基于人機交互的虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺開發(fā)

陳春鐵

摘 要 文章首先分析了基于人機交互虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢，從功能層面進行總結(jié)，并對傳統(tǒng)課堂做出反思。在此基礎(chǔ)上重點分析人機交互中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺開發(fā)中的應(yīng)用，以及設(shè)計研究中需要重點完善的功能層面，幫助全面提升系統(tǒng)運行效果，促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中更好的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】人機交互 虛擬現(xiàn)實仿真 教學(xué)系統(tǒng)開發(fā) 平臺構(gòu)建

1 基于人機交互虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺優(yōu)勢

1.1 增強課堂教學(xué)的感官體驗

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺，能夠模擬出真實的教學(xué)場景，并在教學(xué)期間通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來對真實的場景進行構(gòu)建仿真，為學(xué)生帶來更直觀更真實的體驗。傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的課堂教學(xué)內(nèi)容過于枯燥等問題，豐富學(xué)生在課堂上的感官體驗后，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也會有明顯提升，為接下來各項教學(xué)計劃進行建立穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)境。感官體驗是增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與知識掌握程度的必備條件，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)習(xí)接觸到的知識內(nèi)容較為單一，引入虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)平臺后，學(xué)生與教師之家的互動也得到增強，教學(xué)促進效果明顯。

1.2 提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率

應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)后，能夠在課堂上向?qū)W生分享不同類型的學(xué)習(xí)資源，充分刺激學(xué)生記憶感官，知識點記憶的扎實程度也因此得到提升。僅僅依靠機械式的練習(xí)與背誦學(xué)習(xí)效率并不明顯，導(dǎo)致學(xué)生處于疲勞學(xué)習(xí)狀態(tài)下，學(xué)習(xí)的知識點只能形成短時間印象，經(jīng)過一段時間后便會忘記。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)系統(tǒng)后，這一問題得到解決，課堂中通過仿真軟件來向?qū)W生展現(xiàn)豐富有趣的學(xué)習(xí)資源，包括圖片、視頻等多種模式，知識點整理也更清晰簡明，不但減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，同時也更有利于學(xué)生形成深刻的印象，牢牢掌握相關(guān)知識點。

2 基于人機交互的虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺構(gòu)建

2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

軟件平臺設(shè)計中首先需要進行硬件組成確定，根據(jù)教學(xué)任務(wù)進行的具體硬件需求來進行差異性選擇。信號接收器，用于數(shù)據(jù)傳輸過程中的指令控制，實現(xiàn)設(shè)計課件通過虛擬現(xiàn)實平臺顯示。數(shù)據(jù)手套，佩戴后可以將手勢動作捕捉轉(zhuǎn)存到系統(tǒng)平臺中，手勢識別是教學(xué)軟件中實現(xiàn)互動的具體部分，關(guān)系到最終的教學(xué)軟件應(yīng)用效果。立體眼鏡是每個學(xué)生都需要佩戴的，通過立體眼鏡可以觀看到近似于真實的仿真效果，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實中的人機互動。硬件設(shè)備功能水平則需要根據(jù)具體的教學(xué)任務(wù)來進行比配選擇。硬件設(shè)備同時也是軟件功能實現(xiàn)的一個載體部分，設(shè)計出穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)，接下來軟件功能實現(xiàn)也能更高效進行。

2.2 軟件設(shè)計組成

所應(yīng)用的軟件組成包括DivisionMockup2000i2、RapidVRM、Trackd、Pro/E。將所需要的各個軟件構(gòu)建成為如下子集，從而實現(xiàn)軟件與硬件系統(tǒng)之間的相互交換，并建立如下的系統(tǒng)組成流程圖（見圖1）。在該系統(tǒng)中存在人機互動環(huán)境，將動作捕捉到虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺中，所追蹤得到的參數(shù)需要進行再次整合運算，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部處理來展現(xiàn)在顯示屏幕中，并與現(xiàn)實中的動作保持一致，這樣的環(huán)境下所進行的各個系統(tǒng)內(nèi)部控制模型構(gòu)建，軟件組成按照圖中的功能實現(xiàn)流程來進行，現(xiàn)實設(shè)計中還需要體現(xiàn)出硬件與軟件關(guān)于功能上的配合形式。系統(tǒng)啟動后軟件部分會自動運行，并對最終所得到的各項參數(shù)進行整合計算，達(dá)到教學(xué)任務(wù)所需要的標(biāo)準(zhǔn)。

