VRML在基于虚拟现实的WEB课件中的应用

乐乐妈 2009-11-13

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VRML在基于虚拟现实的WEB课件中的应用

[摘要] 在崭新的二十一世纪，虚拟现实作为一种新的媒体形式，它的出现无疑将对远程教育产生深远的影响，不仅仅是教学效果和教学质量的提高，甚至将会导致人们教育思想和教育观念的巨大革新。VRML是一种基于WWW的实用化的、功能较完善的具有强大发展潜力的虚拟现实建模语言，应用于Web课件具有其它媒体形式所无可比拟的优势。

[ 关键词] 虚拟现实、Web课件、VRML

Abstract: In the new 21^stcentury, VR, as a new media form,will bring far-reaching influence to distance education not on education effect and quantity but also on the mankind's education ideology and conception. VRML is a practical, ability and standardized format for describing three-dimensional objects. In addition, VRML incorporates one of the most powerful attributes of HTML, and that is-the linking component.

KEY WORDS: Virtual Reality Web-based courseware VRML

一、基于虚拟现实的Web课件的基本构成

基于虚拟现实的Web课件，是指将虚拟现实技术作为一种新的媒体表现形式引入Web课件中，对教学情景、教学实验、技能训练等进行虚拟，利用虚拟场景交互性、多感知性和可操作性等优势来表现教学内容，以充分调动学习者的主动性和创造性，解决教学中的重点、难点问题，促进学习者知识积极建构的新一代CAI课件。作为Web课件的一种新型表现形式，基于虚拟现实的Web课件应该是基于HTML的平面结构页面与虚拟现实部分的有机结合。虚拟现实部分是课件的精华所在，平面结构则是与虚拟现实部分相辅相成的必要组成。

二、VRML用于创建基于虚拟现实的Web课件的可行性分析

基于虚拟现实的Web课件中的平面结构主要是基于HTML的，因而平面结构部分的制作主要采用网页制作技术；而Web课件中虚拟现实部分所采用的主要是桌面虚拟现实，桌面虚拟现实的实现主要依靠虚拟现实软件。在众多的虚拟现实软件中，VRML(英文全称:Virtual Reality Modeling Language虚拟现实建模语言)是一种基于WWW的虚拟现实建模语言，除了具有一般虚拟现实建模语言的特性外，还具有强大的网络功能，尤其适合在Web上创建虚拟现实场景。VRML的优势主要表现在:

1、VRML是一种有着强大发展潜力的虚拟现实建模语言，它尤其适合创建桌面虚拟现实。

1.1 VRML创建的活动场景具有沉浸性、交互性和多感知性等一般虚拟现实场景的特征。首先，学习者通过VRML浏览器进入VRML场景后，凭借简单的二维鼠标，只要选择VRML浏览器上不同的浏览方式(如Examine、 Fly、Go、Rotate等)即可实现在场景中6+1个自由度的漫游，即三个方向的移动和旋转，以及和其它三维空间的超链接[2]。因而学习者完全可以根据个人的意志选择场景中不同的视点方向和位置。虽然没有头戴式显示器所带来的完全沉浸的感觉，但学习者在场景中自由遨游，能体味到相当的沉浸感。另外，通过编程控制VRML场景能实现一定的交互性。这种交互性可以允许学习者与场景中的3D实体进行一定的交互。

1.2 VRML能控制立体声音的播放，并能对声音的方位和强度进行控制。如雷电场景中，雷声的强度和方位就是根据代理人的实时位置来改变的。因而通过VRML境界学习者能体味到一种近乎自然界的声音。而将来，随着VRML技术的进一步发展和完善，冷热、质感等感知信息的体现必将变成完全可能的事情。

1.3 VRML是一种实用化的虚拟现实建模语言。VRML文件是以扩展名.wrl或.wrz等结尾的，是一种用来描述几何形体的简单的ASCII文本文件，VRML的编辑工具可以是任意一种文本编辑器。VRML文件不需要任何编译，直接由浏览器解释执行，可以方便的实现桌面虚拟现实。VRML浏览器一般是作为Web浏览器的插件使用的，因而又称为浏览器插件。当学习者通过Web浏览器请求一个VRML文件时，服务器端接收到请求，并将VRML文件代码传输到客户端，客户端浏览器通过VRML浏览插件对代码进行解释，将VRML语言中的信息解释成空间中目标的几何体描述，如长方体、球体、不规则的其它三维物体等等，同时它将提供实时显示，一秒显示多次，这样在学习者的计算机上就会有一个活动场景的感觉。而学习者只需用简单的2D鼠标，通过切换不同的浏览方式即可遨游于整个虚拟境界，与境界中的物体进行交互。

