基于Ｖｉｒｔｏｏｌｓ技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】基于Virtools技術(shù)構(gòu)建虛擬教學(xué)系統(tǒng)，有助于提高教學(xué)的效率和效果。本文概括了Virtools技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、分析了虛擬教學(xué)環(huán)境下人的認(rèn)知特點(diǎn)，并以《腕踝針虛擬教學(xué)系統(tǒng)》的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例介紹了Virtools技術(shù)的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Virtools技術(shù)；虛擬教學(xué)系統(tǒng)；腕踝針

【中圖分類號(hào)】G434【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【論文編號(hào)】1009—8097 (2007) 10—0057—04

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種由計(jì)算機(jī)全部或部分生成多種感覺(jué)環(huán)境，給參與者提供各種感官信息，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，以便更好地體驗(yàn)、接受和認(rèn)識(shí)客觀事物的技術(shù)，它可分為沉浸式和非沉浸式兩種。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是通過(guò)一些特殊的外部設(shè)備如頭盔式立體顯示器、空間位置傳感器等輸入輸出設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但由于其價(jià)格昂貴，且一次只能供一人使用，因此很少在教學(xué)中得到推廣和應(yīng)用。而非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要依賴軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即應(yīng)用軟件手段進(jìn)行視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)的模擬，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便，便于廣大學(xué)習(xí)者使用，目前用于非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件有很多，如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。其中，Virtools技術(shù)以其功能較全面、人機(jī)交互可視化強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。

一 VIRTOOLS的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

Virtools是由法國(guó)全球交互三維開發(fā)解決方案公司VIRTOOLS開發(fā)的一款三維互動(dòng)程序開發(fā)工具，目前的版本支持到Directx9.0c。它除了自身的三維交互開發(fā)平臺(tái)Virtools Dev以外，還有5個(gè)可選模塊，分別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Virtools Server、物理屬性模塊Physics Pack、人工智能模塊AI Pack、Xbox開發(fā)模塊和沉浸式平臺(tái)VR Pack[1]。其主要有以下幾方面優(yōu)長(zhǎng)：

1 人機(jī)交互圖形化用戶界面

Virtools的用戶創(chuàng)作界面是一個(gè)可視化、圖形化的界面；是一個(gè)以可視化的編輯方式、流程圖的思維模式，進(jìn)行對(duì)象和腳本設(shè)計(jì)的用戶界面，它使開發(fā)流程更加直觀。

2 便捷的網(wǎng)絡(luò)傳播

Virtools設(shè)計(jì)的作品除了可以編譯成單機(jī)運(yùn)行的可執(zhí)行文件以外，最大的特色在于可保存為網(wǎng)頁(yè)格式，形成的文件體積小、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、占用資源少，便于推廣和傳播。

3強(qiáng)勁的腳本語(yǔ)言—VSL(Virtools Scripting Language)

VSL是一個(gè)強(qiáng)大的腳本語(yǔ)言。用戶可以在Virtools的圖形腳本編輯器中進(jìn)行相應(yīng)的腳本代碼編寫與運(yùn)行，編輯器提供腳本關(guān)鍵字智能顏色顯示功能、函數(shù)參數(shù)顯示功能以及完整的調(diào)試功能。除了用于腳本互動(dòng)部分的撰寫與運(yùn)行，VSL還可以用于創(chuàng)作模式下的操作功能的擴(kuò)展，提升Virtools本身開發(fā)環(huán)境的制作效能[2]。

4 模塊化的技術(shù)開發(fā)路線

Virtools可以利用拖放的方式，將系統(tǒng)內(nèi)的Building Blocks（行為交互模塊，以下簡(jiǎn)稱BB）賦予在適當(dāng)?shù)膐bject（對(duì)象）或是character（虛擬角色）上，并以流程圖的方式，決定BB的前后處理順序，從而實(shí)現(xiàn)可視化的交互腳本設(shè)計(jì)，并把許多功能不同的程序模塊相互連接組成應(yīng)用程序，再逐漸編輯成完整的交互式虛擬世界。用戶還可以利用現(xiàn)有的行為模塊，再建立一個(gè)新的行為模塊。此新的行為模塊可以另外獨(dú)立儲(chǔ)存成一個(gè)模塊檔案，以方便重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)開發(fā)的模塊化。

模塊化的技術(shù)開發(fā)路線便于開發(fā)者進(jìn)行制作任務(wù)的分配、優(yōu)化項(xiàng)目制作流程，確保項(xiàng)目制作科學(xué)與實(shí)用。

5 高效的協(xié)作平臺(tái)

Virtools具有多重工作方式。普通的開發(fā)者可以用鼠標(biāo)拖放模塊的方式，通過(guò)人機(jī)交互圖形化用戶界面，制作高品質(zhì)圖形效果和互動(dòng)內(nèi)容的作品。高級(jí)開發(fā)用戶可以利用SDK(Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包)和VSL，通過(guò)相應(yīng)的API接口，創(chuàng)建自定義的交互行為腳本和應(yīng)用程序。

