基于VR技术的病毒防控知识教学系统设计

袁浩竣 林水凤 陆红艳 宫海晓

摘要：传统病毒防控知识教学系统无法满足数字化教学模式，消耗大量教学时间，降低教学质量。因此，设计基于VR技术的新型病毒防控知识教学系统。通过对该教学系统的硬件架构进行系统设计，引入新型投影显示装置，结合虚拟软件设计器模块与播放器模块，完成新型病毒防控知识教学系统设计。构建系统测试环节，通过对比可知此系统优于传统系统，在日后的教学中使用此系统作为主要教学平台，以更好地传授病毒防控知识。

关键词：VR技术;病毒防控;3D技术

中文分类号：TP311.52      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）08-0169-02

传统的病毒防控知识大部分都是报纸、视频、讲座或展览的形式进行传授，其过程相对复杂，时间地点的限制，大量的病毒防控知识不能够让学生很好地掌握。基于VR技术的病毒防控知识教学系统是针对病毒的防控知识利用VR技术所设计的模拟体验式系统产品，其集成了VR技术、3D全景建模、仿真系统等新型技术产品[1-3]。老师使用该教学系统立体直观地向学生提供病毒病源、传播途径、防护防治等多方面的防控知识介绍。一体化病毒防控知识教学系统可以增加学生模拟体验流程，通过在全息环境中，模拟出不同生活工作场景中病毒防控措施，增强防控意识，做好病毒防控工作。

1 病毒防控知识教学系统硬件设计

1.1 头盔显示器

通过在传统的病毒防控知识教学系统中添加头盔显示器，打破虚拟世界的束缚，根据立体三维空间中虚拟-现实头盔的不同位置、运动方向轨迹等实时数据信息改变整个球面反投影过程的视觉角度[4]。头盔显示器利用其两块显示屏幕构建虚拟空间左眼与右眼看到的相应画面，并通过使用这两块屏幕与左右眼的不同位置、视线方位等数据信息计算出视觉图。其技术相较于仅一块显示屏幕的硬件设备，头盔显示器成像效果更接近人裸眼特点，较大程度上满足了VR技术在病毒防控知识教学系统中3D体验的需求。通过头盔显示器播放的VR视频，对双眼进行两次信息渲染，以正常接收到的视觉信息使用不同的视觉参数对全景图进行拆分、反投影，融合左右视觉信息形成立体图像，完成整个虚拟-现实空间的系统转换。

1.2 DLP投影机

DLP投影机以新型空间光源调节器（DMD芯片）作为投影核心部分，采用全数字信息，以高像素的分辨率对整个光谱进行分析。由于DLP采用新型激光光源在增加整个教学系统结构体积的基础上降低了该系统设计的复杂程度，缩短了系统反应速度。由于DLP投影机添加了特有的TIR组件，将不同方向照射进入DMD的光束通过其不固定的反射角度进入TIR与RTIR中，缩小整个教学系统体积框架并提升光源利用率，整个DLP投影过程提升了系统光源利用率与系统微型化。

在此次教学系统设计中，将上面两个部分融合进传统的病毒防控知识教学系统，将设计的硬件框架作为其教学系统软件开发的基础平台，充分利用VR技术提升整个系统的运行效果。

2 病毒防控知识教学系统软件设计

2.1 3D场景设计器模块

针对此次病毒防控知识教学系统设计在VR环境下，3D场景设计器模块通过设置物体的函数轨迹实现对象的复杂仿真运动。该系统软件设计中3D场景设计器以层为最小单位构建整个软件模块通过3DMax、PS、MAYA等技术手段[5]，利用模块化组合成虚拟场景、动画、文字、视频等实时数据环境。病毒防控知识教学系统在VR技术控制下利用上文所设计的硬件性能与高效3D算法，对软件设计环境进行实时渲染[6]。

2.2 VR播放控制器模块

通过上述虚拟场景设计，完成软件整体布局设计，结合播放模块实现整个虚拟软件部分设计。由于VR播放控制器以虚拟-现实内容进行播放，将场景模板、流媒体、网页、动画等添加到系统软件资源中，学生需要利用上文提到的头盔显示器、交互手柄等硬件进行操作，在这次系统软件设计过程中，满足对上文硬件部分基本设置的同时利用数据信息自动调节其VR信息参数的设置。系统设计中的VR播放控制器通过引出项的修改、数据库实时更新、触发方式的设置对该设计教学系统的播放列表进行系统控制。较大程度上缩短了传统教学系统中老师需花费课程的五分之一时间将教学内容引进来，也降低了传统教学系统操作难度。使用此次系统设计的VR播放器进行病毒防控知识教学、场景实训、还原真实实验环境，把教学系统与教学有机结合一起。由于系统设计的VR播放控制器可任意导入3D虚拟目标，关联其运动轨迹，即任意虚拟环境下的教学系统内目标物均可飞到老师面前，并通过老师不同手势、手柄等终端对虚拟环境下的物体进行放大、缩小等响应动作，较为清晰直观地展现VR技术下的虚拟物体。VR播放控制器使病毒防控知识教学系统软件设计更加贴近技术发展方向，促进教学有序发展。

