桌面虚拟现实技术在“细菌和病毒的遗传”课件中的应用研究

【摘要】文章提出了利用桌面虚拟现实技术在教学课件中应用的基本方法,通过开发“细菌和病毒的遗传”课件研究了桌面虚拟现实技术及其交互性、三维模型设计的方法和需要注意的问题,并通过开发U型管实验、DNA的摄取和整合、接合的机理与过程、性导的机理与过程及特殊性转导等内容实现了动态交互式演示和控制,在实际教学应用中收到了较理想效果。

【关键词】桌面虚拟现实;建模;交互性;3DMax

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B【论文编号】1009—8097(2010)07—0140—03

引言

“细菌和病毒的遗传”一章在“遗传学”书中排在第七章,是学生普遍反映难理解的一章[1]。一是由于学生对微生物学了解不多,对一些基本的专业术语和实验手段不理解;二是可供理论教学的课时数有限,涉及的概念多且相对抽象;三是教学过程中,主要是基于课本、挂图、幻灯片等媒体,且可供参考的图片较少[2-3]。为了解决这个教学难点,也为了提高学生的发现问题、分析问题的能力以及学习的主动性,我们利用虚拟现实技术实现了本章中的U型管实验、DNA的摄取和整合、接合的机理与过程、性导的机理与过程及特殊性转导等内容的动态交互式演示和控制,从而使学生通过感知获得生动的表象,即增强了对理论、概念的认识和理解,又改善了学生的学习方式、学习资源和学习环境。

一 桌面虚拟现实技术及其交互性

虚拟现实是一种高端人机接口,包括通过视觉、听觉、触觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。从功能上来讲,虚拟现实是用计算机图形学构造出酷似真实世界的一种仿真模拟。用户能以自然的方式与这个环境交互,从而产生置身于相应的真实环境中的沉浸感[4]。交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备,用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互,使交互在学习者与其环境之间发生。

在目前经济和技术条件的约束下,完善的沉浸式虚拟现实还远不能普及。根据使用者投入程度的不同,可以将虚拟现实分为:桌面虚拟现实、沉浸虚拟现实和分布式虚拟现实。目前普遍应用的虚拟现实系统主要还是桌面虚拟现实[5]。桌面虚拟现实是利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口,通过各种输入设备实现与虚拟现实环境的充分交互。它允许参与者通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界,并可以使用输入设备与虚拟场景交互并操纵其中的物体,但这时参与者缺少完全的沉浸感,因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实是虚拟现实技术一种。因此它也具有虚拟现实技术的三个基本特征,三个“I”,即沉浸感(Immersion),交互性(Interaction),想象力(Imagination)[6]。桌面虚拟现实能够使学生以一种崭新的方式学习专业知识,但是也存在一些问题:桌面虚拟现实的开发技术比较复杂;开发技术的开发效率比较低;开发周期比较长。显然,这些问题在一定程度上阻碍了桌面虚拟现实在教育领域的推广应用。但是又因为桌面虚拟现实不需要附属的硬件和设备,易于实现,开发成本也相对低廉,所以被广泛应用。

二 “细菌和病毒的遗传”课件的设计

“细菌和病毒的遗传”课件首先进行三维建模,然后利用桌面虚拟现实技术实现学习者与虚拟情境的交互。在设计过程中有如下具体的技术问题需要解决:

1 细菌和病毒三维模型的建立

当前用于开发三维模型的软件种类繁多,最常见的如3DSMAX,MAYA,Softimage XSI等。本项目研究的“细菌和病毒的遗传”建模采用的是具有强大建模功能的3Dmax软件。通过模型设计、模块组合和圆滑链接,较直观、形象地展现了细菌和病毒的三维效果。在虚拟现实的建模过程中我们重点注意了如下事项:

一是要处理好场景中的模型个数、模型面数、模型贴图这三要素之间的关系,从而保障了模型在虚拟系统运行时的流畅、逼真,不出现卡、顿等现象。

二是合理有效地做了简模处理。虚拟现实平台中的运行画面每一帧都是依靠显卡和CPU实时计算出来的,如果面数太多,会导致运行速度急剧降低,甚至无法运行,还会导致文件容量增大,在网络上发布也会导致下载时间增加。我们在保证基本效果的前提下,考虑到了该软件运行环境要求和网络传输要求。

三是在调用模型或创建模型时,尽量保证模型的三角面为等边三角形,不要出现长条型。长条形的面不利于实时渲染,还会出现锯齿、纹理模糊等现象。

四是合理规划模型数量。场景中的模型数量太多会给后面的工序带来很多麻烦,如会增加烘焙物体的数量和时间,降低运行速度等。

五是合理布局模型密度。我们的研究和实践表明,模型密度分布的不合理、不均匀对其后面的运行速度是有一定影响的。

六是在建立模型时,看不见的地方不用建模。看不见的地方不建模就会减少整个场景的面数,可以有效提高交互场景的运行速度。

七是在场景中,我们尽量合并了材质类型相同的模型,以减少物体个数,缩短场景加载时间和提高运行速度。但在模型的面数过多且相隔距离很远就没有将其进行合并,否则也会影响虚拟场景的运行速度。

