维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第２期（总第６Ｏ期） 中国观戒苁唷装备 三 维交互技术在虚拟实验中的应用 杨小强 杨雪 吉林大学 吉林长春 １３０Ｏｌ２ 摘 要：本文对三维交互技术进行了简要的介绍，并阐明了将三维交互技术在虚拟实验中应用的学习理论基础、应用现状 和应用策略。 关键词：三维交互技术虚拟实验三维Ｗｉｄｇｅｔ ｓ 虚拟实验，从广义的角度而言，是指区别于实际动手实 由度的增加，使三维交互的复杂性大大提高。 验，通过各种仿真手段实现的仿真实验。目前的虚拟实验大 其次，三维交互方式发生了变化。三维用户界面必须便 都是在二维的实验环境下进行实验，有的只是仅仅把实验内 于用户在三维空间中通过观察、比较和一系列操作来改变三 容在计算机上体现出来，这些手段虽然能够解决一些问题， 维空间的状态。在三维用户界面中，用户主要通过以下两种 但是无法真正体现虚拟实验的优势，做到真正意义上的仿真 交互方式在三维空间中进行操作： 实验。本文所研究的虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟 （１）直接操作 现实等技术实现的各种虚拟的三维实验环境，实验者通过鼠 如同在二维图形用户界面中用广通过鼠标进行直接操作 标的点击与拖曳、键盘的操作等手段对仪器（虚拟场景中的 一样，一个由六自由度三维输入装置控制的三维光标将使三 三维对象）进行操纵和数据处理，如同在真实的环境中一样 维交互操作更加自然和方便。 完成各种预定的实验项目。建构主义心理学认为，学习者只 （２）三维Ｗｉｄｇｅｔｓ 有在特定的情境下，才能真正地完成知识建构。虚拟实验作 另…种被广泛采用的三维交互方式是通过三维Ｗｉｄｇｅｔ进 为传统实验的补充和延伸，无疑最重要的是为学习者创建 行交互操作。三维Ｗｉｄｇｅｔ是从Ｘ—Ｗｉｎｄｏｗｓ中的Ｗｉｄｇｅｔ（如菜 “真实”的学习环境。在虚拟的三维实验环境中，实验者是 单、按钮等）概念引申而来的，即三维画面中的一些小工具， 否能够与虚拟仪器进行有效的交互就成为制约虚拟实验发展 用户可以直接控制它们，使画面或画面中的三维对象发生改 的 要问题。三维交互技术应用于虚拟实验能够有效解决这 变。现有的一些三维Ｗｉｄｇｅｔ包括在三维空间中漂浮的菜单、 个问题。 用于点取物体的手形图符、平移和旋转指示器、透视墙等 最后，三维交互设备不同。它最基本的特点是具有六个 一、三维交互技术概述 自由度 目前，三维交互设备还处于探索阶段，还没有一种输 三维交互技术是指在三维空间中通过计算机输入、输出 入装置能像二维图形界面中的鼠标那样处于主流地位。现有 设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。 的被广泛应用的三维输入设备主要有以下几种： １．三维交互技术的特点 ①浮动鼠标（Ｆｌｙｉｎｇ Ｍｏｕｓｅ）类似于标准的计算机鼠标， 三维人机交互技术不同于传统的ＷＩＭＰ图形交互技术。它 但当它离开桌面后就成为一个六自由度探测器，大多数浮动 有如下几个特点： 鼠标器的内部都装有电磁探测器。Ｌｏｇｉｔｅｃｈ ３Ｄ浮动鼠标利 首先，三维交互技术采用六自由度输入设备。所谓六自 用内构式超声波接受器和具有发射器的固定基座来测量鼠标 由度，指沿三维空间ｘ、Ｙ、ｚ轴平移和绕ｘ、Ｙ、ｚ轴旋转，而现 离开桌面后的位置和方向。这种接收器还可用于虚拟现实系 在流行的用于桌面型图形界面的交互设备，如鼠标、轨迹 统的声音输入。 球、触摸屏等只有两个自由度（沿平面ｘ、Ｙ轴平移）。由于自 ②手持式操纵器（Ｗａｎｄ）手持式操纵器包含一个位置跟 踪探测器和几个按钮，专门适于手中使用。它类似于浮动鼠 标，但没有鼠标球，因此，不能在桌面上滚动。 收稿日期：２Ｏ０７－０９－１ ２ ③力矩球，也称空间球（Ｓｐａｃｅ Ｂａｌ １）手持式操纵器和 作者简介：杨小强，硕士。 浮动鼠标的问题之一是用户必须将设备拿在手中，而力矩球 一一 ＾＼ ‰ — 融 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国砚代黼装各 ２００８年第２期（总第６Ｏ期） 是一种可提供六自由度的桌面设备，它安装在一个小型的固 （２）先进的三维交互设备还没有投入使用，单纯的视听 定平台上，可以扭转、压下、拉出和来回摇摆等。力矩球通 觉感受无法达到实验教学目的。 常使用发光二极管和光接收器进行测量。 （３）三维交互手段单一，基本上在制作阶段已经程序 ④数据手套（Ｄａｔａ Ｇｌｏｖｅ）数据手套可以捕捉手指和手 化，不能给用户带来最大程度的体验。 腕的相对运动，提供各种手势信号。它也包括一个六自由度 （４）虚拟实验开发人员的能力水平、认知程度不一致。 探测器，用以跟踪手的实际位置和方向。 （５）虚拟实验相关研究还不完善，因为虚拟实验涉及到 除此之外，眼动交互技术（Ｅｙｅ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ－ｂａｓｅｄ Ｉｎｔ ｅｒ～ 教育学、心理学、人机工程学、美学等诸多领域。 ａｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）、手势识别（Ｇｅｓｔｕｒｅ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）已 成为学术界的研究热点。 三、三维交互技术在虚拟实验中的应用 ２．三维交互技术种类 策略 三维交互技术主要用于３Ｄ导航、选择／操作和系统控制 虚拟实验环境下，学习者使用三维交互技术与计算机进 等。因此，可以根据它们的功能分为三类：３Ｄ导航技术、选 行交互，以完成多种不同类型的复杂交互任务，如导航、选 择／操作技术和系统控制技术。三维交互技术主要有语音识 择、操作和系统控制等，而且每种任务有可能有多种不同的 别、智能空间定位、指点交互等几种形式。现有的３Ｄ交互技 三维交互技术来实现。学习者操作的界面元素是场景中的虚 术都有一定的局限性。在复杂虚拟环境中，需要继承多种交 拟对象。学习者对虚拟对象的控制和操作不可能仅仅局限于 互技术来适应不同交互任务的特点。 它的功能这一个层级，还可能对其外表、内部构造等特征也 二、三维交互技术在虚拟实验中的应用 有一定的认知和情感需求。在虚拟实验设计时如何合理有效 地利用多种交互技术来达到实验的目的是虚拟实验成败的关 虚拟实验一般为图形界面，操作方便，交互性强，直观 键。随着科技的发展，三维交互设备的成本变得越来越低使 形象，真实准确。其具有以下优点：能模拟宏观或微观领域 得他们在虚拟实验中的运用成为可能。三维交互技术虽然具 中无法用常规实验直接观察的实验；可以反复使用无需消耗 有其明显的优势，然而在虚拟实验设计时，我们不能一味地 材料；可以交互控制实现双向交流；可以扩大实验规模；可 使用新技术、新手段。在使用三维交互技术时，我们应该注 以缩短时间提高教学容量。近年来，随着Ｗｅｂ３Ｄ技术和虚拟 意以下几点： 现实技术的不断发展，虚拟实验也获得了长足的进步。 １．能使用直接操作达到实验时，不追求实用三维 １．三维交互技术在虚拟实验中应用的学习理论基础 ＷｉｄｇｅｔＳ，更大程序上是追求二者的优化配置。 虚拟实验环境下，学习者是学习的主体，虚拟仪器是客 ２．能使用Ｗｅｂ３Ｄ交互手段达到效果的，不提倡使用虚拟 体。虚拟实验环境要能够支持学习者自主、合作、探究学 现实技术手段，避免不必要的成本开支。 习，必要及时地给出反馈信息。无效的操作、反馈的延时、 ３．合理选择交互技术，不能盲目使用技术手段，注意技 虚拟仪器的仿真程度等等都直接影响到学习者的学习效果。 术的特性与实验需要的相关程度。 学习者与虚拟实验仪器的交互和反馈是虚拟实验中的关键环 ４．设计者不能一味使用自己熟悉的技术手段，应该多综 节，没有实现好的交互，学习者的积极性便被打消了，同时 合各技术的特点。 增加了他的挫折感。三维交互技术充分体现了以人为本的现 代教育理念，在虚拟实验中有较大的应用空问。 四、总结 ２．三维交互技术应用现状 三维交互技术由于其能刺激学习者的感知觉、触觉等器 现价段，我国的虚拟实验大都是使用Ｗｅｂ３Ｄ和ＶＲＭＬ技术 官，是学习者获得最大限度的使用体验。因此它能激发学习 创设虚拟实验环境的，Ｗｅｂ３Ｄ中最常用的有Ｊａｖａ３Ｄ，Ｘ３Ｄ， 者学习兴趣并在一定程度上给予反馈。我们可以看出三维交 Ｃｕｌｔ３Ｄ等等。Ｗｅｂ３Ｄ技术主要通过计算机仿真来达到虚拟实 互技术在虚拟实验中有着巨大的应用潜力。但是我们也要看 验情境的创设。主要是因为Ｗｅｂ３Ｄ技术易学易用，在这种虚 到目前三维交互技术在虚拟实验中的应用研究还处于探索阶 拟情境中，学习者能够对虚拟仪器进行操作并获得反馈，学 段，还有许多的问题有待我们去解决。 习者与学习者之间的交流也成为可能。像中国科学大学、中 国地质大学、同济大学和东南大学等高校在建筑、物理实验 等不同领域开发了一些的虚拟实验。 参考文献 虽然三维交互技术（包括Ｗｅｂ３Ｄ技术和虚拟现实技术） ．【１】高永惠．３种ｗｅｂ三维交互技术的分析与比较【Ｊ】．广 在虚拟实验中的应用极大的促进了虚拟实验的推广和发展， 东医学院学报，２００４，３ 但是也出现了一些问题和困难： 【２】薛健，田捷．基于３ＤＷｉｄｇｅｔ Ｓ的三维人机交互平台的 （１）三维交互方式主要是采用直接操作。直接操作虽然 设计与实现【Ｊ】．计算机仿真，２００６，１ 简单、直观、明了，但是当界面里存在大量的信息因素，直 【３】吴国良，马登武．虚拟实现系统中的人机交互技术 接操作则很难达到预期的目的。 【Ｊ】．电光与控制，２００１，３ 缎
