三維演示課件的設(shè)計與開發(fā)

1、<p>　　三維演示課件的設(shè)計與開發(fā)</p><p>　　摘&#8195;要：文章討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在教育中的應(yīng)用，提出了三維虛擬演示型課件的概念和優(yōu)勢，并以《幾何體三維交互演示系統(tǒng)》為例，介紹了該類型課件的設(shè)計要素和基于Quest3D開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實&#8195;課件制作&#8195;Quest3D </

2、p><p>　　中圖分類號：G622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-2117（2014）12-00-02 </p><p>　　1&#8195;虛擬現(xiàn)實及其教育應(yīng)用 </p><p>　　計算機三維建模和3D虛擬交互技術(shù)的不斷發(fā)展，使得虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用已逐步深入到社會各個領(lǐng)域，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)教學(xué)課件成為教育技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的又一熱點。 </p>

3、<p>　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成逼真的三維虛擬環(huán)境，使用者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性、構(gòu)想性、動作性和自主性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展將逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞健?</p><p>　　在國外，虛擬現(xiàn)實技

4、術(shù)已廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)，國內(nèi)關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用研究也已經(jīng)有了成果。作為新的教學(xué)媒體，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)無疑會對教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 </p><p>　　虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式，符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用主要在以下幾個方面： </p&

5、gt;<p>　?。?）利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行教學(xué)研究。例如，浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計的應(yīng)用，清華大學(xué)對臨場感的研究等都頗具特色。 </p><p>　?。?）建立虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。如建造人體模型、太空環(huán)境模擬、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等。 </p><p>　　（3）建立虛擬實驗室。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。一些需要幾十年甚至上百

6、年才能觀察的變化過程，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。 </p><p>　?。?）建立虛擬實訓(xùn)基地?？梢越鉀Q實訓(xùn)時危險性大、費用高、小概率事件再現(xiàn)和個性化導(dǎo)訓(xùn)等問題。 </p><p>　　2&#8195;虛擬現(xiàn)實演示型課件的界定及其優(yōu)勢 </p><p>　　三維虛擬演示型課件是指利用三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的可以在三維空間中展示物體形狀、構(gòu)造以及運

7、動規(guī)律的一種課件類型。三維空間中的互動演示和運動模擬的引入，彌補了常規(guī)媒體所不能呈現(xiàn)的多感官體驗，與平面圖像、視頻、動畫等媒體類型相比，虛擬型課件交互性高、信息量大、表現(xiàn)效果強、投入成本低。在展示常規(guī)方式無法呈現(xiàn)的物體結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律時，三維虛擬技術(shù)可使演示對象處在虛擬的三維環(huán)境中，并與學(xué)生產(chǎn)生互動，這便增加了學(xué)生身臨其境的體驗，使學(xué)習(xí)過程更加形象化和趣味化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。親身的經(jīng)歷、親身的感受比空洞抽象的說教更具說服力，從而使得

8、學(xué)生可以快速接受和掌握所學(xué)知識和技能。 </p><p>　　虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境具有良好的沉浸性、信息的多維表征、良好的交互性、以學(xué)習(xí)者為中心、無時空限制等特點。許多實際經(jīng)驗告訴我們，做比聽和說更能接受更多的信息。使用具有交互功能的3D課件，學(xué)生可以在實際的動手操作中得到更深的體會，對計算機遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)而言，引入Web3D內(nèi)容必將達(dá)到很好的在線教育效果。 </p><p>　　3&#81

9、95;虛擬現(xiàn)實項目開發(fā)工具 </p><p>　　國外開發(fā)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的工具主要有3DVIA Virtool和Quest3D，以及一些著名的大型游戲開發(fā)引擎。 </p><p>　　3DVIA Virtools是一套完整的開發(fā)平臺，以創(chuàng)新的可視化模式讓用戶輕松建構(gòu)互動體驗，可同時滿足無程序背景的設(shè)計人員以及高階程序設(shè)計師的需要，輕松建構(gòu)出身臨其境的完美體驗。 </p>&l

