虛擬攝像實驗系統的設計與實現

周世菊

(山西大同大學教育科學與技術學院，山西大同 037009）

虛擬攝像實驗系統的設計與實現

周世菊

(山西大同大學教育科學與技術學院，山西大同 037009）

遠程教育教學分離的特征導致實驗教學難于進行，而虛擬實驗技術的出現，則很好地解決了這一問題.基于VRML設計和開發了虛擬攝像實驗系統，并就實現技術的選擇、系統設計目的和原理做了介紹.系統經測試取得了較好的使用效果，對遠程教育具有一定的借鑒意義.

VRML 虛擬實驗 攝像實驗 遠程教育

實驗操作是理工科教學環節中的一個重要組成部分，在培養學生動手能力、分析問題和解決問題的能力、確保教學質量方面扮演著極為重要的角色.然而在遠程教育中，由于教學機構與學習者在空間上的分離，使得學習者難于到實驗室操作儀器，這在一定程度上影響了遠程教育的教學質量.為了解決這個問題，有人已采用了現在迅速發展并已應用于實際教學活動中的虛擬實驗技術，并取得了可喜的成果.[1]

虛擬實驗技術是指利用各種軟硬件技術，特別是網絡技術，在計算機上創設出一個實驗環境，以完成實驗教學的技術總和.近年來，由于虛擬現實技術和網絡技術的飛速發展，網上實驗已成為遠程教學研究的重要方面.《電視教材編導與制作》課程是教育技術專業的主干課程之一，其中的攝像實驗教學是基礎、關鍵的環節.為探索研究遠程虛擬實驗技術，基于VRML和JavaScript設計實現了虛擬攝象機和外景練習環境，在實踐中取得了預期的效果.

1 實現技術選擇

通過總結分析國內外虛擬實驗系統，目前能實現三維物體顯示的技術 (渲染引擎)有很多，比如Cu1t3D，Java3D，Viewpoint，OpenGL，Adobe Atmosphere等，這些技術的共同特點是都能較好地虛擬現實世界，顯示三維場景供用戶瀏覽，而且也都具有一定的交互性：如用戶可隨意地在虛擬世界中行走、變換視點或是觸摸、旋轉虛擬世界中的物體.但它們要么因文件太大，不適于網上實時傳輸，要么交互性能有限，不適于在虛擬實驗中完成復雜的人機交互，而且它們均非國際標準，通用性差.[2]

相反VRML(Virtual reality modeling language，虛擬現實建模語言)是在解決數據帶寬與處理能力之間的矛盾中產生的.它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，是一種基于文本的、描述圖形的三維造型和渲染的語言，被作為國際標準ISO/IEC-14772并能提供一種與3D數據有效的交互方式.VRML憑著它獨有的如下一些特點：(1)基于Internet的三維虛擬世界.(2)平臺獨立性.(3)可擴展性.(4)基于事件的交互.(5)低帶寬要求.(6)腳本功能.使得它在虛擬現實技術等方面具有強大的生命力和發展前景.[3]

通過上述分析,筆者選擇虛擬現實建模語言(以下簡稱VRML)作為本系統的開發技術，這是因為VRML是構建虛擬實驗的利器；利用VRML語言的三維造型和實時渲染圖形描述功能、交互功能、編程功能把HTML、JavaScript與多媒體信息等有機的結合起來，創建一個使參與者有身臨其境感覺并能與其交互的網上虛擬實驗系統.

目前，基于網絡的虛擬實驗采用的體系有基于客戶/服務器(C/S)和基于瀏覽器/服務器(B/S)兩種結構.C/S架構發布、安裝、運行和維護等都較為繁瑣，而B/S架構將WEB瀏覽器作為系統的客戶端，用戶只需要知道服務器的地址就可以方便的訪問系統資源，不需要安裝客戶端軟件，避免了C/S架構的不足.為利于發布和使用，本虛擬實驗系統基于B/S架構實現.[4]

2 系統設計目的與原則

本虛擬攝像實驗系統在設計分析時的目的主要有兩個：一是使學習者體驗利用虛擬現實技術開發的虛擬攝像實驗這種動感逼真的虛擬學習形式；二是使學習者通過本虛擬攝像實驗系統掌握最基本最關鍵的攝像技能.如：白平衡的調節、焦距的調節、光圈和快門的配合使用、固定鏡頭的拍攝、運動鏡頭的拍攝、構圖練習以及攝錄回放綜合練習等.為了實現上述設計目的，制作并實現了虛擬攝像機和虛擬校園(練習場景).

在明確設計目的的前提下，本虛擬實驗系統力求按如下原則設計開發：

(1)實驗用戶界面友好.

(2)實驗中用到的虛擬攝像機大部分關鍵技術操作點，力求與真實攝像機的使用相一致，達到較高的逼真性，以盡可能的提高實驗效率.

(3)在保證實驗功能的前提下，為保障網絡使用的實時性，實驗在設計開發時應盡可能壓縮VRML文件，提高網絡傳輸速度.

3 系統設計分析與實現

虛擬攝像機和虛擬校園的設計是一個使用3DSMax進行三維建模的過程，這里不作討論.這里就使用VRML和JavaScript建模仿真及交互原理做一簡要論述.

