[桌面虚拟学习环境下的三维交互技术研究]

　　【摘要】三维交互技术是虚拟教学系统研究的关键，良好的交互能够成功促进学习者的体验。文章从教学应用的视角出发，通过对教学交互和三维交互的系统分析，提出了“几何漫游”、“选择操纵”、“协作互动”三个逻辑层次的交互任务，并在此基础上分析了三维交互技术的构成体系，结合实例描述了三维交互技术的开发流程，重点解决了在三维交互技术制作过程中存在的难点问题，旨在促进学习者在虚拟环境下学习效果的提升。
　　【关键词】虚拟学习环境；三维交互技术；教学交互
　　【中图分类号】 G40-057 【文献标识码】 A 【论文编号】 1009―8097（2011）03―0129―04
　　
　　一 前言
　　
　　桌面级虚拟现实技术，因其技术简单、集成性高、实用性强、投入成本低等特点，近年来在教学中的应用越来越广泛，其开发的桌面虚拟学习环境，能够让学习者在一个具有真实感的虚拟三维空间中进行学习、探索和娱乐等交互活动。
　　关于学习环境，Wilson（1995）的学习环境场所观认为：学习环境是一个学习者可以相互合作、相互支持的场所，在那里可以使用各种工具和信息资源参与问题解决的活动，以达到学习目标。他将学习环境分成计算机微世界、基于课堂的环境（促进积极学习的丰富环境、抛锚式教学）、开放的虚拟环境等三类[1]。
　　本文中的桌面虚拟学习环境主要是上述学习环境中的第三种类型，同时兼具第一种类型的某些特征和功能。它主要是运用桌面虚拟现实技术开发的，在形式、内容、表现手法、教学功能等方面，实现对真实学习环境的模拟，为学习者提供多种感官的学习刺激，对学习者的学习活动进行支持；它通过多种交互形式，实现动机激发、策略调整、兴趣保持、交流互动等多方面的教学功能[2]。
　　
　　二 三维交互技术的三个层次
　　
　　1 三维交互技术的层级划分
　　三维交互技术作为一种新型交互形式，其本质是为了促进学习者的学习，属于教学交互范畴。关于教学交互的划分，国内学者陈丽在Laurillard的学习过程会话模型的基础上提出了教学交互层次塔理论，它将远程教学交互分为三个层面：学生与媒体界面的操作交互，学生与教学要素的信息交互，学生的概念和新概念的概念交互[3]。
　　然而三维交互相对于一般的教学交互来说，其划分难度更加复杂。首先，在技术层面上，虚拟学习环境下学习者需要控制的自由度增加为6个，而且缺乏一些必要的约束信息，比如深度线索、触觉反馈等[4]；其次，缺少对三维交互的最底层交互任务的理解，因为这些底层的交互任务与学习者的学习任务、认知习惯有密切的关系，只有这些关系描述清楚后，才能将交互任务逐层分解，合理而有效地进行交互风格的研究和三维交互技术的划分。
　　在教学交互层次塔理论的指导下，使用Bowman分类法，从任务、子任务、实现技术三个层次对三维交互技术进行分析[5]，将其实现结构划分为三个具有显著特点的逻辑层次：几何漫游层、选择操纵层、协作互动层，并以此为基础，针对每一层交互的具体特点，细化为多种交互形式，最后按照由低级到高级、由具体到抽象的认知习惯对其进行重构（见图1）。
　　
　　2 三层面的三维交互技术
　　根据图1可见，三维交互技术主要是由以下三个不同层面的交互共同作用完成的。
　　（1）几何漫游层
　　几何漫游层体现学习者与学习环境的操作过程，主要描述了如何从一个位置移动到另一个位置，通过鼠标键盘等交互设备，可以全方位了解学习环境的概况。其交互技术主要包括两个独立的部分：找路（wayfinding）和行进（travel）。“找路”指的是一种方法，确定当前在什么位置（空间或时间上），寻找在环境中到达目的地的路线，帮助学习者了解他们自身相对于目标的位置，从而使他们确定到达目标的路径[6]。“行进”指的是学习者如何在空间（或时间）中移动。
　　“找路”和“行进”通常借助化身实现，通过鼠标和键盘来控制化身的运动，视点位置和方向跟随化身一起变化，既有利于学习者对虚拟场景的完整理解，也容易感知自己所处的空间位置。为了避免在漫游时出现迷路的现象，通常配合地图进行导航，一旦学习者需要改变学习内容，只需要点击地图即可，避免学习者在查找时浪费大量的时间，使学习者出现孤独感和烦躁感。
　　（2）选择操纵层
　　选择操纵层体现学习者与媒体界面之间、学习者与学习资源之间的操作过程，为学习者提供虚拟对象被操作时的可视反馈。它能够改变虚拟对象（即交互元素）的几何属性，包括整体或部分的平移、旋转、缩放、变形以及材质、纹理、颜色等几何属性的变化，通过选择、操控、判断、反馈等环节实现。
　　“选择”是指定具体的交互对象，一般情况下使用鼠标点击指定位置或对象即可；“操控”是对对象执行相关动作，改变对象的属性，例如对象的位置、颜色、可见性、移动、旋转等；“判断”是根据教学的具体任务对“操控”的结果进行评估；“反馈”是根据评估的结果进行教学提示，对于完成正确操作给予正强化反馈信息，而对于完成错误操作给予负强化反馈信息。
　　（3）协作互动层
　　协作互动层体现学习者与学习者之间、学习者与教育者之间的操作过程，能够提供多个学习者共享VR体验，让多学习者协作解决一个问题（即执行一个任务），参与者也可以共享与其他人竞争的体验或与他人的交互，主要是指与他人交互的技术，包括如何处理协作交互、如何实现并发体验、谁拥有对操纵和通信操作的控制，如何使世界保持一致以及协作的参与者如何互相交互等[7]。在桌面虚拟学习环境中，每个学习者是一个个独立的分布式对象，它们在进行虚拟体验的同时，主要通过创建会话和消息传递等对话交流机制，来促进学习者的体验。
　　3 三层面三维交互的关系
