試析光技術應用于虛擬現實課堂教學的可行性

吳 平 彭曉南 蔣 莉

【摘要】虛擬光電三維成像利用相干光和衍射光等技術以及激光、全息照相等其它相關技術可實現光的空間三維成像,達到虛擬現實所需“真實”圖像的目的。虛擬現實可以適應虛擬課堂教學的特點,滿足教學的需求。將光技術應用于虛擬現實,有可能使教育技術仿真產生一個飛躍。

【關鍵詞】教育技術;三維成像;光技術;虛擬現實

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)12—0102—04

一 虛擬現實研究現狀

虛擬現實技術是許多相關學科領域交叉、集成的產物。它的研究內容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、超聲波、心理學等。我們必須清醒地認識到,雖然這個領域的技術潛力是巨大的,應用前景也是很廣闊的,但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。

就像電影《黑客帝國》里描述的那樣,未來的我們竟可以生活在一個由電腦控制的虛擬世界里。在這個世界里,我們同樣擁有各種感覺,同樣擁有親戚朋友,同樣擁有工作,同樣擁有現實世界的一切“真實”。只是,這一切都是虛擬的[1]。虛擬現實如果應用于教育有可能是教育技術仿真的一個飛躍。虛擬現實營造了“自主學習”的環境,由傳統的“以教促學”的學習方式代之以由學習者通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式,能做到在教學活動中“學生為主體、教師為主導”。將其引入課堂,展現那些在傳統的教學模式中無法實現的教學過程、虛擬各種實驗設備和實訓環境,甚至用于遠程教育,從而生動地表現教學內容。因此,虛擬現實技術進入高校教學的研究,勢必將會對探索發展現代教育思想、提高教學質量水平、改善實驗培訓環境、優化教學過程、加速培養現代化的專業技術人才產生深遠的影響[2]。

如何顯示虛擬場景呢?現在應用的虛擬現實廣角(寬視野)的立體顯示,主要采用多通道平面或環幕立體投影展示系統,需配戴跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套,另外一些設備還需要數據手套和數據衣。這些系統使用復雜,局限性強,仿真效果差,價格昂貴推廣不易。本文虛擬仿真顯示的設計構思是采用光技術,利用光投影機投射而成的3D全息展示系統,人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中,并操作、控制環境,實現特殊的目的,即人是這種環境的主宰。能將課堂教學情景、課件內容立體真三維可視化,再配合聲音、資源庫、智能系統等雙向互動,完全模擬真實情景,與現場無異,它具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨率,以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。

美國麻省一位叫Chad Dyne的29歲理工研究生發明了一種空氣投影和交互技術,這是顯示技術上的一個里程碑,它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理,將圖像投射在水蒸氣上,由于分子震動不均衡,可以形成層次和立體感很強的圖像。另據報道,日本公司Science and Technology發明了一種可以用激光束來投射實體的3D影像,這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時,混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質,并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。還有,南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員目前宣布他們成功研制一種360度全息顯示屏,這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像,只不過好像有點危險。可以說這些技術很多國家都在研制,毫不夸張的說這項技術它包含了未來,誰最先使用這項技術,誰就最先走入未來的先進技術行列。[3]

二 光技術及其應用效果

1 三維成像如何顯示

人看周圍的世界時,由于兩只眼睛的位置不同,得到的圖像略有不同,這些圖像在腦子里融合起來,就形成了一個關于周圍世界的整體景象,這個景象中包括了距離遠近的信息。當然,距離信息也可以通過其他方法獲得,例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等[4]。

根據人眼立體視覺的特性,實現立體電視的方式也對應為兩大類:一類是利用兩眼的視差特性,使一對視差信號的兩幅圖像同時出現在屏幕上,讓兩眼分別觀看這兩幅圖像來獲得立體感覺;第二類是利用一只眼睛也能獲得立體感的特性,將一對視差信號的兩幅圖像先后輪流地出現在屏幕上,從而獲得立體感覺。

第三種就是真三維成像,本文擬推薦應用光技術全息三維成像,使用普通光束即可(不需銀幕真三維)。這個系統可以用來拍攝諸如籃球比賽的三維影片。如果你的家中有三維播放機,你就可以在虛擬現實狀態下觀看籃球比賽,觀看者會感覺自己仿佛就在場內一樣(見圖1)。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發展。同理,課堂教學也能夠獲得同樣的視覺和聽覺效果。

