虚拟现实技术在中职景点模拟导游课堂中的应用论文
摘要：“景点模拟导游”课堂通常采用基于视频的课件资源，即播放视频由学生同步讲解，该方法最大的不足在于课件的内容固定，不利于培养学生的应变能力。将虚拟现实技术引入课堂，以游览者自行浏览的方式，由学生根据浏览者的浏览路线进行讲解，可起到课堂教学“课件库”的作用。本文以游览天狮学院为例，着重从虚拟校园景点的课件开发和课堂运用两个方面论述虚拟现实技术在中职“景点模拟导游”课堂教学中的应用。
关键词：虚拟现实技术；中职；景点模拟导游；课堂教学
“景点模拟导游”课程是天津天狮学院继续教育学院旅游（中职）专业必修的核心职业能力课程。该课程主要以播放视频录像由学生同步讲解为主。通过课堂实践发现，固定的视频内容不利于培养学生的反应能力，而且不利于二次开发。例如：视频是从景点的前门进最后从后门出，若改变顺序为从后门入到前门出，则需要重新拍摄视频。
虚拟现实技术的出现解决了传统教学手段不足的问题。采用虚拟现实技术达到景点模拟的三维视觉效果，可以在课堂授课时随机设置浏览路线和观察视角，从而锻炼学生的反应能力，而且教学资源可以不断重用。
天津天狮学院由天狮集团投资兴办，每年承担着本集团营销队伍约2万多人次的参观任务。现以开发“浏览天狮学院”虚拟校园及其在课堂中的应用过程为例，介绍虚拟现实技术在“景点模拟导游”课堂教学中的应用。
景点模拟导游课堂设计
课堂采用如图1所示的虚拟校园。课堂可以采用两种方式教学：（1）预设路线A和路线B，播放该课件由学生进行配合讲解。该方案的好处是教师可以预设问题情境。（2）由教师用鼠标控制行走路线，学生根据行走路线进行动态讲解。该方案的好处是可以培养学生的综合运用能力和反应能力。
建立虚拟校园场景的层次结构
主干道在整个校园中起到基线的作用，然后以这条道路作为参照，把独立构建的各个楼宇、校门、花草树木及其他场景组合安放在相应的位置。三维场景的建模是虚拟校园的重要组成部分，它关乎虚拟校园能否形象生动地展示。图2所示为待建模的各场景的结构层次。
虚拟校园场景的建模流程
虚拟校园场景的开发建模大体分为两个阶段：第一阶段是针对校园内各个地上建筑分别单独建模；第二阶段则是把所有已建好模的建筑物集成到虚拟环境中。
（一）在3ds Max中构造基本模型
以校园景观为内容的建模工作既复杂，量又大，若全部采用编写VRML代码的方法，易出错且效率低。本设计选用三维软件3ds Max来搭建基本场景，其优势是能够快速高效地构造复杂的三维模型，并设定材质、光效和动画，同时兼有输出.wrl格式文件的功能。
（二）绘制场景平面图
为了使场景真实、比例协调，对场景进行合理的布局是至关重要的。我们在AutoCAD中绘制了场景布局的平面图，生成.dwg格式的矢量文件。该文件通过调整图层和文件块的形式，可以导入到3ds Max中，定位道路、楼群和其他建筑物未来的立体布局。图3所示为场景布局的平面图导入3ds Max中的效果。
（三） 采集必要的纹理照片
为了制作出逼真的三维对象，同时又简少建模工作量，在制作一些特定对象时，需要在校园内采集纹理图片数据，包括砖纹图片、门窗图片、草地图片等。所采集的纹理图片，在Photoshop中将其处理成可无缝平铺的贴图。
（四）构建场景三维模型
借助于平面布局图和必要的纹理采集图片，用3ds Max构建各个三维对象的基本模型。VRML（虚拟现实建模语言）通过节点来描述场景实体，3ds Max可以将其环境中的模型以VRML的格式输出，即将各个三维模型转化为相应的节点，以便被相应的浏览器解释并绘制。
（五）在VrmlPad中编辑
3ds Max输出的VRML文件虽然能上网发布，但场景物体不全、交互性不足。所以，还应该打开已生成的.wrl文件，加入声音及其他交互行为以完善系统功能。如在场景中加入Background、Viewpoint、Billboard、Inline等节点。再利用造型节点的层次细分和编组节点对场景对象的相应代码作进一步的组织、校验和完善建模流程。虚拟场景建模的一般流程如图4所示。
（六）各主要场景的建模
校门是游览者见到的第一个建筑。在校门场景构建中要解决的第一个问题是造型外观的控制。造型的外观是通过材料控制的，材料属性包括造型的颜色，是否发光，所发光的颜色，是否透明，透明到什么程度等。在基本建模完成后，编辑节点时可使用Appearance和Material节点来控制造型的颜色、发光颜色和透明度。例如，在校门场景的建模中，传达室是由两个正方体造型构成的，外部是半透明的玻璃。
在校门场景构建中要解决的第二个问题是汉字的显示。按照VRML规范，它支持包括汉字在内的所有UTF8字符，但许多插件都不支持汉字显示。原因不在于其语言本身，而是在于VRML浏览器的3D引擎。为了在VRML中实现3D字的渲染，通常有两种方法：第一种是用多边形围成字体；第二种是对字体进行纹理渲染。本设计采用的是第二种方法。校门场景的具体实现代码如下：
Transform {
rotation 0.0 1.0 0.0 -0.52
translation 6 0 2
