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摘要:该文讨论了VRML技术的优势和可行性,给出了利用VRML开发课件的关键技术。
关键词:VRML;课件;虚拟现实
中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2692-02
Application of Virtual Reality Modeling Language in Education
LEI Xiang-bo, WANG Hao-peng, GUO Hui
(Computer Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)
Abstract: The paper discussed the characteristics and feasibility of VRML, presented the key technology of VRML applied in courseware development.
Key words: VRML; courseware; virtual reality
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是一种以计算机为核心,逼真构建集视觉、听觉、触觉等于一体的虚拟环境的技术。VR具有实时的三维空间表现能力,能给用户带来身临其境的感受。虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,简称VRML)则是一种建立真实世界模型或虚拟三维世界的场景建模语言,具有操作平台无关性、可扩展性和低带宽上运行良好等特性[1]。
目前,VRML在工业制造、军事、医学、航空航天、娱乐等领域的应用十分广泛,特别是在教育中的应用更是个热点话题[2]。VRML已逐步进入教育教学的研究活动之中,并对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程,培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。简要地说,VRML解决了教学中不可视、不可触等问题;解决了教学活动中普遍存在的实训设备不足、型号落后、难以更新换代的难题。所以,VRML在教学中有着明显的优点和广阔的应用前景。
1 应用VRML技术的优势和可行性
1.1 应用VRML技术的优势
1)VRML技术利用其全景三维、多媒体集成、境界逼真等特征,为学习者建构了一个更加神奇、更加真实的学习情境,可以显著提高学生的学习兴趣,唤起学生的探索欲望。借助VRML设计和开发的教学课件凭借其强大的三维展示能力,对那些时空局限大、难于理解的教学内容进行展示,克服了时空局限性及现实条件约束性,促进学生对学习内容的理解和建构。
2)VRML设计和开发的教学课件比一般CAI技术具有更好的交互性。首先,与传统的Flash、Authorware和PowerPoint开发工具相比,用户可以在VRML构建的虚拟场景中随着个人的意愿任意游走;其次,VRML借助其一系列的插补器和传感器节点,可以实时响应学习者的交互操作,产生相应的事件动作;最后,利用VRML Script或者Java Script等脚本语言,实现一些复杂的动画。
1.2 应用VRML技术的可行性
首先,VRML开发技术的简易性及其各种软件对VRML的支持,使VRML教学课件的推广有了技术上的可行性。VRML和HTML在使用难度上很相象,易学易用。对于一般的造型,可以在文本编辑器中直接编写VRML;对于比较复杂的场景,可以利用3DMAX等三维创作工具制作;对于复杂的交互设计,则有脚本语言强大的支持。同时,主流的操作系统都会支持VRML三维造型文件的解译和运行[3]。
第二,VRML文件本身采用压缩手段,例如在VRML 2.0中内嵌了拓扑手术编码,同时借助一些压缩软件gzip进行压缩,使得其更适合在网络中传输,同时压缩后的数据信息不影响虚拟可视化的现实质量[4]。同时,计算机性能的改养以及网速的提高,给VRML教学课件的推广扫清了障碍。随着计算机CPU以及显卡性能的显著提高,使得目前的个人计算机制作并运行VRML课件已经基本没有问题。
2 VRML开发教学课件的关键技术
与其他编程语言一样,VRML也具备自身的语法规律和逻辑性,在编程中有如下技术问题需要在程序设计时进行规划,以提高效率和再现质量。
2.1 模型建立
VRML是一种描述性语言,通过各种造型节点,建模者可以直接用VRML语言建立3D模型。在VRML 2.0中,提供了54个节点,可完成造型、形态、光源、编组、检测器、补插器、脚本和境界等9大功能。对于简单、规则的三维物体,可以利用Box节点、Cylinder节点、PointSet节点和IndexedLineSet节点进行建模;对于较复杂的模块可利用Extrusion挤出节点、ElevationGrid海拔栅格节点等构造;对于一个复杂的场景,则可以分别把每个造型单元放在不同的VRML文件里,通过文件的引用(如使用Inline节点)来连接各个部分。
2.2 位置转换
每一个几何体及其几何体之间加入Transform节点并进行修改,可用于平移(Translation)、旋转(Rotation)和缩放(Scale)造型单元,实现造型单元的合理布置。简单的转换可以改变几何体的位置、朝向和大小;复杂的变换可通过子坐标系的变换和嵌套,利用平移、旋转和缩放等组合及利用参数设置,可以变换出许多衍生体。自由运用变换技术的关键是必须准确了解VRML的父坐标系和子坐标系的空间位置,以便快速合理地确定参数[7]。