　　几何漫游层、选择操纵层、协作互动层这三层交互是根据学习者的学习过程来划分的，以促进学习者的学习为出发点，他们密切相关、相互作用，将教学、交互、技术充分结合，在一个螺旋上升的过程中，形成了三维交互技术的构成体系（见图2）。
　　由图2可以看出，三层交互的关系是：首先，几何漫游层交互是选择操纵层交互发生的条件。当学习者面对一个新的学习任务时，首先要通过三维漫游的方式，了解学习对象的概况，然后才会通过选择操纵层交互，掌握学习对象的主要功能；其次，协作互动层交互产生于选择操纵层交互的过程中，学习者在使用选择操纵层交互完成教学内容时，通常需要借助教师指导或组内讨论等教学形式，来解决一些教学难题，进而促进整个学习过程的完成，可见最顶层的协作互动层交互的水平和方向将影响学习者的学习结果。
　　
　　
　　三 三维交互技术的实现过程
　　
　　
　　三层次的交互技术贯穿于整个学习过程，有效促进学习者的学习，其实现过程主要包括教学分析、模型构建、交互设计、测试发布等环节，通过编写脚本、实物拍摄、建模、贴图、设计动画、交互合成、调试等具体操作完成交互技术的制作（见图3），下面以“摄像机的使用”为例，借助Virtools虚拟现实技术平台，介绍三维交互技术的具体实现过程。
　　1 教学分析
　　教学分析主要围绕教学需求和交互技术两方面展开，重点解决“做什么”和“怎么做”的问题。通过分析虚拟实验环境和真实实验环境的优点和不足，对教学内容进行针对性筛选，对于摄像机的主要构造和常规操作，这些基础性内容制作成虚拟实验，让学生在虚拟环境中，反复操作各种实验设备，减少设备的无谓损耗，而对于电视摄像这些技能类的内容，让学习者在真实实验中完成，有利于对学生实践能力的培养。
　　2 模型构建
　　模型构建主要包括建模和画面优化两个部分。在建模过程中，应根据教学任务的层次结构，采用层级建模的方法，遵循由下到上的原则，逐层逐块地利用建模软件进行虚拟场景的构建。画面优化主要控制模型的面数和清晰度，对于摄像机的镜头、光圈、调焦环、推拉按钮等主要操作按钮，采用较高的面数值，而对于摄像机的主要面板，这些没有交互的部分，采用较低的面数值，借助贴图等方法完成制作。
　　3 交互设计
　　交互设计不仅是学习者同虚拟学习环境之间的信息交流，也是虚拟情景展开的手段，主要包括虚拟学习环境漫游、摄像机的基本操作、共享体验等几个环节。
　　（1）虚拟学习环境漫游的实现
　　
　　虚拟学习环境的漫游属于几何漫游交互层，它主要通过控制化身运动，借助键盘和鼠标，实现对摄像机结构的学习。在设计过程中，坚持左右手相互配合的原则，即一只手使用鼠标控制场景的旋转，另一只手通过键盘控制场景的平移、缩放等。通过Virtools中Keep Active、Get Mouse Displacement、Rotate、Division、Switch OnKey、Per Second、Translate等BBS行为即可实现，脚本流程如图4所示。
　　（2）摄像机基本操作的实现
　　摄像机基本操作属于选择操纵层，主要包括摄像机的电池安装、录制，快门、光圈、焦点，镜头推拉等，其中录制是基本操作的重点内容，包括开机、放入磁带、录制、教学反馈等四个环节。
　　开机：主要实现单击Power按钮，电源指示灯亮，摄像机启动，再次单击Power键，电源指示灯熄灭，摄像机关闭。此交互所需的BBs行为有Wait Message、Set Material、Set Texture、Send Message等，脚本流程如图5所示。
　　
　　放入磁带：主要实现单击EJECT按钮，磁带仓开启，放入磁带，单击带仓，带仓闭合，完成磁带装载，此交互所需的BBs行为有Wait Message、Bezier Progression、Rotate、Translate、Send Message等，脚本流程如图6所示。
　　
　　录制：主要实现单击REC键，录像指示灯亮起，磁带走动，录制开始，此交互所需的BBs行为有Wait Message、Bezier Progression、Set Material、Set Texture、Rotate、Send Message等，脚本流程如图7所示。
　　
　　教学反馈：实现对学习者未来的操作进行引导，对当前操作进行确定或对错误操作予以纠正，让学习者及时了解自身状况[8]，避免由于滞后和延时给学习者带来思维中断、兴趣转移甚至是厌烦心理。使用Virtools中Mouse Waiter、2D Picking、SetPosition等BBs行为和VSL脚本能够实现教学交互的判断，其中2D Picking行为模块实现拾取物体的功能，Mouse Waiter行为模块响应鼠标的控制，VSL脚本进行程序判断[9]，教学反馈结果可采用文本或者图片的形式进行展示，如图4所示，当鼠标划过磁带仓时，会出现“请先装入磁带”的提示，学习者可以按照提示进进行操作。
　　
　　（3）共享体验的实现
　　共享体验交互属于协作互动层，它可以让学习者和教育者在虚拟体验的过程中交流经验、共同学习，主要包括创建会话和消息传递两个部分。创建会话（Session）定义了一个虚拟的空间，主要用于相关的主题活动，通常由小组长或教师创建，执行普通学习者不能执行的操作，对参与活动的用户信息、网络消息及其化身进行管理，根据组织策略，开展教学活动[10]。
　　一旦学习者进入虚拟学习环境，就可以采用一对一、一对多以及广播等多种形式，进行消息传递，完成学习交流。利用NetworkSend Message BBs可以设定某个化身发送消息，使用3DFrame显示对话信息，使用Inputstring BBs实现用户字符串的输入，使用2DText BBS实现在输入框中显示文本。
　　4 测试与发布
