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">虚拟现实技术在培训系统中的应用
对虚拟现实发展及现状的探析 浅谈虚拟现实的发展与展望 虚拟现实技术的发展及其应用 常见问题解答 当前所在位置:l
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关键词:人机交互;虚拟现实技术;3D技术;摄像机
中图分类号:TP316 文献标识码:A 文章编号文章编号:16727800(2014)001009603
作者简介作者简介:杨芳(1974-),女,硕士,天津职业技术师范大学信息技术工程学院高级讲师,研究方向为职业教育信息化。
0 引言
虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)又称灵境技术,是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术,其融合了数字图形图像处理技术、实时三维计算机图形技术、多媒体技术、广角(宽视野)立体显示技术、传感器技术等多个信息技术分支。虚拟现实技术为使用者提供了一个全方位、多感官、浸入式体验虚拟世界的机会。
教育技术学专业的教学中,有些课程需要利用摄像机进行教学和学习,然而专业摄像机的价格比较昂贵,可供实验的台数较少,往往十几个学生共用一台进行练习,不能做到人手一台,同时也不能对摄像机进行必要的拆装,因此对学习效果产生了一定的影响。利用3D建模技术和虚拟现实技术制作出关于摄像机虚拟操作的软件,将为教师的教与学生的学带来极大方便,从而提高教学效率,实现教学效果最优化。
1 关键技术
虚拟现实软件开发过程中使用到的主要技术有3D建模技术、VRay渲染技术、虚拟交互控制技术。
1.1 3D建模技术
3D建模技术是利用3D建模软件及相关插件制作出效果逼真的实物模型的一种技术。本课题中所用到的3D建模软件是3D Studio Max,常简称为3D Max,它是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其广泛应用于广告、影视、工业设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。
1.2 VRay渲染技术
VRay是由Chaosgroup和Asgvis公司出品的一款高质量渲染软件,是目前业界最受欢迎的渲染引擎。Vray渲染器提供了一种特殊的材质——VrayMtl。在场景中使用该材质能够获得更加准确的物理照明、更快的渲染,且反射和折射参数调节更加方便。
1.3 虚拟现实交互控制技术
虚拟现实交互控制技术可以将现有常用的3D模型、2D图形或是音效等进行整合,构建虚拟现实场景,并可以由用户对场景中的3D对象进行交互控制。本课题使用Virtools Dev完成交互控制功能,它是一套具备丰富互动行为模组的即时3D环境虚拟实境编辑软体,可以制作出许多不同用途的3D产品,如网际网路、电脑游戏、多媒体、建筑设计、互动式电视、教育训练、模拟与产品展示等。
2 系统实现
2.1 软件功能需求设计
本课题制作的虚拟摄像机型号为SONY DSR-250P,考虑实际教学中的需要,3D虚拟摄像机应具备以下功能:①通过使用这款软件,能够了解摄像机的相关配置信息;②能对虚拟摄像机进行任意放大、缩小、旋转等操作;③可以从多个视角观察摄像机的基本构造;④以自动、手动、快速、慢速拆装摄像机零部件;⑤对摄像机上的主要按钮进行操作,同时观察各按钮的相应功能;⑥根据语音提示了解摄像机的基本使用方法并做相应的练习。
2.2 3D虚拟摄像机模型制作
2.2.1 3D建模过程
本课题中采用的3D建模软件是3D Studio Max,3D虚拟摄像机的三维模型建立主要分为摄像机机身模型的建立,包括镜头、话筒模型、屏幕模型、电池模型的建立,以及其它零部件和按钮模型的建立。
(1)摄像机模型建立。限于篇幅,本文只对机身建模过程作简要介绍:①参照摄像机的实物照片,用3D max中的样条线按比例制作出摄像机的机身轮廓,调整角点的圆滑程度,使其看上去更为美观;②使用修改器面板中的挤出命令,根据需要调整挤出数量为50mm,制作摄像机机身模型;③点击鼠标右键,将其转化成可编辑多边形,便于以后操作,如图1所示;④由于机身上有许多凹凸和按钮等细节部分,选择可编辑多边形中的多边形,利用修改器面板中的挤出和倒角命令,为所选多边形制作凸凹等细节效果,如图2所示。
图1 机身模型
图2 机身模型细节部分
(2)摄像机各部件整合与整体模型优化。摄像机各部分模型制作好后,需要将这些小模型根据实物进行组合,这一部分需要充分利用3D Max的4个界面视口切换使用以及平滑、高光和线框之间的切换。主要利用到了对齐、均匀缩放、移动等操作命令,再通过视角的转换进行细节调整,确保整个模型合为一体。
当摄像机模型整合好之后,需要对其进一步调整,使其整体效果更为真实。这部分主要运用边和面的倒角挤出命令和多边形的网格平滑命令。通过适当调整各个命令的相应参数,使摄像机整体模型的最终效果达到最优化。
(3)摄像机贴图与材质制作。3D中的贴图与材质主要用于描述对象表面的物质状态,构造真实世界中自然物质表面的视觉表象,能够给场景中的对象创建五彩缤纷的颜色和纹理表面属性。摄像机的材质制作主要针对摄像机各个部分固有色的改变,相应调整高光级别等参数就可制作出逼真的效果。
摄像机的贴图制作主要针对完整平面的操作,利用这种方法可以省去繁琐的建模过程,直接赋予物体图片,使物体显现出真实的效果,这是减少建模复杂程度的有效手段之一。可以利用这种办法进行操作的部分有:屏幕盖、控制面板上的按钮、电池正面。
(4)灯光设置。虽然在进行建模和材质、贴图工作时视图窗口显示是有光的,但是渲染出来的场景却一片漆黑,这主要是因为在视图场景中没有加任何灯光。在此部分中,主要工作是给场景加灯光并使其真实化。
选择创建面板,点击灯光,在下拉菜单中选择标准,选择目标平行光。点击修改器,在修改器面板中调整灯光的参数。调整强度倍增器的数值为0.1,尺寸倍增器的数值为1.0,阴影细分数值为3,阴影偏移数值为0.2,光子发射半径数值为173.43。勾选不可见选项,使得灯光在渲染时不可见,避免对特殊效果发生器的反射产生影响,移动灯光位置,使得物体得到比较好的反射效果和高光效果。
(5)渲染。当摄像机的所有部分材质和贴图都添加设置完毕后,为了满足成图的精确需要,提高画面品质,需要进行最终的渲染。这里使用了由chaosgroup和asgvis公司出品的VRay渲染插件。
渲染时将背景颜色设置为白色,在【VRay:间接照明】控制面板中设置饱和度为1.2以提高最终图像的饱和度;在【VRay:灯光缓存】控制面板中设置灯光的细分为1 000以提高灯光细分的精度。设置完毕后对产品进行渲染,通过对渲染出的图片进行观察,再进行相应调整使得模型效果更加逼真。
2.2.2 交互控制功能实现
(1)导出3D虚拟摄像机模型。因为交互控制功能使用Virtools5.0软件制作,需要从3D Max中导出Virtools支持的模型文件“shexiangji.NMO”。
(2)对象建立与灯光创建。导入“shexiangji.NMO”文件后就完成了摄像机各个对象的建立,此外还需要在Virtools中添加灯光效果才能正常观看模型。一共需要添加3个点光源,它们的空间位置坐标为分别为“75.590 0,31.225 8,-62.708 9”、 “-8.633 2,62.722 2,-78.804 5”、“-114.037 7,120.000 0,-0.053 9”。
(3)行为模块设定。Virtools中通过行为模块的设定实现各种交互控制,在虚拟摄像机的制作中,设计了大量的行为模块,包括旋转摄影机行为模块、切换摄影机行为模块、恢复初始状态行为模块、装配演示行为模块等。
(4)界面及菜单制作。好的界面与菜单可以帮助用户使用软件,本软件中的主界面及各次界面与菜单都在Virtools5.0中制作,主界面效果如图9所示。主次界面间的切换也通过行为模块实现,如图10所示。