2、VRML具有强大的网络功能，尤其适合在Web上实现虚拟现实。VRML的网络优势主要表现在:

2.1 易传输性。VRML文件采用ASCII码描述境界和链接，它的执行方式是基于客户/服务器模式的，服务器提供源代码，具体文件的执行由客户端的浏览器负责，因而当用户申请调用VRML文件时，网上传输的事实上是文本文件，其文件的大小远远小于描述同样场景的动画文件，VRML文件的这一特性使得它易于传输，不仅可以减少传输时的网络负担，而且可以节省学习者的网费开支。而且，为了进一步降低数据量，可以用目前标准的文件压缩工具(如gzip)对VRML文件进行压缩，平均压缩比可达5:1。压缩后的文件可以被大多数浏览器直接浏览。

2.2 实时性。用VRML展示场景，进行交互时，服务器在用户申请调用时下载一个完整的基于文本的副本到客户端，用户使用客户端浏览器对副本进行本的解析和操作，任何响应都在客户端由副本完成，只在副本进行超媒体链接或刷新操作时，客户端才与服务器端建立联系以下载新链接内容的客户端副本或被更新的部分，其余时间服务器与客户端是相互隔离的。因而，利用VRML展示场景，进行交互时网络不需要进行持续传输，课件可以实时响应用户的操作请求并迅速刷新页面，呈现给学习者流畅的场景。

而用动画、图片等来展示场景，进行简单交互，一般采用Ask-Answer(应答)方式响应用户的操作请求，需要事先制作大量的动画、图文和音频视频文件，用户使用时只能得到一个预先生成的基于文字和图表的页面，与之相链接的图文和视频音频文件要在浏览器接收到操作请求并向服务器申请后才能下载到客户端，客户端始终与服务器进行数据交换导致服务器吞吐负担过重，网络过度拥挤，网络传输数据量巨大，在现今Internet传输带宽和速率较低的情况下，课件浏览时的实时性往往较差。

2.3 组合性。VRML文件能通过包含关系(Inline节点)把不同的文件组织在一起，能实现和管理较大规模的场景。另外，VRML,文件具有超链接功能，通过Anchor节点可以实现VRML文件与WINE文件，VRML文件与HTML文件之间的超链接。因而VRML文件用于Web课件中，可以实现课件中HTIVIL页面与虚拟现实页面的自然过渡，以及不同虚拟现实场景之间的随意跳转。与之相比，动画文件和图片文件因为是相互独立的，文件之间要建立链接只能通过HTML的超链接功能。如果用于展示较大的场景和进行复杂的交互性操作，需要有较多的文件通过HTIVIL的超链进行链接，这种链接将使系统缺乏流畅性，场景展示的实时性也会降低，而且过于复杂的使用HTML的超链在操作时容易出现混乱。

2.4 可伸缩性。VRML的可伸缩性主要表现在三个方面:

其一，对VRML浏览器来说，从理论上来讲(之所以“从理论上讲”是因为目前各种浏览器对场景的处理能力参差不齐，与VRML标准的要求相比都还有一定的差距。)能够处理千百万个对象组成的分布在因特网上的场景。

其二，VRML在极其强大和极其低廉的机器上都应该工作的很好，它允许浏览器为了提高性能而降低图形和仿真的质量，而在硬件性能增强时质量可以变得更好，如SGI的Cosmo Player2.0 VRML浏览器有以下的性能可选项:

