基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程教育資源交互仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要：為解決現(xiàn)有課程教育資源交互仿真平臺(tái)流暢性和仿真度不足的問題，文章設(shè)計(jì)了基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互仿真平臺(tái)。平臺(tái)硬件選型包括桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器，軟件方面通過點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)交互場(chǎng)景仿真并利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更新場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的人機(jī)交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該平臺(tái)在單位時(shí)間幀數(shù)量超過230，流暢性較好，交互場(chǎng)景仿真度達(dá)到95%以上，整體交互仿真效果優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；課程教育資源；交互仿真；點(diǎn)云配準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，教育領(lǐng)域正經(jīng)歷著前所未有的變革。傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往受限于時(shí)間和空間的限制，難以提供沉浸式、互動(dòng)性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。特別是在一些需要實(shí)踐操作和模擬演練的學(xué)科中，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法往往難以滿足學(xué)生的需求。為此，課程教育資源交互仿真平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，為教育領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。課程教育資源交互仿真平臺(tái)是一種集教學(xué)、學(xué)習(xí)、實(shí)踐、評(píng)估于一體的綜合性平臺(tái)。通過該平臺(tái)，教師可以利用平臺(tái)提供創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，模擬真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源和多樣化的學(xué)習(xí)路徑。學(xué)生則可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作和模擬演練，通過互動(dòng)性的學(xué)習(xí)方式加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。隨著互聯(lián)網(wǎng)與教育教學(xué)不斷融合，課程教育資源交互仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)受到研究領(lǐng)域關(guān)注。

近年來，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)課程教育資源交互仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。陳曉輝等^［1］設(shè)計(jì)了土木類專業(yè)測(cè)量課程的仿真平臺(tái)，通過模擬真實(shí)的測(cè)量環(huán)境和過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。刁培培等^［2］提出了基于MR技術(shù)的仿真平臺(tái)，利用MR技術(shù)模擬真實(shí)的課程場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作和模擬演練。傳統(tǒng)平臺(tái)雖然在一定程度上提升了課程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，但是仍然存在一些問題和弊端。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種重要分支，以其低成本、易實(shí)現(xiàn)、對(duì)硬件要求相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，在教育領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為此，本文提出基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程教育資源交互仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1 課程教育資源交互仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備選型與設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的課程教育資源交互仿真平臺(tái)基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。該設(shè)備集成了顯示屏、六自由度操控筆和被動(dòng)式偏振3D眼鏡。顯示屏型號(hào)為IHFA-A4F8，刷新頻率120 Hz，確保圖像流暢；操控筆型號(hào)為JKHFA-A4F415，用于交互輸入，支持旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)等操作；3D眼鏡型號(hào)為GIFVA-A4F4，提供沉浸式立體視覺體驗(yàn)。這些組件由IHFA-A5G8芯片控制，通過芯片IO串口協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真場(chǎng)景中的人機(jī)交互。

1.2 數(shù)據(jù)采集器選型與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)教育資源交互仿真，該平臺(tái)需要課程教育資源數(shù)據(jù)和仿真場(chǎng)景數(shù)據(jù)。本文選用型號(hào)為KHFA-A5F885的三維激光掃描儀，將其部署在實(shí)際教育資源應(yīng)用場(chǎng)景中。該掃描儀通過激光器發(fā)射調(diào)制后的激光束，照射到物體表面后反射，光電二極管接收反射光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過測(cè)量激光脈沖的往返時(shí)間，計(jì)算出激光束與物體間的距離，結(jié)合角度信息確定被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這些數(shù)據(jù)用于構(gòu)建平臺(tái)軟件中的虛擬交互場(chǎng)景。

2 課程教育資源交互仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

2.1 課程教育資源交互場(chǎng)景仿真

從平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中抽取課程教育資源和三維激光掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云配準(zhǔn)完成課程教育資源交互場(chǎng)景仿真。建立一個(gè)空間坐標(biāo)系，空間中的任意一點(diǎn)可以通過3個(gè)坐標(biāo)值X、Y、Z來標(biāo)定^［3-6］。在虛擬仿真場(chǎng)景中，課程教育資源的應(yīng)用可以看作空間坐標(biāo)系某一點(diǎn)的移動(dòng)。為了表示這種移動(dòng)，本文引入一個(gè)向量來描繪這一過程，用公式表示為：