图9 主界面效果
图10 主次界面间切换行为模块
3 结语
虚拟现实技术是一种新媒体技术,使用这种技术开发的教学软件,可以实现虚拟操作、虚拟拆装、在线操作考核等功能,能够以较低的成本投入解决教学中以前难以解决的问题,对提高实训教学效果具有重要作用。
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[关键词]虚拟现实技术 教学效果 评价
中图分类号:F590-4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)36-0285-01
自20世纪90年代以来,虚拟现实技术一直是信息领域研究、开发和应用的热点方向之一。其实时的三维空间表现能力、人机交互的操作环境以及给人带来的“身临其境”的感觉,为人类探索和研究宏观世界与微观世界提供了极大的便利。虚拟现实技术与多媒体教学、网络教育并成为教学领域的三大创新技术。可供全国使用的虚拟现实技术教育系统随着网络通信速度的提高和带宽的扩展,信息社会对教育提出了新的需求,国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉及高等教育的各个学科,由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性,使用者能够沉浸其中、超越其上、交时交互,已显示其实用性和先进性 技术潜力巨大,应用前景广阔。
虚拟现实技术已经在许多领域得到了广泛的应用,然而在普通学校教育教学中还应用的很少,由于虚拟现实技术可以弥补传统教学的不足,所以其在教学中存在很大的应用空间。新的信息技术,带给了我们新的教育思维,为传统的教育观念和教育模式的转变提供了更大的可能性,对提高教学质量有着重要意义。如何通过对虚拟现实技术教学效果评价提升虚拟现实的教学效果一直是应用者们努力的重要方面。
一、从虚拟现实技术与旅游管理专业知识的结合及应用角度确定的评价准则和评价指标
基于虚拟现实技术在实验教学中的优势,它已经被应用于许多个专业的教学过程中。由于虚拟现实技术系统设计人员具备旅游管理专业知识限制以及实际授课教师开发更新系统的能力限制,会直接影响虚拟现实技术在旅游管理专业教学中的使用效果。虚拟现实技术系统能否根据教学对象特点,明确教学任务与目的、完整体现旅游管理教学内容、提高学生的实践能力和创新能力,是影响教学效果的重要方面。上述内容均属于虚拟现实技术与专业知识结合范畴,专业度处于评价准则层次,而虚拟现实技术体现的教学目标、教学内容和实训环节、授课教师素质是其评价指标。
于年轻教师而言,较易掌握虚拟现实技术。各种虚拟现实技术软件的开放程度(指软件后续开发的能力和利用其他软件资源的能力)是不同的,有些方法可支持多种格式的输出,输出的文件可在其他操作环境中无损地打开,加上软件或插件的更新换代日益加快,故具有开放的接口、实时的更新能力也是软件所必需的评价指标之一。对一些已经停止开发的实现方法就没有研究的必要了。此外,每种虚拟现实技术拥有的制成模型的丰度和制作虚拟现实场景的快慢也有所不同。上述内容均属于使用范畴,使用度处于评价准则层次,而每种方法掌握难易程度、开放程度和制作虚拟现实场景的快慢是其评价指标。根据上述分析构建虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果评价指标体系如下:目标层为虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果A;准则层为交互度B1、真实度B2、功能度B3、专业度B4、使用度B5。另外,快速C1与准确C2是交互度B1的措施层;视觉质量C3、光学质量C4与声学质量C5为真实度B2的措施层;教学要素的类型C6、教学要素的物理表达C7与模拟人的运动属性C8为功能度B3的措施层;教学目标C9、教学内容C10、实训环节C11与授课教师素质C12为专业度B43的措施层;掌握难易程度 C13、更新换代能力C14与制作虚拟场景的快慢C15为使用度B5的措施层。
构建了虚拟现实技术教学效果评价指标体系之后,可以采用层次分析法(AHP)来确定每项评价指标的权重,即得到每项指标对虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果各自的影响程度值,从而可以对虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果进行综合评价。
二、虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果评价指标权重计算与比较
采用1~9标度类型,对照重要性标度含义表,采用专家评议法(Delphi),经过我们与旅游管理专业一线教师复研讨,构造判断矩阵,利用层次分析法软件yaahp Version 0.4.1计算评价指标的权重。各项指标对于虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果的权重如下:B1对于A的权重为0.2106、B2对于A的权重为0.3834、B3对于A的权重为0.1181、B4对于A的权重为0.2230、B5对于A的权重为0.0649;C层对于A的权重的总排序为: C1:0.0702、C2:0.1404、C3:0.2069、C4:0.1138、C5:0.0627、C6:0.0193、C7:0.0637、C8:0.0351、C9:0..0614、C10:0.0392、C11:0.1033、C12:0.0207、C13:0.0207、C14:0.0362、C15:0.0079。
三、总结与展望
根据上述层次排序权重的确定,可以得出在游管理专业教学中影响现实技术使用效果维度由弱到强依次是真实度、专业度、交互度、功能度、使用度。对虚拟现实技术在旅游管理专业教学中效果影响最强的五项指标是分别是准确、视觉质量和光学质量、实训环节、快速。总结如下:
第一、突出对虚拟现实技术开发研究
利用虚拟现实技术进行开发的先进教学形式,现今的研究和开发水平还远远未达到根据教师和学生的实际需求进行的程度。而要充分发挥虚拟现实技术的巨大优势,就要整合多种资源,利用好该技术本身交互性、沉浸性的优势,开发可对学习者进行智能化指导的实时教学系统和评价系统,对学生的学习和实验过程形成良好的反馈,提升整个虚拟教学的智能化和系统化水平。
由于一个完全沉浸式的虚拟环境的构造需要比较昂贵的设备,所以目前大多虚拟现实技术在实验教学中的应用还停留在桌面型的虚拟现实阶段,和真正的虚拟现实还有很大距离。可以采取循序渐进的方法,先在软件环境打好基础,积累经验,随着技术的发展和硬件设备价格的降低,逐渐完善虚拟实验室环境,使学生真正走进虚拟教学环境。
第二、深入对虚拟现实技术与旅游管理专业知识结合运用的研究
虚拟现实技术从技术上化解了目前旅游管理专面临的实验设备缺乏,跟不上旅游业快速发展的现实与师生要求先进设备用于教学的矛盾。但虚拟现实技术要充分发挥它的教学职能,不仅需要高科技的支持,而且更需要相应的专业教学知识作内涵。在应用虚拟现实技术进行教学的过程中,要牢牢抓住旅游管理专业人才培养目标和课程教学的客观要求,既发挥虚拟技术在教学中的巨大技术优势,又体现先进旅游业界的最新成果;既培养学生的实践能力和创新能力,又深化学生对于理论知识的理解与应用。
第三、增强运用虚拟现实技术进行教学的协作性研究
在运用虚拟现实技术进行教学过程中因为较大地借助了计算机网络化平台进行教学,从一定程度上让师生、生生交互受到影响和削弱。因此,在研究和开发虚拟现实技术教学平台的过程中,要注重师生、生生、人机的可交互性,保证教师与学生、学生与学生、学生与机器实现良好的人互,增强虚拟现实技术教学的协作性,发挥教师、学生和技术的综合优势,探索全方位的多交互协作化虚拟现实技术教学平台。
本研究只是对虚拟现实技术在旅游管理专业教学中的教学效果做了理论上的宏观探索和在教学实例中的简单应用,离真正的提升虚拟教学效果的总体目标要求还有一定的差距。要形成一套完整有效的评价体系需要未来利用现有研究成果,还要进一步充分与专家共同合作、共同分析,进行系统化的研究。
