基于VR技术的实时交互式虚拟教室关键技术研究

程少良

摘要：传统的教育方式时间固定、地点固定，时间性和空间性相对固定，随着电子技术尤其是虚拟现实技术的发展，有望打破这一规律。提出基于VR技术的实时交互式虚拟教室设计构想，设计了可实时交互式的应用VR技术的虚拟教室，通过搭建硬件环境和配置软件资源，构建了不依赖于固定时间和限定地点的虚拟教室，能够让学生有身临其境的感受，师生间也可以有效互动。经实验测试，这种应用了VR技术的实时交互式虚拟教室达到了替代真实教室的效果。

关键词：VR技术;实时交互式;虚拟教室;环境创设

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0213-02

VR（Virtual Reality Technology）又称虚拟现实技术，它依托于计算机强大的仿真建模能力，构建出一个虚拟的三维空间，在这个三维空间[1]中可以放置现实中的一切东西，在视觉、听觉、触觉甚至于嗅觉等感官体验上达到身临其境的效果。虚拟现实技术[2]涵盖了计算机仿真、图形处理、3D显示、多传感器融合、综合信息处理等若干前沿科学，是人工智能领域的最新研究成果。在虚拟现实技术的应用模式上，游乐园、多维体验厅、互虚拟动游戏等专业消费场所已经形成。虚拟现实体验厅成本低，占地面积小。近年来，国内市场如雨后春笋般发展起来，并已在大型商场和办公楼开放。虚拟现实技术可以通过动画或现实生活拍摄向客户再现房产信息，更直观、更真实，能够吸引客户的兴趣。通过引入虚拟现实技术医学治疗可以实现远程的诊断和检查，医学教学可以更直观地展示人体内部构造和疾病成因，为医疗方式的变革提供了技术基础。虚拟现实应用在旅游中可以增加游客的体验，颠覆传统的旅游方式，利用互动平台在虚拟景物中，实现漫游浏览和人文历史全覆盖的导游讲解。

教育领域作为传播知识的重要阵地，依托于虚拟现实技术成熟的技术和广泛的应用，已经具备了实现虚拟教育的条件，数字的虚拟教室[3]将成为一种发展方向。虚拟现实技术搭建的教室，能够将学生的各个感官调动起来，可以全方位显示视频图像和图片，可以感受到学习的内容，其真实性达到了前所未有的高度。这是传统的教学方法无法企及的。

1 实时交互式VR虚拟教室建设方案

1.1 配置实时交互式VR虚拟教室建设所需的软件环境

将虚拟现实技术应用于网络教学和远程教育中，虚拟教室可以为学习者提供一个开放互动的教学平台，既可以实现突破传统教育模式在时间、空间上的限制，扩大教育教学的空间范围和规模，又可以保证充分的教学互动，让学生就像在教室中那樣不懂就问，提高了教学的目的性和接受质量。反过来，教师可以在实时交互式虚拟现实教室中，观察学生的反应，了解学生的领会程度，以便有针对性的实施教学动作，对每一位学习者的学习效果都可以全程掌握，还可以查找历史记录，方便剔除薄弱点。教师可以发起在线考试，对学生的学习效果进行测试、打分，并由计算机分析处理得到学生的综合分数，实现学习者学习情况的评价。

建设一个实时交互的虚拟现实教室，需要准备开发工具和软件素材库以及场景生成等一系列软件，常用的工具软件有3DMAX、Creator、VEGA等，此外还需要教室模型、教具数学建模和数字化教材等功能软件。3DMAX是一款常用的三维建模软件，可以对场景进行渲染以获得更加真实的效果，主要功能是构建出实时交互式VR虚拟教室中所需要的各种物品和设施[4]，因此在虚拟教室的建设中优先选用3DMAX作为教室模型的开发工具。

VEGA是一款视觉模拟软件，可以支持多种数据格式，尤其是提供高效的CAD数据接入和格式转换功能，其提供的界面简洁、兼容、易用且稳定，并且具有完整的C语言应用程序接口，具有良好的人机交互性[5]。因此在设计中应用VEGA完成虚拟现实的实时视觉模拟功能。

