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谈三维动画与虚拟现实技术相结合应用于现代教学手段

时间:2010-07-29 18:03来源:知行网www.zhixing123.cn 编辑:麦田守望者

【摘要】 本文通过三维动画与虚拟现实建模语言(VRML97)的结合,实现现代教学手段的网络化教育.

【关键词】 三维动画;虚拟现实;VRML;多媒体软件.

一、 前 言

目前,随着计算机技术的快速发展,我国的教育现代化正在普及与深入。而教育技术的理论与概念也日趋完善,管理体制逐步理顺。多媒体远程教育软件是目前推动教育改革的重要组成部分,虚拟现实技术也是教育技术的发展趋势。

军网是我军交流经验,传播知识最快的途径。但是,由于网络传输速度欠佳而文件量大等原因,与三维动画,模型及工程图纸有关的CAI软件仍然停留在基于宽带网或本机上。而最为流行的网上视频格式.RA文件虽然数据量小,但其交互性差,不能达到人机交互的目的。因此,开发与三维动画,模型及工程图纸有关的远程教育软件是摆在广大教育工作者面前的重要任务。

二、VRML97(虚拟现实建模语言)的形成与发展

VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言的出现为开发与三维动画,模型及工程图纸有关的远程教育软件提供了条件,使得虚拟现实象多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活。VRML是一种建模语言,也就是说,它是用来描述三维物体及其行为的,可以构建虚拟境界(Virtural World)。VRML的基本图标是建立因特网上的交互式三维多媒体,包括分布式,三维,交互性,多媒体集成,境界逼真性等基本特征。

虚拟现实技术是模拟仿真的最新、最高层次。一个受试者置身其中,不仅能全方位地眼观六路,耳听八方。而且能有触摸感,能有受力的感觉,甚至还能闻到气味。用户所作出的探询,在仿真的情景中,应如在现实环境中一样,得到回应。从VRML创建之初,这样的身临其境,交互作用,能允许想象自由驰骋的技术就在人们心目中占有极其重要的地位。VRML1.0于1994年10月推出,它使设计者可以创建能在Internet上存取的、美丽的三维世界和功能强大的浏览器。但是,它存在成像速度慢,不能进行并行处理,限制灯光范围等缺点;特别是它不允许移动物体,使得所创建的世界是静止不动的。1996年8月,推出了VRML2.0。1997年12月,在2.0基础上,推出了VRML97。VRML97版本新增了几个重要功能。如3D的建模具有组合性,缩放性和扩展性;在原来静止的世界中注入声音、动画,并与用户进行实时交换行为。另外,利用VRML97建造的3D场景的文件量非常小,因此,克服了网上传输所存在的问题。但是,VRML语言较为复杂,特别是对特殊事物而言,编程建立场景并不能最好的达到要求,这就要求利用三维动画软件来完成物体的建模及动画的功能。

三、3DSMAX3.1与VRML的结合

目前,许多大型三维动画软件,都有支持和输出VRML的插件。而Kinetix公司的3DS MAX在此方面也做了很大的改进。在3DS MAX 2.5以前的版本中仅有VRML1.0和2.0格式。随后,推出的3.1

版本中增加了VRML97项目插件。(见下图)

在VRML工具栏里为物体指定活动控件和触发器。它们可以让使用者设置“点取――播放”触发器、触动感应器及范围。时间感应器来控制动画的发生,使用音频剪裁板和声音控件来设置声音。最后,输出格式为.WRL的VRML97文件,供IE浏览器或Netscape在网上调用,播放动画。

四、VRML97在教学手段中的应用

虽然VRML97至目前为止,还只能算是个成熟的新生儿,但它已经在教学手段中占有了很重要的地位。许多教育工作者已将它们诸于了实践。(见下图)

这是天津大学的虚拟校园。(网址为HTTP://WWW.TJU.EDU.CH/.)当你浏览天津大学WEB站点时,经常可以通过点击鼠标获取相关的信息。这些信息会以超文本形式呈现在浏览器窗口的左上框架里。在右上部框架里呈现的是一张地图,点击地图上的各个区域,将会把你带到相应的虚拟景点。

