基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課件寫作系統(tǒng)24-預(yù)覽頁(yè)

　

【正文】 排版和直觀顯示、數(shù)值計(jì)算、符號(hào)演算、函數(shù)繪圖等。積件思想是對(duì)多媒體教學(xué)信息資源和教學(xué)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)備、檢索、設(shè)計(jì)、組合、使用、管理、評(píng)價(jià)的理論與實(shí)踐的高度概括，其內(nèi)核主要體現(xiàn)在積件的基元性和可積性。由于WWW的信息管理和通信方式與單機(jī)的巨大差別，可視化多媒體集成環(huán)境已經(jīng)不能使用Internet網(wǎng)上應(yīng)用的要求，新的適用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的編程語(yǔ)言便產(chǎn)生了。VRML（Virtual Reality Modeling Language）的推出改變了信息局限于二維空間的歷史，它允許人們通過(guò)瀏覽器操縱三維空間的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和對(duì)象。用它開發(fā)一個(gè)課件需要三個(gè)步驟：知識(shí)獲取、課程構(gòu)建（curriculum construction）和教學(xué)策略形成。可見在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，教師和學(xué)生的地位、作用和傳統(tǒng)教學(xué)相比已發(fā)生很大變化。其教學(xué)設(shè)計(jì)的目的是如何幫助教師把課備好、教好，而很少考慮學(xué)生“如何學(xué)”的問(wèn)題。[1]⑵ 強(qiáng)調(diào)“情境”對(duì)意義建構(gòu)的重要作用[1]建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)總是與一定的社會(huì)文化背景即“情境”相聯(lián)系的，在實(shí)際情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以使學(xué)習(xí)者能利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)去同化當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識(shí)，從而賦予新知識(shí)以某種意義；如果原有經(jīng)驗(yàn)不能同化新知識(shí)，則要引起“順應(yīng)”過(guò)程，即對(duì)原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造與重組。這是建構(gòu)主義的核心概念之一。⑷ 強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境(而非教學(xué)環(huán)境)的設(shè)計(jì)[1]建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)習(xí)者可以在其中進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)的場(chǎng)所。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)是針對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)而非教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)。因此對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中有關(guān)“教學(xué)媒體的選擇與設(shè)計(jì)”這一部分，將有全新的處理方式。顯然，這些問(wèn)題在傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中是不會(huì)碰到或是很少碰到的，而在以“學(xué)”為中心的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，則成為急待解決的普遍性問(wèn)題。在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中，教學(xué)設(shè)計(jì)通常不是從分析教學(xué)目標(biāo)開始，而是從如何創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生意義建構(gòu)的情境開始，整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程緊緊圍繞“意義建構(gòu)”這個(gè)中心而展開，不論是學(xué)生的獨(dú)立探索、協(xié)作學(xué)習(xí)還是教師輔導(dǎo)，總之，學(xué)習(xí)過(guò)程中的一切活動(dòng)都要從屬于這一中心，都要有利于完成和深化對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。因?yàn)椤耙饬x建構(gòu)”是指對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義進(jìn)行建構(gòu)，而“當(dāng)前所學(xué)知識(shí)”這一概念是含糊的、籠統(tǒng)的。這樣建構(gòu)的“意義”才是真正有意義的，才是符合教學(xué)要求的。在學(xué)習(xí)中建構(gòu)認(rèn)知情景可以從以下幾個(gè)方面著手：⑴ 在真實(shí)活動(dòng)中建模知識(shí)；⑵ 通過(guò)臺(tái)架或教練來(lái)引導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)；⑶ 讓學(xué)生連接、組織其零散的知識(shí)并區(qū)分無(wú)效的策略與錯(cuò)誤的觀念；⑷ 逐漸減少幫助，以培養(yǎng)學(xué)生能力；4）主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境（Action Learning Environment，ALE）正是在認(rèn)知理論的基礎(chǔ)上提出的。隨著人們不同的動(dòng)作，這些感覺也隨之改變。