10、t;p>　　Quest3D的編程方式非常獨特，開發(fā)者只需要調(diào)用并連結(jié)大量的像積木一樣的信道元件，而不用編寫復(fù)雜的程序代碼，這些信道元件不僅易于使用，而且還有強大的擴展性。Quest3D擁有大量的專題圖集、大量的動漫角色模型、令人信服的植被、陰影、火焰、粒子以及逼真的水面特效等，都可以輕易地添加到場景中。其高級特性還包括物理仿真、勘尋路線、數(shù)據(jù)庫連接和網(wǎng)絡(luò)支持等。 </p><p>　　國內(nèi)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實開發(fā)

11、工具主要有虛擬現(xiàn)實P、Webmax和 Converse3D三個軟件。 </p><p>　　4&#8195;基于Quest3D的《幾何體三維交互演示課件》的設(shè)計 </p><p>　　《幾何體三維交互演示課件》是一個簡化了的虛擬演示型課件制作的模板，其設(shè)計思路和實現(xiàn)技術(shù)可以推廣到任何三維物體和產(chǎn)品的虛擬演示項目的開發(fā)中。 </p><p>　　4.1&

12、;#8195;整體功能需求設(shè)計 </p><p>　　學(xué)生通過點擊名稱按鈕切換幾何體，通過自動旋轉(zhuǎn)和手動旋轉(zhuǎn)兩種方式從不同視角觀察幾何體，同時可以改變視距遠(yuǎn)近，自由地觀察三維物體。課件打包成直接運行的EXE可執(zhí)行文件運行后，界面如圖1所示。 </p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)界面 </b></p><p>　　學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行如下操作：點擊

13、左側(cè)按鈕可以切換相應(yīng)的幾何體形狀；點擊“自動旋轉(zhuǎn)”復(fù)選框，可以切換幾何體是否自動旋轉(zhuǎn)；拖拽右下角的顏色滑塊，可以改變物體的顏色；滾動鼠標(biāo)滾輪，可以縮放物體；按下右鍵拖拽，可以自由旋轉(zhuǎn)物體。 </p><p>　　4.2&#8195;系統(tǒng)功能設(shè)計 </p><p>　?。?）三維物體的空間展示：學(xué)習(xí)者既可以從不同角度觀察物體，又可以進(jìn)入物體內(nèi)部或剖析其截面，甚至可以對模型進(jìn)行拆解和組

14、裝。 </p><p>　?。?）可以通過點擊按鈕、熱區(qū)或者GUI中的文字等方式切換一個或一組物體模型的顯示。 </p><p>　　（3）通過特定參數(shù)的調(diào)整，可以實時看到模型形狀、顏色等屬性的變化。 </p><p>　　（4）清晰的操作提示功能：可以對虛擬攝像機進(jìn)行推、拉、搖、移操作，或?qū)ξ矬w進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)和縮放的操作，并對以上操作都有簡明的操作提示。 <

15、/p><p>　　4.3&#8195;用戶界面（GUI）設(shè)計 </p><p>　　本系統(tǒng)的GUI包括軟件的背景圖、系統(tǒng)名稱、幾何體名稱按鈕、自動旋轉(zhuǎn)復(fù)選框、幾何體顏色調(diào)整滑塊、操作說明文字和英文系統(tǒng)標(biāo)志7個部分。設(shè)計體現(xiàn)以人為本，適用為先，樂用為上，虛擬環(huán)境的設(shè)計應(yīng)簡單、明了，易于識別，方便操作。 </p><p>　　5 &#8195;系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵

16、技術(shù) </p><p>　　5.1&#8195;三維模型的制作 </p><p>　　本系統(tǒng)主要是向?qū)W生展示基本幾何體，三維模型比較簡單，在此，筆者精選了立體幾何教學(xué)中涉及的14個幾何體。幾何體的模型在3dsmax中建立，然后以DAE格式導(dǎo)出，在Quest3D中，將模型導(dǎo)入即可。 </p><p>　　5.2&#8195;程序模塊架構(gòu) </p&

17、gt;<p>　　程序的主體結(jié)構(gòu)包含背景圖、3D場景和GUI三個主模塊組成，如圖2所示。 </p><p>　　5.3&#8195;幾何體切換功能的實現(xiàn) </p><p>　　三維場景渲染模塊由一架旋轉(zhuǎn)攝像機、兩個點光源和一個3D物體組成。3D物體使用了相同的motion節(jié)點和材質(zhì)節(jié)點，surface表面屬性通過ChannelSwitch切換14種不同的幾何體模型數(shù)據(jù)

