虚拟现实在多媒体教学中的应用

2022-09-12

1虚拟现实简介

1.1什么是虚拟现实

虚拟现实就是指虚拟现实建模语言 (缩写为V R M L) , 是指计算机生成的一个实时三维环境。你能在计算机中或在Internet中设计自己的三维虚拟空间, 可以建造你所能想象到的形体, 如人造物:汽车、飞机等;自然物:人体、动植物等。你可以用你能想象的任何东西来填充虚拟的世界, 例如我们在Internet可以给物体赋任意材质和颜色, 并可按操作者的要求随意动态改变这些属性, 可实时观察改变后的效果。我们不仅能全方位观察物体外部结构, 而且可以深入观察其内部复杂的结构, 还可听到虚拟环境中的声音效果, 并可感受空间的立体效果。将这些特性应用于我们的多媒体教学, 将会取得事半功倍的效果。

虚拟现实技术是2 0世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它实时的三维表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受, 为人机交互技术开创新的研究和应用领域。将V R M L与多媒体教学及网络结合起来, 会产生一种既新颖又非常有效的教学方式, 使传统多媒体教学很难或无法表现的内容, 通过虚拟现实可生动形象地展示出来, 使学生易于理解, 从而提高学生的学习兴趣, 从而充分发挥多媒体教学的优势。

1.2 VRML的发展

V R M L开始于2 0世纪9 0年代初期。1 9 9 4年3月在日内瓦召开的第一届W W W大会上, 首次正式提出V R M L这个名称。

1994年10月, 在美国芝加哥召开的第一届W W W大会上公布了规范的V R M L1.0草案。它可以创建静态的3 D景物, 但没有声音和动画。它只有一个可以探索的静态世界。

1 9 9 6年8月, 在美国新奥尔良召开的优秀的3 D图形技术会议上公布通过了规范的VRML2.0第一版。它在VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善, 增强了静态世界、增加了交互性、动画、编程等功能。

1 9 9 8年1月V R M L 9 7正式获得国际标准组织I S O批准。VRML97在VRML2.0基础上进行了的修正。V R M L规范支持纹理映射、全景背景、雾、视频、音频、对象运动和碰撞检测等一切用于建立虚拟世界所必需的东西。

1 9 9 8年, V R M L组织把自己改名为W e b 3 D组织, 同时制定了一个新的标准, Extensible3D (简称X3D) , 1999年底, X3D整合正在发展的X M L、J A V A、流技术等先进技术, 包括了更强大、更高效的3 D计算能力、渲染质量和传输速度。

2000年6月, 伴随V R M L 2 0 0 0诞生, W e b 3 D组织完成了V R M L到X 3 D的转换, V R M L技术从此又进入了一个崭新的发展时代。

2 VRML的功能与优势

2.1 VRML的功能概述

按照W e b 3 D协会的定义, V R M L语言是一种用于在Internet上构筑三维模型和共享虚拟世界的开放式语言标准。它的功能可以概括如下:

2.1.1 可以提供灵活有效的方式, 将二维、三维图形和动画、音频、视频等多种效果结合在一起, 从而形成一个综合性的虚拟环境, 并使之具有空间感和实时性。

2.1.2 计算机用户可以根据自己的意愿进行操作, 有相当大的自由度。

2.1.3 安装V R M L浏览器软件后, 可以在互联网上直接观看其效果。

2.1.4 借助虚拟现实交互设备就可以使人产生身临其境的体验。

2.2 VRML的优势

虽然V R M L从诞生至今只经历了很短的时间, 但它的发展速度却是突飞猛进的。它不但应用在商业领域, 而且在多媒体教学中也得到了广泛的应用。V R M L的优势主要在以下几方面:

2.2.1 适应不同系统配置的要求

V R M L和硬件平台无关, 只要能提供V R M L浏览器, 在较低的系统配置下, 也可进行浏览。

2.2.2 可以实现真正的动态交互

V R M L的图形渲染是“实时”的, 这是它与动画制作软件的最大区别。这种“实时性”导致了在虚拟场景中的人机“动态交互性”。我们用动画制作软件只能制作一个沿着某一条路径浏览的“死”动画, 虽然可以反复播放这个动画, 但它将总是沿着这条路径一成不变。V R M L生成的场景却是“活”的。这种人机交互性不仅限定在浏览V R M L文件时可以自由地控制浏览方向而不受任何限制, 更体现在我们随时可以启动一个“事件”, 比如碰到了一个物体, 会发出巨大的碰撞声;遇到了一个门, 可以亲自把它打开, 同时可看到门内的物体, 从而具有身临其境的感受。应该说, 在V R M L场景中的对象不仅是“动态的”, 而且可根据我们的需要进行交互式的动态展示, 这一点对于多媒体教学来说是至关重要的。V R M L具有三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等众多优越的特征, 同时又能兼顾先进性和普及性。它必将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯和虚拟现实为一体的新型多媒体教学模式。