以上特點(diǎn)確保了非技術(shù)性的設(shè)計(jì)人員和高端的程序員，聚集在Virtools工作環(huán)境中，群策群力，為一個(gè)共同的制作任務(wù)進(jìn)行工作協(xié)作。

二 虛擬教學(xué)環(huán)境下人的認(rèn)知特點(diǎn)

一切認(rèn)知學(xué)習(xí)行為都是由動(dòng)機(jī)引起的，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是認(rèn)知學(xué)習(xí)的最重要的必備條件之一。它使學(xué)習(xí)者具有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，知道自己為什么而學(xué)習(xí)，該朝著哪個(gè)方向努力。它還可以讓學(xué)習(xí)者積極主動(dòng)并持之以恒地尋求有關(guān)的學(xué)習(xí)信息。創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，制造認(rèn)知矛盾，激發(fā)求知欲是培養(yǎng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的有效方法，而基于Virtools技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)這些條件提供了平臺(tái)。因?yàn)樵谔摂M教學(xué)系統(tǒng)中問(wèn)題情境可以被“真實(shí)地”一一呈現(xiàn)出來(lái)，等待著學(xué)習(xí)者來(lái)解決，為情境式學(xué)習(xí)和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)提供了良好的環(huán)境，大大地提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。通過(guò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的交互環(huán)境、再現(xiàn)能力以及一對(duì)一的實(shí)踐，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣將會(huì)得到顯著提高[3]。

根據(jù)知識(shí)能否清晰地表述和有效地轉(zhuǎn)移，可以把知識(shí)分為顯性知識(shí)和意會(huì)知識(shí)。顯性知識(shí)是指那些通常意義上可以用概念、命題、公式、圖形等加以陳述的知識(shí)。而意會(huì)知識(shí)是指人類知識(shí)總體中那些無(wú)法言傳或不清楚的知識(shí)。波蘭尼的一句名言：“我們知道的多于我們所能表達(dá)的”[4]很好地表明了意會(huì)知識(shí)的內(nèi)涵。意會(huì)知識(shí)是一種主觀的、基于長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累的知識(shí)，它是一種不能形式化、表現(xiàn)化的思維狀態(tài)，是個(gè)體的內(nèi)在體會(huì)和領(lǐng)悟，個(gè)體需要在實(shí)踐活動(dòng)中經(jīng)過(guò)親自的體驗(yàn)才可以把握。

因此，虛擬教學(xué)系統(tǒng)在認(rèn)知方面的價(jià)值更多地要體現(xiàn)在產(chǎn)生意會(huì)知識(shí)的過(guò)程之中。在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者所能接觸到的不再是單單的符號(hào)化的知識(shí)，而是不斷地從事著與實(shí)踐相關(guān)的體驗(yàn)活動(dòng)。它強(qiáng)調(diào)沉浸、經(jīng)歷和體驗(yàn)，所以學(xué)習(xí)者在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中不僅可以獲得言傳式的知識(shí)更可以獲得意會(huì)的知識(shí)。當(dāng)然，在虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)更多的是一種拓展和延伸。在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)踐，人們是依靠系統(tǒng)設(shè)備來(lái)產(chǎn)生實(shí)踐的內(nèi)容，這時(shí)的實(shí)踐行為已經(jīng)不完全具備直接現(xiàn)實(shí)性。一方面，虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供平臺(tái)和條件營(yíng)造了一種新形式的人類經(jīng)驗(yàn)。這種經(jīng)驗(yàn)是人類現(xiàn)有思想經(jīng)驗(yàn)的一種集合，人類沉浸于用現(xiàn)有認(rèn)知?jiǎng)?chuàng)造的虛擬世界并體驗(yàn)著它，這個(gè)過(guò)程可以說(shuō)是人類在回憶著現(xiàn)存的認(rèn)知集合，這時(shí)的實(shí)踐便成了一種心理體驗(yàn)的活動(dòng)；另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)又包含著人類的創(chuàng)造性在里面。虛擬世界不同于感性的物質(zhì)世界，它的部分還是人類觀念的產(chǎn)物，是人類已有理解的延伸。總之，人類的體驗(yàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中得到了延伸，這時(shí)的實(shí)踐活動(dòng)既具有物質(zhì)性和現(xiàn)實(shí)性也具有精神性和虛擬性，實(shí)踐領(lǐng)域的拓展必然為人類獲取更多的意會(huì)知識(shí)創(chuàng)造了可能。

