基于VR引擎的虚拟现实交互教学课件设计与实现_王志昆.pdf

Application 创新应用142 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月于虚拟现实（Virtual reality，VR）技术开发的VMaker，该软件是一款虚拟现实内容制作编辑器，操作界面简单易学且易用，可以将传统PPT导入到三维空间中，将二维的PPT与三维的操作场景进行二者统一融合，构建一个以真实环境为模型的三维视觉、听觉、触觉等不同感官体验的虚拟世界，突显虚拟现实的感知性、沉浸感以及交互性等特征，极大地解决了虚实一体化课程教学过程中讲授界面和虚拟实训演示操作界面的切换，让学生完全沉浸在学习环境中，将原本抽象的知识转化为形象的图片、动画、三维空间沉浸式场景、交互式体验等方式，实现了真正意义上的理实一体化“教-学-训-考”各环节。该内容编辑器具有基本的工具编辑功能、可以导入多种形式素材、特效等。以虚拟装配单反相机反光镜组项目为例开发沉浸式虚拟交互教学课件。1 虚拟现实交互教学课件的设计虚拟现实交互教学课件的实现主要涉及素材库制作、Unity3D平台搭建、创建VRPPT、VCW课件0 引言传统的PPT课件主要呈现二维图片、视频、动画、文字等教学素材，辅助教师讲授各种类型课程，而本课题研究基于VR引擎开发具有沉浸式虚拟现实交互功能的教学课件，采用还原理论教学与虚拟实操相结合活动场景的教学手段。基于“网络+教育”迅速发展的背景，不断发展的虚拟现实技术，将信息技术和教学活动紧密联系，强化院校信息化建设水平，促进不同类型实践实训高水平发展，将VR技术在多媒体课件开发和制作中占据极其重要的位置。课件是开展教学活动的关键性载体，传统教学课件的内容主要以文字、图片以及表格等方式展示，虽然可以起到良好的教学演示效果，但是存在直观性、生动性等弊端，现阶段随着多媒体课件工具多样化，动画视频的出现也起到了一定的生动效果，但沉浸式和交互式的学习体验还是需要VR技术的应用开发，让学生对事物的认知从感性转变为理性。本课题研究的沉浸式虚拟交互教学课件是基基金项目：2021年云南开放大学校内建设项目。作者简介：王志昆，云南国防工业职业技术学院，副教授；研究方向：虚拟现实技术和光电子技术。收稿日期：2023-05-13；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述光电仪器装调技术课程中装配与调校单反相机反光镜组项目，设计将传统PPT与三维空间模型交互动画置于同一界面，实现沉浸式、交互式、自主式学习，佩戴数据头盔，通过旋转观察视角，一边学习理论知识，一边观看三维动画。关键词：虚拟现实，交互教学，VR引擎，VRPP，教学素材，VCW，数据头盔。中图分类号：TP391.9文章编号：1000-0755(2023)06-0142-03文献引用格式：王志昆.基于VR引擎的虚拟现实交互教学课件设计与实现J.电子技术,2023,52(06):142-144.基于VR引擎的虚拟现实交互教学课件设计与实现王志昆（云南国防工业职业技术学院，云南 650504）Abstract This paper describes the project of assembling and adjusting the reflector group of SLR camera in the course of photoelectric instrument installation and adjustment technology.The design puts the traditional PPT and 3D space model interactive animation on the same interface to achieve immersive,interactive and autonomous learning.Wearing a data helmet,learning theoretical knowledge while watching 3D animation by rotating the viewing angle.Index Terms virtual reality,interactive teaching,VR engine,VRPP,teaching materials,VCW,data helmet.Design and Implementation of Virtual Reality Interactive Teaching Courseware Based on VR EngineWANG Zhikun(Yunnan National Defense Industry Vocational and Technical College,Yunnan 650504,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 143发布并导入等技术。素材库制作主要针对教学PPT课件中涉及的抽象的知识点及技能，制作易于学生学习、理解、接受的可视化素材，具备信息的交互性，例如三维模型、图片、音视频、全景图片、全景视频、场景模型、APK等。应用Unity3D平台搭建，将传统PPT放置于三维场景中，用动态幕布搭载传统PPT课件，可以使用手柄控制PPT翻页，实现传统二维PPT与三维模型场景置于同一视线范围。分别将素材按照分类导入素材库列表，发布“.VCW”格式的课件，复制到头盔相应文件夹中，佩戴头盔即可浏览VRPPT课件，具体基于VR引擎开发虚拟现实交互教学课件的设计与实现流程图如图1所示。