【文章內(nèi)容簡介】 行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)和導(dǎo)航偏差。4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)如果多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目是由美國國防部推動的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)，它是美國國防高級研究計(jì)劃局1980年提出的SIMNET計(jì)劃的產(chǎn)物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運(yùn)行在同一個(gè)虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習(xí)。3．問題的提出和研究的方向建構(gòu)主義認(rèn)為[2]，學(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)習(xí)者可以在其中進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)的場所。在此環(huán)境中學(xué)生可以利用各種工具和信息資源來達(dá)到自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在這一過程中學(xué)生不僅能得到教師的幫助與支持，而且學(xué)生之間也可以相互協(xié)作和支持。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和學(xué)習(xí)環(huán)境強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，不僅要求學(xué)生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構(gòu)者[2]；建構(gòu)主義認(rèn)為[2]，學(xué)習(xí)總是與一定的社會文化背景即“情境”相聯(lián)系的，在實(shí)際情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以使學(xué)習(xí)者能利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)去同化當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識，從而賦予新知識以某種意義；通過“同化”與“順應(yīng)”達(dá)到對新知識意義的建構(gòu)。在傳統(tǒng)的課堂講授中，由于不能提供實(shí)際情境所具有的生動性、豐富性，因而將使學(xué)習(xí)者對知識的意義建構(gòu)發(fā)生困難。認(rèn)知靈活性理論（Cognitive Flexibility Theory，CFT）提出：復(fù)雜的知識通過在新的實(shí)例情景中的靈活應(yīng)用，可以學(xué)習(xí)的更好。情景認(rèn)知理論（Situated Cognition Theory，SCT）認(rèn)為認(rèn)知過程基本上是建立在活動情景之中的。SCT十分重視活動的性質(zhì)和參與者在真實(shí)情景中有意義有目的的行為。按照這種觀念，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)是針對學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)而非教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)。在教學(xué)時(shí)，我們要盡量創(chuàng)建一種較真實(shí)“情景”，鼓勵(lì)學(xué)生在其中自由地學(xué)習(xí)和探索，以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行意義的建構(gòu)。教育是一個(gè)傳授知識的過程，通過親身經(jīng)歷能加速這一過程和鞏固所傳授的知識，為此而設(shè)計(jì)的很多方法中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最有效的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著不可替代的、令人鼓舞的應(yīng)用前景，因?yàn)樗试S學(xué)生與現(xiàn)有的各種信息發(fā)生交互作用，學(xué)生可以在仿真過程中經(jīng)歷不同的時(shí)間和空間、可以與各種仿真物體接觸、還可以與虛擬境界的各個(gè)部分接觸。其科目范圍可以從歷史到科學(xué)，非常廣泛。將世界上各種教育虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，這對增強(qiáng)學(xué)習(xí)實(shí)踐提供了數(shù)不清的途徑。在體育課上，學(xué)生可以進(jìn)入仿真環(huán)境，去親自實(shí)踐一位NBA冠軍隊(duì)員蘭球場上的表演。在物理課上，學(xué)生可以參與一種科學(xué)可視化，使得他（她）可以在一個(gè)虛擬境界內(nèi)去發(fā)現(xiàn)各個(gè)物理定律；在文學(xué)課上，學(xué)生可以接受虛擬的莎士比亞的拜訪，而且，這位虛擬的莎士比亞可以親自對他講解他的話劇。