八是对所建模型进行了优化。通过模型的优化提高了演示速度。模型的优化是在制作前期进行的,否则就要重新回到3DMax里修改模型,出现重复工作情况,会大大降低工作效率[7]。

“细菌和病毒的遗传”的开发使用了几种不同的建模方法:细菌的建模采用的是多边形建模方式,如图1所示;DNA和U型管的建模采用的是放样建模方式;噬菌体的建模采用的是标准基本体和扩展基本体相组合的建模方式。

2 模型灯光设置、材质赋予、渲染及烘焙

在灯光设置中,我们针对不同模型根据相关场景的需求进行相应的灯光设置,所采用的虚拟现实编辑器对灯光的类型没有特殊要求。

由于虚拟三维场景的视觉真实感和沉浸感不仅来自于物体正确的外型结构和相对比例,更来自于三维模型表面的质感。因此在给物体赋予材质过程中,我们通过设置三维模型的材质属性,经过图形渲染技术可以使其表现出接近真实物体的表面质感,以及光影效果。虚拟物体的质感是否真实,取决于模型的材质。虚拟现实编辑器支持高级灯光材质和建筑材质。但是建议使用普通材质,普通材质进行烘焙时自动产生两层贴图,一层是物体本身材质,另一层是物体的光照。普通材质方便更换物体的材质,在烘焙时产生错误的几率也非常小。本案例中,用到的材质主要包括:细胞贴图材质、半透明材质、标准材质、多维子物体材质、发光材质。

我们采用默认的渲染器对模型进行了渲染。用于渲染的渲染器很多,如Insight、Brazil、Finalrenderr和MentalRay。

烘焙场景是把3DMax中的物体的光影以贴图的方式带到虚拟现实编辑器中,以求真实感。在实际开发制作中,我们认为烘焙是整个操作过程中比较费时的一项工作,需要细心、耐心地进行该操作。

3 通过虚拟现实编辑器实现交互

目前开发虚拟现实的程序有很多种,常见的如VirTools,Cult3D,Quest3D,Shockwave3D等等。我们在项目研制中采用了中视典数字科技有限公司研发的VRP-BUILDER虚拟现实编辑器进行三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布等工作。这是虚拟现实开发的关键关节。

在3Dmax中完成烘焙操作之后,利用3Dmax的Vrp-for-max插件,将场景导出至虚拟现实编辑器中,进行虚拟场景中交互式活动设计。交互性强调人与计算机之间互相反馈信息,产生互动。基于虚拟现实技术的交互主要包括以下四个层次:一是学习者与其环境之间的控制交互;二是学习者与教师之间的教学交互;三是学习者与学习资源、学习任务之间的信息交互;四是学习者之间、教师之间的互动交流。[8]

我们是通过虚拟现实编辑器实现场景的控制和角色的动作。在噬菌体侵染细菌的虚拟场景中,教师和学生即可以指出噬菌体各部分结构名称,也可对噬菌体模型进行平移、旋转、推拉。通过设置交互行为,使学生更好地理解噬菌体侵染细菌的过程:吸附→注入→复制DNA和合成蛋白质→“组装”阶段→再次侵染。在实现交互控制中,学习者可以提出诸如“噬菌体是怎样侵染细菌的”、“DNA明显表现出了遗传物质的什么特性”等问题,并通过交互式操作在本系统中找到答案。图2为噬菌体侵染细菌动态过程的截图。

在DNA的摄取与整合的虚拟场景中,通过交互式操作使学习者更好地理解DNA的空间结构、DNA的双螺旋模式及DNA复制的过程及特点。图3为DNA摄取与整合动态交互场景的截图。

在设计过程中我们力求要达到两个目标:一是使参与者有真实的体验,二是能提供方便的、丰富的人机交互手段[9]。

三 结论

目前,“细菌和病毒的遗传”桌面虚拟现实资源已应用于教学及学生的自主探究式学习。经过对教师和学生的走访调查,桌面虚拟现实技术的应用对“细菌和病毒的遗传”的教学手段和教学方法产生了深刻的影响,即有利于提高教学质量拓展教学思路,又填补了教学资源的不足之处,使学习者获得了丰富的学习信息,具有较好的学习效果。

参考文献

[1] 朱军.遗传学[M].第3版.北京:中国农业出版社,2007:149-177.

[2] 陈宗礼.启发式教学在遗传学教学中的应用[J].延安大学学报(自然科学版),2008,27(1):77-89.

[3] 汪珍春,陈琼华.提高学生的创造性思维能力探讨[J].广州大学学报(自然科学版),2003,2(2):190-191.

[4] Grigore C,Burdea,Philippe Coiffet,魏迎梅,栾悉道译.Virtual Reality Technology(Second Edition)[M].北京:电子工业出版社,2005:6-7.

[5] Young,Jeffrey R.Virtual Reality on a Desktop Hailed as New Tool in Distance Education[J].Chronicle of Higher Education.2000,47(6):43.

[6] 李怡,李树涛.虚拟工业设计[M].北京:电子工业出版社,2003:29.

[7] 中视典数字科技有限公司.VR-Platform中视典三维互动虚拟平台正版培训教[OL].

[8] 刘英杰.网络三维虚拟学习环境情感交互设计研究[D].长春:吉林大学,2009.

[9] 李怡,李树涛.虚拟工业设计[M].北京:电子工业出版社.2003:30.

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