基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现

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发表于 2011-9-9 08:42:53 |只看该作者 |倒序浏览

【摘要】基于Virtools技术构建虚拟教学系统，有助于提高教学的效率和效果。本文概括了Virtools技术的特点和优势、分析了虚拟教学环境下人的认知特点，并以《腕踝针虚拟教学系统》的设计与实现为例介绍了Virtools技术的具体应用。

　　【关键词】Virtools技术；虚拟教学系统；腕踝针

　　【中图分类号】G434【文献标识码】B【论文编号】1009—8097 (2007) 10—0057—04

　　

　　虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种由计算机全部或部分生成多种感觉环境，给参与者提供各种感官信息，使之产生身临其境的感觉，以便更好地体验、接受和认识客观事物的技术，它可分为沉浸式和非沉浸式两种。沉浸式虚拟现实技术，是通过一些特殊的外部设备如头盔式立体显示器、空间位置传感器等输入输出设备来实现的。但由于其价格昂贵，且一次只能供一人使用，因此很少在教学中得到推广和应用。而非沉浸式虚拟现实技术，主要依赖软件技术来实现，即应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟，其特点是经济、方便，便于广大学习者使用，目前用于非沉浸式虚拟现实的软件有很多，如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。其中，Virtools技术以其功能较全面、人机交互可视化强等优势得到了越来越广泛的研究和应用。

　　

　　一 VIRTOOLS的技术特点和优势

　　

　　Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发的一款三维互动程序开发工具，目前的版本支持到 Directx9.0c。它除了自身的三维交互开发平台Virtools Dev以外，还有5个可选模块，分别是网络服务器Virtools Server、物理属性模块Physics Pack、人工智能模块AI Pack、Xbox开发模块和沉浸式平台VR Pack[1]。其主要有以下几方面优长：

　　

　　1 人机交互图形化用户界面

　　Virtools的用户创作界面是一个可视化、图形化的界面；是一个以可视化的编辑方式、流程图的思维模式，进行对象和脚本设计的用户界面，它使开发流程更加直观。

　　

　　2 便捷的网络传播

　　Virtools设计的作品除了可以编译成单机运行的可执行文件以外，最大的特色在于可保存为网页格式，形成的文件体积小、网络传输速率快、占用资源少,便于推广和传播。

　　

　　3强劲的脚本语言—VSL(Virtools Scripting Language)

　　VSL是一个强大的脚本语言。用户可以在Virtools的图形脚本编辑器中进行相应的脚本代码编写与运行，编辑器提供脚本关键字智能颜色显示功能、函数参数显示功能以及完整的调试功能。除了用于脚本互动部分的撰写与运行，VSL还可以用于创作模式下的操作功能的扩展，提升Virtools本身开发环境的制作效能[2]。

　　

　　4 模块化的技术开发路线

　　Virtools可以利用拖放的方式，将系统内的Building Blocks（行为交互模块，以下简称BB）赋予在适当的object（对象）或是character（虚拟角色）上，并以流程图的方式，决定BB的前后处理顺序，从而实现可视化的交互脚本设计，并把许多功能不同的程序模块相互连接组成应用程序，再逐渐编辑成完整的交互式虚拟世界。用户还可以利用现有的行为模块，再建立一个新的行为模块。此新的行为模块可以另外独立储存成一个模块档案，以方便重复使用，实现了技术开发的模块化。

　　模块化的技术开发路线便于开发者进行制作任务的分配、优化项目制作流程，确保项目制作科学与实用。

　　

　　5 高效的协作平台

　　Virtools具有多重工作方式。普通的开发者可以用鼠标拖放模块的方式，通过人机交互图形化用户界面，制作高品质图形效果和互动内容的作品。高级开发用户可以利用SDK(Software Development Kit,软件开发工具包)和VSL，通过相应的API接口，创建自定义的交互行为脚本和应用程序。

　　以上特点确保了非技术性的设计人员和高端的程序员，聚集在Virtools工作环境中，群策群力，为一个共同的制作任务进行工作协作。

　　

　　二虚拟教学环境下人的认知特点

　　

　　一切认知学习行为都是由动机引起的，学习动机是认知学习的最重要的必备条件之一。它使学习者具有明确的学习目标，知道自己为什么而学习，该朝着哪个方向努力。它还可以让学习者积极主动并持之以恒地寻求有关的学习信息。创设问题情境，制造认知矛盾，激发求知欲是培养学习者学习兴趣和学习动机的有效方法，而基于Virtools技术的虚拟教学系统为实现这些条件提供了平台。因为在虚拟教学系统中问题情境可以被“真实地”一一呈现出来，等待着学习者来解决，为情境式学习和建构主义学习提供了良好的环境，大大地提高了学习者的学习主动性。通过虚拟教学系统的交互环境、再现能力以及一对一的实践，学习者的学习动机和学习兴趣将会得到显著提高[3]。