在醫(yī)學(xué)上，學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)對人體作各種醫(yī)療實(shí)驗(yàn)；在化學(xué)教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓學(xué)生在分子級或原子級操縱物質(zhì)模型，可以進(jìn)入有毒的空間參觀。各種應(yīng)用，幾乎不可勝數(shù)。例如，在美國達(dá)特茅斯醫(yī)學(xué)院開發(fā)的“交互式多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”，可使醫(yī)務(wù)工作者體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何對各種戰(zhàn)地醫(yī)療的實(shí)際情況作反應(yīng)。利用該系統(tǒng)，實(shí)習(xí)者可以感受由計(jì)算機(jī)仿真產(chǎn)生的各種傷病員的危險(xiǎn)癥狀，可從系統(tǒng)中選擇某種操作規(guī)程對當(dāng)前的傷病情況進(jìn)行處理，并可立即看到這種處理所產(chǎn)生的后果。系統(tǒng)還可以仿真各種外科手術(shù)，包括一般的開刀直至復(fù)雜的人體器官替換。這樣，醫(yī)學(xué)院的大學(xué)生不必冒任何醫(yī)療事故的風(fēng)險(xiǎn)就可以反復(fù)實(shí)習(xí)手術(shù)中的各種實(shí)際操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育的另一個(gè)典型例子是在化學(xué)教育中的應(yīng)用。北卡羅萊納大學(xué)的科學(xué)家們研制了一種可以讓用戶用手操縱分子運(yùn)動的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶戴上頭盔并通過數(shù)據(jù)手套進(jìn)行控制，可以使分子按某種方式結(jié)合在一起，這種不僅在教學(xué)上很有效，而且在科研上也有重大價(jià)值，因?yàn)榘葱路绞浇Y(jié)合在一起的分子結(jié)構(gòu)很可能成為治療某種疾病的新藥或工業(yè)上所需的特殊材料。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對不同級別的學(xué)生都是有利的，包括小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巨大潛力的限制往往來自學(xué)校的校長和老師、以及可以得到的資金。由于設(shè)備昂貴，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是應(yīng)用于少數(shù)高難度的軍事和醫(yī)療模擬訓(xùn)練，以及一些研究部門，一些很具有應(yīng)用前景中小單位，如學(xué)校等，往往是由于無法購置這些昂貴的設(shè)置，只能望而興嘆。目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的理論方法仍然集中在硬件和配套軟件的研究上，系統(tǒng)需要采用專用設(shè)備如：頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、高分辨率圖形工作站等。這些昂貴的設(shè)備是普通單位難以企及的。如果采用360度全景攝影所獲得的素材，通過情景仿真處理并采用先進(jìn)的圖形壓縮與還原算法，完全有可能實(shí)現(xiàn)逼真度很高的虛擬現(xiàn)實(shí)情景，而且也可以交互，但卻不需要頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、高分辨率圖形工作站等專用設(shè)備，只需要普通Pentium微機(jī)和Windows運(yùn)行環(huán)境就能實(shí)現(xiàn)，從而有可能使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)走出高級研究院與大學(xué)的“象牙塔”，逐步普及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域甚至中小學(xué)，這對我們這個(gè)經(jīng)濟(jì)還不算富裕的國家來說無疑是有重大意義的，這也是本研究的實(shí)際意義所在。正是因?yàn)橐酝奶摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)過分依賴于昂貴的專業(yè)設(shè)備，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域具有其他媒體不可比擬的“真實(shí)性”優(yōu)勢，但卻不能廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。這次研究我們使用基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（QuickTime VR）來開發(fā)一種網(wǎng)絡(luò)課件的寫作系統(tǒng)。它在技術(shù)上有它自己獨(dú)特的特色，它在三個(gè)方面優(yōu)于普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：首先，在環(huán)境要求上，普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要特殊的專用設(shè)備，如頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、高性能的圖形工作站等，價(jià)格昂貴難以普及，而本系統(tǒng)對硬件沒有特殊要求，在普通微機(jī)上便可實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它的成本極低，能夠得到廣泛的應(yīng)用。