基于VR技術的病毒防控知識教學系統設計

袁浩竣 林水鳳 陸紅艷 宮海曉

摘要：傳統病毒防控知識教學系統無法滿足數字化教學模式，消耗大量教學時間，降低教學質量。因此，設計基于VR技術的新型病毒防控知識教學系統。通過對該教學系統的硬件架構進行系統設計，引入新型投影顯示裝置，結合虛擬軟件設計器模塊與播放器模塊，完成新型病毒防控知識教學系統設計。構建系統測試環節，通過對比可知此系統優于傳統系統，在日后的教學中使用此系統作為主要教學平臺，以更好地傳授病毒防控知識。

關鍵詞：VR技術;病毒防控;3D技術

中文分類號：TP311.52? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0169-02

傳統的病毒防控知識大部分都是報紙、視頻、講座或展覽的形式進行傳授，其過程相對復雜，時間地點的限制，大量的病毒防控知識不能夠讓學生很好地掌握。基于VR技術的病毒防控知識教學系統是針對病毒的防控知識利用VR技術所設計的模擬體驗式系統產品，其集成了VR技術、3D全景建模、仿真系統等新型技術產品[1-3]。老師使用該教學系統立體直觀地向學生提供病毒病源、傳播途徑、防護防治等多方面的防控知識介紹。一體化病毒防控知識教學系統可以增加學生模擬體驗流程，通過在全息環境中，模擬出不同生活工作場景中病毒防控措施，增強防控意識，做好病毒防控工作。

1 病毒防控知識教學系統硬件設計

1.1 頭盔顯示器

通過在傳統的病毒防控知識教學系統中添加頭盔顯示器，打破虛擬世界的束縛，根據立體三維空間中虛擬-現實頭盔的不同位置、運動方向軌跡等實時數據信息改變整個球面反投影過程的視覺角度[4]。頭盔顯示器利用其兩塊顯示屏幕構建虛擬空間左眼與右眼看到的相應畫面，并通過使用這兩塊屏幕與左右眼的不同位置、視線方位等數據信息計算出視覺圖。其技術相較于僅一塊顯示屏幕的硬件設備，頭盔顯示器成像效果更接近人裸眼特點，較大程度上滿足了VR技術在病毒防控知識教學系統中3D體驗的需求。通過頭盔顯示器播放的VR視頻，對雙眼進行兩次信息渲染，以正常接收到的視覺信息使用不同的視覺參數對全景圖進行拆分、反投影，融合左右視覺信息形成立體圖像，完成整個虛擬-現實空間的系統轉換。

1.2 DLP投影機

DLP投影機以新型空間光源調節器（DMD芯片）作為投影核心部分，采用全數字信息，以高像素的分辨率對整個光譜進行分析。由于DLP采用新型激光光源在增加整個教學系統結構體積的基礎上降低了該系統設計的復雜程度，縮短了系統反應速度。由于DLP投影機添加了特有的TIR組件，將不同方向照射進入DMD的光束通過其不固定的反射角度進入TIR與RTIR中，縮小整個教學系統體積框架并提升光源利用率，整個DLP投影過程提升了系統光源利用率與系統微型化。

在此次教學系統設計中，將上面兩個部分融合進傳統的病毒防控知識教學系統，將設計的硬件框架作為其教學系統軟件開發的基礎平臺，充分利用VR技術提升整個系統的運行效果。

2 病毒防控知識教學系統軟件設計

2.1 3D場景設計器模塊

針對此次病毒防控知識教學系統設計在VR環境下，3D場景設計器模塊通過設置物體的函數軌跡實現對象的復雜仿真運動。該系統軟件設計中3D場景設計器以層為最小單位構建整個軟件模塊通過3DMax、PS、MAYA等技術手段[5]，利用模塊化組合成虛擬場景、動畫、文字、視頻等實時數據環境。病毒防控知識教學系統在VR技術控制下利用上文所設計的硬件性能與高效3D算法，對軟件設計環境進行實時渲染[6]。

2.2 VR播放控制器模塊

通過上述虛擬場景設計，完成軟件整體布局設計，結合播放模塊實現整個虛擬軟件部分設計。由于VR播放控制器以虛擬-現實內容進行播放，將場景模板、流媒體、網頁、動畫等添加到系統軟件資源中，學生需要利用上文提到的頭盔顯示器、交互手柄等硬件進行操作，在這次系統軟件設計過程中，滿足對上文硬件部分基本設置的同時利用數據信息自動調節其VR信息參數的設置。系統設計中的VR播放控制器通過引出項的修改、數據庫實時更新、觸發方式的設置對該設計教學系統的播放列表進行系統控制。較大程度上縮短了傳統教學系統中老師需花費課程的五分之一時間將教學內容引進來，也降低了傳統教學系統操作難度。使用此次系統設計的VR播放器進行病毒防控知識教學、場景實訓、還原真實實驗環境，把教學系統與教學有機結合一起。由于系統設計的VR播放控制器可任意導入3D虛擬目標，關聯其運動軌跡，即任意虛擬環境下的教學系統內目標物均可飛到老師面前，并通過老師不同手勢、手柄等終端對虛擬環境下的物體進行放大、縮小等響應動作，較為清晰直觀地展現VR技術下的虛擬物體。VR播放控制器使病毒防控知識教學系統軟件設計更加貼近技術發展方向，促進教學有序發展。