它的最重要的目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便自然的人機(jī)交互，能夠達(dá)到或者部分達(dá)到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。這種體驗(yàn)就是“沉浸”或“投入”，即全心地進(jìn)入，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是產(chǎn)生在虛擬世界中的幻覺。第二，系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機(jī)交互手段。參與者在虛擬環(huán)境中的活動(dòng)或者經(jīng)歷有兩種形式，一種是主觀參與（Firstperson activities），另一種是客觀參與（Secondperson activities）。有的應(yīng)用也不需要完全的沉浸和投入，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。2．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)類型的劃分VR最本質(zhì)的特征用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的沉浸，根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分四類：1) 桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕用來(lái)作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，各種外部設(shè)備一般用來(lái)駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。常見桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：這種技術(shù)不采用傳統(tǒng)的利用計(jì)算機(jī)生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計(jì)算機(jī)中拼接以建立的實(shí)景化虛擬空間，這使得高度復(fù)雜和高度逼真的虛擬場(chǎng)景能夠以很小的計(jì)算代價(jià)得到，從而使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可能在PC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)在某種意義上來(lái)說(shuō)也是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算來(lái)生成三維模型，模型的復(fù)雜度和真實(shí)感受桌面計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進(jìn)的接口設(shè)備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，如同現(xiàn)實(shí)世界一樣。遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)：遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實(shí)與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，當(dāng)某處的參與者操縱一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，其結(jié)果卻在另一個(gè)地方發(fā)生，參與者通過(guò)立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠(yuǎn)地的攝像機(jī)相連；通過(guò)運(yùn)動(dòng)跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運(yùn)動(dòng)，反饋遠(yuǎn)地的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（如阻尼、碰撞等），并把動(dòng)作傳送到遠(yuǎn)地完成。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項(xiàng)目之一。3．問(wèn)題的提出和研究的方向建構(gòu)主義認(rèn)為[2]，學(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)習(xí)者可以在其中進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)的場(chǎng)所。在傳統(tǒng)的課堂講授中，由于不能提供實(shí)際情境所具有的生動(dòng)性、豐富性，因而將使學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)發(fā)生困難。按照這種觀念，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)是針對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)而非教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)。將世界上各種教育虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，這對(duì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)實(shí)踐提供了數(shù)不清的途徑。各種應(yīng)用，幾乎不可勝數(shù)。這樣，醫(yī)學(xué)院的大學(xué)生不必冒任何醫(yī)療事故的風(fēng)險(xiǎn)就可以反復(fù)實(shí)習(xí)手術(shù)中的各種實(shí)際操作。由于設(shè)備昂貴，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是應(yīng)用于少數(shù)高難度的軍事和醫(yī)療模擬訓(xùn)練，以及一些研究部門，一些很具有應(yīng)用前景中小單位，如學(xué)校等，往往是由于無(wú)法購(gòu)置這些昂貴的設(shè)置，只能望而興嘆。