①在不同视点间切换时使用动画

②精确的透明效果

③显示贴图

④图象/纹理质量(有自动、最好的质量和最快的速度三个选项)将前三项设置为“未选中”和第四项置为“最快的速度”可以同时加快下载和执行的速度。

3、VRML境界可以相对于网络性能伸缩，从14. 4K的调制解调器到其它高速连接都可以传输VRML文件。

VRML文件的这种可伸缩性特点使得用VRML所创建的虚拟现实场景能为远程教学中硬件配置参差不齐的学习者所广泛接受。

基于以上分析，VRML是一种基于www的实用的、功能较完善的、具有强大发展潜力的虚拟现实建模语言。因为VRML具有强大的网络功能，所以它尤其适合创建Web上的虚拟现实。VRML对硬件设备要求不高(仅仅用最简单的台式显示器、2D鼠标、音箱就能实现)，能为远程教学中的大多数学习者所接受。VRML文件设计使用简单，能创建出简单的桌面虚拟现实，随着它的逐步发展和完善功能必将更强大。所以用VRML创建虚拟现实场景应用于Web课件中，服务于远程教学具有相当的可行性。

三、VRML在Web课件中的主要应用

在Web课件中利用VRML创建虚拟现实场景表现教学中的重点、难点问题，可以提供给学习者以第一人称的感觉，学习者是整个场景的主宰者，他可以充分调动自己的主动性和创造性，根据已有的知识对新知识进行积极的意义建构。VRML在Web课件中的应用主要体现在以下几个主要方面:

1、虚拟实验

利用VRML可以建立理、化、生、地等各种虚拟实验室。在“实验室”里，学习者可以自己动手做各种实验。用VRML模拟实验具有以下四个优势:

其一，可以解决在远程教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足的矛盾。

其二，可以彻底打破时间、空间和客观条件的限制。利用VRML技术，可以彻底打破空间的限制，大到宇宙天体，小至原子分子，从宏观到微观，学习者不但可以走近这些物体进行多角度、多侧面的观察，还可以对物体的内部结构进行剖析。利用VRML技术，还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过VRML虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学习者观察。

其三，、在虚拟实验室做实验，可以避免真实实验或操作所带来的各种危险。

其四，现在已有计算机公司和研究小组着手开发支持多用户共享场景的VR.ML浏览器，这意味着在不久的将来，不同的学习者在虚拟的实验室里可以进行协同操作，共同完成实验。

2、直观的呈现教学中的难点问题

在Web课件中应用VRML技术可以直观的呈现教学中的难点问题。这方面的应用主要表现在以下两个方面:

其一，再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学习者解决学习中的知识难点。如用光的直线传播解释解释日月食的成因时，一般的学生都难以理解，那么用VRML设计的日月食成因的场景，学习者可以任意选择不同的角度来观察宇宙发生日食时太阳、地球、月球三者的任意位置以及光线的传播方向和阴影的产生等现象，宛如在太空中自由探索一般。

其二，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解。如在学习几何时，学生利用VRML模型可以通过不同的角度观察复杂的三维立体形状。

3、培养学生的探索精神和创新意识

利用VRML可以对学习者学习过程中提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟学习者可以直观的观察到这一假设所产生的结果和效果，并判断其在现实中的可行性。如工程和建筑设计的学习者可以将自己的设计作品进行虚拟，对结果进行验证和分析。一方面会促进新的设计思想付诸实践，另一方面将会减少因设计错误所可能造成的经济损失。这有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

4、创设教学情景

VRML创设的场景具有较强的沉浸性和交互性，学习者在浏览时能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心的投入到学习环境中去，这非常有利于学习者的技能训练和知识的学习与巩固。如在外语教学中，用VRML虚拟学习者到国外旅游的情景，让学习者自由与场景中虚拟的人物进行交谈，可达到训练其口语的目的。

5、建立虚拟教室

VRML正朝着多用户方向发展，通过一定的编程控制可实现多用户共享一个场景，目前一些VRML浏览器已经可以支持简单的多用户系统，如SONY的Community Place。因而可以用VRML建立虚拟教室，远程学习者可以通过浏览器进入这个“教室”，随时向教师提问问题，并可与“教室”中的其他学习者展开讨论，进行协作学习，消除远程学习者所经常容易产生的孤独感和无助感。

参考文献

[1] 张肺. 杜可亮. 刘建灼. 贾占峰编著《WWW上的虚拟现实技术—VRML技术》. 电子工业出版社.. 1998年8月