此次设计的基于VR技术的病毒防控知识教学系统软件部分侧重点是实现软件间交互，由于传统虚拟软件大多以编写代码实现软件运行，交互过程较为烦琐，难度较大，系统实现效率过低。此次设计的教学系统基于VR技术的基础上触发数据信息，在每个虚拟目标之间实现交互操作，为虚拟目标添置交互开关，例如为目标对象增加触发操作，在选择目标对象后为其在弹出的设置面板选择合适的参数值并完成设定。这种交互式触发机制过程简单便捷，完成度较高;另外在设置对话框中也可对脚本进行编辑，实现需求与脚本形式之间进行互动。

综上所述，将该部分中设计的病毒防控知识教学系统软件与上文中提及的该教学系统硬件相结合，完成基于VR技术的病毒防控知识教学系统整体设计。

3 系统测试环节

3.1 测试环境设计

在此次系统测试中，将使用文中设计系统与传统系统在指定的测试环境与测试平台中，进行统一教学，设定测试指标对文中设计系统与传统系统的使用性能展开研究。在此次测试过程中，通过测试平台技术参数设定的形式，构建系统测试平台，保证文中设计系统与传统系统可在同一环境中运行，得到有效的测试结果，避免由于外部原因造成的测试结果误差。根据原有设定的测试平台技术参数，构建测试载体。将文中设计系统与传统系统安装到此平台中，完成系统测试过程。

3.2 测试指标设计

在此次系统测试中，将系统对比指标设定为系统用户承载力以及教学资源提取时间。通过此两种指标，对比文中设计系统与目前使用中系统区别。为提升实验结果的可靠性，将实验通过两轮完成，每轮实验设定为10次，详细记录实验结果，完成系统测试及对比。

3.3 测试结果分析

通过上述系统测试结果可以看出，文中设计系统的用户承载力远超于目前使用中的两种教学系统。对测试结果进行分析可以看出，文中设计系统与传统系统的用户承载力较为稳定，在多次测试的过程中，未发生波动性变化，可见在此次测试中使用的系统均具有良好运行稳定性，但传统系统的用户承载力较低，可同时对此系统进行操作的人数具有一定的局限性。综合上述分析结果可知文中设计系统在此指标对比中优于传统系统。

通过上述测试结果可知，文中设计系统对于教学资料的提取时间明显缩短于传统系统。在两轮测试中，文中设计系统的提取时间较为稳定，没有出现过多的变化，传统系统在测试中出现部分测试资料提取时间异常的问题。通过上述分析结果可初步判定，文中设计系统由于传统系统。

将系统用户承载力测试结果与教学资料提取时长测试结果进行整理可知，文中设计系统在基础性能与系统运载方面都具有一定的优势，将其使用在日常教学中可提升教学质量。

4 结束语

此次系统设计分析中在传统病毒防控知识教学系统的基础上引入VR技术，进一步增加头盔显示器与DLP投影机系统硬件设施，并在系统软件的基础上融入了虚拟控制模块，提升了新型教学系统的交互性教学机制，较大程度提升教学质量，降低时间成本的基础上推进病毒防控知识教学系统的发展进程。此次系统设计仍有一定的改进空间，针对教学系统设计的不足，将通过今后的实践研究进一步改善系统设计缺陷。随着VR数据信息技术的不断发展，将会为病毒防控知识教学提供更好的系统设计方案。

参考文献：

[1] 陈鹏生，竇海波.基于知识体系的高校智能体育教学系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2019，38（12）：169-171.

[2] 谢小燕.高职眼视光技术专业“从兼职到就职”培养模式的探索与成效[J].卫生职业教育，2019，37（14）：3-4.

[3] 王爱军，李中永.基于VR技术的儿童交通安全教育平台系统设计研究[J].白城师范学院学报，2019，33，162（08）：20-25，37.

[4] 蒋乐雅.高职校专业课与创新教育融合的教学实践研究——以五年制高职眼视光技术专业为例[J].卫生职业教育，2018，36（24）：8-10.

[5] 苏博妮，化希耀.物联网应用系统设计课程教学方法[J].系统仿真技术，2018，14（02）：150-153.

[6] 崔岩松，王方，陈科良.基于VR直播的远程教育系统设计[J].实验技术与管理， 2020，37，286（06）：139-143，147.

【通联编辑：张薇】