基于虛擬現實技術的網絡課件寫作系統(更新版)

　　

【正文】 虛擬現實技術的高質量的教育與培訓系統；本次研究以技術研究為主，具體的目標是要開發出一個在普通PC機上運行的基于虛擬現實技術的網絡課件寫作系統，它主要由七個部份組成，其邏輯結構圖如下圖所示。小數據量意味著同樣大小的磁盤空間存儲更多的圖片，同時也意味著用戶對場景的操縱更加迅速。任何欣賞QuickTime VR場景的用戶無須配戴欣賞一般虛擬現實技術影片所要求的昂貴的特殊頭盔、特殊眼鏡和數據手套，所有對場景的操縱僅用普通鼠標、鍵盤就可完成。在將幾何模型轉變為屏幕圖像的過程中，我們需要解決隱藏面和隱藏線消除、光照強度計算及由物體空間到圖像空間的投影等三個問題，而在基于圖像的實時動態顯示中，當需要由已知圖像產生其它圖像時，同樣需要解決以上三個問題，也就是如何確定在不同的已知圖像中同一物體的對應點，并找到它在所求圖像中的位置，如何求出該點應有的光亮度值以及如何在所求圖像中正確反映出物體之間的前后關系。用戶從存儲介質中調出全景圖即可形成對三維復雜場景的漫游。設屏幕分辨率為10001000=100萬個象素，那么，每個面片平均只占據3個象素。基于幾何模型的實時建模與動態顯示是計算機圖形學中的傳統方法。場景（Scenes）：QuickTime VR的場景指的是把一個或多個全景圖象或對象電影通過熱點這種手段連接后的全景圖象和對象電影的有序集合體。這就是QuickTime VR工作的基本原理。概括地講是一種基于靜態圖象處理的，在微機平臺上能夠實現的初級虛擬現實技術。它也提供了使任何可以運行QuickTime的機器上的壓縮PICT文件都可以自解壓的功能。例如，一段包含視頻信息的影片可以包括視頻數據和伴隨視頻數據的音頻數據。而動畫圖象通過確定出現在不同位置的圖象來描述幀。每秒中度過的時間單位的數量量化了時間尺度。應用程序使用組件是通過調用系統級的組件管理器。③ 組件QuickTime支持組件使應用程序不需要知道QuickTime用什么技術和設備來工作的。② 媒體結構傳統的視頻由連續的數據流組成。除了處理視頻數據以外，動畫圖象，矢量圖，多音軌，MIDI音樂，三維立體，虛擬現實全景和虛擬現實的物體，當然還包括文本。同時，該軟件還為電影中的每個場景配有一張導航圖，在導航圖中，觀眾可以看到自己在場景中位置，以免迷失在這個虛擬空間中。它能模擬人在空間的行，向四方觀望，還加人了聲音的效果。同時，提供了一張鳥瞰圖作為導航圖，用來標志用戶地點，提示關鍵場所和出局信息。第四，QuickTime VR在軟件的支持下，支持網絡功能。這次研究我們使用基于靜態圖像的虛擬現實技術（QuickTime VR）來開發一種網絡課件的寫作系統。虛擬現實技術應用于教育的另一個典型例子是在化學教育中的應用。在體育課上，學生可以進入仿真環境，去親自實踐一位NBA冠軍隊員蘭球場上的表演。認知靈活性理論（Cognitive Flexibility Theory，CFT）提出：復雜的知識通過在新的實例情景中的靈活應用，可以學習的更好。該項目是由美國國防部推動的一項標準，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網絡上互聯，它是美國國防高級研究計劃局1980年提出的SIMNET計劃的產物。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現實系統。VRML（虛擬現實造型語言）：它是一種在Internet網上應用極具前景的技術，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執行，生成虛擬的三維場景。在實際應用中，不同虛擬現實系統設計的側重點和所受約束各不相同。這些手段使得參與者能夠對虛擬環境進行實時的操縱，能從虛擬環境中得到反饋信息，也能便系統了解參與者的關鍵部位的位置、狀態、變形等各種系統需要知道的數據。虛擬現實系統就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統生成的虛擬世界。ALE給學生一個提供一個明確的任務，創造一種情景讓學生來完成這個任務，在此期間提供指導以幫助學生獲得成功。某一節的課文內容顯然是當前所要學習的知識，但是一節課總是由若干知識點組成的，而各個知識點的重要性是不相同的：有的屬于基本概念、基本原理(是教學目標要求必須“掌握”的內容)；有的則屬于一般的事實性知識或當前學習階段只需要知道還無需掌握的知識(對這類知識教學目標只要求“了解”)。