1.2 配置实时交互式VR虚拟教室建设所需的硬件环境

虚拟教室的硬件环境包括教师端设备和学生端设备，以及通信处理控制设备。

教师端硬件设备主要包含视频采集设备、声音采集设备、立体显示设备、调用教具控制设备等。侧重点是真实的语音、动作、神情捕获能力和无损压缩传输能力，另外还需要考虑各种教具模型的快速调用与展示。

学生端硬件主要包括头戴式立体视频显示器、三维场景生成显示设备和立体声音输出装置、力反馈传感器、位置/姿态传感器、肢体动作感应手套、触觉传感器、身体运动数据采集设备、语音识别模块、接口控制器、合成眼球运动检测器以及数据处理器等设备。

信息交互功能依托宽带互联网，但是要求传输速率不能低于50Mb/s。

2 实时交互式虚拟教室建设实施方案

2.1 收集建设实时交互式虚拟教室所需的资料和数据

在创建实时交互式虚拟教室之前，必须完成信息收集和整理等准备工作。首先根据虚拟教室的功能需要，选择不同的精度和分辨率作为教室场景。在这个阶段，需要收集和处理的数据主要有：教室的立体模型、教室装饰的布局、各功能模块的外观、仿真桌椅大小和其他物体的摆放位置方案等。有了虚拟教室的空间特征信息后，还需要对教师中所有物品的显示效果进行材质渲染。例如：采集物体的材质特征、纹理和特效，处理场景的特殊要求，增强模型的光照颜色饱和度等。

2.2 搭建实时交互式虚拟教室环境

搭建实时交互式虚拟教室的环境分为两方面工作内容，一是网络环境的构建，实现信息交互的网络通信功能;二是建立实时交互式虚拟教室的三维模型，作为虚拟教室的环境背景。分布式虚拟网络环境的建立主要依靠对现实的高还原度模拟以及宽带网络，高还原度模拟实现了场景的电子化搬移与重建，宽带网络为大数据量的实时传输提供了技术保障，这种实时的、可交互的、全沉浸式的非面对面交流才能得以实现。通过使用头戴式立体视频显示器、三维场景生成显示设备和立体声音输出装置等硬件设备，模拟环境中集成了视觉、听觉、触觉和身体感觉，从而使人们能够通过身体生物的感知系统与计算机电子系统构建的虚拟场景进行交互。分布式虚拟网络环境的创建为学习者提供了一个情境学习环境，在这个环境中学习者可以感受到虚拟场景和人机交互的乐趣。主要流程如图1所示：

实时交互式虚拟教室中的三维建模是为实时交互式虚拟教室环境中的设施建立三维模型，包括桌子、椅子、人、黑板以及在这个虚拟世界中可能遇到的所有物体。使用Creator构建所需的实体模型，选择3DMAX作为主要开发工具，然后渲染场景以增强其逼真感。

首先是课堂内学习和教辅器具的建模。对常规教室中应该有的家具建立数学模型，如讲台、黑板、桌椅等设备和设施，应用3DMAX建立三维模型，然后将这些三维模型分别摆放到教室的适当位置;其次，对运动物体建立数学模型;最后，将学习场景作为背景建立数学模型。

为了逼真还原教室的场景，达到身临其境的效果，需要注意对细节的处理和渲染，令人感觉不到实在一个数字化的虚幻之中，用细节的真实性将人带入一个实实在在的课堂之上。

以上步骤是对虚拟教室的教学主体进行了构建，这些构建好的模型，需要在特定的场景中呈现，这就需要构建背景环境，比如，流水潺潺的河边，亦或青草层叠的山坡专业实时场景驱动工具VEGA可以轻松完成三维模型和窗口可视化展示。只需要将教室的场景、教师与学生的虚拟位置以及视角方向以及光线角度等参数调入，即可完成交互式虚拟教室的建设。VEGA工具同时可以调用立体视觉等传感器工具，完成人机交互操作体验。