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作者简介
关键词:虚拟现实;实体会展;行业变革
1 概述
1.1 展会虚实耦合发展背景
虚拟会展是指利用三维虚拟技术、网络的虚拟空间进行的展览及贸易活动的一种多维立体展示。他可以是人机实现立体互动,强调用户体验[1]。本文研究对象为基于虚拟现实技术的虚拟会展。该类型的展会不受传统实体展会时间性、空间性的局限,同时具有易于组织与管理、性价比高、便于参展者了解展品、低碳环保等特点[3]。传统实体会展也有着创意虚拟会展所不具有的一些重要优势,目前创意虚拟会展无法完全脱离传统实体会展而独立出现,普通大众对于虚拟会展的了解和使用也刚刚起步。
“VR”①在2016年强势崛起成为继O2O后又一热词。各种关于虚拟现实技术的科技展和高峰论坛在国内外轮番上演。虚拟现实掀起对实体经济新一轮的冲击。虚拟现实在B端有广泛应用,随着2C产品的出现而进入全新发展阶段,2016年国内外产业领先者陆续推出消费级新产品,同时大量资本涌入,虚拟现实产业发展将迎来爆发点[6]。基于此,会展行业应对技术革新在传统实体展会加入虚拟技术的元素逐渐成为常态。到2030年虚拟和现实之间的界限将明显弱化[7],我国现有虚拟展会多是将虚拟现实技术作为吸引观众的元素并未形成独立存在的虚拟展。国内虚拟会展处于发展阶段:基本属于界面包装,主要通过二维平面静态的网页展示[2]。在展会中加入虚拟现实元素能强化会展行业的纽带作用和产业联动性。我国会展业在虚拟展与实体展耦合的发展之路上与以德国为代表的展览业发达的西方国家存在一定差距但是虚拟展作为一个新的起点,抓住这个机遇可以使我国展览业也能站在国际前端。
1.2 展会虚实耦合发展的趋势
在我国新常态的经济模式下,会展的虚实耦合主要带来外部经济趋势、协同发展趋势和创新趋势三大趋势。外部经济的发展给会展业注入生机,自广交会带给中国会展业飞跃式发展后,此次高新技术对整体经济新一轮冲击的同时也给会展业带来发展的机遇。会展行业具有高度产业联动性,会展产业的发展势必在给所链接的产业带来发展的机遇同时促进会展产业再次发展,两者相辅相成、协同发展。技术红利之下的会展行业在实体展会虚拟化、会展虚实耦合等方面进入高速发展阶段。三维重建、3D打印以及虚拟现实技术都为会展业在展会的设计、运营中有所体现,在技术冲击下会展产业势必开展新一轮的创新。
2 市场调研与市场接受程度
针对会展虚实耦合采取线上问卷和现场数据收集相结合的方式。在正式开展大样本调查前进行预调研。在对沪、杭高校的25名会展专业及计算机专业学生的问卷调查后作数据分析,对问卷作进一步修改。正式调查共发放问卷494份。回收有效问卷共262份,有效问卷回收率为53%。
本次问卷调研受众群体的主体是25岁以下的年轻人:25岁以下的回答者占比91.99%。对于VR技术的了解程度基本符合正态分布,但作为最能接受变革性事物的年轻人,对于VR也止于基本了解。这导致该类人群对于VR设备的购买意愿并不强烈,66.03%的人持中立态度。同时在设备价格的接受程度上92.75%的人更倾向于3000元及以下的设备。
门票是虚拟展的盈利重点之一。本文创造性提出“买断制”:一次付费获得相应虚拟展一定时限内重复观展权限。63.36%的人认可新颖的买断制,加之与实体会展票价的对比,从中进一步窥探虚拟会展在调查群体中的可接受性。设实体会展门票基数为5,得出虚拟展会门票价格均值为4.75,略低于实体展会。观众考虑到虚拟展会在时空的机动性、布展成本的环保型,对于虚拟展会的价格预估基本是低于实体展会的。另一方面,调查群体基于虚拟展会的技术因素、设计效果、实时互动性与现场感等基本属性的理性考虑,其预估的门票价位不会过低。虚拟展会相对实体展会更加强调表现性、交互性,在表现内容丰富性的同时满足技术的即时性。这无疑扩大了虚拟展会的受众人数并优化了观展群体的范围。
虚拟展要能够在市场中占得一定份额,对展会自身也有所要求。观展人群与展会之间的连接并非单向,观展人群更注重与展会间的双向联系。参展观众对于展会的场景设计(44.66%)、互动性(48.47%)、专业性(51.91%)有较高要求,能与观众产生共鸣的展会才能吸引人群并扩大其影响力。
3 分析结果与讨论
在对沪、杭两地多个展会、展馆的实地调研之后发现展会中对于高新技术的运用处于发展阶段。展会更倾向于将VR作为吸引观众的辅助手段而非利用VR将体展会虚拟化使之成为在时空上独立实体展会而存在的虚拟展。
现代创意虚拟会展构建在VR技术之上而市场上的VR设备良莠不齐。想要获得良好的用户体验对设备有较高要求,在价格上受众的心理价位和市场实际价格有所出入,这将成为虚拟会展发展的制约因素之一。同时这对制造商有导向作用,抢占中低价位市场将对企业发展有重要作用。虚拟展会门票的定价可与实体展会相持平。展会应关注其主题的新颖性,同时在展台设计、展会专业性上有更多考量。满足展会的基本属性之后提高展会的艺术性、互动性将使展会在同类型展会中脱颖而出。
虚拟会展会带给传统实体会展重大影响和一定冲击,但同时也促进会展行业在深度和广度上的发展,在综合已有基础上考虑创意虚拟会展和传统实体会展的信息耦合,包括现阶段的实体会展+网络会展+电子商务模式和未来的实体会展+网络会展模式[2]。我国会展业对于虚拟展的拓展可以分三步循序渐进以达到对两者耦合之平衡点的获得:设立VR展区、建立附属于实体展会的虚拟展、建立独立存在的虚拟展会。无论是传统实体展会还是新兴虚拟展会,两者都不会完全取代对方地位。对于会展行业来说,实体展和虚拟展合则两利分则两伤,只有两者相辅相成才能使会展行业在深度和广度上有长足的发展。
注释
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【关键词】虚拟现实电子商务网络
1引言
虚拟现实(VirtualReality)是通过多媒体技术与仿真技术相结合,生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境,用户以自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互。然而当前的电子商务大多是基于Web的,要在其中普及由视觉头盔和数字手套等设备构成的力反馈式交互虚拟现0实是极其困难的(一是技术原因,二是资金原因)。但是以键盘、鼠标和显示器等常规输入输出设备在客户机浏览器中构成交互环境的网络虚拟现实技术却日趋成熟和完善,这些以Web3D技术为基础的网络虚拟现实技术同样以模拟自然、体验逼真和交互极强为目标,在相当程度上高效、经济地实现了虚拟现实系统的目标。
由于网络虚拟现实技术的出现,不仅促进了虚拟现实技术的普及应用,而且也给电子商务带来了新的应用空间,有效地提高了电子商务的质量。因此,充分认识虚拟现实技术在电子商务中的重要性、研究网络虚拟现实技术的特点及其应用规律,从而进一步促进电子商务的发展,已成为当前电子商务中的一个重要课题。
2虚拟现实在电子商务中的作用
2.1虚拟现实技术的特点。
临场感:用户感觉到沉浸于在浏览器中所呈现的虚拟环境中。
多感知性:用户能以视觉、听觉等多种形式感知信息。
交互性:用户能以接近自然的习惯,用常规的输入、输出设备对虚拟环境中的物体或场景进行操作和得到反馈。
真实性:虚拟环境中的物体运动接近符合物理定律。
高效率:虚拟环境中三维空间的建立和显示不过分依赖客户机的硬件性能并可实时渲染,所需传输的数据量小且可流式传输。
2.2虚拟现实在电子商务中的作用。由于网络虚拟现实技术的上述特点,它在电子商务中正起着独特的作用:
真实感强:缩小网上购物与真实购物环境间的差别,是一个接近现实场景的虚拟智能购物商城。
激发购买热情:网上产品展示的目的不仅仅是展示产品,而更重要的是通过让客户更多地了解产品而提高产品的购买率。通过网络虚拟现实技术可将用户在购买过程中产生的假设进行虚拟,呈现相应的结果或效果。这样有利于激发用户的购买热情。
