云計算支持下的真實感3D虛擬網絡教室開發研究

【摘要】虛擬網絡教室在增強在線教學的靈活性、可交互性等方面具有重要的作用，但傳統虛擬網絡教室以網絡教學資源共享平臺和以視音頻為核心的在線網絡教學平臺為主，所創建的虛擬學習環境缺乏真實感、師生之間的交流與互動比較單一。根據云計算的特點和真實感虛擬學習情景構建的要求，利用開源云計算平臺OpenStack和分布式虛擬現實開發了一種支持用戶管理、真實感3D虛擬角色自動生成、在線課堂教學、在線答疑等的真實感3D虛擬網絡教室，并研究其開發與實現過程，最后以《大學英語》在線課堂教學為例分析該3D虛擬網絡教室的穩定性和可用性，實驗證明該系統能夠有效增強虛擬學習環境的真實性和交互性。

【關鍵詞】云計算；3D虛擬網絡教室；云存儲；分布式虛擬現實技術；真實感虛擬角色

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009--8097(2011)11－0087—04

引言

虛擬網絡教室是利用計算機網絡技術和虛擬現實技術實現的一種在線同步交互式虛擬教學平臺，具備傳統教室的課件展示、課堂互動、課堂演示等多種功能，可為位于世界不同地理位置的學生和教師提供一個交互式虛擬教學環境，從而將傳統的課堂教學延伸到可接入互聯網的任何地方，從而為不同地域的師生提供更真實的、可共享的在線互動式虛擬學習環境，如WizlQ、Blackboard、Virtual-U、Learning Space、Second Life、ActiveWorld等。然而，傳統的虛擬網絡教室主要以視頻、聲音、文字和圖像為主要媒介來創建虛擬學習環境，缺乏真實感的場景和人物角色、交互方式比較簡單、系統性能較差，不能很好地再現傳統教室的各項功能，也不能有效激發學生的學習欲望。云計算技術的快速發展、計算機硬件性能的不斷提升以及真實感虛擬現實技術的成熟為真實感3D虛擬網絡教室的發展與應用提供了重要的基礎，研究云計算技術支持下的真實感3D虛擬網絡教室對于創建更具真實感、實時性、高互動性的虛擬學習情景具有十分重要的意義。

一 云計算支持下的真實感3D虛擬網絡教室

1 云計算相關技術

云計算是在分布式計算、網格計算等基礎上發展形成的一種新型共享式基礎架構，它將分布于不同地理位置的計算資源集中起來，并由軟件實現資源的自動調度與分配，整個過程無需人為參與。云計算的主體是由多臺服務器構成的大型數據中心和計算中心，并通過虛擬化技術為用戶提供強大計算能力和海量存儲資源以及豐富的個性化網絡服務，所處理的數據存儲在遠程的數據中心、運行的各種應用程序執行在遠程的計算中心，用戶只要接入互聯網即可通過個人電腦、平板電腦等終端設備方便快捷地享受云計算所提供的各種服務和應用。

云計算是虛擬化技術和軟件即服務(SaaS，Software as aService)兩者的結合，其核心是將某一或某幾個數據中心的計算資源虛擬化之后，向用戶提供以計算資源為形式的服務，其相關的技術主要有虛擬化技術、網絡計算、分布式計算、Web2.0、SaaS等，如圖1所示。

2 真實感3D虛擬網絡教室的設計

真實感3D虛擬網絡教室已成為當前教育信息化領域關注的熱點問題之一。首先，云計算技術的發展為真實感3D虛擬網絡教室提供了可靈活調配的海量存儲資源和高性能計算資源，能夠有效降低運行成本；其次，真實感虛擬現實技術的應用能夠快速構建具有高度真實感的3D虛擬教室場景和3D虛擬師生角色，為其推廣應用提供了基礎；最后，高速網絡通信技術是3D虛擬網絡教室能夠不受網絡帶寬和昂貴網絡通信費用的限制，使用戶以較低的費用充分體驗流暢、逼真的虛擬學習情景。

