百种，如CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）等专用的虚拟现实系统价格高达几百万人民币。在军事演习或航空航天专业领域，这种价格可以承受，但在教育领域就非常昂贵。这就是VR设备在价格上的局限性。

1.2 VR设备性能上的局限性

虽然目前市面上也有廉价的基于智能手机的VR产品，但其使用手机本身的陀螺仪作为VR的姿态输入，且由于手机本身分辨率一直徘徊在14ppd（pixel per degree，像素每度，是指一度所包含的像素），远小于符合人类视觉需求的“视网膜”级别（60ppd）体验，因此目前大部分基于手机的VR产品都会产生一些纱门效应。纱门效应指的是在像素不足的情况下由实时渲染引起的高对比度边缘上的分裂闪烁。大多数智能手机现在配备了一个1080P全清晰度屏幕，看起来远远超过视网膜屏幕的分辨率，但是它的屏幕经过VR眼镜上的光学透镜放大后，由于手机屏幕分辨率不够高，在放大过程中像素会明显具有点阵效应。加上VR内容需要分别传递到左右眼，因此手机的屏幕又要分割成一半，使单眼的分辨率又减少一半。另一方面，由于手机设备处理能力有限导致的画面延迟，会引起VR使用者的晕动症。在虚拟现实设备中，这种延迟必须控制在20毫秒内，用户不会因延迟而产生眩晕。由于技术和设备的限制，市场上基于智能手机的VR设备在20毫秒内无法做到实时画面更新，这就是便携VR设备的性能局限性。

1.3 VR设备空间上的局限性

基于PC连接的显示性能出色的VR设备至今仍然需要通过有线与PC相连，例如Oculus Rift和HTC Vive 头戴式显示器需要与具有高性能图形卡的PC连接。这其中牵扯到大量的线缆链接，VR使用者在使用过程中必须小心这些线缆，以免被线缆缠绕或者被线缆绊倒。HTC Vive的最大可追踪空间为3.5米×3.5米，而Oculus Rift的最大可追踪空间为2.5米×2.5米，并没有达到人们期望的随时随地使用VR的要求，这就造成了VR设备操作的空间局限性。

1.4 VR设备在心理上的局限性

VR环境具有较高的沉浸性，丰富的三维立体环境对于用户的视觉冲击是极大的，但是VR内容的可交互性与现实世界的教学内容尤其是书本内容的低可交互性形成了强烈的反差，可能会给VR使用者带来心理上的落差，使VR使用者偏向沉迷于虚拟环境而对现实世界内容产生消极态度，这种情况反而会影响VR使用者对知识的学习和吸收。

1.5 VR内容创作技术培训机制的局限性

当前缺乏持久的、不断跟随技术进步的VR内容创作以及相关人员的培训机制。VR产品及其技术是不断更新的，这就对虚拟现实的内容开发提出了诸多要求。不同的VR头戴显示设备，甚至是同一家公司的不同类型的VR头戴显示设备，需要不同的代码来实现对VR设备的控制，这给虚拟现实内容开发人员带来不小的挑战。

VR内容的创作和游戏创作有一些类似，都需要经过内容构思、模型构建、材质纹理构建、动画和骨架装配、灯光设计、特效设计以及代码设计等步骤。有的步骤可能比较简单，甚至省略，但大体上流程是差不多的。唯一和游戏创作不同的是，需要虚拟现实甄别出虚拟现实环境中参与者真实的小范围移动还是在虚拟环境中的大范围位移。由于前文提及的VR设备空间局限性，一般采用传送（Teleport）的方式解决。但这种方式对便携式的虚拟现实设备带来频繁的内容刷新的需求，对便携式设备的性能和电池续航能力提出了不小的要求，也对虚拟现实内容开发人员优化代码和优化三维模型提出了一定要求，而这些需求的满足往往需要经过一段时间的培训和试错。

在模型构建环节，因为虚拟现实设备的特殊性，需要对模型的三角面片数进行适当的优化，这种优化需求最好在建模的初期就考虑进去。同时，由于模型的优化对材质纹理提出了较高的要求，利用高质量的材质纹理来抵消模型优化造成的模型细节的丢失，而材质和纹理的创作和管理又不是一朝一夕之功，需要大量的积累。创作人员需要不断地熟悉纹理创作工具（例如PhotoShop、GIMP、Substance Painter等），这也需要对相应人员进行持续不断的培训和试错。

