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虚拟现实技术在光学实验教学中的应用
2014年11月5日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:卢宇,陈宏敏,赖恒,李丽滨
    单位:福建师范大学物理与光电信息科技学院
          福建师范大学教育与科学技术学院,福建福州350007)

    摘要:介绍了虚拟现实技术的构成,同时结合利用FLASH、Cult3D等技术开发的基于网络环境的虚拟光学实验室的实例,提出大学物理实验的一个崭新的多媒体教学方案。

    1、虚拟现实的概况

    虚拟现实(VR)是近几年来国内外科技界关注的一个热点,其发展也是日新月异.VR技术就是借助于计算机技术及硬件设备,实现一种人们可以通过视听触嗅等手段所感受到的虚拟幻境,故VR技术又称幻境或灵境技术。

    虚拟现实是一门集成了人与信息的科学.其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成.这些环境可以是真实的,也可以是想象的世界模型,其目的是通过人工合成的经历来表示信息.有了虚拟现实技术,复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能.虚拟现实是融合了许多人的因素的,且放大了它对个人感觉的影响的工程.虚拟现实技术是建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等学科之上的技术。

    虚拟现实应具有以下三个方面的含义.首先VR是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑”人类视觉的虚幻的世界.不仅可以看到而且可以听到、触到及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切.这种感觉是如此的真实,以至于能全方位地浸没在这个虚幻的世界中,这就是VR的首要功能,即浸没感或临场参与感.虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的,它不是一个静态的世界,而是一个开放的环境,它可以对使用者的输入做出响应.这是VR的第二个特征,即交互性.虚拟现实不仅仅是一个媒体,一个高级用户界面,它是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件,这是VR所具有的第三类特征,即思想性。

    综上所述,虚拟现实是人们可以通过视听触等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。

    2、虚拟现实技术的构成

    对于一个一般性虚拟系统,它包括图1所示的几部分.VR发动机由一台或数台配备有图形加速卡的计算机组成,它通过输入输出工具,依据软件工程的特性,从用户读入任务信息,将与任务相关的数据库资源用于虚拟环境。

图1、虚拟现实系统的组成

    3、虚拟现实技术与光学实验系统的设计

    虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域.作为一种崭新的方式,虚拟现实技术无疑将对教学产生深远的影响.在本校普通物理实验中的光学实验教学中,由于实验人数多,加上光学实验的特殊性,如:暗室条件、现象观察困难等特点,引入虚拟现实技术后,利用该技术的部分特点开发出相应的简易型虚拟现实系统辅助光学实验的教学。

    3.1 虚拟现实技术在光学实验系统设计中的特点

    首先利用虚拟现实技术的沉浸性的特点,考虑到真实性又考虑到实际经济因素,没有使用完全的虚拟环境,由计算机产生逼真的三维立体仪器图像(见图2).该图例中说明了设计的分光计的三维操作模型,在网络浏览器中该模型可以任意翻转、任意分解,可以从任何角度对仪器进行观察,可以实际操作该仪器,同时给出提示.设计了学生加入该实验室的虚拟身份,使用者可以如同加入游戏一样加入实验系统,以达到身入其境的感觉,该设计的引入为实验室的设备基本使用介绍提供了良好的解决方案,大量降低了实验设备中由于学生对设备的不熟悉而带来的设备损坏。

    其次,考虑到虚拟现实系统中的人机交互的特性,设计一系列良好的交互方式,使用者利用电脑键盘、鼠标可以很好地对系统中的实验环境进行操作,当使用者对系统中的实验仪器调整时系统将呈现出相应的调整的结果(见图3).在迈克耳逊测钠光波长的网络虚拟实验中,学生可以调节鼓轮直接操纵实验系统,虚拟实验设备立刻根据实验的实际情况在刻度盘上显示调节数量,在虚拟观测界面显示观测现象,同时可以根据现象情况直接选择是否读取数据进行数据处理,这样可以模拟实验的全过程达到教学的目的。

    考虑到虚拟现实系统的多感知性的特性.在光学实验系统中,当三维虚拟仪器调整时给出了相应的提示声音,让使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉等感知,从而达到身临其境的感受。

    该虚拟实验设计将虚拟现实技术与网络技术结合,利用网络中可以使用的多媒体技术开发的光学实验系统,在设计中充分考虑到虚拟交互的多媒体技术的大文件量的特点,对数据进行了压缩处理,使该实验可以在网络上直接操作效果良好,目前该系统已经正常运行了1年.

    3.2 虚拟光学实验室中使用的计算机技术

    本系统设计采用网页浏览形式和简单方便的表单提交方式,整体系统框架的构建采用了最新的ASP1NET的技术;利用FLASH技术进行实验指导的二维动画的开发;使用3DMAX和Cult3D开发网络三维仪器;采用数据库管理作为背景支持,数据都可形成规范的数据资料

   

    4、系统的效果

    弥补教学条件的不足.在光学实验教学中,因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因,而使一些应该开设的教学实验无法进行.利用虚拟现实系统,可以弥补这些方面的不足,学生足不出户便可以做各种各样的实验,获得与真实实验一样的体会,从而丰富感性认识,加深对教学内容的理解。

    避免真实实验或操作所带来的各种危险和不正确操作带来的正式实验系统的损坏.以往对于危险的或对人体健康有危害的实验,一般采用电视录像的方式来取代实验,学生无法直接参与实验,获得感性认识.利用虚拟现实技术进行虚拟实验,则可以免除这种顾虑.光学实验由于其使用环境的限制,不能在课堂上直接进行演示,学生的预习基本不可能,直接参与实验导致实验目的不明确,效果不佳。利用虚拟现实技术进行虚拟实验教学则可以很好达到真实实验的目的。

    彻底打破空间、时间的限制.利用虚拟现实技术,可以彻底打破空间的限制.从整个实验系统的剖析,到单个仪器元件的组成,学生都可以进入这些物体的内部进行观察,这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的.虚拟技术还可以突破时间的限制,让一些需要长时间才能观察的变化过程,在很短的时间内呈现给学生观察。

    5、结论

    利用虚拟现实技术开发的光学实验教学系统提高了教学效率,改进了教学效果,但是,由于实际使用的环境和经费等限制,目前,该系统只能设计成一个简单的虚拟环境.随着技术的进步和虚拟器件的价格下降,笔者希望将来在目前工作的基础上,制作出一个完全能够从视觉、听觉、触觉等各种角度都能参与的虚拟光学实验系统。

    参考文献:

    [1] 谢幼如.多媒体教学软件设计[M].北京:电子工业出版社,1999.

    [2] 赵纪平.物理实验CAI仿真课件的开发[J].实验室研究与探索,2001(1):27-28.

    [3] 杨述武.普通物理实验(三、光学部分)[M].北京:高等教育出版社,2001.

标签:光学实验教学Cult3DFLASH
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