此次設計的基于VR技術的病毒防控知識教學系統軟件部分側重點是實現軟件間交互，由于傳統虛擬軟件大多以編寫代碼實現軟件運行，交互過程較為煩瑣，難度較大，系統實現效率過低。此次設計的教學系統基于VR技術的基礎上觸發數據信息，在每個虛擬目標之間實現交互操作，為虛擬目標添置交互開關，例如為目標對象增加觸發操作，在選擇目標對象后為其在彈出的設置面板選擇合適的參數值并完成設定。這種交互式觸發機制過程簡單便捷，完成度較高;另外在設置對話框中也可對腳本進行編輯，實現需求與腳本形式之間進行互動。

綜上所述，將該部分中設計的病毒防控知識教學系統軟件與上文中提及的該教學系統硬件相結合，完成基于VR技術的病毒防控知識教學系統整體設計。

3 系統測試環節

3.1 測試環境設計

在此次系統測試中，將使用文中設計系統與傳統系統在指定的測試環境與測試平臺中，進行統一教學，設定測試指標對文中設計系統與傳統系統的使用性能展開研究。在此次測試過程中，通過測試平臺技術參數設定的形式，構建系統測試平臺，保證文中設計系統與傳統系統可在同一環境中運行，得到有效的測試結果，避免由于外部原因造成的測試結果誤差。根據原有設定的測試平臺技術參數，構建測試載體。將文中設計系統與傳統系統安裝到此平臺中，完成系統測試過程。

3.2 測試指標設計

在此次系統測試中，將系統對比指標設定為系統用戶承載力以及教學資源提取時間。通過此兩種指標，對比文中設計系統與目前使用中系統區別。為提升實驗結果的可靠性，將實驗通過兩輪完成，每輪實驗設定為10次，詳細記錄實驗結果，完成系統測試及對比。

3.3 測試結果分析

通過上述系統測試結果可以看出，文中設計系統的用戶承載力遠超于目前使用中的兩種教學系統。對測試結果進行分析可以看出，文中設計系統與傳統系統的用戶承載力較為穩定，在多次測試的過程中，未發生波動性變化，可見在此次測試中使用的系統均具有良好運行穩定性，但傳統系統的用戶承載力較低，可同時對此系統進行操作的人數具有一定的局限性。綜合上述分析結果可知文中設計系統在此指標對比中優于傳統系統。

通過上述測試結果可知，文中設計系統對于教學資料的提取時間明顯縮短于傳統系統。在兩輪測試中，文中設計系統的提取時間較為穩定，沒有出現過多的變化，傳統系統在測試中出現部分測試資料提取時間異常的問題。通過上述分析結果可初步判定，文中設計系統由于傳統系統。

將系統用戶承載力測試結果與教學資料提取時長測試結果進行整理可知，文中設計系統在基礎性能與系統運載方面都具有一定的優勢，將其使用在日常教學中可提升教學質量。

4 結束語

此次系統設計分析中在傳統病毒防控知識教學系統的基礎上引入VR技術，進一步增加頭盔顯示器與DLP投影機系統硬件設施，并在系統軟件的基礎上融入了虛擬控制模塊，提升了新型教學系統的交互性教學機制，較大程度提升教學質量，降低時間成本的基礎上推進病毒防控知識教學系統的發展進程。此次系統設計仍有一定的改進空間，針對教學系統設計的不足，將通過今后的實踐研究進一步改善系統設計缺陷。隨著VR數據信息技術的不斷發展，將會為病毒防控知識教學提供更好的系統設計方案。

參考文獻：

[1] 陳鵬生，竇海波.基于知識體系的高校智能體育教學系統設計與實現[J].自動化技術與應用，2019，38（12）：169-171.

[2] 謝小燕.高職眼視光技術專業“從兼職到就職”培養模式的探索與成效[J].衛生職業教育，2019，37（14）：3-4.

[3] 王愛軍，李中永.基于VR技術的兒童交通安全教育平臺系統設計研究[J].白城師范學院學報，2019，33，162（08）：20-25，37.

[4] 蔣樂雅.高職校專業課與創新教育融合的教學實踐研究——以五年制高職眼視光技術專業為例[J].衛生職業教育，2018，36（24）：8-10.

[5] 蘇博妮，化希耀.物聯網應用系統設計課程教學方法[J].系統仿真技術，2018，14（02）：150-153.

[6] 崔巖松，王方，陳科良.基于VR直播的遠程教育系統設計[J].實驗技術與管理， 2020，37，286（06）：139-143，147.

【通聯編輯：張薇】