在动画和骨架装配环节，需要创作人员熟悉物体的简单运动、IK运动、生物的肌肉运动，而这往往需要大量时间的培训和积累。特效设计环节更对内容创作人员的创造能力和特效的熟练掌握能力的考验。在当前的技术条件下，特效主要包含两个领域：一个是基于Shader的特效，另一个是基于粒子系统的特效。这两个领域每年都有新的技术出现，需要内容开发人员不断、持久地跟进新技术，而最后的代码设计环节，更对开发人员提出了持久学习的要求。虚拟现实技术每几年就会更新一次，需要不断更新代码以适应新的技术，这对代码开发人员也是一种持久的挑战。

2 课程建设中的应对之道

针对价格、空间和性能的局限性，我们选择HTC Vive Focus头戴式虚拟现实眼镜作为主要硬件设备。VIVE Focus搭载骁龙835移动平台，在性能方面算得上一个“性能怪兽”。其采用分辨率为2880×1600的OLED屏幕，刷新率为75Hz。VIVE Focus的显示效果在VR一体机中已是顶级水准，比手机眼镜盒产品的屏幕细腻度更好。VIVE Focus内置高精度九轴传感器与距离传感器，采用六自由度大空间追踪技术，与其配套的操控手柄同样内置高精度九轴传感器。VIVE Focus是一款真正的独立设备，而VIVE与VIVE Pro等虚拟现实设备需要购置高配置PC才能使用。Focus在售价上与835旗舰手机类似，无需在硬件上进行额外投入，这也是目前用于解决设备价格、空间以及性能局限问题的综合最佳硬件方案。

针对内容创作培训机制的局限性，从构建一个简单的科幻题材的大门为教学样例入手，见图1，教学生使用Blender先进行低多边形建模，对低多边形模型进行UV映射编辑，再以低多边形模型为基础进行模型细分，在细分的基础上增加细节形成高多边形模型。指导学生利用Substance Painter工具结合两种分辨率的模型进行材质和纹理的创作，主要涉及构建模型的漫反射图、法向量图、环境贴图等内容。在此基础上，告知学生如何构建自己的纹理库，如何有效利用网络上别人已做好的免费开源纹理和贴图，以适应日后虚拟现实内容创作中大量的纹理需求。让学生通过给低多边形模型加上高分辨率的纹理贴图，从而达到利用高质量材质纹理来抵消模型优化带来的模型细节丢失的效果，并将该低多边形模型导入Focus头戴式虚拟现实眼镜，让学生观看和评估实际的效果。

图1 科幻题材大门教学样例

针对用户希望在虚拟现实环境中得到丰富内容交互的需求，指导学生用Blender对已建立的模型建立相应的路径动画，同时指导学生利用Blender的导出功能将模型和动画导出到通用的FBX文件格式，并在Unity中加以使用。

针对特效设计环节，指导学生基于Shader结合粒子系统在Unity中学会设计特定的视觉效果，譬如水波、火焰等特效，使虚拟现实的环境更加丰富多彩。在每年的教学过程中，加入新的内容，替换老旧的内容，使学生尽可能接触到最新的技术。

在代码设计环节，以C#作为脚本控制语言，让学生进行学习。通过学习C#，利用C#社区大量现成的例子和优良的代码编辑环境提升学生的编程技能，这种技能的提升对学生而言也是有益的，即便学生将来不从事虚拟现实的内容开发，C#程序设计的技能也能帮助学生在未来的学习和工作中起到很好的帮助作用。

3 结语

通过一个学期的课程学习，学生逐步掌握了虚拟现实内容的开发和制作，开发出了不少优秀的内容，见图2。

图2 学生设计的虚拟现实环境

虚拟现实技术在推广和应用中虽然会遇到种种困难，但作为一项新技术在教育领域的推广，需要教育工作者和技术人员针对虚拟现实技术的特点，发挥虚拟现实技术的长处，用技术和非技术的手段弥补目前虚拟现实技术的短板，从而有效激发学生的学习兴趣，能够更为高效地创建虚拟现实内容，使虚拟现实技术更多、更好地运用于现代化教育教学中，其效果将是难以言喻的。