拓展电子商务的内涵:INTERNET作为有效的商业信息的交通通道被广为接受,网络虚拟现实技术的应用使电子商务的内涵被大大地拓宽和延伸了。
3网络虚拟现实技术
目前网络虚拟现实技术大多是基于Web3D[1][2][3]技术的,而Web3D技术主要由实时3D建模和动态显示两部分组成。通常实时3D建模和动态显示分为两种类型,一种是基于几何模型,另一种是基于图像。这两种技术方案各有其特点,前者可方便地建立以任意角度进行观察的3D空间,但计算量大,因而对硬件要求较高,对复杂模型的建模过程较为困难;后者采用图像镶嵌方式实现实时建模,开发成本低,计算量小且效果逼真,但数据量较大。
各种网络虚拟现实技术为了能在网络这一特殊环境下不断发展,都不仅具有鲜明的技术特点,而且也都尽量扬长避短,形成了各自的技术风格,这也为我们在电子商务中针对不同展示内容选用最为合适的网络虚拟现实技术打下了良好的基础。有鉴于此,研究和对比分析各种主流网络虚拟现实技术是十分必要的。
3.1VRML(VirtualRealityModelingLanguage——虚拟现实建模语言)[4]是专门用于在网上建立虚拟现实的设计语言,它采用基于几何模型的实时建模和动态显示方法。VRML可以用于建立真实世界的场景模型,也可建立虚构的三维空间。VRML提供了所谓的6+1度浏览,即沿三轴方向移动场景和旋转场景,同时还可以建立与其他3D空间的超链接。
VRML文件是文本文件,它可以用文本编辑器编写生成,其文件扩展名是.wrl。由于VRML语言语法规则较为复杂和严格,靠人工编写VRML文件工作量极大,因此一些三维建模工具(如3DSMAX)以可视化方式建立3D空间并自动生成VRML文件,提高了开发效率,但这样生成的VRML文件数据量比人工编写的文件大得多。
VRML适用于构造虚拟三维环境,而对于表达现实世界的真实场景和物体则略感不足。
3.2QuickTimeVR。QuickTime是Apple公司开发的数字图像影视技术规范,它包含多种媒体数据的压缩/解压缩技术。QuickTimeVR是其中一种新的媒体数据格式。它包含了对象影视(ObjectMovie)、全景影视(PanoramicMovie)和多节点影像(Multi-NodeScene)等几种形式,其文件扩展名是.mov。
由于过去QuickTime是Mac系列机上的数字视频规范,因而制作QuickTimeVR的开发工具大多在Mac机上运行,缺少PC机Windows上的开发工具,而现在已出现了许多Windows上的QuickTimeVR的专业开发工具,如VRToolBox等,使得开发用于电子商务的QuickTimeVR影视更为便捷和高效。
3.3Cult3D是Cycore公司基于Java开发的网络虚拟现实技术,它具有独特的渲染方式,可动态显示极高质量的图像且不依赖3D加速卡等硬件,所产生的文件(.co)数据量小且可保留建模工具中所建立的贴图,并可以在3D物体上设计各种交互和添加声音,特别适合于在网络上表达3D对象。
Cult3D技术本身并无创建3D模型的能力,它依靠专门的3D建模工具软件来建立3D模型,并通过安装在这些软件中的插件导出所需的3D模型。支持这一功能的3D建模软件有3DSMAX和Maya。在Cult3D的交互功能设计软件Cult3DDesigner中为3D对象设计动作和交互并输出用于网络的压缩文件。
Cult3D技术的弱点是不易表达360°的全景虚拟环境。3.4Viewpoint是Viewpoint公司的网络虚拟现实技术,其正式名称是VET(ViewpointExperienceTechnology),它的前身是著名的MetaStream技术。由于Viewpoint开发的虚拟现实文件数据量小、可流式下载、动态显示图像质量好以及可实时交互控制改变纹理贴图,因此被广泛用于在网上表达3D对象。Viewpoint技术可以根据网络条件状况自动调整显示3D对象的细节和播放帧率,因此它对网络带宽适应能力较强。
通常开发Viewpoint的虚拟现实文件是从3DSMAX中导出ASE文件,在Viewpoint的核心应用程序ViewpointSceneBuilder中导入ASE文件,并对相应3D场景的有关元素(如:材质、动画、交互动作和场景定义信息)进行编辑和设计,最终输出可在浏览器中播放的Viewpoint数据文件(.mts和.mtx)。
3.5Flash是Macromedia公司开发的矢量动画技术。Flas采用网上流式播放技术,在安装了Flash播放器的浏览器中可以流畅地播放Flas。在Flash中制作动画时,不仅可在开发环境中绘制矢量对象,而且还可以导入外部矢量图形文件、位图图像文件、多种格式的声音文件甚至还可编辑视频文件。Flash现在被广泛用于开发网络交互矢量动画,然而用它也可进行网络虚拟现实的开发。
用Flash开发虚拟现实数据文件,主要是采用其脚本语言ActionScript控制交互,进而控制通过导入序列图像或已拼接的360°全景图像而形成的3D对象或全景虚拟环境。由于用ActionScript进行虚拟现实交互控制的灵活性较大,因此所开发的虚拟现实数据文件也具有较强的个性,同时因为Flash并非专门用于开发虚拟现实的,所以开发时的步骤较为复杂些。
4虚拟现实在电子商务应用的实例分析
4.1电子商务模型的建立。网络虚拟场景的建立和图形工作站中的场景的建立有着很大的区别,它首先强调的是模型的简单化,这是由虚拟现实的实时性要求决定的。在响应速度和场景的真实性发生冲突时,应牺牲一定的真实性,只要能在视觉上达到基本真实即可。因此,常用一些简单的框架来代替复杂模型,但为了保证一定的真实性,可采用贴图的方式来弥补视觉上的不足。贴图有以下两种制作方法:一种是使用绘画软件进行手工绘制、另一种是对建筑物的各个观察面进行拍照,然后用扫描仪扫描成相关贴图材质。第一种方法的颜色可限定在256色内,其压缩的比例较大,贴图文件较小,生成的场景文件也较小,适合网上传递和实时性的要求。后一种方法视觉效果好,但文件的压缩比例较小,贴图文件较大,生成的场景大,在网上传递和实时性方面不如前一种方法好。无论用哪一种方法都需考虑贴图的分辨率和尺寸,为了便于下载和渲染,在质量和大小允许的情况下,一幅贴图限为320×240(或240×320)像素、分辨率为72dpi,用JPEG压缩(采用最高压缩比)后约为20K字节。
根据以上所述的贴图制作方法,虚拟场景中的对象模型可分为以下几类:①由简单几何体组成的简单模型:该类模型常用作远处物品的替身,在LOD方法中采用;②赋予手绘贴图的模型;③赋予照片材质的模型;④赋予手绘和照片混合材质的模型;⑤具有全部细节的精致模型。
4.2电子商务交互查询功能的建立。为电子商务模型加入交互和查询功能可采用两种方法:通过编程加入相应的交互和查询功能,利用VRML的辅助工具来完成交互和查询功能的加入[5]。后一种方法比较适合普通的用户。
Kinetix制作了特殊的VRML输出嵌入程序,可以输出场景,包括几何、材质、动画制作等,嵌入程序也可制作特殊的VRML辅助工具来规定场景的交互元素。运行VRML嵌入程序VRMLOUT.EXE即可安装VRML嵌入程序。
通过VRML嵌入程序,可设置以下辅助工具:
Anchor:可将某一实体作为热点,当被点击时取出网上所指定的文件。若为VRML场景文件,则该场景被下载显示。若为其他类型文件,由浏览器决定如何处理;
TouchSensor:对从指定设备的输入产生相应的事件,这些事件表示用户是否指向特定几何体,同时也表示用户何时何处按下定位设备的按钮;
ProxSensor:接近感知器,指定当用户进入、离开或在立方体的区域内移动时产生的事件;
TimeSensor:在时间变化是发出事件,可用来控制动画,也可用于某一时刻进行某项活动,或于某一时间间隔中产生事件;
NavInfo:描述有关观察者和观察模式的物理特性;
Background:设定场景的背景;
Fog:设置雾化的效果;
Sound:设定声音片段的有效范围,以产生随距离改变的音响效果;
Billboard:是某一对象随用户一起旋转,以使之始终面向用户;
