基于虛擬現實(shí)技術(shù)的三維教學(xué)環(huán)境研究論文
摘 要：素描作為藝術(shù)設計專(zhuān)業(yè)的基礎課程，在傳統的課程教學(xué)中，學(xué)生要想更好的觀(guān)察和繪畫(huà)，需要控制好燈光、明暗等因素。用虛擬現實(shí)方法構建的場(chǎng)景能夠更輕松的進(jìn)行交互控制進(jìn)而成為學(xué)生素描教學(xué)中重要的觀(guān)察手段。作者在虛擬現實(shí)技術(shù)應用的基礎上開(kāi)發(fā)的的素描學(xué)習
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素描作為藝術(shù)設計專(zhuān)業(yè)的基礎課程，在傳統的課程教學(xué)中，學(xué)生要想更好的觀(guān)察和繪畫(huà)，需要控制好燈光、明暗等因素。用虛擬現實(shí)方法構建的場(chǎng)景能夠更輕松的進(jìn)行交互控制進(jìn)而成為學(xué)生素描教學(xué)中重要的觀(guān)察手段。作者在虛擬現實(shí)技術(shù)應用的基礎上開(kāi)發(fā)的的素描學(xué)習系統，能起到豐富教學(xué)手段、改進(jìn)教學(xué)方法和提高教學(xué)效率的作用。
介紹
虛擬現實(shí)是從英文Virtual Reality一詞翻譯過(guò)來(lái)的，簡(jiǎn)稱(chēng)VR技術(shù)。Virtual是虛擬的意思，Reality是真實(shí)的意思，合并起來(lái)就是虛擬現實(shí)。這一詞是由美國VPL公司創(chuàng )建人拉尼爾(Jaron Lanier)在20世紀80年代提出的，也稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境，國內也有人譯為“靈境”或“幻真”。虛擬現實(shí)技術(shù)綜合了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，它在多維信息空間上創(chuàng )建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶(hù)具有身歷其境的沉侵感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構思。隨著(zhù)虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展，做為一種新的管理方法和技術(shù)，虛擬系統在項目管理進(jìn)程中正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。首先，由于硬件設備投入非常昂貴，虛擬系統通常被用于那些在現實(shí)生活中比較危險的教學(xué)活動(dòng)諸如軍事、醫療、工程等等。隨著(zhù)技術(shù)的更新和發(fā)展，在基礎教學(xué)中，越來(lái)越多人使用虛擬現實(shí)技術(shù)來(lái)講授科學(xué)、物理、藝術(shù)等等學(xué)科。
虛擬現實(shí)技術(shù)長(cháng)期以來(lái)被用于教育和培訓工作。Hratman進(jìn)一步的使用虛擬現實(shí)環(huán)境來(lái)檢測學(xué)生的空間認知能力。Park et al發(fā)現虛擬現實(shí)技術(shù)制作的地圖能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的空間想象能力。美國芝加哥大學(xué)的電子可視化實(shí)驗室和交互計算環(huán)境實(shí)驗室設計出了一個(gè)名為“美妙(NICE)”的兒童教育作品，它是“敘述性、身歷其境感、合作互動(dòng)環(huán)境”的簡(jiǎn)稱(chēng)，其宗旨是“讓我們在虛擬世界里一起學(xué)習和成長(cháng)”。因此，我們非常有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)教育系統，它能夠幫助教師減少教學(xué)壓力。同時(shí)這個(gè)教學(xué)系統還能夠提高學(xué)生的學(xué)習積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習動(dòng)力，給學(xué)生提供一種直觀(guān)的交互學(xué)習環(huán)境，進(jìn)而能很好的完成我們的最終教育目標。
研究目的
在傳統的素描教學(xué)中，有很多相互影響的因素。教師通常需要去發(fā)現并糾正學(xué)生的種
種問(wèn)題，這會(huì )增加教師的工作量。同時(shí)因為學(xué)生經(jīng)常被動(dòng)的接收建議，這也會(huì )降低他們主動(dòng)發(fā)現問(wèn)題的能力。為了有效的解決上述問(wèn)題，我們研究應用3D虛擬現實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了此款交互式素描學(xué)習系統。
在本次研究中，我們希望通過(guò)開(kāi)發(fā)素描學(xué)習系統最終達到下列研究目標：
(1)通過(guò)應用素描學(xué)習系統的實(shí)時(shí)交互技術(shù)，有效減少教師的教學(xué)壓力，也能夠在一定程度上彌補中學(xué)美術(shù)教師短缺的問(wèn)題。
(2)通過(guò)展現素描學(xué)習系統的趣味性和交互教育功能，能夠有效的吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習積極性。
(3)素描學(xué)習系統的在線(xiàn)學(xué)習功能能打破時(shí)間和空間的限制，同時(shí)虛擬現實(shí)技術(shù)在空間、陰影、材質(zhì)表現等方法具有很大的優(yōu)勢，這些都能有效彌補傳統媒體在互動(dòng)交流方面的不足。
系統構建
本系統由以下三部分組成：
1.第一部分：模型
根據課程目標和課程內容的需求，為了訓練學(xué)生基礎的素描造型能力，我們通常將各種各樣的物體細分成一個(gè)個(gè)基本的單元。這些虛擬模型通常由平面和曲面構成。例如圓錐體、球體、圓柱體是由曲面構成的三維物體，而正方體、四棱錐、六棱柱是由平面構成的三維物體。眾所周知，這兩類(lèi)物體是最基本的`幾何體。使用幾何體的目的在于將復雜的物體分解成簡(jiǎn)單基本單元，比如人頭就可以看做是由球體、圓柱體、長(cháng)方體等基本單元構成的復雜對象。
學(xué)生依靠所學(xué)到的經(jīng)驗，將真實(shí)生活的物體分解成簡(jiǎn)單的幾何體并進(jìn)行重構。這種訓練可以增強學(xué)生在素描繪畫(huà)中的觀(guān)察和分析能力。
2.第二部分：構建虛擬現實(shí)交互操作環(huán)境
為了順應在線(xiàn)學(xué)習的新趨勢，我們可以將素描學(xué)習系統開(kāi)發(fā)成網(wǎng)絡(luò )學(xué)習平臺，學(xué)生可以通過(guò)因特網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習，它可以彌補傳統學(xué)習方法在時(shí)間和空間方面的不足。我們希望通過(guò)消除學(xué)生在自然觀(guān)察過(guò)程中所遇到的各種相互干擾的因素，同時(shí)給學(xué)生提供互動(dòng)的學(xué)習環(huán)境，以此提高學(xué)生的學(xué)習積極性。
我們所開(kāi)發(fā)的系統屬于桌面虛擬現實(shí)系統，這套人機交互系統的硬件設備是屏幕、鼠標、鍵盤(pán)。在軟件方面，虛擬現實(shí)技術(shù)能特供特殊的空間概念，實(shí)時(shí)三維圖片的燈光/陰影計算功能、紋理貼圖計算功能能夠為素描教學(xué)提供一種非常真實(shí)的交互學(xué)習環(huán)境。
3.第三部分：紙質(zhì)練習
我們的研究采用探究式的學(xué)習策略：研
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