基于web3D技术的虚拟实验环境与教学实践研究外文翻译资料

基于web3D技术的虚拟实验环境与教学实践研究

原文作者：Li Yan、Liping Wang 单位：Pingxiang University

摘要：虚拟实验环境是一种通过图形，仿真和虚拟现实技术在计算机上构建的软硬件操作环境，以辅助或替代传统的实验操作。虚拟实验为逐步发展具有自身特色的网络教学提供了很好的解决方案。本文首先分析了虚拟实验环境的构建原理和方法，然后介绍了Web3D技术的优势，比较了这三种Web3D技术，最后列举了Web3D技术在教学实践中的应用。

关键词：虚拟实验环境；web3D技术；教学实践

一、介绍

教育和教学中使用了大量新的计算机技术。这些技术可以从教学资源、教学过程、教学评价、教学效果等方面极大地帮助教学。Web3D技术是目前比较新的计算机虚拟现实技术。因此，研宄Web3D技术在教学中的应用具有十分重要的意义。[1] Web3D是一种实现虚拟现实技术的技术。它是指由软件技术实现的基于互联网的、桌面级的虚拟现实技术。Web3D最早的发展可以追溯到VRML(虚拟现实建模语言)。2000年春，Web3D完成了VRML到X-3D的转换。X-3D标准集成了快速发展的XML、JAVA、流媒体等先进技术，为Web3D提供了更强大、更高效的三维计算能力、渲染质量和传输速度，如今，Web3D技术越来越多地应用于商品展示、过程模拟、城市规划和娱乐等领域。同样的技术也被应用到教育教学中，成为重要的教学技术。Web3D可以在虚拟教学环境中发挥重要作用，教学环境需要情境化和自然交互的功能。它可以突破时间和空间的限制，克服各种现实教学条件的不足，帮助学生更好地理解和研宄教学内容，还可以利用Web3D技术进行虚拟实验室工作，提高学生的实验技能，节省实验用品。[2]

二、建立虚拟实验环境的原则

随着人工智能技术的不断发展，其应用在教育教学的各个方面，虚拟实验也不例外。虚拟实验的智能化将在远程教育中发挥更大的作用。

（一）一致性原则

一致性原则是虚拟实验设计和开发中最基本的原则，即必须符合真实实验中事物的本质，必须符合学生的认知规律。网络虚拟实验在设计开发过程中必须严格遵守这一原则，否则会给学生在远程实验教学中的应用带来错误的认识。

（二）开放性原则

开放性是网络虚拟实验的重要原则，也是网络虚拟实验设计的目的。它可以为学生提供最大的自由度和灵活性。虚拟实验只有在时间、空间、内容、组织形式完全开放的情况下，才能满足实验者的多样化需求，更好地解决网络教学中的实验问题。

（三）交互性原则

如果没有交互，系统只能预先确定对虚拟环境的理解。沿特定路径观察，实验仅起示范作用。差别太大了。虚拟实验的交互作用使学生能够模拟真实的实验操作过程。学生可以通过虚拟实验来提高实践技能。学生可以通过虚拟实验系统提供的各种互动方式，在互联网上交流学习经验、实验方法和实验。

（四）重复原则

重复不是简单的重复，而是指同一信息内容的不同表达。心理学研究表明，相同的信息在不同的时间以不同的形式出现可以增强学生对其内容的记忆和理解。在虚拟实验的设计中，可以充分考虑图表、图像、语音等多种表现形式，使学生获得良好的记忆效果。

（五）结合标准

虚拟实验系统不仅包括学习者，还包括开发人员、服务提供者等。在系统设计和开发，有必要合理划分实验内容和编程技术，考虑各种计算机平台和用户界面标准，编程和组件通信的标准，建立一个统一的设计规范，在未来发展的新功能和当更新设备,它可以更方便来改善系统的性能。

（六）直觉原则

虚拟实验系统在设计过程中需要一个人性化、友好的界面，否则会让学生产生抵触感。实验数据、实验结果、实验现象的呈现要明显直观，学生在第一时间就能感受到实验操作中发生的变化，不能像捉迷藏一样。除了上面提到的一些网络虚拟实验的设计原则外，我们还需要考虑虚拟实验系统的安全性，以及日常虚拟实验系统的管理和维护的便利性，以及虚拟实验在网络上运行的速度。

