浅谈分光计三维虚拟系统的想法

　　虚拟现实场景虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

1 分光计调节的虚拟系统

分光计，是一种测量角度的精密仪器。其基本原理是，让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度，从而得到光学参量例如折射率、波长、色散率、衍射角等。

资料上传、资源等模块。

在已有的网络教学资源设计中，三维虚拟学习环境模块是随着虚拟现实技术的出现引入到教学设计过程中的，其他模块的研究和开发已经较为成熟，这里主要讨论3D虚拟学习环境中学习资源的开发，该模块包括3D学习环境、知识点描述、3D建模和VRML场景实现功能。

2 系统建模

在设计和实现虚拟环境下分光计实验的各模块功能时，使用了虚拟场景、虚拟设备建模技术和虚拟学习环境集成技术等。要构建三维虚拟学习环境必须为分光计的各个重要组成部分建模，分光计主要由四大部分组成：平行光管、望远镜、载物台和读数装置。平行光管是发光源，发出平行光，望远镜观察平行光，载物台用来放置要观察的光学器件，读数装置测量光线偏转角度。为分光计调节过程中用到的部分进行建模，建模所用工具为3D Max。

建模只是构建三维虚拟学习环境的一部分，要实现良好交互的三维虚拟学习环境还需要通过虚拟现实建模语言VRML在虚拟现实编辑器VRMLPad中将各个场景和三维模型整合，并在虚拟现实浏览器中观看场景和操作物体。先用3D Max进行建模，然后将这些模型导入VRML编辑器中，只需要在导入时设置相应的空间向量坐标和单位，对于同一类型的设备只需要建模就可以多次重复使用。多媒体电教室中的主要设备是多媒体教学电脑以及投影设备。这些主要是静态场景建模，用建模软件建模之后再导入VRML即可。

　3 系统实现

交互是三维虚拟学习环境的重要特征之一，良好的交互性是三维虚拟学习环境构建成功与否的关键。VRML语言提供的传感器节点[5]就可以实现学习者与场景中物体的交互。VRML主要提供七种传感器，这七种传感器是虚拟现实技术中交互实现的关键所在，通过为这些传感器设置路由信息，学习者可以与虚拟场景中的物体进行交互[4]。

接触传感器(TouchSensor)用来感知用户接触和鼠标输入的节点，是比较常用的节点，检测用户的接触并将相应的事件输出。

平面传感器(PlaneSensor)、圆柱体传感器(CylinderSensor)、球体传感器(SphereSensor)这三种传感器统称为环境检测器，它们都是用来检测用户在三维空间中所做的动作，并将这些动作以合适的空间造型输出。当浏览者接触到PlaneSensor时，系统的反馈使他感觉是在二维平面上观察世界，当浏览者接触到CylinderSensor时，就会感觉是在围绕圆柱体中的轴观察世界，当浏览者接触到SphereSensor时，他就能以球心为原点从各个角度观察物体。

接近传感器(ProximitySensor)，可以作为任何组的子节点。在ProximitySensor节点中有一个size阈值，该阈值可以定义浏览者的接近范围，这个接近范围是一个长方形区域，当浏览者进入、退出、移动到定义的范围之内时，被作用物体就可以做出相应的反馈。

可视传感器(VisibilitySensor)，合理定义该节点可以节省系统资源，加快浏览速度。size阈值定义了浏览者在所处的位置和角度所能看到的景物，并且能够定义该区域中的物体何时可见，可以用于场景优化。

碰撞传感器(Collision),用来检测浏览者和其他物体是否发生了碰撞，bboxsize阈值指定了碰撞范围和collide阈值的布尔值一起决定碰撞是否应该发生，当collide阈值为FALSE，碰撞检测无效，浏览者可以穿过碰撞物体，否则浏览者就无法移动，只能绕行通过。

在采用VRML和3D Max构建的三维虚拟学习场景中，交互性主要体现在两个方面，即学习者与浏览场景的交互，以及学习者与场景内物体的交互。

(1)与场景的交互

学习者与场景的交互[6]主要包括开关门的操作，以及对多媒体的操作。

①开关门实现代码：

Transform {

translation      0.0 7.0 10.0

children [

Shape {                                  //定义自动门

}

]

};

Group {

children [

DEF    DoorOpen   ProximitySensor

{ //传感器控制门开合感应范围　　        center  0.0  0.0  15.0

size  30.0 15.0 50.0

};

ROUTE  ……   TO    ……  //  连接入事件和出事件，响应用户交互操作

②多媒体操作实现

Transform {

translation    10.0 1.0 -18.0

children [

DEF OpenMedia  TouchSensor

{ // 感知用户操作，控制多媒体开关}

Shape                   { //定义多媒体控制开关按钮}

}

}

]

}

(2)与物体的交互

在分光计的调节与使用的试验中，对分光计的调节主要包括对调焦手轮的调节、对调平螺丝、锁紧螺丝、微调螺丝的调节、对狭缝装置的调节。调节过程异曲同工，都是通过路由将不同传感器的入事件和出事件联系起来响应学习者的操作。具体实现代码如下：

Group {

children [

DEF    touch   TouchSensor(或PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor){

//通过接触传感器、平面传感器、圆柱传感器、球体传感器感知用户操作

center  0.0  0.0  15.0

size  30.0  15.0  50.0

};

ROUTE  ……   TO    ……

//连接入事件和出事件，响应用户操作

虚拟现实技术是新兴的交叉学科，有着广阔的应用前景，尤其在教育领域。目前虚拟现实技术的应用还属于起步阶段。虽然各高校和科研单位已经取得了一些成果，但是尚未广泛应用，对虚拟现实技术在教育中的应用也还停留在理论研究阶段。基于已有的研究成果，探讨如何将虚拟现实技术更好地应用在学习者的自主学习和辅助教学中，具有重要研究意义。研究通过用虚拟现实技术再现教学中的重点、难点和关键知识点的方法，将虚拟现实技术与教学有机结合起来，有助于教学效果的有效提高。