其次，從目前國內(nèi)外現(xiàn)有VR系統(tǒng)上來看，都采用計(jì)算機(jī)生成圖像的方式來建立三維模型，圖像的分辨率、質(zhì)量、復(fù)雜度、真實(shí)性都不是很高，復(fù)雜場景造型數(shù)據(jù)量巨大，而且常常由于場景的快速切換出現(xiàn)抖動和延遲。而本系統(tǒng)采用360度全景攝影照片作素材，所以圖象質(zhì)量高，立體效果好，因?yàn)槭歉鶕?jù)真實(shí)世界影像來進(jìn)行三維建模，因而真實(shí)性極強(qiáng)，另外，本系統(tǒng)采用先進(jìn)的圖像壓縮與還原算法，不僅使造型數(shù)據(jù)量小，而且在空間呈獻(xiàn)時(shí)，沒有很大的延遲；第三，目前大部分VR系統(tǒng)的制作都需要復(fù)雜的編程來生成三維模型、檢測特殊外部設(shè)備的狀態(tài)及反饋、進(jìn)行交互控制等，這就限制了普通人涉及這個(gè)領(lǐng)域的開發(fā)。而本系統(tǒng)使用的QuickTime VR電影的生成模式為拍攝224。 數(shù)字化（掃描）224。 圖像縫合224。 生成場景，使得素材的準(zhǔn)備工作變得非常簡單。第四，QuickTime VR在軟件的支持下，支持網(wǎng)絡(luò)功能。因此利用本課件寫作系統(tǒng)開發(fā)的多媒體教學(xué)軟件，還可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)向全世界發(fā)布。由于Internet具有影響范圍廣，能夠方便快捷的傳遞信息，具有近乎實(shí)時(shí)的交互性，本身又是一個(gè)巨大無比的信息庫等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用Internet作為遠(yuǎn)距離教育的新型手段，為我們解決傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離教育模式中存在的問題帶來了希望。三、國內(nèi)、外在該領(lǐng)域的研究成果概述1．國外情況利用實(shí)景建立虛擬環(huán)境，這個(gè)想法在70年代就產(chǎn)生了。1978年，MIT的媒體實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一個(gè)稱為Aspen Movie Map的項(xiàng)目，首次利用了實(shí)景，通過開車穿行ASPEN這個(gè)小城市的街道，四架攝像機(jī)同時(shí)拍攝了四個(gè)方位的照片，將這些照片連接起來，然后裝入到模擬的視盤中，并在每個(gè)街道的路口加入了分支的交互手段。播放時(shí)，用戶可以通過觸摸屏和游戲桿來控制自己旅游的速度和去向，就象自己開車在這小城里游玩。對小城的一些有名建筑，還能在那里停下來存有關(guān)的資料（資料可以是圖象，聲音，文本，視頻……）。同時(shí)，提供了一張鳥瞰圖作為導(dǎo)航圖，用來標(biāo)志用戶地點(diǎn)，提示關(guān)鍵場所和出局信息。1991年，Apple公司的人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)組(ATG)建立了一個(gè)基于實(shí)景的成象環(huán)境，(Navigable Movie)，接口稱為航行電影播放機(jī)(Player)，通過他們用戶能進(jìn)人虛擬空間。ATG以俄羅斯某一皇宮為原型，創(chuàng)建了一虛擬宮殿，用戶在虛擬宮殿里游玩就象真的一樣。因?yàn)轱@示器每時(shí)刻只能顯示一部分景象，所以在這里還能通過全局圖象來指導(dǎo)用戶交互，目的是給用戶提示上下文信息，讓用戶具有對景象的整體感和先驗(yàn)知識，利用實(shí)景像已為全景視頻的發(fā)傳打下了基礎(chǔ)。1994年6月，Apple公司開始推出全景視頻產(chǎn)品QuickTime VR，第一次使人們領(lǐng)略了具有照片質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。它把環(huán)繞一若干張邊緣稍有重疊的照片圖象，利用軟件將它們粘結(jié)在一起，組合成一張無平滑的360度全景圖象，它通過超文本系統(tǒng)HyperCard來制作熱點(diǎn)，將不同視點(diǎn)的全景圖象進(jìn)行連接。其全景圖象在壓縮過程中被分成768*104大小的塊，存儲為標(biāo)的QuickTime MOOV文件。初始時(shí)只裝人全景圖象的一部分，移動時(shí)再調(diào)人相應(yīng)的塊。它能模擬人在空間的行，向四方觀望，還加人了聲音的效果。QuickTime VR的寫作工具運(yùn)行在Macintosh微機(jī)上。Microsoft公司在1995年3月開發(fā)了基于Windows的全景視頻Surround Video。兩者功能基本相同， Video是利用硬件，直接通過全景照相機(jī)得到全景圖象。其全景圖象被分為只有4象素寬的塊，不壓縮存儲為Striped DIB文件，顯示時(shí)調(diào)人相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊即可。目前，國外對于基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)QuickTime VR的應(yīng)用還僅僅停留在游戲開發(fā)領(lǐng)域和風(fēng)景介紹領(lǐng)域。