18、。其中，通過一個“KeyValue”數(shù)值決定切換到哪一個幾何體，若值為1，則3D場景將渲染通道1對應(yīng)的立方體，若值為2，則渲染通道2對應(yīng)的球體，以此類推。這里，關(guān)鍵的就是變量“KeyValue”的值如何確定。 </p><p>　　如圖3所示，這里是通過點擊用戶界面（GUI）中不同的按鈕以賦予KeyValue對應(yīng)的值。這個操作通過一個觸發(fā)器完成：當(dāng)用戶輸入信息滿足A和B兩個條件時，則將該按鈕對應(yīng)的序號值賦予Key

19、Value。條件A是DetectMouseCollision，探測光標(biāo)是否和其下輸入的按鈕發(fā)生碰撞；條件B是UserInput信道，探測鼠標(biāo)左鍵是否按下。當(dāng)兩個條件同時滿足（即就是在該按鈕上方按下左鍵）時，SetValue Channel將按鈕對應(yīng)的序號值賦予KeyValue，于是系統(tǒng)渲染按鈕所對應(yīng)的幾何體。 </p><p>　　5.4&#8195;自動旋轉(zhuǎn)功能開關(guān)的實現(xiàn) </p><

20、;p>　　該模塊由兩個3D物體和一個觸發(fā)器模塊組成，其中的兩個3D物體分別是CheckBox的自身方塊物體和一個說明文字物體。觸發(fā)器主要實現(xiàn)當(dāng)鼠標(biāo)在CheckBox物體上點擊時，將CheckBox State的值改為相反的值，從而實現(xiàn)每點擊一次 ，CheckBox State值就切換一次。 </p><p>　　5.5&#8195;改變物體顏色 </p><p>　　RGB

21、Slides ChannelCaller中主要有3個滑塊組成，要用3個滑塊的X軸向位置控制幾何體材質(zhì)的Diffuse固有色的RGB值，每個滑塊X軸的position值通過一個封套定義其取值范圍。 </p><p>　　5.6&#8195;GUI制作 </p><p>　　圖形化用戶界面的制作比較簡單，主要是在GUI Render ChannelCaller下建立GUI攝影機和界面元

22、素，并對界面元素進(jìn)行必要的布局和貼圖設(shè)置。本系統(tǒng)的用戶界面可以使用primitive下的square制作，然后在動畫模塊中設(shè)置適當(dāng)?shù)拇笮『臀恢?，在物體模塊中設(shè)置貼圖、透明等參數(shù)。 </p><p>　　6&#8195;結(jié)語 </p><p>　　虛擬現(xiàn)實是近來計算機信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點之一，在社會生活的許多方面都有廣闊的發(fā)展前景，從某種意義上說，虛擬現(xiàn)實與網(wǎng)絡(luò)通信特征的結(jié)合將改變?nèi)藗?/p>

23、對時空的看法，改變傳統(tǒng)的思維方式和生活方式。另一方面，虛擬現(xiàn)實又是一項發(fā)展中的、具有深遠(yuǎn)潛在應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)，深入研究虛擬現(xiàn)實的教育應(yīng)用，為教師和學(xué)生插上科技的翅膀，可以讓學(xué)生學(xué)得更快更好。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]惲如偉.中學(xué)物理虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件的設(shè)計與思考[J].中國電化教育,2003(04):54. <

24、/p><p>　　[2]萬寧.基于虛擬場景的實驗教學(xué)課件設(shè)計與開發(fā)[D].成都:四川師范大學(xué),2007:24-25 </p><p>　　[3]張建武,孔紅菊.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電化教育,2010(04):111. </p><p>　　[4]黃作維,周政權(quán).淺談虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境及其在當(dāng)代教育中的應(yīng)用[J].高等教育研究,2010(02):21-

25、22. </p><p>　　[5]徐輝,馬秀峰.虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用探析[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(6):97. </p><p>　　基金項目：本文系河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目“基于三維互聯(lián)技術(shù)的河南省虛擬景點研發(fā)與應(yīng)用研究”（項目編號：12A520023）的部分成果。 </p><p>　　作者簡介：高蓉蓉（1980-），女，金塔汽修中