三 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬教學(xué)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一部分是用于顯示顯性知識(shí)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，即將某一學(xué)科或某一主題的主要知識(shí)點(diǎn)以文、圖、聲、像等形式在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出來(lái)；另一部分是用于掌握意會(huì)知識(shí)的訓(xùn)練系統(tǒng)，它主要是根據(jù)具體案例，在虛擬情景中進(jìn)行模擬操作練習(xí)，并得到相應(yīng)的操作反饋，從而不斷積累經(jīng)驗(yàn)最終達(dá)到掌握意會(huì)知識(shí)的目標(biāo)。下面以《腕踝針虛擬教學(xué)系統(tǒng)》的設(shè)計(jì)為例，介紹Virtools技術(shù)的具體應(yīng)用。

1 腕踝針的教學(xué)內(nèi)容

腕踝針療法是一種應(yīng)用廣泛、安全方便的新的針刺療法。對(duì)于醫(yī)學(xué)生而言，對(duì)腕踝針的教學(xué)內(nèi)容綜合來(lái)說(shuō)需要掌握以下三點(diǎn)：身體的分區(qū)、腕踝部針刺點(diǎn)的定位以及如何針對(duì)不同的病癥選擇正確的針刺點(diǎn)并對(duì)癥進(jìn)針[5]。基于以上教學(xué)內(nèi)容，腕踝針虛擬教學(xué)系統(tǒng)必須具備三大功能：形象地表達(dá)身體的分區(qū)；對(duì)腕踝部針刺點(diǎn)的位置能在身體分區(qū)中進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位；對(duì)于不同病癥的進(jìn)針?lè)绞胶褪址茉谔摂M情景中得到模擬練習(xí)。

2 三維模型的建立

首先創(chuàng)建一個(gè)三維人體模型，按教學(xué)內(nèi)容對(duì)其分區(qū)并對(duì)針刺點(diǎn)進(jìn)行加工。對(duì)于三維物體和場(chǎng)景的建模，Virtools提供了良好的數(shù)據(jù)接口，可以利用建模軟件3ds max或Maya等對(duì)所需人體模型進(jìn)行創(chuàng)建和分區(qū)。然后對(duì)人體模型的材質(zhì)和紋理等方面進(jìn)行處理，再以Virtools接受的文件格式（擴(kuò)展名為.3ds或.nmo）導(dǎo)出。具體操作步驟如下：

（1）在Poser 6.0中創(chuàng)建一個(gè)人體皮膚模型和一副人體骨架模型，然后將其導(dǎo)出為3dsmax所接受的后綴名為.3ds的文件。

（2）在3ds max中將以上兩個(gè)模型按實(shí)際空間位置關(guān)系導(dǎo)入，同時(shí)將皮膚材質(zhì)設(shè)置為半透明，使被皮膚包裹的骨胳可視，這樣便于用戶根據(jù)骨骼來(lái)判斷針刺點(diǎn)位置。

（3）形象地表達(dá)身體的分區(qū)。把皮膚模型轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格物體后，將其表面按腕踝針體表分區(qū)進(jìn)行分割，并為不同的分區(qū)賦予相對(duì)應(yīng)的名稱和不同顏色的材質(zhì)，以明確分區(qū)范圍。

（4）建立透明小立方體作為針刺點(diǎn)，以骨胳作為參照物精確嵌入體表。用戶操作時(shí)，系統(tǒng)以此為參考，判斷本次扎針位置是否正確。

（5）將制作好的人體模型（包括皮膚和骨骼以及針刺點(diǎn)）以Virtools接受的文件格式，即擴(kuò)展名為.3ds或.nmo的文件導(dǎo)出。

3 Virtools中三維交互的實(shí)現(xiàn)

下面著重介紹應(yīng)用Virtools技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維交互功能：

（1）利用Virtools提供的BB功能模塊實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別

在Virtools中提供了幾百個(gè)BB，可以被用戶方便的拖拽調(diào)用。而要實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別功能主要需要用到的是眾多模塊中的2D Picking模塊。在操作流程上它可實(shí)現(xiàn)的功能是拾取鼠標(biāo)所觸及的object（對(duì)象）并返回其名稱、拾取點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及該點(diǎn)的法向量。由于在前邊已經(jīng)將人體模型進(jìn)行了區(qū)域分割，所以其每一個(gè)分區(qū)均為單個(gè)物體，只要在菜單中將各個(gè)物體的名稱修改為我們需要顯示的相對(duì)應(yīng)的分區(qū)和針刺點(diǎn)的名稱即可（例如：左五區(qū)，右上三區(qū)針刺點(diǎn)）。

其程序流程圖如圖1所示：

（2）用BB和VSL腳本共同實(shí)現(xiàn)針刺過(guò)程的交互

這部分的主要功能是完成整個(gè)扎針過(guò)程的模擬。它利用多個(gè)BB行為模塊和多個(gè)VSL腳本控制模塊，其中BB行為模塊包括Virtools中常用的Mouse Waiter、2D Picking、Object Load、Set Position、Switch On Key、Rotate、Translate模塊等，它們?cè)谙到y(tǒng)中的功能如圖2所示：