(1)真實感3D虛擬網絡教室的體系架構

真實感3D虛擬網絡教室的體系架構如圖2所示，底層的云計算基礎平臺由物理資源和虛擬化軟件來構成，主要是為上層的數據庫系統、真實感3D虛擬網絡教室等提供高性能計算資源和海量存儲資源；中間層的中間件主要實現對虛擬化之后的硬件資源進行管理和調度，并對來自上層的用戶資源請求做出響應；上層的數據庫系統主要為真實感3D虛擬網絡教室提供用戶管理、用戶數據管理、學習資源管理等。

(2)真實感3D虛擬網絡教室的功能模塊

在平臺主頁上，首先對該3D虛擬網絡教室的體系架構、主要功能、使用方法等進行說明，以便用戶對該平臺的使用產生濃厚的興趣。為保證該平臺能被合理、有效地利用，只有使用姓名、年齡、E-Mail、所學專業、所在單位、個人照片等真實信息注冊并通過平臺管理者審核的合法用戶才能登錄平臺，用戶登錄平臺之后便可通過提交自己近期的個人生活照片來在線生成一個自己的3D虛擬化身，以此作為虛擬網絡教室中自己的替身來參加相應的教學和學習活動。同時，平臺管理員將在平臺主頁上實時發布近期將開展的在線課堂教學活動及其相應的鏈接，用戶可根據自己的需要來選擇相應的虛擬課堂進行在線學習活動，當在線課堂教學活動開始5分鐘之后其鏈接自動關閉，用戶將無法再進入該虛擬課堂進行學習活動，以保證在線課堂教學活動的正常進行。

在線課堂是真實感3D虛擬網絡教室的核心功能，當教師和學生按照計劃進入在線課堂之后，由教師開始主持本課堂的教學活動，與真實課堂教學環境一樣，學生將在教室中找到某一個座位之后坐下，教師可利用教室中的虛擬投影儀、電子白板等進行在線教學活動，如進行集中講授、展示課件、課堂互動等，學生也可舉手向老師提問，使教師和學生能夠體驗到與真實教室十分類似的虛擬學習情景。同時，教師也可將學生分成不同的學習小組進行在線協作學習、分組討論等。這樣，教師和學生能夠通過操控自己的虛擬化身在3D虛擬網絡教室中的行為來表達自己的情感、實現更逼真的在線課堂教學互動，達到更理想的在線教學效果。

為解決課后學生的各種疑難問題，教師和學生可以通過視頻通訊、語音通訊和電子白板等方式進行在線互動。視頻通訊和語音通訊能夠讓教師和學生就共同需要解決的問題快速達成共識，在具體交流的過程中可借助電子白板進行協同式文字編輯、自由書寫與繪畫、共享式展示和標注圖像與文檔。這樣，位于不同地域的教師和學生就可以像在真實教室一樣進行流暢的課外答疑與課后互動，進一步鞏固和提高在線課堂教學的效果。

二 真實感3D虛擬網絡教室的開發

1 云存儲技術

云存儲是將分布于高速數據通信網絡中的大量異構存儲設備通過硬件資源虛擬化方式集合在一起，通過統一管理與調度共同為云端用戶提供大容量、高速數據傳輸與存儲服務的一種系統。云存儲系統具有較高的安全性和可靠性，能夠面向大規模、復雜網絡環境的異地用戶提供高速數據存儲和管理，需要存儲服務的用戶只需向云計算服務提供商申請所需要大小的存儲空間即可，避免了存儲系統的重復建設以及維護與管理費用。

2 分布式虛擬現實技術

分布式虛擬現實技術是一種支持多用戶進行分布式在線交互、信息共享、復雜虛擬環境實時繪制，構建集視、聽、觸覺為一體的三維虛擬交互式環境的計算機仿真技術，目前比較成熟的分布式虛擬現實應用系統主要有Second Life、ActiveWorld等。云計算支持下的真實感3D虛擬網絡教室是一種典型的分布式虛擬現實應用系統，能夠支持真實感虛擬教室場景的組建、虛擬角色之間的實時通訊以及虛擬角色與虛擬教室中相關教學道具的交互和響應。