VRML格式也非常适用于教学软件。广州工大制作的<<工程制图>>比较形象,直观。(见下图)

他们利用VRML的Orientation Interpolator 节点实现对某个物体实时旋转功能。Position Interpolator节点控制物体实时移动及Coordination Interpolator对物体实时变形。这样,可使用户依照自己的意愿使物体任意移动,旋转或变形。克服了图学教学中求交问题的难点,即目前的很多CAI软件都采用动画演示方式,如利用FLC、MOV或AVI格式实现,其过程不受用户干涉。这种方式的缺陷是迫使用户的思维方式跟随软件的设计者,没有发挥潜在的智力。使用者不能自主的操纵动画。交互性差,与先前的录像带中动画模式相仿,没有将计算的交互性表达出来。VRML则可充分发挥使用者的主观能动性。例如前面谈到的天津大学虚拟校园,他可以使参观者有多种方式游览。你可以不规定计划和日程,自由探访;也可以乘旅行大巴直逼热门观光点,在导游带领下,领略沿途的历史背景、知识和趣闻;还可以带上导游手册,做一次自我导游的旅行。

下面是我制作的讲解57炮结构及用途的软件。

这是一门57炮的三维模型,学习者可以通过下面的控制按钮对这门炮进行360度的旋转观看。当使用者点击火炮的任一结构零件时,视图可以平滑的推进至目标物体前。同时,相应部件的简介通过解说表示出来。当使用者点击方向、高低转轮时,火炮相应的转动和抬高、降低身管,内部相应的部件随之发生变化。使学生了解火炮转动时部件间的相应变化。当使用者点击“开火”开关时,火炮模拟真实场景,发射炮弹,并真实地后座。同时,火炮开火时的炮声也相应响起,真实的模拟射击时的场景。这个软件能使学生体会与掌握火炮的原理及各个部件的结构与用途。是学员上好火炮课的重要辅助性教学手段。

五、合成基于WWW的虚拟现实交互界面

如果说以HTML为基础的第一代万维网是一种访问文档的媒体。提供一种阅读的感受,可以简单的表示为:第一代万维网=多媒体+因特网。那么VRML把交互式三维能力带入万维网,可以说以VRML为基础的第二代万维网=多媒体+虚拟现实+因特网,即VRML是一种可以发布3D网页的跨平台语言。它提供的技术能把二维,三维文本和多媒体集成为统一的整体。当把这些媒体类型和脚本描述语言以及因特网的功能结合在一起时,就可能产生一种全新的交互式应用。事实上,探路者到达火星后信息就是利用VRML在因特网上即时发布的,网络用户可以以三维方式随探路者探索火星,就是VRML合成基于WWW(万维)网的虚拟现实交互技术成功的典例。

VRML97允许在虚拟世界中实现与超文本的连接。利用Anchor节点和HTML 标签实现VRML与WWW通信。通过HTML中Onload属性将所定义的函数作为它的值来实现与VRML的连接。Web界面中同时提供与VRML同步的有关文本和导航帮助来引导用户阅读VRML世界并与它进行交互。

六、结 论

VRML作为唯一的WWW上建立3D的虚拟世界的语言,它一出现就给远程教育带来革命性的变化。VRML97更提供了与用户交互的各种强大功能,利用它开发与三维动画、模型及工程图纸有关的远程教育软件,必将对我国教育的现代化产生深远的影响。但VRML毕竟发展时间不长。作为一种标准,不可能满足所有应用的具体需要。有的希望交互性更强,有的希望画面质量更高,有的希望VR世界更复杂,这些要求往往是相互制约,同时都受到用户平台硬件性能的制约。因此,这些问题都有待于技术的更新与发展,需要我们为远程教育及虚拟现实教学手段的改进更加努力的学习和奋斗。 

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