　　在三维交互设定完成后，进行整体功能、稳定性和速度优化的调试，然后根据程序的应用领域，对程序进行发布。如果是单机应用，通过“Export to Virtools Player”命令直接保存为*.vmo格式即可；如果是网络应用，通过“Creat Web Page”命令，将文件保存为htm格式，这样客户端只需下载并安装插件“3D LifePlay”即可进行播放。
　　
　　四 结束语
　　
　　三维交互技术的三个层次是对三维交互的一次尝试，它将三维交互技术由简单几何层次引申至更高层次的应用，不仅规范了三维交互技术的实现过程，而且有利于分析各种复杂的三维交互现象，在降低学习者的操作难度和认知负担的同时，有效促进了学习效率的提升。三维交互技术是虚拟现实技术由“好看”转向“好用”的关键，如何更好实现复杂虚拟学习环境下的三维交互技术，还需要开展更深入的研究。
　　
　　参考文献
　　[1] Brent G.Wilson. Metaphor For Instruction: Why We Talk About Learning Environments[J].Educational Technology,1995,35(5):25-30.
　　[2] 郑颖立.体验式虚拟实验研究[D].上海:华东师范大学,2008:71-73.
　　[3] 陈丽.远程学习的教学交互模型和教学交互层次塔[J].中国远程教育,2004,(5):24-28.
　　[4] 纪连恩,张凤军,路游.场景语义约束的三维交互技术[J]. 计算机工程与应用, 2008,44(33):28-31.
　　[5] Bowman.D,Johnson.D,Hodges.L.Testbed evaluation of
　　virtual Environment interaction techniques[J],presence-
　　teleoperators and virtual environments,2001,10(1):75-95.
　　[6][7] William R. Sherman,Alan B. Craig.Understanding virtual reality:interface,application,and design[M].Netherland:
　　Elsevier Science Publishers,2003.
　　[8] 王荣芝,辛日华.网络虚拟实验的界面交互设计[J].实验室研究与探索,2009,28(2):82-85.
　　[9] 罗虹,王士勇.基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现[J].现代教育技术,2007,17(10):57-60.
　　[10] 李欣.虚拟学习空间的建构与交互设计[J].中国电化教育,2008,(8):95-98.
　　
　　Research on the Interaction Technique of Three-dimension Under the Desktop Virtual Learning Environment
　　WU Xiang-enBAI ZheLIU Chao
　　(Institute of Educational Technology, Shenyang Normal University, Shenyang, Liaoning 110034, China)
　　Abstract：The interaction technique of 3D (Three-dimension) is the essence of the virtual reality system research and good interaction can promote learners’ experience swiftly. The article put forwards "geometry navigation", "selection manipulation", "collaborative interaction" as three logical levels via the systematic analysis of three-dimensional interaction tasks, based on the practical application of teaching. And on this basis, it constructs the system of interactive 3D graphics construction under the virtual circumstance and presents the developing procedure of the interaction technique of 3D, which primarily can solve the problems with the interaction technique of 3D, aimed to promote the result of the learning under the virtual circumstance.
　　Keywords: virtual learning environment; the interaction technique of 3D (Three-dimension); teaching interaction

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