LOD:允许浏览器在物体表示的不同层次细节间自动切换;
Inline:可在文件中引入外部文件的场景,避免重复制作。
通过以上辅助工具,就可制作出电子商务场景及其交互和查询功能。
4.3多分辨率渐进传输。服务器接收了用户端的请求后,通过网络把三维几何数据传送到浏览器进行显示,最理想的方式是渐进式传输[7][8],这样客户端在下载完最简单的一级模型数据后就可以进行显示与交互,而不用整个模型传输完毕。渐进式几何传输要求模型具有多分辨率表示形式,这对网络的传输和客户端的绘制都有很多好处。
本文将3D场景数据组织成一个统一的数据结构,实现递进的传输不同类型的模型表示。本文利用分布式虚拟环境中通用的递推算法(DR)来预测视点的运动算法[6]来预测用户的位置,该方法简单而通用,并且能有效的减少网络上的数据流量,结合Benefit累积和方法,实现了有限的网络带宽下的优化3D场景传输的一个有效的策略。考虑到网络的不稳定性和网络的传输质量,作者采用了自适应流控技术,以保证不同质量的网络连接下不同场景绘制质量的仿真的顺利进行。另外本文考虑了传输动态物体和不同表示形态的静态物体到多个用户的问题。本文的内容集中在3D数据组织管理和优先传输排序策略以及3D图形传输协议上,目的在于实现服务器和客户端之间高效的3D场景传输。
4总结
本文介绍了虚拟现实技术在电子商务领域的应用。相关技术包括虚拟场景的构造、系统结构、网格数据的传输以及客户端的交互查询方式。与传统的电子商务系统相比,本系统具有更好的沉浸感和交互性,虽然目前离理想的虚拟现实境界仍有较大差距,但交互性强、触发事件种类多、动态渲染及显示质量高、可任意链接URL或其他3D空间、适宜网上应用、虚拟现实数据文件共享性强以及开发效率高等技术特征,现已成为网络虚拟现实技术发展的趋势。随着网络虚拟现实技术的不断发展,将为系统的开发提供更大的空间和更完善的功能。
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[关键词]PE管焊接;技能培训;虚拟仿真;PE管焊接技能培训虚拟仿真
中图分类号:TG457.6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)25-0231-02
PE管是目前国际上应用最为成熟的塑料压力管道之一。PE管的应用发展在欧美能够保持长期稳定的高速发展,而据分析,我国PE管应用有十分广阔的前景,在塑料管应用的各个领域,PE管材管件都将得到广泛应用。并且随着一系列相关技术性能的国家标准陆续颁布, 其生产规模更是不断扩大。原料国产化的发展,使得PE管材价格将逐渐降低,其经济性也大大提高。对于焊接技术,许多公司机构都设有专门的设备场地进行培训训练,不仅国家有关部门专门为此设立焊接工技术考试,设置专门的技术证明,而且在一些高校更是让同学在实习期间接触学习焊接技术,进而培养具备多种高素质技能人才。
一、虚拟仿真技术与PE管焊接技能培训结合的必要性
《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》内容提及教育信息化改革的具体措施及发展规划,着重强调了关于增强开发虚拟仿真实训教学软件、虚拟仿真实训实验系统以及建立虚拟仿真实训基地的力度。虚拟现实,是近年来兴起的技术,通过对现实环境的虚拟数字化,给人一种身临其境的感觉。虚拟现实是多种技术的融合,包括计算机图形学技术、视觉反馈技术、广角立体显示技术等。虚拟仿真是基于虚拟现实发展起来的,在传统的计算机图形技术中,主要是通过对真实环境的三维建模,操作鼠标和键盘来实现与虚拟场景的交互,从而给使用者一种完全的沉浸式体验。
将这种体验与技能培训相结合,可以解决现在实际技能培训的多种问题,具体问题如下:(1)实际焊接培训成本较高,虚拟仿真软件则不需原材料和机器进行操作训练;(2)实际焊接技能学习效率较低,学生完成一次焊接操作花费时间较长,用虚拟仿真软件则可以短时间多次重复操作,提高焊接学习效率;(3)实际焊接具有一定的安全问题,使用虚拟软件则学习人员无需承担任何安全风险。
二、虚拟仿真技术的应用
1.虚拟仿真技术
虚拟现实技术能逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉的感受,并做出对应的交互行为。虚拟现实技术有以下三个特征:沉浸性:通过虚拟设备进入到虚拟环境之后,原有的视觉和听觉感受被虚拟环境中的感受所替代,所做出的反应也能被检测装置检测到,虚拟环境给人一种完全真实的感觉。交互性:虚拟环境并不是一个封闭静止的世界,用户进入虚拟环境后,不仅可以通过传感器得到周围的信息,还能对虚拟的物体做出操作,在操作的过程中获得“真实”的体验。比如搬动虚拟环境中的一个虚拟椅子,甚至还可以在搬动过程中感受到椅子的重量。构想性。虚拟环境的沉浸性和可交互性,使用户产生丰富的联想。构想性是虚拟现实的高级表现形式,是基于沉浸性和交互性而得到的抽象性思维。虚拟现实的实现形式多种多样,只要符合上述三个特征,都可以称之为虚拟现实。虚拟现实技术在视觉感受和操作体验上提供了新思路,因而在不同行业领域都有广泛的应用。主要表现在以下几个方面:(1)娱乐方面;(2)军事航天领域;(3)室内设计领域;(4)工业仿真领域。
2.PE管焊接仿真系统的技能培训
(1)软件介绍
PE管焊接仿真培训软件主要采用3DSMax软件进行建模,Microsoft Visual Studio 2010开发平台下的C++开发语言进行脚本编辑,Unity3D平台进行开发。3DSMax功能强大,在建筑设计和游戏模型制作方面应用广泛。本文选择,主要考虑该软件成熟,软件有中文版和英文版,操作简单,是国内使用最广的三维建模平台。Unity3D具有高度优化的图形渲染管道,展示形式无论是2D还是3D,都可达到美轮美奂的画面效果。它操作简单,移植性好,插件丰富,实现的功能强大。它内建NVIDIA Physx物理引擎,能够轻松的实现现实中生动的互动效果。
通过虚拟仿真系统,可以创建一个与施工现场相似的虚拟场景,通过鼠标、键盘等能查看或操作各种设备。软件分别几个模块,主要设备、操作流程等,通过这些模块的学习,可以让学习人员有充分的理论知识基础,以及对操作流程较好的掌握。虚拟仿真系统中,通过点击鼠标实现设备的开启、夹取、信息的录入情况等。可设置不同的工艺流程参数,准确地模拟出现场不同的管材设备,可能出现的不同施工环境,清晰地显示出实地操作中会出现的各种状况。因此,学习人员不仅会轻松掌握一般PE管焊接的相关操作步骤,更会全面的让学习人员处理各种不同条件状况下的实际情况。
(2)焊接操作培训
对学习人员进行操作培训时,首先是根据焊接方法的不同,设置了电熔焊接和热熔焊接不同的工艺流程。在应用之前,先让学习人员首先大致了解不同焊接方法的步骤。例如电源电压的范围,机架管材的放置,铣刀夹具的开启取下等。其后就是针对各个小步骤的工艺,如拖动压力等进行更为详细的讲解。
工艺流程基本熟悉之后,学习人员需要对各种工具设备进行熟悉。进入PE管仿真实训系统,点击主要设备菜单,学习人员可以看到各种焊接设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。通过全方位无死角浏览各个单体设备结构以及详细学习设备工作原理,提高了学习人员对设备构造、工作原理的认知度,为学习人员将来实际操作工艺设备奠定了扎实的理论基础。
培训方可以利用PE管虚拟仿真实训系统中的各工艺单元操作流程进行具体的操作培训。例如,PE管热熔焊接的焊接单元操作流程,可以分为以下几个部分介绍:检查管材并清理管端操作流程、紧固管材、铣刀铣削管端操作流程、检查管端错位和间隙、加热管材并观察卷边操作流程、管材熔接和冷却操作流程、取出管材操作流程。学习人员进入模拟操作流程后,系统会依据操作规范给出详细的操作步骤,学习人员再根据当前提示(设备编号、操作类型等)进行反复的模拟操作练习。