2.3 实现的基于VR技术的实时交互式虚拟教室

在创建上述虚拟环境之后，整个系统中集成了涉及的软件和硬件资源。这些资源协同工作还需要接口设备提供一个平台。

接口设备的功能是将实时交互式虚拟教室中的硬件设备连接到一起，使其能够协同工作的专用计算机。头戴式立体视频显示器、三维场景生成显示设备和立体声音输出装置等传感器设备和显示设备，其物理接口形制多种多样，信号定义五花八门，接口设备需要将这些外部设备连接起来，还需要提供一个软件平台，将这些设备中的信号进行时间同步，再传送给相应的输出设备。例如，将教师的声音和手势以及数字教具模型的展示动作同步播放，在学生的头戴式立体视频显示器中显示的是教师的手势和数字教具模型的展示过程，而耳机中发出的是教师的同步讲解，触觉力反馈终端上传来的是数字教具模型柔软的触感，这样才算是实现了实时交互式虚拟教室基本作用。为实现人机交互的环境提供保障。虚拟环境的集成首先是在计算机中实现分布式虚拟网络环境，其次是将三维实体模型和虚拟场景集成在一起。这些关键技术元素实现了关联和交互[6]，并最终以可执行程序的形式提供给学习者。

三维实体模型、虚拟场景和分布式虚拟网络环境，三种要素的相互作用，及时地从虚拟环境中获得反馈，虚拟现实技术可以让参与者在虚拟环境中实现对虚拟环境的实时操控，进而了解自身状态等相关数据。实现在实时的情况下可相互交互的虚拟教室教学行为。

3 实验验证分析

为验证提出的基于VR技术的实时交互式虚拟教室的性能，进行实验验证，采用相同基于VR技术的虚拟教室，不具有实时交互式的类型进行对比实验。为保证实验的严谨性，采用传统教学方法作为实验论证对比，对教学质量度进行统计。其实验验证结果曲线如图2所示。

图2中虚线代表不具有实时交互式的VR技术虚拟教室的教学质量，实线代表具有实时交互式的VR技术虚拟教室的教学质量。其中教学知识吸收程度代表Y轴，教学时间代表X轴。其Y越高则证明吸收程度越高。则根据上图分析可以得出，在相同时间长度下具有实时交互式的VR技术虚拟教室的教学质量占有明显的优势，特别当教学时间大于30分钟之后，教学内容的吸收程度已经开始超过不具有实时交互式的VR技术虚拟教室的教学内容吸收程度。因此，在使用VR技术虚拟教室的教学过程中，要采用具有实时交互式的VR技术虚拟教室，才能拥有更高的教学成效。

4 结束语

现代电子技术的高速发展促成了各种原本不可想象的梦想变为现实，VR技术的应用将枯燥、乏味的课堂变成了可自由探究的学习天堂，拜托了时间、空间、地域乃至内容的限制，为古老的教学行为提供了一种全新的平台。但是，虚拟教室的体验还要深入，教学效果的提升还需要高科技成果的注入，这些都是教育工作者和科技工作者共同持久研究的课题。未来，还将在课件资源、教材數据库的丰富性方面加大投入，让这种实时交互式的虚拟教室在教学中发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 朱福军，郑萌，顾倩颐.VR技术视角下课堂学习环境革新与重构[J].中国教育技术装备，2017（2）：43-45.

[2] 李佳琪.梁应滔有效的商业模式是VR创业者必考命题[J].金卡工程，2017（4）：31-32.

[3] 徐爱春.基于HTML5的实时交互式虚拟教室关键技术研究及实现[J].计算机时代，2017（9）：16-18.

[4] 田博.探讨3DSMAX在虚拟现实构建中三维模型建立的方法和技巧[J].中国管理信息化，2017，20（14）：133-134.

[5] 王晓光，蒋拓，刘颖.基于云技术的C语言课程教学模式改革与探索[J].教育教学论坛，2016（33）：281-282.

[6] 蔺薛菲.虚拟现实三维场景建模与人机交互应用技术研究[J].艺术与设计（理论），2017（4）：100-102.

【通联编辑：张薇】