圖1 三維播放機

2 如何實現光電三維成像

使用課堂多媒體光電三維成像設備,主教室和各分教室雙方的三維立體全息圖像便瞬間出現在對方面前,讓兩個不同空間的人同時出現在一個空間,就好像一個真人站在你面前一樣(見圖2),然后你便可以和他隨意交談,使用各種表情,那是一種呈現在空氣中的光學立體影像,不需要任何屏幕之類的媒質,不像今天的網絡衛星遠程教學、可視電話還需要一個屏幕才能顯像。光虛擬現實技術可很好地應用到虛擬學習環境的建立。它可以虛擬地建立起與真實環境相近的學習場景,可以把遠處的人或物以三維的形式投影在空氣之中,使學生似乎已處于真實環境之中。另外,比如配一套可觸摸超聲波虛擬三維物體的系統設備。可使用戶通過超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,讓人們感覺如同把三維圖像掌握在手中一樣。

圖2兩個不同空間的人同時出現在一個空間

3 虛擬光電三維成像應用原理

以光干涉為例,獲得相干光的方法:兩列或幾列光波在空間相遇時相互迭加,在某些區域始終加強,在另一些區域則始終削弱,形成穩定的強弱分布的現象。不過,只有兩列光波的頻率相同,位相差恒定,振動方向一致的相干光源,才能產生光的干涉。[5]

因此,由兩個(或兩個以上的)光束,在滿足一定條件下迭加時,在交迭區的不同地點呈現穩定的互相加強或減弱的現象,稱為干涉現象。通常兩個獨立的光源或同一光源上的兩個不同部分都不會產生干涉現象。運用某些方法,如光的反射或折射,可以將同一光源發出的光分成兩個光束,當這兩光束在空間經不同路徑而重新聚合時,就能實現干涉現象。

通常采用的方法有兩種:分波陣面法和分振幅法。如楊氏雙縫、菲涅爾雙面鏡、洛埃鏡和薄膜干涉等。下面分析楊氏雙縫干涉原理,如圖4。

圖4楊氏雙縫干涉原理

由垂直于紙面的單縫發出的柱面波的波前被s1和s2兩縫分成部分,當兩束光到達屏幕P點時,將產生相干疊加,P點的光強

由此可知:半波長的偶數倍加強,半波長的奇數倍減弱。

光的衍射原理:光離開直線路徑繞到障礙物幾何陰影里去的現象叫光的衍射,只有當小孔、單縫或小屏的尺寸小于波長或和波長差不多時,才能觀察到明顯的衍射現象[6]。

全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術[7]。

根據相干光干涉、光的衍射原理和利用全息技術原理推理,三維攝像機采用激光作為照明光源,并將光源發出的光分為兩束,一束直接射向感光板,另一束經被攝物的反射后再射向感光板。兩束光在感光片上疊加產生干涉,感光板上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度,也記錄了位相信息,如圖4。

圖4 全息三維攝影原理

感光板采集后的三維動態數字信息被記錄傳輸全息到存儲器,播放時用三維全息投影機播放存儲的全息動態三維數字信息,同時利用激光去照射投射的干涉光和衍射光形成的空間立體虛擬光屏上,人眼透過空間立體光屏就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像(見圖5)。

圖5 動態全息三維投影光電成像

當然,被拍攝的不只是人和物體,同樣也包含場景。虛擬光電三維成像就是利用相干光和衍射光等技術以及激光、全息照相等其它相關技術來實現光的空間三維成像,根據前面所述是可行的,可達到虛擬仿真所需圖像的目的。利用全息投影機,將拍攝全息影像以大畫面顯示,實現真正無需戴眼鏡的3D效果。這才是立體顯示的終極目標。其時,“人的頭腦就是一部全像攝影機[8]。” 而“世界是一張全息圖[9]”。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發展[10]。目前,國外已經有電視、展示等部分行業開始使用這項技術[11]。由于全息立體顯示所需要的技術比較復雜,資金投入相對較高,因此目前還沒有得到普遍應用。相信隨著技術的發展,成本的降低,使用投影技術實現真正全息立體顯示將會成為普遍現象。可望在立體電影、電視、展覽、顯微術、干涉度量學、投影光刻、軍事偵察監視、水下探測、金屬內部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術品、信息存儲、遙感,研究和記錄物理狀態變化極快的瞬時現象、瞬時過程(如爆炸和燃燒)等各個方面獲得廣泛應用。

4 光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同

虛擬現實技術利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境,用戶通過使用各種交互設備,同虛擬環境中的實體相互作用,使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流,是一種先進的數字化人機接口技術。