H（G_a，b）=λX+αY+βZ（1）

式中，H（G_a，b）表示課程教育資源交互場(chǎng)景變換模型；G_a，b表示移動(dòng)向量；a表示向量在空間坐標(biāo)系中的起點(diǎn)位置；b表示向量在空間坐標(biāo)系中的終點(diǎn)位置；λ表示靠近指數(shù)；α表示定位指數(shù)；β表示法線向量^［7］。在空間坐標(biāo)系中，向量從一個(gè)點(diǎn)向另一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)，通過以上建立的交換模型描述在三維空間中的移動(dòng)路徑。

2.2 基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互仿真

在以上基礎(chǔ)上，本文利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中人機(jī)交互。在平臺(tái)人機(jī)交互單元中采用三元組建立桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備虛擬化模型，用公式表示為：

F_{H（Ga，b}）=（S，U，P）（2）

式中，F(xiàn)_{H（Ga，b}）表示桌面虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬化模型；S表示虛擬化顯示器；U表示虛擬化六自由度操控筆；P表示虛擬化被動(dòng)式偏振3D眼鏡^［8-10］。在人機(jī)交互過程中，通過操控筆的位置發(fā)射出一條虛擬射線，這條射線就像是用戶的手，幫助用戶在虛擬環(huán)境中選擇并操作物體。當(dāng)虛擬射線與某個(gè)物體發(fā)生接觸時(shí)，用戶只須按住相應(yīng)的交互鍵并移動(dòng)操控筆，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該零件的抓取或縮放操作^［9］。在課程教育資源虛擬仿真交互場(chǎng)景中，用戶做出每一個(gè)交互動(dòng)作都需要一次場(chǎng)景交換，而場(chǎng)景交換過程中要實(shí)時(shí)更新場(chǎng)景中虛擬化六自由度操控筆發(fā)射出虛擬射線碰撞點(diǎn)的位置，假設(shè)虛擬化六自由度操控筆的初始坐標(biāo)點(diǎn)為z，結(jié)合場(chǎng)景中物體的坐標(biāo)，得到虛擬化六自由度操控筆發(fā)射射線碰撞點(diǎn)坐標(biāo)：

z₀=R+ω［H（G_a，b）e］（3）

式中，z₀表示更新的虛擬仿真場(chǎng)景中物體的位置；ω表示虛擬仿真場(chǎng)景中物體的初始轉(zhuǎn)角；e表示物體與射線碰撞點(diǎn)的偏移向量；R表示更新后的虛擬化六自由度操控筆發(fā)射射線碰撞點(diǎn)坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)旨在評(píng)估基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程教育資源交互仿真平臺(tái)性能，以某高中課程為例，數(shù)據(jù)源自某高校課程教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)配置了三維激光掃描儀和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，通過掃描獲取2.15 GB點(diǎn)云數(shù)據(jù)并在平臺(tái)上構(gòu)建了8個(gè)交互仿真場(chǎng)景。本實(shí)驗(yàn)選取50名學(xué)生作為用戶，在平臺(tái)上注冊(cè)登錄后，在仿真場(chǎng)景中進(jìn)行人機(jī)交互體驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文以場(chǎng)景仿真度為指標(biāo)對(duì)平臺(tái)仿真性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。仿真度是指仿真場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的貼近程度和相符程度，即隨機(jī)選擇8個(gè)課程教學(xué)資源樣本，根據(jù)樣本構(gòu)建仿真場(chǎng)景，在場(chǎng)景內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量仿真場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，與仿真場(chǎng)景內(nèi)顯示坐標(biāo)對(duì)比，估算出仿真場(chǎng)景的仿真度，計(jì)算公式為：