⑹ 強調學習過程的最終目的是完成意義建構(而非完成教學目標)[1]在傳統教學設計中，教學目標是高于一切的，它既是教學過程的出發點，又是教學過程的歸宿。這是因為，教學意味著更多的控制與支配，而學習則意味著更多的主動與自由。學生們在教師的組織和引導下一起討論和交流，共同建立起學習群體并成為其中的一員。它有利于教師主導作用的發揮，有利于按教學目標的要求來組織教學。知識獲取包括讓寫作者提供內容知識然后以幀的形式存放在知識庫中，產生問題并存儲于問題庫中，確定媒體表現形式并將相應媒體形式存于資源庫中。WWW技術的主要組成部分之一就是HTML語言（HyperText Markup Language），它實現了WWW上信息的超文本聯接。它支持寫作語言，提供了比較齊全的語句。這類多媒體寫作工具是目前使用的最為廣泛的，它們大體可以分為四個主要的類別：基于頁面（框面、卡片、幀）的，基于流程線（圖標）的，基于時序的和基于腳本的。2．當前的課件寫作系統概述1）交互式可視化多媒體集成環境CAI課件最初是用通用程序設計語言直接編寫的，這些語言有Visual Basic、Delphi、Visual C++等。利用Internet來進行遠程教學，與傳統遠距離教育模式相比，有如下優勢：1) 極大的增強了教師和學生、學生和學生之間的交互性、打破了教師和學生、學生和學生之間的相對孤立狀態。由于傳統遠距離教育模式的諸多局限性，從而造成教學效率低下，學員的學習積極性不高。世界信息化的進程給人類社會的再一次騰飛帶來了新的機遇，由于Internet本身就是在教育科技領域內首先發展起來的，它反過來當然對教育系統也會產生巨大的影響。根據教學設計的理論將虛擬現實技術有機地融入到教學軟件的設計中，可以創建真實的情景學習環境，具有巨大的應用潛力。Internet 作為一條連接世界的信息高速公路，具有其他任何媒體不可比擬的資源優勢。國際互連網絡棗Internet就是計算機網絡發展的最新高度。在通過郵政系統實現的遠距離教育中，可以實現一些交互性，但時間長，手續繁瑣，費時費力，而在電視廣播中，學生則處于無可選擇的被動接收之中。利用Internet，可以在諸多學校之間共享優秀的教師資源，實現優勢互補，縮短由于地區經濟發展的先后而引起的教育水平的差異。它必將在我國和世界范圍內的遠距離教育領域起越來越重要的影。此外，它們還支持寫作語言，為課件寫作者更加精確、靈活地控制課件的運行方式提供了條件。除具備常見的多媒體寫作工具的基本功能外，它還提供多種做練習的方式、判題、評分、記分及反饋處理的方法，具有豐富的數學處理能力，包括表達式自動排版和直觀顯示、數值計算、符號演算、函數繪圖等。由于WWW的信息管理和通信方式與單機的巨大差別，可視化多媒體集成環境已經不能使用Internet網上應用的要求，新的適用于網絡運行的編程語言便產生了。用它開發一個課件需要三個步驟：知識獲取、課程構建（curriculum construction）和教學策略形成。其教學設計的目的是如何幫助教師把課備好、教好，而很少考慮學生“如何學”的問題。這是建構主義的核心概念之一。在建構主義學習理論指導下的教學設計應是針對學習環境的設計而非教學環境的設計。顯然，這些問題在傳統教學設計中是不會碰到或是很少碰到的，而在以“學”為中心的建構主義學習環境下，則成為急待解決的普遍性問題。因為“意義建構”是指對當前所學知識的意義進行建構，而“當前所學知識”這一概念是含糊的、籠統的。在學習中建構認知情景可以從以下幾個方面著手：⑴ 在真實活動中建模知識；⑵ 通過臺架或教練來引導學生完成任務；⑶ 讓學生連接、組織其零散的知識并區分無效的策略與錯誤的觀念；⑷ 逐漸減少幫助，以培養學生能力；4）主動學習環境主動學習環境（Action Learning Environment，ALE）正是在認知理論的基礎上提出的。它的最重要的目標就是真實的體驗和方便自然的人機交互，能夠達到或者部分達到這樣目標的系統就稱為虛擬現實系統。第二，系統要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。有的應用也不需要完全的沉浸和投入，例如增強現實系統。常見桌面虛擬現實技術有：基于靜態圖像的虛擬現實技術：這種技術不采用傳統的利用計算機生成圖像的方式，而采用連續拍攝的的圖像和視頻，在計算機中拼接以建立的實景化虛擬空間，這使得高度復雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計算代價得到，從而使得虛擬現實技術可能在PC平臺上實現。通過語音識別、數據手套、數據服裝等先進的接口設備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進行交互，如同現實世界一樣。