基于虚拟现实技术的高校在线实验教学平台设计

段汝林

(广东青年职业学院 计算机工程系， 广东 广州 510545)

0 引言

实验教学是整个教学模式中至关重要的一部分，有助于提高学生解决实际问题能力以及操作动手能力。在众多教学科目中，尤其是理科教学过程中，常常使用实验教学作为基础，提高教学的趣味性，加强学生对教学内容的记忆。但是目前高校教学设备并不完善，导致许多实验难以实行，尤其是难度较大、内容较为抽象的物理、化学类实验在现实场景下不能具体实行，阻碍了学生实践学习[1-3]。

虚拟现实技术融合数字图像处理、人工智能技术以及多媒体技术，可以构建一个虚拟而真实的人工场景，使用计算机生成虚拟环境，虽是虚拟的场景却能反映真实情境[3-5]。虚拟现实技术通过交互使用户产生身临其境之感，目前广泛应用于影视娱乐、医学、军事、航空、设计、教学等领域[6-8]。

为提高实验教学的交互性能，提出了基于虚拟现实技术的实验教学平台，并通过仿真实验分析了其性能。

1 虚拟现实技术高校在线实验教学平台

1.1 平台体系结构

设计虚拟现实技术的高校在线实验教学平台的设计目的是构建一个为实验教学服务的虚拟实验环境，该虚拟场景中除去实验室整体环境还包括实验设备和元器件。实验教学平台总体结构,如图1所示。

图1 实验教学平台结构体系

实验教学平台结构体系主要分为两部分，服务器端和客户端。服务器端主要包含Web服务器与数据库服务器，共同实现平台应用功能[9]；数据库服务器又由文件数据库、虚拟原件库与文件库管理维护共同组成；客户端主要负责实现虚拟实验教学，构建实验教学的虚拟环境，由众多虚拟实验运行模块组成。

实验教学平台工作流程如下：统一资源定位符指定Web服务器接受通过浏览器的客户端提出的HTTP请求服务申请，通过HTTP协议Web服务器将镶嵌HTML用户程序软件上传到浏览器，浏览器内运行客户软件，生成客户端与虚拟实验教学界面之间的连接口，在虚拟实验教学界面通过各模块提供虚拟实验环境，实现交互协同。服务器指定的端口与通信端口通信连接数据库，得到信息数据，经Web服务器把文件资料传递给用户，浏览器输出客户端接受的文件信息。

1.2 虚拟交互功能实现

虚拟交互模块工作流程,如图2所示。

图2 虚拟交互模块工作流程

利用3DMax和VRML工具中的仿真工具完成实验教学平台的实验教学场景仿真，3DMax工具对实验教学场景模拟并将结果反馈，将模拟与反馈结果实行解算并输出，传递至驱动功能中，驱动功能对场景渲染，将结果传递至显示场景，同时显示场景功能接受实时采集的实验教学信息，显示出所搭建的实验场景，生成具体的实验操作教学场景。

1.2.1 虚拟场景建立

设计实验教学平台目的是构建一个交互式的虚拟实验环境，也就是在该平台中模拟出真实的实验仪器和实验设备，仪器设备的形状与实际相同，在质感、形态、光照等方面达到逼真的效果。将3DMax与VRML工具结合起来实现交互[10]。在实验教学平台中，假设数个对象共同组成真实实验室，由多边形拟合出对象的外部几何形状，赋予多边形光照和材质效果，提升对象的真实感。虚拟场景建模过程,如图3所示。

图3 虚拟场景建模过程

1.2.2 虚拟交互实现场景旋转

使用虚拟技术构建实验教学平台内的三维场景时常常需要旋转、移动场景中的物体。使用鼠标控制三维模型发生旋转时，最关键的一点是要保证所控制的物体中心点始终在原来的位置保持不变，使用鼠标选中物体保持不放开状态，鼠标指针移动方向为水平或垂直，同时控制实验教学平台内的三维模型，实现全方位360°浏览。

1.2.3 虚拟实验室教学全景漫游实现

在实现虚拟实验室教学全景漫游时主要通过制造景观和制造全景视频两个方面实现。

(1) 制造景观。收集并处理各景观模型的纹理信息。通过纹理处理工具处理所选纹理的格式和大小。模型建模时，纹理图片边长需为2n才能在漫游时显示正确的模型，实现实时性显示图形。