2.3 造型外观控制
几何体具有不同的外观质感,这是模型必须有的设置,它包括光照、纹理、色彩、背景和材质等。VRML中,造型的颜色为RGB,material节点提供6种域,域值均为0到l,指定了造型使用的材质属性。material节点提供的6种域为:diffuseColor,用来设置漫反射颜色;shininess,用来设置表面光亮度;specu1arColor,用来设置镜面反射光的颜色,与shininess光泽度产生表面柔度;transparency,用来设置透明度,增加几何体的清澈感;ambientIntensity,用来设置反射环境光的强弱;emissiveColor,用来设置发光材质的颜色,从而可产生辐射感。系统采用组合计算确定物体的动态质感,通过参数的设置,系统可计算光强、亮度、透明度和反光度,能得到类似玻璃质感、金属质感和铝合金等材质的动态效果。
2.4 交互技术
在利用VRML设计和开发教学课件时,要实现交互的虚拟场景,只要在相应的部分添加一些检测器或传感器(Sensor),通过事件的传递来进行交互,做出动态的效果。VRML交互功能一般是通过一系列交互传感器来实现的。触摸传感器TouchSensor节点用于创建检测用户基于指点设备(如鼠标、操纵杆等)的动作,并将其转换后以各种形式的事件加以输出;环境传感器在浏览者选取、保持选取并移动指点设备时产生事件输出,包括CylinderSensor节点和SphereSensor节点。除了上面介绍的触摸传感器和环境传感器以外,VRML中能产生交互功能的节点还有感知传感器,它是用来感知用户在场景中是否可见其中的造型或用户与造型的接近程度,包括VisibilitySensor节点和ProximitySensor节点。碰撞编组Collision节点用来从浏览者所在的方位检测用户何时与该组中的任何子节点造型发生了碰撞。
3 结束语
我们正处在网络快速成长,信息技术高速发展的时代。现代的教育正朝着网络化、信息化发展,这是大势所趋。与互联网相结合的VRML,从方方面面带给教育工作者和广大学习者视觉的冲击和全新的感受。结合VRML设计和开发的多媒体课件,其形象逼真、准确生动的交互式三维世界能够创建建构主义学习理论所提倡的学习情境,能够提供实时交互性,有利于增强学生的想象力,促进学习者自主实现知识的意义建构,提高教学质量。VRML创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体,兼有先进性和普及性,必将为高技术的教育方式方法和理念开拓前所未有的新空间。
参考文献:
[1] 苏绍勇,陈继明,潘金贵.虚拟环境中行为建模技术研究[J].计算机科学,2007,34(2)
[2] 黄文丽,卢碧红,杨志刚,等.VRML语言入门与应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.
关键词:VRML;课件;虚拟现实
中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2692-02
Application of Virtual Reality Modeling Language in Education
LEI Xiang-bo, WANG Hao-peng, GUO Hui
(Computer Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)
Abstract: The paper discussed the characteristics and feasibility of VRML, presented the key technology of VRML applied in courseware development.
Key words: VRML; courseware; virtual reality
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是一种以计算机为核心,逼真构建集视觉、听觉、触觉等于一体的虚拟环境的技术。VR具有实时的三维空间表现能力,能给用户带来身临其境的感受。虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,简称VRML)则是一种建立真实世界模型或虚拟三维世界的场景建模语言,具有操作平台无关性、可扩展性和低带宽上运行良好等特性[1]。
目前,VRML在工业制造、军事、医学、航空航天、娱乐等领域的应用十分广泛,特别是在教育中的应用更是个热点话题[2]。VRML已逐步进入教育教学的研究活动之中,并对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程,培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。简要地说,VRML解决了教学中不可视、不可触等问题;解决了教学活动中普遍存在的实训设备不足、型号落后、难以更新换代的难题。所以,VRML在教学中有着明显的优点和广阔的应用前景。
1 应用VRML技术的优势和可行性
1.1 应用VRML技术的优势
1)VRML技术利用其全景三维、多媒体集成、境界逼真等特征,为学习者建构了一个更加神奇、更加真实的学习情境,可以显著提高学生的学习兴趣,唤起学生的探索欲望。借助VRML设计和开发的教学课件凭借其强大的三维展示能力,对那些时空局限大、难于理解的教学内容进行展示,克服了时空局限性及现实条件约束性,促进学生对学习内容的理解和建构。