光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同見表1。

表1光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同

光電三維成像 其它虛擬現實技術

實時三維可視化 同左

虛擬環境由基于真實數據建立的數字模型組合而成,嚴格遵循工程項目設計的標準和要求,屬于科學仿真系統。 同左

操縱者親身體驗虛擬三維空間,身臨其境。具有雙向互動功能,沒有時間限制,可真實詳盡的展示。 同左

以高性能計算機為核心的虛擬環境,視覺無需配帶眼鏡、頭盔顯示器,以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、通過超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,省卻了數據手套和數據衣等外部隨身設備。味覺、嗅覺與觸覺反饋系統等功能單元構成。是一種較為接近人們生理習慣,較易接受的一個虛擬物理環境。 以高性能計算機為核心的虛擬環境,以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備[12]。以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。

三 未來課堂教學應用虛擬現實技術的研究方向

未來的新型多媒體教學將是以多媒體技術、計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術、傳感技術、光技術、人工智能和虛擬現實技術等的有機結合,能夠全面整合網絡各種“資源”而形成先進的網絡多媒體教學平臺。在這種教學平臺上,多媒體教室不再是孤立的,它已融入到校園網教學系統中,并以校園網資源為“背景”構建出一個富有時代特色的現代化教學環境:即集教學、管理、娛樂為一體的“數字化校園”[13]。多媒體課室是現代教學環境建設的重要組成部分,是教育技術信息傳遞的展示平臺,是教師了解、聯系、應用教育技術的橋梁。因此,虛擬現實技術建構的仿真場景對教育的發展起到多么重要的作用。

設想,未來的三維虛擬場景將更接近現實,先進的傳感設備,采集現場場景內所有物質,將采集到的信息,利用現代分析技術,特別是儀器分析方法,測定分子的鏈和聚集態結構實時進行物質“分子結構[14]”分析,比如人的外觀形態、表層分子結構、味道分子結構、溫度大小、色彩聲音觸覺等。并將所得分析結果編組成信息發布傳輸,還可實時同步遠程分子結構重組,重現虛擬仿真場景,與現場無異。編組后的信息壓縮存儲于智能資源庫,用戶只要登陸虛擬平臺,即可將編組信息異步分子結構重組重現虛擬仿真場景。不但場景與現場無異,所有物體和人物都與真的相似,有觸覺、味道、溫度、聲音、感情等。信息顯示終端可能會配置物體、味道、溫度等所需的分子編組箱,編組信息按菜單提取并按分子結構重組。應用原理如圖6所示范。

圖6未來的三維虛擬現實應用結構圖

未來的虛擬校園為的是要提供學生與講師們另一個溝通的平臺,給學生提供一個能夠共同學習、互動、分享以及引導創意的空間。學生們在日益普及的虛擬世界里也能感受得到身為學生的歸屬感,提倡學生們在現實與虛擬校園中的社交活動。也吸引來自世界各地的訪客通過虛擬世界來了解大學,并與在線的學生與講師們溝通。用戶可以自由塑造自己的虛擬人物,甚至把虛擬人物打扮成和現實的自己相似的造型。在虛擬教室上課的情況和現實的課堂情況相似,每個學生需找個位子坐下,而講師在課室的中央或在學生中間授課。虛擬課堂上可以展示幻燈片,播放影像、音樂,還可以通過虛擬的麥克風同時與多名學生即時交談,與現實無異。

當然,教學不是盲目地追求科技的步伐,但科技確實能夠有效地輔助教學。虛擬和現實的教學平臺,各有不同的教學效果。能夠巧妙地融合兩種平臺,來傳授教學重點,才能有效地引發學生學習的興趣,達到教學的目的。

四 結束語

信息時代的到來,社會節奏的加快,知識呈現出高速增長和快速更新之勢。隨著科學技術的發展,還會有更多的新技術應用在教育技術中,光技術就是其中重要的一項,21世紀將是光技術應用發展的時代。我們相信,隨著三維虛擬仿真技術的快速發展和軟硬件技術的不斷進步,在不遠的將來,真正意義上的虛擬現實技術將為人類娛樂、教育和經濟發展做出新的更大的貢獻。

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參考文獻

[1]林京彤,虛擬現實技術漫談[EB/OL].

[2]虛擬現實技術走進高校[EB/OL].

[3]3D全息投影技術[EB/OL].

[4]虛擬現實[EB/OL].

[5]光的干涉[EB/OL].

[6]光的衍射[EB/OL].

[7]全息技術[EB/OL].

[8]宇宙只是幻象,世界是意識的全息投影[EB/OL]

[9]世界是一張全息圖[EB/OL].

[10]全息攝影[EB/OL].

[11]激光全息投影[EB/OL].

[12]虛擬現實開發平臺[EB/OL].

[13]李學哲.多媒體教學的發展方向[J].現代教育技術,

2006,(2):54-55.

[14]分子結構[EB/OL].