2.1.3 适用于网络现状的技术

V R M L避免了在网上传输无限容量的多帧视频图像, 而传输的是有限容量的wrl文件, 即只传送描述场景的模型, 而把动画帧的生成由用户的计算机完成。它使得操作者在虚拟世界中的浏览速度和质量只依赖于用户计算机的性能, 而与网络的传播速度无关。这在网络带宽仍是瓶颈问题的多媒体网络教学是非常值得关注的。

3 VRML在多媒体教学中的应用

目前普通的多媒体教学多采用二维动画, 是静态展示, 在表现一些空间立体化的知识, 如原子、分子的结构、机械的运动时存在很大的困难。而V R M L通过提供三维动态展现形式, 使学习过程形象化, 使学生更容易接受和掌握。

V R M L能将三维空间的意念清楚地表示出来, 并产生视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感观的刺激信息;同时, 它使学习者能直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用, 以各种形式参与到事件的发展变化过程中去, 从而最大限度地控制和操作整个虚拟环境。这种学习和培训环境, 将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途径。因此, 该项技术在多媒体教学方面中受到了广泛的重视。

以下是V R M L在多媒体教学方面的几个典型应用。

3.1 仿真教学和实验

利用虚拟现实技术, 可以模拟展现那些在现实中存在, 但是在课堂教学环境下用别的方法很难或者需花费很多费用才能显现的各种事物, 供学生学习和探索。

此外还可在空间各个方向观察事物的外部甚至内部的结构。在立体构成和建筑设计课程的多媒体教学中, 只有一般的平面图形或者二维动画是远远不够的, 有时为了帮助学生全方位地观察物体的各个面, 甚至内部结构, 需要利用虚拟现实技术, 让学生可以转圈走, 也可以进入内部, 使学生不仅了解表面, 而且了解内部的所有细节, 这对于传统的多媒体教学来说是很难实现的。在艺术设计的多媒体教学中, 可以随时改变物体的材质和颜色, 并可实时观察改变后的效果, 这可有效地提高学生的学习兴趣。

3.2 特殊教育

在虚拟现实的帮助下, 残疾人能够通过自己的形体动作与他人进行交流, 帮助他们进行学习。例如, 在高性能计算机和虚拟现实交互设备的支持下, 残疾人带上数据手套后, 就能将自己的手势翻译成讲话的声音;配上目光跟踪装置后, 就能将眼睛的动作翻译成手势、命令或说话的声音。通过专门教弱智儿童手势语言的三维虚拟图像的理解和训练系统, 可以帮助这些孩子进行学习和训练, 使他们能很快地熟悉符号、字和手势语言的意义, 这为残疾和弱智人员的教育提供了一种新的有效的途径。

其实, 除了上述列举的V R M L在多媒体教学方面的几个典型应用外, 采用虚拟现实技术进行多媒体教学的实例还有很多。

4 VRML的在多媒体教学中的存在的主要问题及发展方向

目前, 由于VRML建立复杂模型的软件较少, 建模过程较复杂, 常需要设计人员具有较强的程序设计能力, 在网上浏览时需要先下载浏览器软件, 才可进行虚拟现实效果的展示, 而且常需要较昂贵的V R M L交互设备, 因而限制了其在多媒体教学中的应用。目前, V R M L在多媒体教学中的应用仍然处于初级阶段。在多媒体教学中进行广泛应用, 还需解决许多理论问题和克服许多技术障碍。虚拟现实的发展主要有以下三个发展方向: (1) 用于更快、更高质量的三维立体建模语言的研究; (2) 更快速的V R M L文件网上传输和浏览; (3) 价格较低、用户界面友好且可不直接进行程序设计的虚拟现实软件的研发。

摘要：虚拟现实 (VRML) 是一种用于建立真实世界的场景或人们虚构的三维世界的场景的建模语言, 被认为是21世纪最有发展前途的动态展示技术, 目前在许多方面已得到了广泛的应用, 它对于多媒体教学的动态展示来说是一个极好的工具。本文叙述了虚拟现实的基本概念、发展过程和优势, 并重点介绍了它在多媒体教学中的应用。

关键词：虚拟现实,多媒体教学,虚拟现实文件浏览器,建模语言