在PE管焊接虚拟仿真软件中有题库和成绩评判模块,以便培训方对学习人员的学习效果进行检验或者学习人员的自我检测。当进入考试模式时,电脑被锁定,只能在考试系统里进行操作,没有任何操作提示,同时会计时,随机生成施工环境。考试人员需要根据具体情况具体操作,不能生搬硬套。当考试人员操作有误时,系统根据相应标准自动扣分。同时还配有错题库,方便学习人员纠正错误。
(3)结合施工环境因素进行软件焊接操作
在风雨和寒冷天气进行焊接时,防护措施不到位,施工工艺没有作相应的调整,造成焊接质量不稳定;PE管材和管件存放场地环境温度和现场环境温度不一致,而不注意把管材和管件在施工现场放置一段时间,待其温度接近施工现场温度,而直接进行施焊连接,这样也会影响焊接质量。
本系统内建了影响PE管焊接质量的外部环境因素,可以最大程度模拟实际施工中的环境,使学员在不同的温度,湿度的环境因素中练习调整不同的焊接参数,达到最佳的练习效果。
(4)焊接操作规范
热熔焊接时的温度、时间、压力三个重要因素要严格控制,认真做好焊口端面的铣削、端口的清洁、最终焊口的冷却等方面细节工作;严格执行PE管焊接质量检查制度,通过对PE管的焊接外观成型检查,可以及时发现问题,有助操作人员及时调整焊接工艺;对焊缝的缝隙、错边、翻边宽度和单边宽度的检查,可及时发现管材轴线是否与机架轴线保持在同一条直接上,发现焊接设备运行是否正常,工人操作是否熟练,焊接设备开闭时间是否超标;在热熔焊接之后,冷却期间要注意切忌移动焊接件或对焊接件施加外力。因为焊接压力稍高于规定值时,会造成熔融区高温材质被挤出,形成低温结合,接头强度明显下降。
三、虚拟仿真技能培训系统的意义
虚拟仿真焊接训练系统是提高PE管焊工技能水平的有效途径,能够促进PE焊工培训质量的不断提高,以更好的适应我国逐渐大规模使用PE管材的新形式。利用虚拟仿真教学系统,可以改变传统的教育格局。现在的传统教学只是把知识从教师的头脑中落实到学生的笔记本中,如果充分利用虚拟现实技术,就可以利用建构主义来构建情境化教学,所谓的建构主义内容很丰富,但其核心用一句话概述就是:以学生为中心,强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识的主动建构。基于Unity3D的液压传动虚拟仿真教学系统就是该思想的完美体现,是真正实现集“教”、“学”、“练”、“考”于一身的教学系统。虚拟仿真教学系统具有开发灵活、可无限复制、摆脱时间与空间的各种限制及价格低、易开发等优点。利用基于Unity3D的液压传动虚拟仿真教学系统,不仅可以实现学生自主搭建实验环境,还可自主控制学习进度。在实验过程中不仅可以直观地观察液压油真实的流动效果及方向,还可实现真实实验中无法实现的观察内部元件的工作原理的功能,将被动的课堂教学转变为主动的自主学习、探索学习。虚拟仿真教学系统能够全面提高学生的创新能力、探索精神和实践动手能力,能够做到共享优质实验教学资源,建立信息化实验教学资源,推进实验教学信息化建设和实验教学资源的开放共享,进而推动高等学校实验教学改革与创新,形成在虚拟仿真教学领域可持续发展的现代服务业支撑体系,解决我国教育面临的规模与质量之间的矛盾,克服实验资源不均衡、创新能力不足的问题,有效的提高人才培养的质量。
参考文献
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关键词:输电线路;运行与检修;虚拟现实;仿真培训
输电线路运检工作的业务范围涵盖了超特高压交、直流所有电网的运行维护和检修,具有高智力、高技能、高风险等特点,对工作人员的理论素质和操作技能都有很高的要求,但是目前针对运检工作的各种培训方式都存在一定的缺陷,极大地限制了培训效果。为弥补传统培训的不足,本文提出了基于虚拟现实技术的输电线路运检的三维仿真培训系统。
近年来,虚拟现实技术逐步应用在电力培训中,如文献[1]提出了一种变电站仿真培训系统,文献[2]设计开发了有关电力安全的仿真培训系统,但是这些系统仅限于仿真软件的开发,交互性不强且培训模式单一,使得培训效果没有得到较大的提升。本文提出的培训系统既具有虚拟现实技术的全部特点,又提出了完整的培训模式。在实际培训中由理论知识到实际操作,由学习到考核,建立了完整的培训体系。培训人员可在循序渐进的学习过程中全面提升自身的理论素质和技能水平,大大增强了培训的效果。
一、系统特征及功能
1.系统特征
虚拟现实的应用范围非常广泛,包括科学可视化、设计与规划、教育与培训、遥感操作、艺术与娱乐等领域。[3]在输电线路运行与检修的培训中采用虚拟现实技术能为培训人员提供的视觉、听觉和触觉反馈,得到几近真实的感受,与现实教育培训基地或设施相比,输电线路运检三维仿真培训系统具有仿真性、可操作性、对应性的特征,能够在保证培训人员安全的前提下提升培训效果。具体特征如下:
(1)仿真性。仿真性是指培训系统实现了对输电线路运检的工作现场、工作流程及操作动作的全仿真。受训者在构造的输电线路虚拟场景中,通过自由变换虚拟场景的视角,可以浏览到输电线路的所有元件以及虚拟人物的动作细节,仿真了整个作业现场;通过体感设备,培训者可以做出动作与虚拟设备发生交互,从而仿真了作业中的实际操作。系统的培训效果与仿真性有直接关系,只有在如同真实的环境中进行实际操作才会使培训人员尽可能学习到作业的关键技术、危险点等。
(2)可操作性。可操作性是指仿真培训系统采用与实际工作中相对应的操作设备,这些设备为培训人员提供了接近真实的操作方式。[4]如受训者在培训系统中正在进行某项停电检修作业,作业中需要工器具时培训人员能够抓取虚拟的工器具,并使用工器具对虚拟设备进行操作。可操作性是虚拟培训系统实际运用的必备特性,培训人员可以主动地在虚拟的输电线路工作环境中进行作业,通过对感受到的信息进行思考和分析,形成自己想要的动作或策略,通过操作设备反馈给系统,实现与系统的交互和控制。[5]
(3)对应性。对应性是指培训系统是有针对性的培训:一是培训方式对应实际工作,现在输电线路运检三维仿真培训系统中按照不同的电压等级、不同的作业项目进行输电线路运检工作的讲解,具体作业项目如运行工作中的线路定期巡视、测量工作中接地电阻测量、停电检修工作中500kV停电清扫污秽绝缘子、带电作业中500kV带电更换单片绝缘子。二是培训对象对应不同人员的自身状况,对不同基础、能力和培训状况的学员开展针对性的培训。
2.系统功能
输电线路运行与检修三维仿真培训系统的主要功能模块的划分如图1所示。主要包括基础分析、仿真训练、考核评价、培训管理。培训是一种由理论知识到实际操作、从学习到考核的循序渐进的过程。
(1)基础分析。基础分析借助输电线路的三维仿真场景,将典型500kV线路的组成包括导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础、接地装置等进行一一展现及介绍,让学员在进实操培训前,学习掌握到输电线路基础知识。
(2)仿真训练。仿真训练主要帮助培训人员提升操作技能,是通过具体的作业项目进行培训的,如测量工作中接地电阻测量。培训人员通过控制设备与虚拟场景进行交互,掌握作业流程、作业关键点以及危险点等。此时可进行单人操作练习,也可以利用网络技术进行多人的协同作业,在仿真作业的同时,培训人员可以随时进行资料查询,包含作业指导书、各项规程标准等资料。
(3)考核评价。考核评价的目的是在阶段性培训后对学员的学习情况进行评定,包括理论考试和实操考试。理论考试主要包含作业指导书、电力安全作业规程、工器具使用等基本内容;实操考试是在仿真训练的基础上开发的考试模式,对学员的各项操作进行考核,评估学员的实操水平。
(4)培训管理。培训管理的目的是保证仿真培训工作的有序开展,贯穿于整个培训过程。培训管理主要功能包括:账号管理、考核评定和资料管理。各项功能由管理员控制,主要用于建立学员学习档案,管理学员信息和成绩,方便教师设置考试科目、考试内容,管理员也可以随时编辑,补充资料查询功能模块的内容。
二、系统开发与实现的关键技术
虚拟场景是构建输电线路运检三维仿真培训系统的基础,一个逼真的三维模型场景能对使用者构成强大的视觉冲击,所建立的场景越真实培训效果愈好。本系统利用 3ds MAX 平台进行输电线路各元件模型的构造,主要采用层次建模法,即先设计出模型的各种零部件,然后进行整体装配。同时,通过 3ds MAX 的材质和贴图系统、灯光系统等提高三维模型的真实度。