微軟公司出品的微軟百科全書Encarta Encyclopedia中的Virtual Tour就是應(yīng)用了基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將世界各地的名勝古跡做成全景電影，足不出戶便可以飽攬世界風(fēng)光。電影中各場景之間通過熱點(diǎn)相互連接，觀眾可以根據(jù)自己的意愿在電影中選擇觀看自己感興趣的東西。同時(shí)，該軟件還為電影中的每個(gè)場景配有一張導(dǎo)航圖，在導(dǎo)航圖中，觀眾可以看到自己在場景中位置，以免迷失在這個(gè)虛擬空間中。將基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的研究還剛剛開始，尤其是在教學(xué)軟件中直接使用基于實(shí)景照片的QuickTime VR技術(shù)。2．國內(nèi)情況目前，國內(nèi)在基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的研究還處于起步階段，據(jù)資料調(diào)研，上海龍華博物館與新加坡合作，利用QuickTime VR技術(shù)建立了一個(gè)虛擬博物館，用戶可在計(jì)算機(jī)前參觀博物館中的各個(gè)展館，每一個(gè)參觀點(diǎn)都可以在空間360度范圍內(nèi)觀察，對于感興趣的物體，用戶還可將它拿起來，對它進(jìn)行轉(zhuǎn)動參觀，就象圍繞展品參觀一樣，在觀察過程中，用戶還可以向前或向后，可獲得視角大小不同的效果。另外，國防科技大學(xué)和清華大學(xué)都有類似的研究，清華大學(xué)的一個(gè)研究成果可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際拍攝效果中振動的消除，還可使得實(shí)拍的場景中前景虛化，類似透視拍攝的效果。國防科技大學(xué)研究的超文本視頻系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同實(shí)景之間的切換，在觀察實(shí)景時(shí)，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航式瀏覽。四、QuickTime VR技術(shù)開發(fā)與研究的技術(shù)基礎(chǔ)1．QuickTime基礎(chǔ)QuickTime是蘋果公司提供的系統(tǒng)級代碼的壓縮包，它擁有C和Pascal的編程界面，更高級的軟件可以用它來控制時(shí)基信號。在QuickTime中　時(shí)基信號被叫做影片。應(yīng)用程序可以用QuickTime 來生成，顯示，編輯，拷貝，壓縮影片和影片數(shù)據(jù)，就象通常操縱文本文件和靜止圖象那樣。除了處理視頻數(shù)據(jù)以外，動畫圖象，矢量圖，多音軌，MIDI音樂，三維立體，虛擬現(xiàn)實(shí)全景和虛擬現(xiàn)實(shí)的物體，當(dāng)然還包括文本。它可以使任何應(yīng)用程序中都充滿各種各樣的媒體。QuickTime是建立在一些與時(shí)基數(shù)據(jù)相關(guān)的概念基礎(chǔ)之上的：原子(Atom)、媒體結(jié)構(gòu)(Media structures)、組件(Component)、時(shí)間管理(Time management)、動畫圖象(Sprites)。① 原子QuickTime的原子是QuickTime用來構(gòu)建等級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本容器。新創(chuàng)建的QuickTime原子就象樹的根。隨后的每個(gè)原子都包含在其中并且包含數(shù)據(jù)和其它原子。如果一個(gè)QuickTime原子包含其它原子，就被叫做父原子，包含在其中的原子就叫做葉原子。應(yīng)用程序和其它各種軟件也可以用QuickTime原子結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)。② 媒體結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的視頻由連續(xù)的數(shù)據(jù)流組成。QuickTime影片可以按同樣的方法構(gòu)建，但它不需要這樣做：QuickTime影片可以由取自不同來源的數(shù)據(jù)流組成，例如模擬視頻、存在CDROM上的靜止圖象和MIDI音樂。影片不是媒體，而是媒體的組織方式。QuickTime影片通常是由許多軌道組成的。軌道不包含影片數(shù)據(jù)，它僅僅包含這些數(shù)據(jù)的索引，而真正的數(shù)據(jù)內(nèi)容則存在于其它地方。這些數(shù)據(jù)索引組成了軌道的媒體結(jié)構(gòu)。每個(gè)軌道都包含了一個(gè)獨(dú)立的媒體結(jié)構(gòu)和一個(gè)編輯列表，編輯列表用來以時(shí)間順序安排媒體結(jié)構(gòu)。媒體結(jié)構(gòu)和編輯列表是做為QuickTime原子來實(shí)現(xiàn)的。③ 組件QuickTime支持組件使應(yīng)用程序不需要知道QuickTime用什么技術(shù)和設(shè)備來工作的。許多QuickTime服務(wù)，例如壓縮和解壓都是組件來提供的。組件包括代碼，它可以在整個(gè)系統(tǒng)中使用，也可以局部于一個(gè)特定的應(yīng)用程序。每個(gè)QuickTime組件都實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的