(2) 全景视频。利用摄像机运动跟踪算法，假设摄像机坐标中的一个点为(xu,yu,zu)，通过透视将该点投影至成像平面获取该点坐标为(x,y)，(x,y)与(xu,yu,zu)之间关系,如式(1)。

(1)

式中,e为摄像机焦距。

若摄像机焦距位置不发生改变，假设像素坐标(x,y)转变为(x′,y′)，转变前后两个坐标间关系,如式(2)。

(2)

式中,e′表示变化后的焦距。

摄像机能够做出六种自由度运动，分别为：旋转(φx,φy,φz)与位移(rx,ry,rz)，φx，φy，φz，rx，ry，rz，均代表摄像机运动参数，沿着x轴摄像机旋转成φx角度，像素发生的变化,如式(3)。

(3)

式中，p表示周期。

摄像机帧图内每个像素点位置变化情况,如式(4)。

(4)

假如沿着y轴摄像机旋转成φy角度，帧图内每个像素点位置变化,如式(5)。

(5)

假如沿着z轴摄像机旋转成φz角度，像素点坐标发生的变化,如式(6)。

(6)

通过以上变化过滤能够完成构建全景视频，最终实现高校在线实验教学平台全景漫游。

2 仿真测试

邀请某大学物理应用实验员和学生使用该平台实际进行在线实验教学活动，并对系统性能实行测试，使用者登录平台后，进入虚拟实验教学界面，通过鼠标滑动界面实现旋转漫游，使视角发生改变。界面主要包含一个虚拟走廊和一个虚拟引导员。虚拟走廊两侧有很多门，每个门代表一个类型的实验室，每个实验室包含不同分类的实验，比如力学实验室内包含量子力学实验、理论力学实验、电动力学实验等，鼠标指针放置在任意实验室门上，虚拟引导员会对该实验室实行介绍，包括该实验室主要包含何种实验、开放时间、注意事项等。使用者按照需求点击相应的门进入不同的实验室，再按需求进行下一步操作。使用者也可以直接点击页面右侧的按钮，按需求直接进入所需界面。图4应用物理专业学生使用本文平台实行空气折射率实验，该实验中操作虚拟仪器时使用虚拟手实现交互仿真,如图4所示。

图4 虚拟手交互仿真

通过鼠标控制平台中的虚拟手，操作平台中的虚拟工具调整迈克尔逊干涉仪实行具体实验，使用者通过虚拟手完成旋转、移动、抓取、测量等各种操作，实现交互控制。界面中还设置提示按钮，点击该按钮可以播放下一步实验步骤，辅助遇到障碍的使用者完成实验。

使用者完成实验后，向平台提交实验结果以及实验报告，平台根据实验操作情况以及实验结果，对实验结果实行评分。某应用物力专业学生开展实行空气折射率实验后的评分结果,如图5所示。

图5 智能评分界面

由图5能够看出，实验完成时长、使用提示的次数和实验效果都计入评分标准内，其中最主要的评分内容为实验效果，该项评分结果分为优、良、较好、合格与不合格。平台完成评分后，界面中还会根据完成实验的内容及评分情况向使用者推荐其他类型的实验，如果使用者根据兴趣可以进行下一步实验。

为了验证平台性能，在物理专业学生使用平台实行在线实验教学时，平台管理员对平台性能进行测试并统计，测试时间为一周，测试完成后对平台性能观察时间为一学期，测试结果,如表1所示。

表1 在线实验教学平台性能的安全测试

由表1可以看出，本文平台具有良好的性能，在虚拟场景构建以及在线实验教学方面都具有良好的功能效果，适合推广使用。

3 总结

使用虚拟现实技术作为基础设计一个高校在线实验教学平台。该平台的设计能够保障学生在一个交互性强、场景逼真的虚拟实验环境中完成实验教学内容。通过操作鼠标及键盘完成各种高校教学实验；通过交互，学生在虚拟环境中扮演一个角色，获得真实的实验操作感受。不但可以获得良好的教学效果，而且还能够满足学生的好奇心及求知欲，提高学生学习积极性。平台中丰富的实验内容与实验资源，提高了实验教学质量，推动了教育信息化发展。