3 真實感3D角色交互式生成技術

真實感3D角色生成技術是根據真實世界中的物理對象，采用相應的計算機圖形算法生成逼真3D虛擬對象的一種技術。為方便用戶根據自己的個性化特征采用與系統交互的方式生成具有真實感的3D虛擬化身，筆者采用當前比較成熟的3D虛擬化身自動生成軟件來幫助用戶構建自己的真實感3D虛擬化身，用戶只需在軟件中設置自己的體形特征、所需的交互式動作等即可自動生成具有真實感的3D虛擬化身，以此在3D虛擬網絡教室中與教師和其他同學進行各種虛擬互動。

三 云計算支持下的3D虛擬網絡教室應用

1 技術實現

首先，OpenStack是RackSpace公司與美國航空航天局(NASA)共同支持的一個開源云計算項目，包括提供自動創建和管理的云計算平臺與支持大量可擴展對象存儲的云存儲兩大部分。筆者利用開源OpenStack部署真實感3D虛擬網絡教室的基礎云計算實驗平臺，使用一臺普通個人計算機作為客戶機，采用一臺圖形工作站作為控制節點和計算節點：在圖形工作站上安裝CentOS 5操作系統和MySQL數據庫，并完成網絡IP的配置，使其可以與個人計算機互通；安裝并配置OpenStack云計算平臺的服務程序和控制程序。其次，利用3D實時應用程序開發引擎ShiVa、多用戶應用服務器ShiVaServer、分布式虛擬現實應用開發工具包等基于OpenStack云計算平臺開發和部署3D虛擬網絡教室這一多用戶分布式虛擬現實系統。最后，真實感3D虛擬網絡教室和真實感3D虛擬角色的快速構建是本系統開發的核心和難點，采用三維室內場景構建軟件Sweet Home 3D來幫助系統平臺管理者構建相應的真實感3D虛擬網絡教室場景，用戶可借助虛擬化身制作工具Avatar Studio使用交互式方法來構建帶有動畫的真實感3D虛擬角色。

平臺管理員利用Sweet Home 3D構建真實感3D虛擬網絡教室場景的一般流程是：首先設計好3D虛擬網絡教室的布局，然后從SweetHome 3D自帶的模型庫中導入相應的課桌、電燈、門、窗戶等基本場景對象，對于投影儀、電子白板等Sweet Home 3D內置模型庫中沒有的3D虛擬對象可采用3DSMax或Maya來進行建模或者直接從網絡上下載相應的模型資源并導入到3D虛擬網絡教室中。用戶利用Avatar Studio生成具有動畫的真實感3D角色模型的一般流程是：用戶首先在系統中輸入自己的年齡、性別、民族、膚色、個人照片等基本特征信息后，系統便會自動生成一個相應的3D虛擬角色；然后用戶比照自身特征可對生成的3D虛擬角色進行適當修改，如添加動作和各種裝飾品、更換眼鏡等操作，在保證3D虛擬角色真實感的同時，激勵用戶適當對自己的虛擬替身進行裝飾，以激發學習者采用該平臺進行在線學習的興趣和積極性。

2 應用分析

大學英語是各專業本科生必修的一門公共基礎課程，豐富、逼真的教學情景有助于激發和維持學生學習英語知識的興趣，故筆者選取本校大一新生采用該真實感3D虛擬網絡教室開展為期8周的《大學英語》在線課堂教學。實驗證明，該系統只需教師和學生具備基本的計算機操作知識即可熟練應用，系統的穩定性和可靠性已經達到了在教學實踐中應用的要求，且通過與同年級其他班級學生學習效果的比較，采用該虛擬網絡教室可明顯提高學生學習英語的興趣和效果。四結束語

真實感3D虛擬網絡教室充分利用了云計算技術和云存儲技術的優勢，不僅使其性能和穩定性得到了大幅度提升，而且用戶可利用該平臺很方便地構建具有高度真實感的虛擬學習環境，實驗證明該3D虛擬網絡教室在實踐教學過程中具有良好的教學效果。本文所研究的3D虛擬網絡教室雖然解決了虛擬學習環境的真實感問題，但主要適用于《大學英語》、《大學語文》、《思想道德修養》等文科類基礎課程的在線課堂教學，對于操作性和實驗性較強的理工類課程并不適用，還有待于相關研究者針對具體專業課程教學實際進一步研究和開發功能更豐富的3D虛擬網絡教室。