3 實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模

實現(xiàn)該技術(shù)首先需要進行三維建模，為接下來的系統(tǒng)平臺運用建立是適合的視覺平臺效果。三維建模需要在系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上來進行，觀察所需要的各類功能，以及在功能基礎(chǔ)上需要繼續(xù)深入構(gòu)建的數(shù)據(jù)資源。按照接下來需要實現(xiàn)的控制功能進行現(xiàn)場建模處理，按照圖2中的流程圖構(gòu)建程序運行模型，實現(xiàn)不同流程同樣需要在數(shù)字建模基礎(chǔ)上來開展，根據(jù)信息數(shù)據(jù)傳輸中的指令需求來進行接下來的傳輸端口對接，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷的現(xiàn)象。面對不同的數(shù)據(jù)傳輸量在三維建模中也要做出明顯區(qū)分，觀察各個端口中所需要繼續(xù)深入完善的功能。三維模型建立更要結(jié)合object_adapters_11.0軟件來實現(xiàn)現(xiàn)場功能操作控制，構(gòu)建出現(xiàn)實中需要的三維場景。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是針對現(xiàn)實錄入與虛擬場景之間來進的，根據(jù)教學(xué)軟件應(yīng)用中所產(chǎn)生的請求來進行數(shù)據(jù)傳輸對接，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)需要外設(shè)軟件與內(nèi)部控制軟件同時配合完成。隨著外設(shè)設(shè)備中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)會自動做出匹配，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為一種教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)可以識別的軟件，從而達(dá)到最佳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果。對于不同設(shè)計方案中所存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果，還需要結(jié)合實際使用場景來分析使用，達(dá)到內(nèi)部控制作用。虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)所構(gòu)建出的場景是完全按照現(xiàn)實比例來處理的，因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)進行也十分重要，關(guān)系到最終的設(shè)計理念，以及系統(tǒng)內(nèi)需要繼續(xù)深入完善的部分。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是單項進行的，不僅要針對轉(zhuǎn)換過程中共的程序設(shè)計來進行，更應(yīng)該體現(xiàn)出教學(xué)期間對軟件功能的使用需求，將數(shù)據(jù)處理成為教學(xué)期間所需要的內(nèi)容。選擇trackd.conf文件，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中自動修復(fù)，并實現(xiàn)與轉(zhuǎn)換場景之間的相互交換，達(dá)到系統(tǒng)中的現(xiàn)實模擬效果。

3.3 操作識別與命令獲取

這對這部分功能進行設(shè)計，要建立起教學(xué)數(shù)據(jù)庫，并在網(wǎng)絡(luò)平臺中獲取資源，使數(shù)據(jù)庫中包含的資源更加全面。需要注意的是信息獲取安全性，以及使用中存在的安全隱患問題，充分構(gòu)建現(xiàn)場的操作識別指令，并在命令獲取基礎(chǔ)上來啟動相關(guān)功能模塊，教學(xué)任務(wù)開展期間才能充分利用系統(tǒng)內(nèi)部功能，完成相關(guān)指令構(gòu)建。圖3中的設(shè)計圖為單通道中的被動立體顯示原理圖，構(gòu)建現(xiàn)場控制指令，采用單通道的模式來進行現(xiàn)場控制原理構(gòu)建，豐富控制指令達(dá)到更理想的運行使用效果。設(shè)計教學(xué)系統(tǒng)平臺要考慮轉(zhuǎn)換部分的數(shù)據(jù)處理能力，是否能夠達(dá)到最佳使用效果，避免實際操作處理中出現(xiàn)運行能力不足的現(xiàn)象，影響到最終的功能實現(xiàn)。操作識別與命令獲取均建立在單通道系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行更高效識別，從而轉(zhuǎn)換成為相關(guān)命令指令。

4 結(jié)語

綜上所述，該技術(shù)可以對真實世界的行為活動進行仿真，并對用戶的位置、姿態(tài)、語言等做出實時響應(yīng)，借助一些交互設(shè)備可以使參與者以接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而使參與者和虛擬環(huán)境之間建立起實時的交互關(guān)系，產(chǎn)生與真實環(huán)境中相似的感覺體驗，將其應(yīng)用在教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建開發(fā)中，可幫助營造出高效學(xué)習(xí)環(huán)境。

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