目前最典型的分布式虛擬現實系統是作戰仿真互聯網和SIMNET，作戰仿真互聯網(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項目之一。在傳統的課堂講授中，由于不能提供實際情境所具有的生動性、豐富性，因而將使學習者對知識的意義建構發生困難。將世界上各種教育虛擬現實系統實時聯網，這對增強學習實踐提供了數不清的途徑。這樣，醫學院的大學生不必冒任何醫療事故的風險就可以反復實習手術中的各種實際操作。正是因為以往的虛擬現實技術過分依賴于昂貴的專業設備，雖然虛擬現實技術在教育領域具有其他媒體不可比擬的“真實性”優勢，但卻不能廣泛應用于教育領域。 生成場景，使得素材的準備工作變得非常簡單。對小城的一些有名建筑，還能在那里停下來存有關的資料（資料可以是圖象，聲音，文本，視頻……）。初始時只裝人全景圖象的一部分，移動時再調人相應的塊。電影中各場景之間通過熱點相互連接，觀眾可以根據自己的意愿在電影中選擇觀看自己感興趣的東西。應用程序可以用QuickTime 來生成，顯示，編輯，拷貝，壓縮影片和影片數據，就象通常操縱文本文件和靜止圖象那樣。應用程序和其它各種軟件也可以用QuickTime原子結構來存儲數據。媒體結構和編輯列表是做為QuickTime原子來實現的。其它的應用程序通過連接你的組件也可以實現這些加密算法，而不用它們自己再來實現這個加密算法。時間尺度以時間單位表示。⑤ 動畫圖象在傳統的視頻動畫中，你通過確定每個象素的顏色來描述幀。單獨一段影片可以容納好幾種數據。它提供了系統集成函數用來存儲壓縮圖象，作為Macintosh機上的PICT文件和Windows下的DIB文件。(3)工具：包括有時鐘組件、標準聲音組件、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的基本概念及其產品的基本開發流程1）什么是QuickTime VRQuickTime VR是QuickTime Virtual Reality 的簡稱，它是美國蘋果公司在QuickTime技術基礎之上開發的新一代虛擬現實技術。同樣無論無論我們是野外海邊，還是在復雜如迷宮的博物館，辦公室或航空母艦上，通過建立以實景為基礎的全景圖象，就可以對我們的周圍進行觀擦，如果輔以聲音，也可以獲得較好的隨意觀察、交互訪問的效果。可以這樣說：QuickTime VR的全景圖象是從空間中的節點來看周圍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來看一件物體，從而生成的對一件物體全方位的圖象信息。一是基于幾何模型的實時建模與動態顯示；二是基于圖像的實時建模與動態顯示，QuickTime VR就是采用基于圖像的三維建模與動態顯示技術。設工作站的處理能力為每秒300萬個面片，而刷新頻率為每秒10幀，那么，平均起來每幀需處理30萬個面片。對拼接好的圖像實行切割及壓縮存儲，形成全景圖。這時，需要解決圖像插值時可能出現的空洞或重疊等問題。③性能特點：設備簡單：不需要昂貴的設備，就可以體驗真正的虛擬現實。相對于其它虛擬現實技術，QuickTime VR 影片數據量極小。與多媒體軟件的比較：多媒體在感知領域的應用不及VR廣泛，且多媒體技術所操縱的對象都是二維的，QuickTime VR技術擁有比多媒體技術更強的真實感.五、系統的設計與實現1．系統研究的目標本次研究的目標包括兩個方面：理論研究和技術研究，以技術研究為主。物體電影播放器包括兩個部份，一個是獨立的播放軟件，專門用于播放物體電影文件；第二，為了將QTVR整合應用到其它多媒體開發軟件中，需要編制一套播放軟件的動態鏈接庫，使得其它程序開發工具（如Visual C++、Visual Basic、Delphi、AuthorWare等）能夠將QTVR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QTVR的廣泛應用。在本系統中，為了將QTVR的全景電影文件、物體電影文件和圖像、聲音、文本等傳統媒體元素有機地集成到一個網絡課件中，我們設計了這個多媒體集成器。此插件根據此網絡課件的腳本自動生成一個HTML文檔，在客戶端的瀏覽器中完成QTVR文件的實時播放，并實現各媒體之間的超連接關系。另外，我們試圖開發一個播放QuickTime VR影片的VB控件，此控件可實施商品化。參考文獻1. 何克抗，《從信息時代的教育與培訓看教學設計理論的新發展》，“21世紀教育與培訓的革新和挑戰”國際會議（香港）大會特邀