2 素材库制作 2.1 创建三维模型应用UG建模软件将单反相机反光镜组的零件按照1:1的比例创建模型，然后将零件模型导入3Dmax软件中进行贴图和烘焙操作，使得提升机械零件和光学零件的材质感和真实度，尽可能真实地还原反光镜组的零件。单反相机反光镜组零件由目镜小液晶及五棱镜组、反光板组、光圈组件、快门单元、相机支架、三角固定支架等五部分组成，具体模型如图2所示。2.2 其他素材制作对于单反相机反光镜组装配知识和技能的学习，更侧重于装配操作技能的培养和训练，必要时加以引导。因此，在素材库的制作中，除了零件模型的制作外，音频、视频、场景模型都是不可缺失的。其中，素材支持“.MP3”格式的音频；支持“.jpg”和“.png”格式的图片，大小不能超过8kB；支持“.mp4”格式的视频，帧率不低于25帧/s，码率不超过30 000kbps，分辨率不超过4kB；Unity3D平台搭建，支持由Unity3D打包生成得到“.zip”打包模型，场景模型和零件分别制作打包；背景素材支持第三方APK、背景图片、音频、道具模型、场景模型。3 虚拟现实交互教学课件创建应用VMaker软件创建虚拟现实交互教学课件即VRPPT，新建项目，通过“文件”中的“导入PPT”操作，可以导入格式为“.pptx”文件，导入的传统PPT不能含有视频文件。工具栏中点击素材库图标打开当前项目素材库，素材库是一个对即将用于课程编辑的素材进行分类导入的工具，分别导入制作的相关素材，需要注意的是场景模型和道具模型需要区分导入。最后，发布课件，可上传本地图片或者截取PPT部分局部作为课件封面，支持设置课件名称、课件地址、课件分类、课件简介等课件的相关信息，课件发布后的格式为“.vcw”。虚拟交互教学单反相机反光镜组的VRPPT课件如图3和图4所示。4 虚拟现实交互式VRPPT功能实现 虚拟现实仿真技术基于立体投影的原理、头盔图2 单反相机镜头组零件三维模型图1 基于VR引擎开发虚拟现实交互教学课件的设计与实现流程图Application 创新应用144 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月显示器和手柄动作捕捉等虚拟现实交互设备，通过立体显示系统，将三维场景呈现为具有景深的3D显示模式，为学生构建一个高度沉浸感和自然交互的虚拟环境，把整体视觉环境包围起来，融入整个虚拟世界中。随着沉浸式虚拟现实仿真技术的飞速发展，大量消费级虚拟现实硬件设备不断涌现，如美国Facebook公司的Oculus Rift虚拟现实头盔、HTC公司的HTC vive虚拟现实头盔等，VMaker适用的沉浸式虚拟现实交互设备就是HTC Focus头盔。沉浸式功能的实现是将打包后的“.vcw”复制到VR头盔的指定文件夹中。首先将电脑端和头盔用数据线连接，电脑端端安装手机助手软件，将VExplore文件复制到“文件管理”中的存储卡，戴上头盔，选择内容库中的“文件管理”，安装VExplore，将打包后的.vcw文件复制到VCWCourseware文件夹中，佩戴头盔打开VExplore即可沉浸式浏览单反相机镜头组虚拟装配知识，通过手柄操作VRPPT的翻页和播放动画，还可以触发模型播放装配动画。5 结语虚拟现实交互教学课件在传统二维PPT和传统三维动画的基础上，将二者的教学手段进行了完美融合，还可以基于VMaker软件将教学中多种媒体制作的素材进行结合，使老师和学生都具有身临其境的沉浸式教与学的体验，通过肢体动作与虚拟场景中的模型展开交互，通过交互感知和响应虚拟环境，改变了学生们在传统教学手段中的单纯接受者的被动状态，到有效提高知识和技能培训的效率转变。然而，沉浸式虚拟交互教学课件VRPPT还存在诸多不足，还有待于进一步修改和完善，继续优化道具模型和场景模型的搭配，满足虚拟交互教学的需要。参考文献1 陈昂轩,贾积有.教育元宇宙虚拟沉浸的教学新模态J.教学研究,2022,45(03):1-6+13.2 王贵才,杨九民,蒋玲等.多媒体教学系统虚拟仿真实验平台设计与实现J.实验室研究与探索,2022,41(04):223-226+239.3 江龙,张德刚,李泽河等.基于虚拟现实头盔的沉浸式变电站仿真培训系统设计与实现J.电工技术,2017(11):43-45.4 方圆圻,聂宇本,葛乃成等.基于VR技术的电网安全事故沉浸式体验技术J.电力与能源,2022,43(06):490-496+510.5 王巍.基于VR技术的教学课件的制作方法研究J.长春大学学报,2020,30(02):24-27.6 吴静松.基于VR技术的可定制课件的设计与案例研究J.信息与电脑(理论版),2021,33(21):251-253.7 矫永康,沈如松,徐焕翔.无人机沉浸式模拟训练系统设计与实现J.飞机设计,2021,41(06):19-23+28.8 胡威,周俊,李婷.VR沉浸式三维交互技术在农机虚拟设计中的应用J.农机化研究,2023,45(10):192-196.9 雷中华.VR技术在多媒体课件设计中的应用J.电子技术,2022,51(02):164-165.10 汪华健.基于虚拟现实的MPS仿真教学平台的研究与实现D.上海：上海第二工业大学,2021.11 罗玉明.基于虚拟现实的工业机器人装调系统研究D.天津：天津职业技术师范大学,2020.12 付钰.沉浸式工业机器人虚拟展示系统研究D.陕西：西安工程大学,2021.13 张芳芳,刘仪辉.VR技术在多媒体课件制作中的应用探究J.软件,2021,42(02):54-56.14 刘崇进,吴应良,贺佐成等.沉浸式虚拟现实的发展概况及发展趋势J.计算机系统应用,2019,28(03):18-27.图3 虚拟交互教学单反相机反光镜组零件列表VRPPT课件效果图图4 虚拟交互教学单反相机反光镜组装配过程VRPPT课件效果图