（1）首先利用Mouse Waiter行為模塊來(lái)響應(yīng)鼠標(biāo)的控制。通過(guò)行為模塊的輸入?yún)?shù)，設(shè)置響應(yīng)鼠標(biāo)左鍵按下事件。實(shí)現(xiàn)當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，模塊返回“True”值，這時(shí)系統(tǒng)向下執(zhí)行，否則返回程序初始狀態(tài)；

（2）利用2D Picking行為模塊實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拾取物體的功能。當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，執(zhí)行2D Picking行為模塊，這時(shí)鼠標(biāo)拾取點(diǎn)中的對(duì)象，并返回選中對(duì)象的名稱、拾取點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及該點(diǎn)法向量等參數(shù)；

（3）執(zhí)行VSL腳本，判斷針刺點(diǎn)是否正確。VSL是用戶自定義功能的接口，可以根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)輸入、輸出參數(shù)，并通過(guò)腳本語(yǔ)言執(zhí)行自定義編碼。

下面編碼實(shí)現(xiàn)了判斷本次鼠標(biāo)選取物體是否是正確的針刺點(diǎn)。

void main()

{if(pIn0==pIn1)

// pIn0是鼠標(biāo)拾取對(duì)象的標(biāo)識(shí)，pIn1是考核的針刺點(diǎn)名稱

{

pOut0=\"針刺點(diǎn)選擇正確\";

}

else{

pOut0 =\"針刺點(diǎn)選擇錯(cuò)誤\";

}

Out = TRUE;

}

（4）通過(guò)Object Load動(dòng)態(tài)生成針模型。Object Load行為模塊可以實(shí)現(xiàn)在需要時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)用Virtools支持的.nmo模型的功能，采用這種調(diào)用方式的好處是每次針灸都可隨時(shí)生成新的針，以實(shí)現(xiàn)多位置的扎針。

（5）利用Set Position和Set Orientation行為模塊，定位針的初始位置和方向。由于上述調(diào)用的2D Picking模塊返回了針刺點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及該點(diǎn)所在人體表面的法向量，因此可以根據(jù)這些信息來(lái)設(shè)置針的初始位置和方向。這里需要特別指出的是2D Picking模塊輸出的是世界坐標(biāo)（world space coordinates）信息，而Set Orientation模塊需要是自身坐標(biāo)系（Local Coordinate System）信息，因此要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換。

（6）通過(guò)Switch On Key 、Rotate、 Translate等行為模塊以及VSL共同實(shí)現(xiàn)進(jìn)針手法的模擬。其中Switch On Key用來(lái)響應(yīng)計(jì)算機(jī)小鍵盤的輸入，當(dāng)按下不同的鍵時(shí)，Rotate、 Translate分別完成針的方向控制和進(jìn)針控制，同時(shí)利用VSL腳本編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)針的深度的計(jì)算， Text Display顯示在針刺之后得到的數(shù)據(jù)反饋。程序流程如圖3所示。

4 成品的發(fā)布

具體案例制作完成后，建議將其發(fā)布為網(wǎng)頁(yè)格式，而不是發(fā)布成單機(jī)可執(zhí)行文件。其主要原因在于發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)格式后便于將各個(gè)單獨(dú)的案例網(wǎng)頁(yè)集合成網(wǎng)站，并上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。有利于學(xué)習(xí)者在任意時(shí)間任意地點(diǎn)通過(guò)校園網(wǎng)使用這套系統(tǒng)；也利于系統(tǒng)開發(fā)者更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)Virtools和網(wǎng)頁(yè)間的數(shù)據(jù)交換，或是結(jié)合Flash網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，拓展系統(tǒng)功能。

綜上，基于Virtools技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)有利于學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)所設(shè)置的虛擬場(chǎng)景中，直觀立體地了解顯性知識(shí)，并通過(guò)對(duì)其中設(shè)置的不同案例的反復(fù)操練加強(qiáng)對(duì)意會(huì)知識(shí)的理解和掌握，有助于提高教學(xué)的效率和效果。

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Design and Implementation of The Virtual Teaching System Based on Virtools Technology

LUO HongWANG Shi-yong

（Center of Educational Technology of the Second Military Medical University， Shanghai， 200433）

Abstract：Virtual teaching system based on Virtools technology may improve the teaching efficiency and effect. This paper generalizes the characters and advantages of Virtools technology. And the people’s cognitive characters existing in the virtual teaching system are analysed. Moreover， it states how to apply Virtools technology by an example of introducing the design and implementation of the virtual teaching system of “Wrist-Ankle Acupuncture”.

Keywords: Virtools technology; virtual teaching system; Wrist-Ankle Acupuncture