　　根据知识能否清晰地表述和有效地转移，可以把知识分为显性知识和意会知识。显性知识是指那些通常意义上可以用概念、命题、公式、图形等加以陈述的知识。而意会知识是指人类知识总体中那些无法言传或不清楚的知识。波兰尼的一句名言：“我们知道的多于我们所能表达的”[4]很好地表明了意会知识的内涵。意会知识是一种主观的、基于长期经验积累的知识，它是一种不能形式化、表现化的思维状态，是个体的内在体会和领悟，个体需要在实践活动中经过亲自的体验才可以把握。

　　因此，虚拟教学系统在认知方面的价值更多地要体现在产生意会知识的过程之中。在虚拟教学系统中，学习者所能接触到的不再是单单的符号化的知识，而是不断地从事着与实践相关的体验活动。它强调沉浸、经历和体验，所以学习者在虚拟教学系统中不仅可以获得言传式的知识更可以获得意会的知识。当然，在虚拟现实中的体验更多的是一种拓展和延伸。在虚拟教学系统中的实践，人们是依靠系统设备来产生实践的内容，这时的实践行为已经不完全具备直接现实性。一方面，虚拟教学系统提供平台和条件营造了一种新形式的人类经验。这种经验是人类现有思想经验的一种集合，人类沉浸于用现有认知创造的虚拟世界并体验着它，这个过程可以说是人类在回忆着现存的认知集合，这时的实践便成了一种心理体验的活动；另一方面，虚拟现实又包含着人类的创造性在里面。虚拟世界不同于感性的物质世界，它的部分还是人类观念的产物，是人类已有理解的延伸。总之，人类的体验在虚拟现实中得到了延伸，这时的实践活动既具有物质性和现实性也具有精神性和虚拟性，实践领域的拓展必然为人类获取更多的意会知识创造了可能。
三虚拟教学系统的设计与实现

　　

　　虚拟教学系统主要由两部分构成，一部分是用于显示显性知识的学习系统，即将某一学科或某一主题的主要知识点以文、图、声、像等形式在系统中呈现出来；另一部分是用于掌握意会知识的训练系统，它主要是根据具体案例，在虚拟情景中进行模拟操作练习，并得到相应的操作反馈，从而不断积累经验最终达到掌握意会知识的目标。下面以《腕踝针虚拟教学系统》的设计为例，介绍Virtools技术的具体应用。

　　

　　1 腕踝针的教学内容

　　腕踝针疗法是一种应用广泛、安全方便的新的针刺疗法。对于医学生而言，对腕踝针的教学内容综合来说需要掌握以下三点：身体的分区、腕踝部针刺点的定位以及如何针对不同的病症选择正确的针刺点并对症进针[5]。基于以上教学内容，腕踝针虚拟教学系统必须具备三大功能：形象地表达身体的分区；对腕踝部针刺点的位置能在身体分区中进行较为准确的定位；对于不同病症的进针方式和手法能在虚拟情景中得到模拟练习。

　　

　　

　　2 三维模型的建立

　　首先创建一个三维人体模型，按教学内容对其分区并对针刺点进行加工。对于三维物体和场景的建模，Virtools提供了良好的数据接口，可以利用建模软件3ds max或maya等对所需人体模型进行创建和分区。然后对人体模型的材质和纹理等方面进行处理，再以Virtools接受的文件格式（扩展名为.3ds 或.nmo）导出。具体操作步骤如下：

　　（1）在poser 6.0中创建一个人体皮肤模型和一副人体骨架模型，然后将其导出为3dsmax所接受的后缀名为.3ds的文件。

　　（2）在3ds max中将以上两个模型按实际空间位置关系导入，同时将皮肤材质设置为半透明，使被皮肤包裹的骨胳可视，这样便于用户根据骨骼来判断针刺点位置。

　　（3）形象地表达身体的分区。把皮肤模型转换为网格物体后，将其表面按腕踝针体表分区进行分割，并为不同的分区赋予相对应的名称和不同颜色的材质，以明确分区范围。

　　（4）建立透明小立方体作为针刺点，以骨胳作为参照物精确嵌入体表。用户操作时，系统以此为参考，判断本次扎针位置是否正确。

　　（5）将制作好的人体模型（包括皮肤和骨骼以及针刺点）以Virtools接受的文件格式，即扩展名为.3ds或.nmo的文件导出。

　　

　　3 Virtools中三维交互的实现

　　下面着重介绍应用Virtools技术如何实现动态三维交互功能：

　　（1）利用Virtools提供的BB功能模块实现物体的识别

　　在Virtools中提供了几百个BB，可以被用户方便的拖拽调用。而要实现物体识别功能主要需要用到的是众多模块中的2D Picking模块。在操作流程上它可实现的功能是拾取鼠标所触及的object（对象）并返回其名称、拾取点的三维坐标以及该点的法向量。由于在前边已经将人体模型进行了区域分割，所以其每一个分区均为单个物体，只要在菜单中将各个物体的名称修改为我们需要显示的相对应的分区和针刺点的名称即可（例如：左五区，右上三区针刺点）。