正是因?yàn)橐酝奶摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)過(guò)分依賴于昂貴的專業(yè)設(shè)備，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域具有其他媒體不可比擬的“真實(shí)性”優(yōu)勢(shì)，但卻不能廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。而本系統(tǒng)采用360度全景攝影照片作素材，所以圖象質(zhì)量高，立體效果好，因?yàn)槭歉鶕?jù)真實(shí)世界影像來(lái)進(jìn)行三維建模，因而真實(shí)性極強(qiáng)，另外，本系統(tǒng)采用先進(jìn)的圖像壓縮與還原算法，不僅使造型數(shù)據(jù)量小，而且在空間呈獻(xiàn)時(shí)，沒有很大的延遲；第三，目前大部分VR系統(tǒng)的制作都需要復(fù)雜的編程來(lái)生成三維模型、檢測(cè)特殊外部設(shè)備的狀態(tài)及反饋、進(jìn)行交互控制等，這就限制了普通人涉及這個(gè)領(lǐng)域的開發(fā)。 生成場(chǎng)景，使得素材的準(zhǔn)備工作變得非常簡(jiǎn)單。利用Internet作為遠(yuǎn)距離教育的新型手段，為我們解決傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離教育模式中存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。對(duì)小城的一些有名建筑，還能在那里停下來(lái)存有關(guān)的資料（資料可以是圖象，聲音，文本，視頻……）。因?yàn)轱@示器每時(shí)刻只能顯示一部分景象，所以在這里還能通過(guò)全局圖象來(lái)指導(dǎo)用戶交互，目的是給用戶提示上下文信息，讓用戶具有對(duì)景象的整體感和先驗(yàn)知識(shí)，利用實(shí)景像已為全景視頻的發(fā)傳打下了基礎(chǔ)。初始時(shí)只裝人全景圖象的一部分，移動(dòng)時(shí)再調(diào)人相應(yīng)的塊。兩者功能基本相同， Video是利用硬件，直接通過(guò)全景照相機(jī)得到全景圖象。電影中各場(chǎng)景之間通過(guò)熱點(diǎn)相互連接，觀眾可以根據(jù)自己的意愿在電影中選擇觀看自己感興趣的東西。另外，國(guó)防科技大學(xué)和清華大學(xué)都有類似的研究，清華大學(xué)的一個(gè)研究成果可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際拍攝效果中振動(dòng)的消除，還可使得實(shí)拍的場(chǎng)景中前景虛化，類似透視拍攝的效果。應(yīng)用程序可以用QuickTime 來(lái)生成，顯示，編輯，拷貝，壓縮影片和影片數(shù)據(jù)，就象通常操縱文本文件和靜止圖象那樣。① 原子QuickTime的原子是QuickTime用來(lái)構(gòu)建等級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本容器。應(yīng)用程序和其它各種軟件也可以用QuickTime原子結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。QuickTime影片通常是由許多軌道組成的。媒體結(jié)構(gòu)和編輯列表是做為QuickTime原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)QuickTime組件都實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能集并且提供給它支持的技術(shù)和客戶應(yīng)用程序以特定的接口。其它的應(yīng)用程序通過(guò)連接你的組件也可以實(shí)現(xiàn)這些加密算法，而不用它們自己再來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)加密算法。當(dāng)你生成了一種新的組件類的時(shí)候，你可以為這種新組件定義一種函數(shù)級(jí)接口。時(shí)間尺度以時(shí)間單位表示。影片中的某點(diǎn)可以由到那一點(diǎn)經(jīng)過(guò)的時(shí)間單位的數(shù)量來(lái)確定。⑤ 動(dòng)畫圖象在傳統(tǒng)的視頻動(dòng)畫中，你通過(guò)確定每個(gè)象素的顏色來(lái)描述幀。動(dòng)畫圖象可以和靜止圖象混合，用來(lái)在內(nèi)存相對(duì)較少時(shí)產(chǎn)生較多的效果。單獨(dú)一段影片可以容納好幾種數(shù)據(jù)。② 圖象壓縮管理器圖象數(shù)據(jù)需要大量的存儲(chǔ)空間。它提供了系統(tǒng)集成函數(shù)用來(lái)存儲(chǔ)壓縮圖象，作為Macintosh機(jī)上的PICT文件和Windows下的DIB文件。③ QuickTime組件蘋果提供了許多QuickTime內(nèi)嵌組件。(3)工具：包括有時(shí)鐘組件、標(biāo)準(zhǔn)聲音組件、順序抓取組件、順序抓取通道組件、文本軌道組件、順序抓取面板組件等2．QuickTime VR的基本概念及其產(chǎn)品的基本開發(fā)流程1）什么是QuickTime VRQuickTime VR是QuickTime Virtual Reality 的簡(jiǎn)稱，它是美國(guó)蘋果公司在QuickTime技術(shù)基礎(chǔ)之上開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它的出現(xiàn)使得往專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中的成本昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。同樣無(wú)論無(wú)論我們是野外海邊，還是在復(fù)雜如迷宮的博物館，辦公室或航空母艦上，通過(guò)建立以實(shí)景為基礎(chǔ)的全景圖象，就可以對(duì)我們的周圍進(jìn)行觀擦，如果輔以聲音，也可以獲得較好的隨意觀察、交互訪問(wèn)的效果。QuickTime VR的全景實(shí)際上是空間中一個(gè)視點(diǎn)對(duì)周圍環(huán)境的360度的視圖。可以這樣說(shuō)：QuickTime VR的全景圖象是從空間中的節(jié)點(diǎn)來(lái)看周圍360度的景物所生成的視圖，而物體則剛好相反，它是從分布在以一件物體（即物體）為中心的立體360度的球面上的眾多視點(diǎn)來(lái)看一件物體，從而生成的對(duì)一件物體全方位的圖象信息。