三、建立虚拟实验环境的方法

虚拟实验系统通常包含以下重要组成部分：

（1）能够处理大量模拟操作数据处理的服务器(如国家计算中心、校内高性能计算机系统、公司研发部门网络计算系统等)；

（2）用于存储仿真数据和实验结果数据的初始条件、边界条件的数据库系统;

（3）联网的科学实验设备和合作工具；

（4）实验处理软件，每个虚拟实验系统都是基于专业仿真软件系统，它们分别用于数据处理、分析、存储和可视化这一过程。

这些部分的紧密结合形成了一个虚拟的实验系统[2]。本文讨论的虚拟实验系统基于Web3D技术。Web3D技术主要应用于客户端，并体现在客户端中。为了减轻客户机的负担，要求客户机的软件环境只能是一个浏览器，并且硬件和网络条件也应该适合当前的介质配置。为了在web浏览器中可视化3D环境，每个可视化3D对象表示一个实验对象。用户可以通过单击和拖动鼠标来执行虚拟实验。

四、不同类型的Web3D技术

web3D可以简单地看作是Web技术和3D技术的结合。它实际上是3D图形技术在互联网上的延伸。它的基本特征是网络化、立体化和交互性。

（一）Cult3D

Cult3D是瑞典Cycore公司推出的一项全新技术。它的基本思想是利用现有的网络技术和强大的3D引擎在网页上创建交互式的3D对象。

Cult3 D的核心是基于Java的。它还可以嵌入到客户自己开发的Java类中， 因此具有很强的交互性和可扩展性。Cult3D包含3个不同的程序功能—— Cult3D导出插件、Cult3D设计器和Cult3D査看器插件。Web开发人员可以 使用在3D设计领域广泛使用的3DSMAX或MAYA设计3D模型。，使用 Cult3D出口商插件转换设计模型，在Cult3D Designer中添加交互、音效等效果到模型中，然后无缝嵌入到HTML页面等应用程序中。用户只需要安 装Cult3D査看器插件。利用Cult3D技术生成的三维模型可以在互联网上实时査看，并可以通过鼠标交互旋转、放大或缩小。从这个开发过程中，我们可以看到开发人员不需要适应新技术，Cult3D可以为用户提供人性化、有组织的开发界面。操作简单直观，大大提高了开发效率，降低了终端用户的成本。Cult3D是一个跨平台的3D渲染引擎，以前所未有的质量和速度为所有互联网用户提供实时交互对象。

（二）Viewpoint

Viewpoint是由美国Viewpoint公司提出的Web3D解决方案。利用其基于xml 的语言框架，不仅可以方便地与浏览器和数据库进行通信，而且可以嵌入大量的软件中，使得Viewpoint的应用非常广泛。用户只需要安装一个简单的免费插件，就可以査看互联网上以流媒体模式传输的3D模型。同时，用户还可以控制旋转、缩放等。与其他解决方案不同，该技术的重点涵盖了 Web3D的所有方面。Viewpoint创建、处理和传输3D图形对象本身，而不是从其他来源导入3D图像。Viewpoint在结构上可分为两部分。一个是用于存储3D数 据和纹理数据的mts文件，另一个是用于描述场景参数和交互的基于xml的 mtx文件。生成的文件格式非常小，加上它的三维多边形网格结构是可伸缩的。和流媒体，这使它成为理想的传输网络。可扩展性是指对象可以根据用户机器的处理速度和调制解调器的速度，自动调整精度等相关参数，以获得最佳性能。通过这种方式，设计师可以开发一个高分辨率的模型来满足用户的不同精度水平。需要减少开发时间。流媒体允许用户査看模型内容，而不必下载所有3D数据，甚至可以在下载过程中与3D对象交互。 它使用专有的压缩技术将复杂的3D信息压缩成非常小的数字格式，同时确保我们的浏览器插件可以快速地压缩这些倍息，重新解释这些信息。它的压缩比比任何现有的三维压缩技术在互联网上。它的文件非常小，使用户可以更快地浏览互联网上的Viewpoint格式对象。在3D映射方面，它使用JPEG 压缩格式来确保文件的纹理不会使3D文件变大。它还具有纯粹的软件质量。实时渲染引擎不需要任何硬件加速设备，渲染效果接近真实世界。Viewpoint的主要应用市场是产品推广和电子商务领域的项目展示。目前Viewpoint己为耐克、索尼、Sharper Image[3]等知名公司提供电子商务和在线广告解决方案。