3.1 虛擬場景設計與實現

筆者采用山西大同大學御東校區的南區及部分北區作為虛擬場景，目的是讓實驗者通過這個實驗，既能進行鏡頭和構圖的練習，又能更好地感受虛擬實驗帶給我們的神奇和快樂；同時也為了讓大家更好地認識到虛擬現實技術與教育結合的意義和潛力.山西大同大學校園包括教學樓、實驗樓、學生公寓、教師公寓、餐廳、籃球場以及路燈等等.下面簡要討論籃球場的實現原理.

由于籃球場中各個場地球架和地面全部相同，因此采用了VRML中的實例化技術和DEF的USE機制，可以在增加同類物體數量時不增加多邊形數量，同時可以減少代碼及避免重復編程.

這里給第一組籃球架的球框、球架和球板分別用DEF定義了名字qk1、qj1和qb1，并將其命名為lanqiujia1.在剩下的11組籃球架中分別用USE引用和inline實例化引用即可.

DEF qk1 Shape{……}//球框

DEF qj1 Shape{……}//球架

DEF qb1 Shape{……}//球板

這樣其它場地的籃球架實現就相當簡單：

qk2 children[USE qk1]…

qj2 children[USE qk1]…

qb2 children[USE qk1]…

Lanqiujia2 Inline{“lanqiujia1”}……//籃球架整體實例引用

實例化技術和DEF的USE機制使場景文件表達更簡潔，更具可維護性和可重用性.[5]場景中路燈、路牌、草坪及樹木本身結構相同，因此同樣通過實例化技術和DEF的USE機制來實現，因原理相同這里不再討論.

3.2 虛擬攝象機交互程序設計與實現

本虛擬實驗的交互包括四大部分：部件名稱提示功能、基本交互功能、變焦鏡頭、光圈調節的實現以及攝錄回放功能的實現.這些交互效果都要在新的窗口中來展示，即當在攝像機上操作功能按鈕時，在主頁面的右上角實時出現一個新的窗口用來表示在液晶顯示器中的觀察效果，這就需要實現VRML-HTML-VRML之間的分屏通信.下面簡要說明這一效果的實現原理.

當學習者對虛擬攝像機進行操作時，攝像機發出相應的信息，同時場景要實時接收攝像機發出的信息.關鍵代碼如下：

ROUTE huan.rotation TO script.rot//校園場景位移隨著焦距值變化而變化

4 系統運行說明

虛擬攝像實驗系統最終完成圖及部分模塊界面分別如圖1，2，3所示.

圖1 系統首頁

圖2 虛擬模塊首頁

圖3 實時分屏效果

在VRML場景中，可以通過鼠標左鍵對攝像機進行多種操作，比如：開關機、調節光圈、焦距等，通過右鍵可以進行快捷操作以及得到幫助等，另外還可以通過配合鍵盤的前后左右鍵進行校園漫游，瀏覽到美景時可以實時拍攝記錄，并且可以回放觀看.

5 結論

找到新技術新思想、預見新技術在教育領域的未來、設計新技術在教育中的典型應用、實施新技術試點研究是教育技術的一個重要研究領域[6].而虛擬實驗教學研究就是一個很好的例子.

通過本虛擬系統的設計與實現可知，此實驗系統能夠形象、直觀地進行實驗，基于VRML語言的虛擬實驗能夠在一定程度上仿真模擬實際實驗，適合于理工科教學中設備操作類實驗的模擬，是現階段仿真實驗技術中系統要求較低、軟硬件投入資源較少、具有較好教學效果的解決方案，對于輔助傳統實驗教學、訓練學生的實際操作技能將起到非常好的效果，同時能夠在一定程度上緩解遠程教育中實驗教學所面臨的問題，推動遠程教育向更深層次發展.

[1]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，22(1)：35-37.

[2]朱婷婷.基于VRML的虛擬實驗的設計與研究[D].成都：四川師范大學，2009.

[3]周世菊.虛擬攝像實驗教學系統的研究與實現[D].成都：四川師范大學，2009.

[4]李泰峰.基于VRML的仿真邁克爾遜干涉實驗的設計與實現[J].實驗技術與管理，2007，24(6)：78-79.

[5]Andrea LAmes，David RNadeau，John LMoreland.VRML資源手冊[M].宗志方譯.北京：電子工業出版社，1998:152-200.

[6]喬世東，康淑瑰，張軍征.現代教育信息技術與高校數學教學整合的途徑和方法[J].山西大同大學學報：自然科學版，2007，23(4)：61-70.

Design and Realization of Virtual Camera Experimental System

ZHOU Shi-ju
(School of Education Science and Technology，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

Experiment is difficult to launch because the separation of learning and teaching in Remote Education，the emergence of Virtual Labs Technology solves this problem very well.Design and developed Virtual Camera Experimental System on the basis of VRML，the choice of technology and design propose and principle is discussed in this thesis.This simulation had

good feedback，it has certain referencemeanings in the experimenteducation of remote education.

VRML；virtual experimental；camera experimental；remote education.

O211.67

A

〔編輯李海〕

1674-0874(2010)02-0035-03

2010-01-26

周世菊(1980-)，男，山西應縣人，碩士，助教，研究方向:數字傳媒技術與藝術.