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {diffuseColor 0.5 0.5 0.5}
texture ImageTexture {url"tianshi.jpg"} #使用欧阳中石先生手书“天津天狮学院”的纹理贴图
} geometry Box {size 6.75 2.0 0.5}
}]
}
Transform节点是一个组节点，这个节点是整个程序设计中的基础节点，几乎每一个模型的建立都用到了Transform。因此，对Transform的灵活运用尤为重要，该节点包括一个子节点的列表。这些子节点可以是Shape节点、其他Group节点或Transform节点。Translation用来指定造型的位置，children域是指定受该节点变换影响的'子节点。校门场景如图5所示。
（七）场景的组合
当各部分场景构建完成后，便可使用行插入节点“Inline”将这些场景组合成为一个完整的三维虚拟校园。Inline节点有一个url域，该域值指定了一个URL，这个URL就是将要插入到VRML世界中的文件位置。URL“告诉”VRML浏览器如何能获得这个文件，在哪里能找到这个文件以及这个文件的文件名。URL还可以指出该文件是在WEB上还是在本机的硬盘中。在场景组合时，还经常需要调整各部分场景之间的物理位置和比例。
下面的代码将构建好的校门场景安置在虚拟校园中：
Transform {
translation 0 0 -150
rotation 0 1 0 -1.396
children [ DEF JXA Inline {url "ajiao.wrl"} ]
}# 校门场景的组合
运用上面的方法，可以依次将各虚拟场景安置在虚拟校园的相应位置中，需要改变的是各虚拟场景之间的物理位置和比例。部分代码如下：
Transform {
translation 0 0 -120
rotation 0 1 0 -1.127
children [ DEF TSG Inline {url "tsg.wrl"} ]
}# 图书馆场景的组合
组合后的场景效果如图6所示。
除了对上述主要建模场景的组合外，为了增加虚拟校园的真实感，还需加入路灯、围栏、绿化植被以及操场等辅助场景。最终，全部虚拟场景组合后的效果如图7所示。
（八）设置视点切换
为了给用户提供更多角度和方位的观察效果，让虚拟场景能够根据用户动作做出一定的反应，本系统自定义了两个视点，用户可以在VRML浏览器中使用菜单或按钮自主选择试点进行更为便捷地浏览。在浏览虚拟校园的过程中，用户可能已经体验到视点的变化：当拖动鼠标或按动箭头键时，虚拟境界就会旋转或缩放，这实际上是在调整用户的视点位置或视角。在虚拟场景的重要位置还可以自定义视点节点，它们是虚拟境界创作者给用户推荐的上佳观赏方位，在VRML浏览器中，用户就可以通过鼠标右键选择作者推荐的各个视点。这里，我们在虚拟校园场景中定义两个视点节点：
DEF view1 Viewpoint {
position 0 20 0
description "view1" }
DEF view2 Viewpoint {
position 50 30 80
description "view2" }
其中的坐标表示视点在场景中的位置，坐标的单位是米，视点的名称将会在浏览器的菜单或按钮中提示出来供用户选择。
虚拟现实技术在“景点模拟导游”课堂教学中的应用极大地提高了学生的学习积极性，有效提高了课件的使用效率，使教师不必为每个问题单独开发教学资源，学生面临的问题由原来的静态变为动态，达到了培养学生综合能力和应变能力的目的。
参考文献:
[1]李欣．基于VRML技术的虚拟数字校园场景建模研究[J]．浙江师范大学学报，2005，28（4）：402-406.
[2]陈启祥，苏艳，郑庆花，等．基于VRML的三维建模技术[J]．计算机与数字工程，2007，38（5）：161-163.
[3]张占龙，罗辞勇，何为．虚拟现实技术概述[J]．计算机仿真，2005，22（3）：1-3,7.
[4]陈锦昌，詹伟杰，何正国．虚拟校园中三维景物表面贴图的研究[J]．东华大学学报（自然科学版），2005，（4）：57-62.
[5]张昌明，张虹．基于VRML-Java的网络虚拟现实的实现[J]．计算机工程与设计，2005，（9）：2410-2413.
[6]张青峰，吴发启，周淑琴，等．校园虚拟漫游设计初探[J]．测绘科学，2005，（30）：124-126.
[7]方贤勇，潘志庚，徐丹．图像拼接的改进算法[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（11）：1362-1365.
[8]Fitzgibbon．Simultaneous linear estimation of multiple view geometry and lens distortion[C]．Pore IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，2001：125～132.
【虚拟现实技术在中职景点模拟导游课堂中的应用论文】相关文章：