　　其程序流程图如图1所示：

　　

　　（2）用BB和VSL脚本共同实现针刺过程的交互

　　这部分的主要功能是完成整个扎针过程的模拟。它利用多个BB行为模块和多个VSL脚本控制模块，其中BB行为模块包括Virtools中常用的Mouse Waiter、2D Picking、Object Load、Set Position、Switch On Key、Rotate、Translate模块等，它们在系统中的功能如图2所示：

　　

　　（1）首先利用Mouse Waiter行为模块来响应鼠标的控制。通过行为模块的输入参数，设置响应鼠标左键按下事件。实现当按下鼠标左键时，模块返回“True”值，这时系统向下执行，否则返回程序初始状态；

　　（2）利用2D Picking行为模块实现鼠标拾取物体的功能。当按下鼠标左键时，执行2D Picking行为模块，这时鼠标拾取点中的对象，并返回选中对象的名称、拾取点的三维坐标以及该点法向量等参数；

　　（3）执行VSL脚本，判断针刺点是否正确。VSL是用户自定义功能的接口，可以根据需要设置多个输入、输出参数，并通过脚本语言执行自定义编码。

　　下面编码实现了判断本次鼠标选取物体是否是正确的针刺点。

　　void main()

　　{ if(pIn0==pIn1)

　　// pIn0是鼠标拾取对象的标识，pIn1是考核的针刺点名称

　　 {

　　pOut0="针刺点选择正确";

　　 }

　　 else{

　　 pOut0 ="针刺点选择错误";

　　 }

　　 Out = TRUE;

　　}

　　（4）通过Object Load动态生成针模型。Object Load行为模块可以实现在需要时动态调用Virtools支持的.nmo模型的功能,采用这种调用方式的好处是每次针灸都可随时生成新的针，以实现多位置的扎针。

　　（5）利用Set Position和Set Orientation行为模块，定位针的初始位置和方向。由于上述调用的2D Picking模块返回了针刺点的三维坐标以及该点所在人体表面的法向量，因此可以根据这些信息来设置针的初始位置和方向。这里需要特别指出的是2D Picking模块输出的是世界坐标（world space coordinates）信息，而Set Orientation模块需要是自身坐标系（Local Coordinate System）信息，因此要进行相应的坐标变换。
（6）通过Switch On Key 、Rotate、 Translate等行为模块以及VSL共同实现进针手法的模拟。其中Switch On Key用来响应计算机小键盘的输入，当按下不同的键时，Rotate、 Translate分别完成针的方向控制和进针控制，同时利用VSL脚本编程实现进针的深度的计算， Text Display显示在针刺之后得到的数据反馈。程序流程如图3所示。

　　

　　

　　4 成品的发布

　　具体案例制作完成后，建议将其发布为网页格式，而不是发布成单机可执行文件。其主要原因在于发布成网页格式后便于将各个单独的案例网页集合成网站，并上传至网络服务器。有利于学习者在任意时间任意地点通过校园网使用这套系统；也利于系统开发者更进一步实现Virtools和网页间的数据交换，或是结合Flash网页技术，拓展系统功能。

　　综上，基于Virtools技术的虚拟教学系统有利于学习者在系统所设置的虚拟场景中，直观立体地了解显性知识，并通过对其中设置的不同案例的反复操练加强对意会知识的理解和掌握，有助于提高教学的效率和效果。

　　

　　参考文献

　　[1]王乐，陈定方，尹念东．基于VIRTOOLS的分布式虚拟现实技术研究[J]．湖北工业大学学报，2005，20(3)：22-24．

　　[2]刘明昆．三维游戏设计师宝典[M]．重庆：四川出版集团•四川电子音像出版中心，2005．

　　[3]邢秀茶．学与教的心理[M]．北京：高等教育出版社，2004

　　[4]石中英．波兰尼的知识理论及其教育意义[J]．华东师范大学学报(教育科学版)，2001，(6)：36—45．

　　[5]张曙新，凌昌全，周庆辉．实用腕踝针疗法[M]．北京：人民卫生出版社，2002．

　　

　　Design and Implementation of The Virtual Teaching System Based on Virtools Technology

　　LUO HongWANG Shi-yong

　　（Center of Educational Technology of the Second Military Medical University, Shanghai, 200433）

　　Abstract：Virtual teaching system based on Virtools technology may improve the teaching efficiency and effect. This paper generalizes the characters and advantages of Virtools technology. And the people’s cognitive characters existing in the virtual teaching system are analysed. Moreover, it states how to apply Virtools technology by an example of introducing the design and implementation of the virtual teaching system of “Wrist-Ankle Acupuncture”.

　　Keywords: Virtools technology; virtual teaching system; Wrist-Ankle Acupuncture