2)VRML设计和开发的教学课件比一般CAI技术具有更好的交互性。首先,与传统的Flash、Authorware和PowerPoint开发工具相比,用户可以在VRML构建的虚拟场景中随着个人的意愿任意游走;其次,VRML借助其一系列的插补器和传感器节点,可以实时响应学习者的交互操作,产生相应的事件动作;最后,利用VRML Script或者Java Script等脚本语言,实现一些复杂的动画。
1.2 应用VRML技术的可行性
首先,VRML开发技术的简易性及其各种软件对VRML的支持,使VRML教学课件的推广有了技术上的可行性。VRML和HTML在使用难度上很相象,易学易用。对于一般的造型,可以在文本编辑器中直接编写VRML;对于比较复杂的场景,可以利用3DMAX等三维创作工具制作;对于复杂的交互设计,则有脚本语言强大的支持。同时,主流的操作系统都会支持VRML三维造型文件的解译和运行[3]。
第二,VRML文件本身采用压缩手段,例如在VRML 2.0中内嵌了拓扑手术编码,同时借助一些压缩软件gzip进行压缩,使得其更适合在网络中传输,同时压缩后的数据信息不影响虚拟可视化的现实质量[4]。同时,计算机性能的改养以及网速的提高,给VRML教学课件的推广扫清了障碍。随着计算机CPU以及显卡性能的显著提高,使得目前的个人计算机制作并运行VRML课件已经基本没有问题。
2 VRML开发教学课件的关键技术
与其他编程语言一样,VRML也具备自身的语法规律和逻辑性,在编程中有如下技术问题需要在程序设计时进行规划,以提高效率和再现质量。
2.1 模型建立
VRML是一种描述性语言,通过各种造型节点,建模者可以直接用VRML语言建立3D模型。在VRML 2.0中,提供了54个节点,可完成造型、形态、光源、编组、检测器、补插器、脚本和境界等9大功能。对于简单、规则的三维物体,可以利用Box节点、Cylinder节点、PointSet节点和IndexedLineSet节点进行建模;对于较复杂的模块可利用Extrusion挤出节点、ElevationGrid海拔栅格节点等构造;对于一个复杂的场景,则可以分别把每个造型单元放在不同的VRML文件里,通过文件的引用(如使用Inline节点)来连接各个部分。
2.2 位置转换
每一个几何体及其几何体之间加入Transform节点并进行修改,可用于平移(Translation)、旋转(Rotation)和缩放(Scale)造型单元,实现造型单元的合理布置。简单的转换可以改变几何体的位置、朝向和大小;复杂的变换可通过子坐标系的变换和嵌套,利用平移、旋转和缩放等组合及利用参数设置,可以变换出许多衍生体。自由运用变换技术的关键是必须准确了解VRML的父坐标系和子坐标系的空间位置,以便快速合理地确定参数[7]。
2.3 造型外观控制
几何体具有不同的外观质感,这是模型必须有的设置,它包括光照、纹理、色彩、背景和材质等。VRML中,造型的颜色为RGB,material节点提供6种域,域值均为0到l,指定了造型使用的材质属性。material节点提供的6种域为:diffuseColor,用来设置漫反射颜色;shininess,用来设置表面光亮度;specu1arColor,用来设置镜面反射光的颜色,与shininess光泽度产生表面柔度;transparency,用来设置透明度,增加几何体的清澈感;ambientIntensity,用来设置反射环境光的强弱;emissiveColor,用来设置发光材质的颜色,从而可产生辐射感。系统采用组合计算确定物体的动态质感,通过参数的设置,系统可计算光强、亮度、透明度和反光度,能得到类似玻璃质感、金属质感和铝合金等材质的动态效果。
2.4 交互技术
在利用VRML设计和开发教学课件时,要实现交互的虚拟场景,只要在相应的部分添加一些检测器或传感器(Sensor),通过事件的传递来进行交互,做出动态的效果。VRML交互功能一般是通过一系列交互传感器来实现的。触摸传感器TouchSensor节点用于创建检测用户基于指点设备(如鼠标、操纵杆等)的动作,并将其转换后以各种形式的事件加以输出;环境传感器在浏览者选取、保持选取并移动指点设备时产生事件输出,包括CylinderSensor节点和SphereSensor节点。除了上面介绍的触摸传感器和环境传感器以外,VRML中能产生交互功能的节点还有感知传感器,它是用来感知用户在场景中是否可见其中的造型或用户与造型的接近程度,包括VisibilitySensor节点和ProximitySensor节点。碰撞编组Collision节点用来从浏览者所在的方位检测用户何时与该组中的任何子节点造型发生了碰撞。
3 结束语
我们正处在网络快速成长,信息技术高速发展的时代。现代的教育正朝着网络化、信息化发展,这是大势所趋。与互联网相结合的VRML,从方方面面带给教育工作者和广大学习者视觉的冲击和全新的感受。结合VRML设计和开发的多媒体课件,其形象逼真、准确生动的交互式三维世界能够创建建构主义学习理论所提倡的学习情境,能够提供实时交互性,有利于增强学生的想象力,促进学习者自主实现知识的意义建构,提高教学质量。VRML创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体,兼有先进性和普及性,必将为高技术的教育方式方法和理念开拓前所未有的新空间。
参考文献:
[1] 苏绍勇,陈继明,潘金贵.虚拟环境中行为建模技术研究[J].计算机科学,2007,34(2)
[2] 黄文丽,卢碧红,杨志刚,等.VRML语言入门与应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.