而每個(gè)場(chǎng)景都有一個(gè)入口節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)場(chǎng)景打開時(shí)，這個(gè)入口節(jié)點(diǎn)作為缺省的節(jié)點(diǎn)被顯示出來(lái)。一是基于幾何模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示；二是基于圖像的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示，QuickTime VR就是采用基于圖像的三維建模與動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)。這種基于幾何模型的建模與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是觀察點(diǎn)和觀察方向可以隨意改變，不受限制。設(shè)工作站的處理能力為每秒300萬(wàn)個(gè)面片，而刷新頻率為每秒10幀，那么，平均起來(lái)每幀需處理30萬(wàn)個(gè)面片。QuickTime VR就是一種利用圖像鑲嵌(Mosaic)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示的技術(shù)。對(duì)拼接好的圖像實(shí)行切割及壓縮存儲(chǔ)，形成全景圖。這種基于圖像鑲嵌方法的優(yōu)點(diǎn)是可由攝像機(jī)獲取三維場(chǎng)景，不需要進(jìn)行幾何造型，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求不高，但需較大的存儲(chǔ)空間，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示。這時(shí)，需要解決圖像插值時(shí)可能出現(xiàn)的空洞或重疊等問(wèn)題。所有對(duì)三維造型的操縱僅用普通鼠標(biāo)、鍵盤就可完成。③性能特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單：不需要昂貴的設(shè)備，就可以體驗(yàn)真正的虛擬現(xiàn)實(shí)。因此，同一QuickTime VR 場(chǎng)景可跨平臺(tái)運(yùn)行，同時(shí)，它還可以在Internet上發(fā)布。相對(duì)于其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，QuickTime VR 影片數(shù)據(jù)量極小。一般制作一個(gè)大型的場(chǎng)景，一般也只需幾個(gè)月。與多媒體軟件的比較：多媒體在感知領(lǐng)域的應(yīng)用不及VR廣泛，且多媒體技術(shù)所操縱的對(duì)象都是二維的，QuickTime VR技術(shù)擁有比多媒體技術(shù)更強(qiáng)的真實(shí)感.五、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1．系統(tǒng)研究的目標(biāo)本次研究的目標(biāo)包括兩個(gè)方面：理論研究和技術(shù)研究，以技術(shù)研究為主。2）素材管理器：要制作一個(gè)復(fù)雜的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課件系統(tǒng)，需要大量的多媒體素材，除了包括用于產(chǎn)生虛擬信息空間的物體電影和全景電影之外，還有各種傳統(tǒng)的多媒體元素。物體電影播放器包括兩個(gè)部份，一個(gè)是獨(dú)立的播放軟件，專門用于播放物體電影文件；第二，為了將QTVR整合應(yīng)用到其它多媒體開發(fā)軟件中，需要編制一套播放軟件的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使得其它程序開發(fā)工具（如Visual C++、Visual Basic、Delphi、AuthorWare等）能夠?qū)TVR的物體電影文件作為一種新型的媒體素材加以利用，這可以大大促進(jìn)QTVR的廣泛應(yīng)用。全景電影播放器也包括兩個(gè)部份，第一部分是一個(gè)獨(dú)立的全景電影播放軟件，專門用于播放全景電影文件；在第二個(gè)部分中，我們要編制一套播放全景電影的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使得其它程序開發(fā)工具（如Visual C++、Visual Basic、Delphi、AuthorWare等）能夠?qū)TVR的全景電影文件作為一種可用的素材來(lái)進(jìn)行集成，就象使用其他媒體一樣的簡(jiǎn)單。在本系統(tǒng)中，為了將QTVR的全景電影文件、物體電影文件和圖像、聲音、文本等傳統(tǒng)媒體元素有機(jī)地集成到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)課件中，我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)多媒體集成器。課件預(yù)攬器在單機(jī)上模擬一種合適的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)課件的預(yù)攬，為網(wǎng)絡(luò)課件的寫作提供一種所見即所得的集成開發(fā)環(huán)境。此插件根據(jù)此網(wǎng)絡(luò)課件的腳本自動(dòng)生成一個(gè)HTML文檔，在客戶端的瀏覽器中完成QTVR文件的實(shí)時(shí)播放，并實(shí)現(xiàn)各媒體之間的超連接關(guān)系。熟悉QuickTime VR制作流程，以便對(duì)QuickTime VR制作流程進(jìn)行有效的控制和管理。另外，我們?cè)噲D開發(fā)一個(gè)播放QuickTime VR影片的VB控件，此控件可實(shí)施商品化。譬如，當(dāng)我們從路的一頭走到一頭時(shí)，不是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，而是突然地跳轉(zhuǎn)到終點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1. 何克抗，《從信息時(shí)代的教育與培訓(xùn)看教學(xué)設(shè)計(jì)理論的新發(fā)展》，“21世紀(jì)教育與培訓(xùn)的革新和挑戰(zhàn)”國(guó)際會(huì)議（香港）大會(huì)特邀報(bào)告。Sons Inc，1994； 35. 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