虚拟场景要想引人注目,必须是动态可交互的。[6]本文基于Quest 3D搭建整个仿真系统的底层平台,将所建立的三维模型导入到Quest 3D中,利用Quest 3D开发各项功能模块实现培训系统的交互功能。在功能模块的开发中需要解决各项具体问题,如碰撞检测问题就是检测不同模型是否发生了碰撞,就像现实中两实体之间是不会发生交叉重叠的一样,在虚拟场景中两三维模型之间也不能发生穿透的现象。[7]在平台中采用层次包围盒方法进行实时碰撞检测,其基本思想是通过建立对象的包围盒层次来逐渐逼近对象的几何模型,从而用体积略大而形状简单的包围盒代替复杂的几何对象参加碰撞检测,通过包围盒间的相交测试快速地排除不相交的基本几何元素,以减少相交测试的次数。[8]利用Quest 3D进行实时检测的精确性及响应速度完全满足于本系统。通过解决碰撞问题系统将大大增加真实感。最终表现如图2所示,图中展现的是在500kV带电更换单片绝缘子的作业项目中,等电位电工进入等电位的动作。
三、结语
将虚拟现实技术应用到输电线路运检的三维仿真培训方法突破了传统教学方法的局限,具有实用性、互动性、娱乐性等特点,是虚拟现实技术在电力培训上的具体应用。通过完成对三维模型建模、场景搭建、碰撞检测等等问题的处理,建立输电线路运检三维培训系统,其高度仿真性、操作性以及对应性的特点提高了培训的效果,但是目前限于计算机软、硬件技术水平,虚拟现实系统还只能达到部分真实感的程度。随着技术的不断发展以及电力行业对安全的重视程度,虚拟现实技术在该领域的应用会将更加深入,仿真培训方式也将逐步成为输电线路运检三维仿真培训的重要手段。
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【关键词】VR;教学;虚拟现实;应用;交互
1.引言
在信息传播技术迅猛发展的今天,当前以信息技术为背景的现代教育教学中,学生的学习兴趣较传统教学有着较大的提高,学习主体性也得到了较大的发挥。同时也不可避免地暴露出大部分多媒体信息的局限性,它只能按照时间的流程,程序设计的流向有限制地浏览。随着科技的发展,虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR)技术应运而生,它利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界,[1]使学习者获得与现实一样的感受。可以预测,虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络之后,在教育教学领域内最具有应用前景的技术之一。
VR技术是20世纪末发展起来的一门涉及众多学科的高新技术。它集计算机技术、传感技术、仿真技术、微电子技术为一体,通过计算机创建一种虚拟环境,通过多感官作用,使参与者产生和现实中一样的感觉。尽管该环境并不真实存在,但它作为一个逼真的三维环境,参与者就会产生身临其境的感觉,并可实现参与者与该环境的直接交互。这种技术应用于电工电子教学活动中,可以使学生不再是被动地看、听和接受所提供的内容,而是能够以各种形式参与到事件中去,在事件的变化过程中扮演角色。[2]反之,学生的行为也将影响事件的发展方向,使学生的学习像生活,像游戏一样轻松、活泼和积极有效。另一方面,教师也可以在虚拟环境中扮演一定的角色,与学生共同协调学习,形成和谐,互动合作的教学关系,从而使学生的学习效果获得了空前的提高。因此,在教育领域中恰当运用VR技术将是教育技术发展的一个飞跃。[3]
2.VR技术在电工电子教学中应用的优势
2.1 发散思维能力培养与主动探索能力提高
VR技术与其他教学方式的根本区别在于:VR技术打破了传统的单向传授知识的教学模式,使学生可以最大限度地发挥其主动性和积极性,更有利于培养学生的发散思维能力和主动探索能力。它将学习者的学习、训练及自我检测结合起来,形成一种积极、生动、活泼的教学方式。
具体体现在以下几个方面:
(1)提供个性化的订单式的教学手段
如计算机可以给出电工电子学的学习目标、内容、重点和难点等教学信息,可针对学生的不同解答过程进行分析,同时评价学习效果,使每个学生都能处于有利于自身的学习环境,学生可以用自己合适的速度和多条思路、多种途径来解答问题。
(2)提供给学生更广泛的有关电工电子课程的学习空间和选择空间
通过多种感官的刺激形式,学习者根据自身的实际情况选择适合自己难易程度的学习内容,从而达到因材施教的效果。这种学习方式增强了学生的学习信心,提高了学生主动探索能力。
(3)提供灵活的人机对话模式
VR技术将教师的教和学生的学有机地融为一体,使学生和计算机始终处于一系列交替询问和回答的过程,这种人机对话的过程中,学生选择的教学模式可以多样化、教学方法可以任意化、教学速度可以多方调节,学生可以一题多问、一题多练,计算机系统提供一题多解、一题多变的训练功能,这样就最大限度的开阔了学生的思路。如利用计算机模拟电工实验中的触电和触电现场急救这一堂课,强电操作危险性极大,不当操作甚至危及生命,学生往往出现两种情况,一种是缩头缩脚啥都不动,一种就是勇往直前以身试电,这都不利于这些内容的学习,另外教师不能预设触电情境或触电状态。因此,内容非常抽象,教师难教、学生难学。传统教学中一般是以大量的图片或文字进行介绍或借助于投影仪进行介绍。这些方法虽然能够帮助学生对于触电的理解,但直观性还是比较差,学生还要靠想象才能在头脑中形成印象。现借助计算机技术模拟显示触电状态,从而使只能通过口头语言描述的抽象问题变成了动态的直观、形象化了的图示,有效地加深了学生的理解和记忆。如心肺复苏的实施,通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式与计算机进行交互,完全置身于一个“超越现实、身临其境”的综合学习环境中。学生亲自的体验,加上动态、直观、形象化了的图像,开阔了学生的思路,提高了观察能力和理解能力和操作能力。只有VR技术这类智能型的教学方法,在思维方面才能满足学生细致的观察、联想、跳跃式的方式,才能更增进想象力,培养学生的创新思维能力,锻炼学生的自律能力,增强学生的持久学习动机。[4]
2.2 个性化教学模式平台整合
由于学生各自有不同的文化背景、知识结构和个性特征,使得每个人的学习习惯、思维方式也有着显著的差别。在传统的教学模式下,教师的教学计划不可能为每一位学生进行私人定制,但VR技术所提供的人机交互的特点却适用于个性化教学,因人施教、因材施教,培养出高素质的综合型人才。
VR技术是一种具有现实感、亲临感和多维感的高级人机界面模式,学生能够通过多种感官渠道从虚拟的环境中与它进行实时交互。[5]在这个全新的环境模式中,学生自主学习的空间更加广阔,创造性的思维更加活跃,学习效果获得了空前的提高。如在电工学中讲到《三相异步电动机的旋转磁场》时,如果老师一味地讲有关旋转磁场的理论就很难引起学生的注意,但利用虚拟实物的方法展现电机的转动等生活中身边的例子,就能充分调动学生的兴趣,把学生引入磁场的世界中,进一步把电产生磁、磁产生电,通电导体在磁场中的运动,把这类抽象、难以描述的过程进行快慢、缩放、局部、全景的再现,使客观事物的形、声、色生动地作用于学生的多种感官,在情境中感知记忆,通过思维、想象等一系列内隐的心理活动,从而把学生引入到磁场这种无形的场的学习中,在磁场的世界中学习相关知识。通过计算机提供的交互模式加快了学生的感知和理解事物的过程,有效地提高了学生的注意力和记忆力,优化了教学效果。
总之,在VR技术中,基于自然方式的交互作用和个性化学习环境,必然提高学生的学习兴趣,学生不仅仅是一个观察者,还是动作的积极参与者。因此大大激发了学生的学习动机、提高了学习效果。
2.3 虚拟胜实体、实践出真知