式中，ρ表示課程教育資源交互場(chǎng)景仿真度；n表示場(chǎng)景內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；x_n 、x_n，0分別表示節(jié)點(diǎn)n在平臺(tái)交互場(chǎng)景中和實(shí)際中的橫坐標(biāo)；y_n、y_n，0分別表示節(jié)點(diǎn)n在平臺(tái)交互場(chǎng)景中和實(shí)際中的縱坐標(biāo)。利用以上公式計(jì)算出8個(gè)場(chǎng)景的仿真度，如表1所示。

通過對(duì)表1中數(shù)據(jù)分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該平臺(tái)對(duì)課程教育資源交互場(chǎng)景的仿真度可以達(dá)到95%以上，陳曉輝等^［1］平臺(tái)仿真度最高為89.53%，刁培培等^［2］平臺(tái)仿真度最高為78.42%，相比之下本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)仿真性能最好。本次實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)無論是在交互響應(yīng)性能方面還是在仿真性能方面，均具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，更適用于課程教育資源交互仿真。

4 結(jié)語

隨著教育技術(shù)的進(jìn)步，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為課程

教育資源交互仿真平臺(tái)帶來了創(chuàng)新。本文探討了該技術(shù)如何革新教育領(lǐng)域，增強(qiáng)教學(xué)手段，提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)并創(chuàng)造直觀、生動(dòng)的互動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境。本文結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與教育需求，旨在構(gòu)建符合教育規(guī)律且滿足個(gè)性化需求的平臺(tái)。然而，該平臺(tái)在教學(xué)應(yīng)用中仍面臨成本、普及率、虛擬環(huán)境逼真度和資源整合等挑戰(zhàn)，須要未來進(jìn)一步研究解決。

參考文獻(xiàn)

［1］陳曉輝，王群，潘際帆.面向土木類專業(yè)測(cè)量學(xué)的虛擬交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究［J］.黑龍江科學(xué)，2021（19）：60-61.

［2］刁培培，何娜敏.基于MR技術(shù)的智能配送中心虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)實(shí)踐研究［J］.湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2024（8）：144-146.

［3］周永軍，王凱，孫偉倫，等.基于Unity3D的光電效應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2024（2）：3-99.

［4］左文娟，寧萌，王琨，等.基于數(shù)字孿生的機(jī)器人工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2024（3）：6-11.

［5］陳怡然，馮秀芝，劉立萍，等.高等醫(yī)學(xué)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)現(xiàn)狀與思考：基于VOSviewer軟件的可視化分析［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2024（2）：183-189.

［6］樓飛，沈巍.工業(yè)機(jī)器人協(xié)同制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)研究：以制造產(chǎn)線智能化改造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)為例［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2024（7）：54-56，64.

［7］陳梅，費(fèi)玉環(huán).基于MATLAB GUI的自動(dòng)控制原理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024（2）：125-128.

［8］陳振雷，石凡，于春令.海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及其在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.高教學(xué)刊，2024（10）：27-30.

［9］李作美.工程教育認(rèn)證背景下食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2024（6）：114-117.

［10］徐美清，蔣逢靈.基于Unity3D的電子電路交互仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)，2024（6）：85-87，90.

（編輯 王雪芬）

Design of interactive simulation platform based on desktop virtual reality technology

ZHOU Jiale， WANG Wen， YUAN Zilong， LIU Zhaoran， ZHANG Qiangsen

（Boda Collage of Jilin Normal University， Siping 136000， China）

Abstract：To solve the problems of insufficient fluency and simulation degree in the existing interactive simulation platform for curriculum education resources， a design of an interactive simulation platform based on desktop virtual reality technology is proposed. The hardware selection of the platform includes desktop virtual reality devices and data collectors. In terms of software， interactive scene simulation is achieved through point cloud registration， and desktop virtual reality technology is used to update the scene to achieve high-quality human-computer interaction. The experimental results show that the platform has good fluency when the number of frames per unit time exceeds 230， and the simulation degree of interaction scenes reaches over 95%. The overall interaction simulation effect is excellent.

Key words：desktop virtual reality technology; course education resources; interactive simulation; point cloud registration