（三）Atmosphere

Atmospher是图像处理和出版领域的权威地位。Adobe发布了一个基于三维虚拟环境的在线聊天工具，可以通过互联网连接多个用户。它集成了虚拟3D世界的创建、査看和交互。专业的虚拟三维环境开发解决方案。虽然该软件目前还处于调试开发阶段，但由于其独特的光能跟踪算法，使其具有良好的性能在室内空间展示方面具有很大的优势。它值得我们关注。adobeatmosphere 包含3个组件:Atmosphere Builder,它提供了优秀的3D建模技术来构建3D虚拟世界;Atmospher浏览器，一个由Adobe提供的免费浏览器插件(也可以作为一个独立的应用程序运行)，使用户能够浏览Adobe Atmospher所创建的3D世界、浏览器界面;允许用户使用基于文本的界面与adobe atmosphere创建的3D世界中的其他用户进行通信。Atmospher的浏览器操作界面需要注意。是的，Atmosphere 使用了 Viewpoint技术来实现高质量的3D几何压缩和实时渲染，所以在安装 Atmosphere浏览器插件的同时也安装了视点插件。Atmosphere除了提供自己的建模工具Atmosphere Builder来创建一个三维虚拟世界之外，3D创作工 具(如3DSMAX或Lightwave)创建的3D模型还可以导出到视点格式文件(*)。 mts和*。mtx文件)，并导入到Atmospher建设者。同时，Atmosphere也可以表现良好。与行业标准的web内容设计工具(如adobephotoshop和adobeillustrator) 兼容，还可以将标准的web图像格式合并到环境中(如JPEG、GIF和PNG)。 adobeatmosphere力我们提供了一个优秀的虚拟社区解决方案，但由于其处于调试开发阶段，还存在一些不足之处:从建模技术的角度来看，生成的场 景质量还比较粗糙;从渲染技术的角度来看。Atmospher浏览器(5MB)太大，拨号 用户下载时间太长;从短信聊天的角度来看，只支持一对多;只是从可扩展 性的角度来看。浏览器和它自己的播放器不支持嵌入到其他环境中。从服务器端支持的角度来看，Adobe还没有提供处理多用户交互消息的服务器端程序。当前的Atmospher场景仅可用。连接到Adobe的服务器;从操作平台的角度来看，目前的测试版只能安装在Windows操作平台上，只有官方版本可以同时用于Windows和Mac平台。

（四）Shout3D

Shout3D是一种交互式解决方案，用于在互联网上传输交互式3D 图形和动画。设计者可以使用3 ds MAX或其他建模工具来创建基本模型 (包括建模、材质、材料、照明、相机、等等)3 ds MAX输出模型的 Shout3D插件直接Sliout3D .s3d文件格式(其他建模工具的输出作为wrl文件格式),可以使用现有的applet,或根据自己的需求，使用Java或Java脚本开发的 任何互动功能，最后使用“Shout”向导将交互式3D动画发布到互联网上。虽然shout3d生成了一个低质量的场景，但它使用它来提供高交互性，可以很容易地在互联网上开发3D游戏。图4显示了这样一个游戏的示例。 Shout3D是一个基于Java applet的3D图形绘制引擎，也是一个用于web3d图形的生产工具。因为它使用Java技术在web上交付交互式3D图形，当访问 者使用Shout3D浏览页面时，它的内容和播放器同时下载。而且这个播放器是嵌入在web applet程序中的，我们知道Microsoft正和Netscape4_0及以 上的所有版本都可以运行Java虚拟机，所以用户不必担心操作平台的限制。

五、Wed3D技术的优势

学习发生在个人与外部环境的相互作用中。学习者在真实或虚拟再现中的个人体验远比他人的描述和符号所代表的间接体验更为深刻，更有利于意义的建构。Web3d的显著优势在于它能够提供一个高度交互的学习环境。它是一个学习场景工具，可以为学习者提供最接近现实世界的学习。在传统的教育模式中，学生的知识获取主要是通过经验世界和语言文字世界。然而，相应的教育模式并不能很好地将两者结合起来。相反，理论与实践分离的现象经常发生。今天，信息技术创造的虚拟现实世界正在成为沟通前两个世界的重要桥梁。[4]

Web3d具有沉浸性、互动性、想象性的特点。

（1）用户沉浸在浏览器呈现的虚拟环境中。

（2）多感官用户可以感知视觉、听觉等多种形式的信息。

（3）交互性。用户可以使用自然的输入和输出设备，以自然的方式在虚拟环境中操作和接收来自物体或场景的反馈。

（4）真实性。物体在视觉环境中的运动接近物理定律

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