经验主要通过实践获得,但是在传统的学习过程中,一般只强调对理论知识的掌握,没有充分认识到经验的价值。在现代社会知识爆炸的压力下,实践活动越来越处于重要的地位。在虚拟环境中,学习者接触的学习材料不再是纯符号的知识,而是进行与实践有本质关联的活动,因此在学习理论知识的同时,也学习了实践知识。如在电工教学中,让学生进入虚拟车间内,熟悉机床每个部件的工作情况,观察每个部件之间的相互联系,了解整个电机拖动过程,这是用传统电视录像媒体和实物媒体作为教学手段所无法比拟的;再如学生用计算机提供的资源自己进行电路设计,从画图设计、研发、测试到实物的产生,这些VR技术所具有的特性使得学习活动更具实践意义,它以抽象的信息符号化转换成具象的物质载体,从根本上脱离大脑对虚拟思维对象的空洞感和神秘感,一并根除了传统实验环境下对象创设的认知局限性。
在VR技术尊重客观事实为前提的情况下,自参与者进入虚拟空间起,主体将不再受实体环境中的劳作经验束缚,而是把长期积累的生活经验和生产知识共融到预设对象的虚拟环境中,经过综合的技术处理,对大量现实素材进行可控的操作分析,展示其接近现实的真实环境。这样,虚实两种状态就被有机统一在新的技术实践中,现实性终于挣脱了单一发展的物质束缚,进入一个新的创造空间。
2.4 补教学条件硬伤、促安全实验开展
使用VR技术可给学习者提供机会去尝试不同的选择,但没有做“真实事情”时所带来的各种危险问题和费用损耗问题。学生甚至还可尝试在现实世界里不可能做的各种方案,从而判定哪种方案是最佳的和可行的。这样,既可使学习者免受伤害,也可使现实免遭损害。
另外,利用VR技术,可以解决学校普遍存在的实验设备不足、型号落后,教学经费场地缺乏等硬件建设方面条件的不足,并将有助于解决不能视、不能摸、不能入的多种危险性场合,也可以有效避免真实实验操作过程中的危险因素,在安全稳定的环境中完成预定实验,得到真实有效数据,在愉悦的体验过程中完成既定学习目标。[6]
VR技术让实验成本得到了大幅的降低,采用该技术教学相比传统实验教学更具形象性和交互性。以往对存在危险因素或对对人体健康不利的实验演示,常采用教师单独实验、助理协作拍摄、最终课题播放视频的方式来替代学生参与实验。实验播放教学过程中,学生无法直接参与实验,在感性认识上欠缺。
利用VR技术进行虚拟实验,学生在可以放心地去操作原本存在危险因素的或对人体健康不利的实验。如虚拟的电工实验中的电流对熔断丝粗细的影响对比试验中,可以避免因为电流的热效应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险;虚拟的机器故障维修,可避免由于学生操作失误,使人体与电的误接触而造成伤害或死亡的事故;虚拟的电路设计教学系统,可免除学员因操作失误而造成设备损坏的严重事故等等。
综上所述,在虚拟环境中,生动的各项实验可以使教学过程变得生动活泼,大大提高学生的感知水平和学习兴趣,特别是它的仿真模拟功能,可以使教学中一些难做或无法做的实验可以通过计算机的动态模拟技术演示得清楚明白,避免真实实验或操作所带来的各种危险,更加安全可靠,从而弥补教学条件带来的不足。
3.VR在电工电子教学中的应用形式
3.1 VR实物展示
VR实物是指用虚拟现实的手法来展示教学中实际用到的物体,学生可以根据自己的想法对虚拟的实物进行设计,通过对VR实物的操作来完成目标知识结构。如在电工教学中讲到《三相异步电动机的结构与原理》这一章时,如果教师一味地讲有关的理论就很难引起学生的注意,但利用VR的方法虚拟三相异步电动机,让学生自己拆分组装电动机,就可能很容易地把学生引入所学的知识,让学生在虚拟的世界中学习相关知识。
3.2 VR实验室建设
VR实验室是利用VR技术,建立各种VR实验室,它可以根据需要随时生成各种新的“虚拟”设备,教学内容可以不断更新,使实践训练能够及时跟上科学技术的发展。另外一方面,VR实验室能完成在现有条件下无法正常进行的实验或对人的生命有严重危害的实验,用虚拟现实的手法按照科学理论设计一个VR实验,学生通过VR实验来观察实验过程和了解实验结果,从而完成目标知识结构。如电工教学中有关“触电急救”的内容中,可以采用人工智能技术在一个框架内将具有现实感和可视化的详细空间模型与人体的符号模型结合起来,通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式与计算机进行交互,完全置身于一个“超越现实、身临其境”的综合学习环境中,为学生提供了最方便有利的条件。另外利用VR技术,可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教学中,有诸多造价高昂的教学实验,一直受价格因素的影响而得不到有效开展,在VR环境下既可以弥补传统实验的损耗价值过高的不足之处,又可以模拟真实环境操作,从而避免了不当操作的危险,同时也符合当代绿色环保的理念。实验参与者将可以自由地,毫无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器,进行各种各样的实验。
3.3 VR角色扮演
VR角色扮演是指让学生在虚拟的教学情境中充当一个角色,可以虚拟历史人物、名人、教师、学生等各种人物形象,创设一个人性化的学习环境,使参与者能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如,在虚拟的电工电子课堂学习气氛中,学生可以与虚报的教师、学生一起交流、讨论,共同探讨学习中出现的各种问题,进行协作化学习,培养学生的团队协作能力。虚拟的教师担当“导航”和“解惑”的重任,可以对所学的内容进行项目式教学,指导和帮助学生获取所需要的学习资源,根据系统教学资源对虚拟学生分组讨论的结果及时进行评价和分析,回答虚拟学生讨论中出现的问题,整个教学过程增加了教学的趣味性和浓浓的人性化色彩,从而改善教学效果,达到教学目的。
3.4 VR技能训练
VR技能训练是利用VR技术和计算机多媒体技术,创造一个接近事实的训练情境,使学生身处其中,自己动手操纵仪器,获得经验,掌握工作能力。利用VR技术,学生在虚拟的学习环境中扮演一个VR角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于学生的技能训练。利用VR技术,可以做各种各样的技能训练,如电子元器件的装配,电子整机装配,电器维修与维护等技能训练。这些训练的应用不仅减少了费用,提高了安全可靠性,而且高效环保,能进一步拓宽学生电工电子技能训练的范围,如一些昂贵的电工电子测量仪器设备的使用训练、危险性实验的操作仿真等等。
4.结束语
VR技术作为一个新型的教学媒体,已引起教学领域的极大关注。因为VR技术将对探索、发展现代教学理念,提高教学水平,改善实验环境,优化教学过程,培养具有创新型技能人才产生深远的影响,并将有助于解决不能视、不能摸、不能入危险性场所的实验等问题,同时解决职业院校普遍存在的实验设备不足、型号落后、难以更新换代等困难。目前,尽管VR系统的硬件设备还比较昂贵,VR技术教学中尚未能普及。但是,随着VR技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降低,相信VR技术作为一个新型的教学媒体,凭借自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到教学工作者的重视和青睐,最终在教学领域广泛应用并发挥其重要作用。
参考文献
[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学,2009,39(1):2.
[2]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].东北师范大学,2008-5-1:23.
[3]宋达.虚拟现实综述[D].东北师范大学,2005-5-1:7.
[4]恽如伟.虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D.南京师范大学,2005-6-30:21.
[5]苏建明,张续红,胡庆夕.展望虚拟现实技术[J].计算机仿真,2004,21(7):19.
[6]卞锋,江漫清,桑永英.虚拟现实及其应用进展[J].计算机仿真,2007,24(6):2.