浅谈虚拟现实教学软件开发中的交互技术的论文

　　摘要：为了顺应虚拟现实在教育领域的必然发展趋势，提出了基于HTC Vive的教学软件开发，而开发过程的核心就是交互技术的实现，通过对交互设备的分析，从输入设备和输出设备两个方面来进行交互技术的详细研究，并通过交互技术在教学软件开发中提供的理论和技术支持来阐述虚拟现实环境下教学软件开发的必要性与科学性

　　关键词：虚拟现实；反馈；交互；用户界面；教学软件

　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0086-03

　　Abstract： In order to conform to the inevitable trend of the development of virtual reality in the field of education， the development of teaching software Based on Vive is put forward， realizing interactive technology is the core of the development process. By analysis of interactive devices， a detailed study of the interactive technology from two aspects of input and output devices is commissioned， and with the support of theory and technology of interactive technology in teaching software development， expounding the necessity and scientificalness of the development of teaching software in virtual reality environment.

　　Key words： virtual reality； feedback； interaction； user interface； teaching software

　　虛拟现实的出现使得教育手段更加完善，教学环境逐步趋于虚拟化，教学与虚拟现实的结合为教育教学开辟了新的领域，教学方法也更加具备科学性和真实性。如今虚拟现实的迅速发展，无疑将开启一种新的教学模式——身临其境的教学模式，相比传统实验室教学更

　　具备安全性，相比传统的情景式教学更具备情境性。HTC Vive教学软件的开发核心是真实的交互体验，交互技术的实现对于教学效果的体现是成正比的。HTC Vive是基于PC端的，所以交互技术是从输入和输出设备两方面来体现。

　　1 VR中的输入输出设备

　　一个完整的虚拟现实教学软件系统包括五个部分：虚拟学习场景、计算机、VR教学软件、输入设备和输出设备。所以教学中的交互必须在这几个部分中实现，虚拟头显的操作基本已经脱离鼠标和键盘的操作，依靠的是手柄、游戏杆或遥控器等媒介来实现，我们与虚拟世界的连接点在于头显中的视屏和手柄设备，也就是输入设备和输出设备，对于计算机和虚拟世界并没有直接联系，VR软件作为一个媒介连接电脑与设备，所以交互技术最终要实现在输入与输出设备上，输入设备的交互实现主要是通过对设备的触摸、移动和按压等，输出设备的交互实现主要体现在声音反馈和震动反馈等。因此，交互技术的开发主要围绕这两个部分来展开。一个完整的虚拟现实学习系统如下图：

　　1.1 输出设备

　　交互最终的效果体现在对使用者五官的刺激上，基于输出设备的交互方式大多通过听觉来实现，目前为止，只有极少数的虚拟现实设备能够实现对嗅觉与特殊触觉的刺激。这种基于输出设备交互技术在教学中的较为简单的体现就是声音与震动的反馈。

　　1.1.1 声音反馈

　　HTC Vive交互中声音的反馈来自于电脑的声卡的输出功能，外接耳机与音响就是将声卡的输出功能具体化，声音反馈本质上就是一种交互，是人作用于虚拟世界后产生的效果以声音的形式展现出来。这种交互形式相对简单，也是我们平时最为常见的一种交互形式。

　　1.1.2 震动反馈

　　震动反馈看似复杂，但是对于程序的编写人员来说实现却相当容易，引入VRTK工具包就可通过简单的'设置震动的Strength（强度）、duration（持续时间）以及pulseInterval（震动间隔）来调节震动反馈的效果，强度的范围一般为0-3999，所以在不同的场景中，震动的反馈方式可以实现多样化，以呈现出更逼近真实的体验。这种震动反馈也只是简单的触觉体验，而对于在特殊场景下产生的特殊触觉却依旧无法实现。这种震动反馈可应用于教学开发中的直接传递给学习者的一种实质性提示。

　　1.2 输入设备

　　传统的基于移动端或PC端的教学软件交互主要是通过键鼠和屏幕操作来实现，而HTC Vive依赖于输入设备的交互形式主要是通过对输入设备的触摸和按压等，并且HTC Vive虚拟现实设备可通过一种激光定位的形式将捕捉到的动作转换为数据录入电脑，然后通过分析数据将动作在虚拟世界中再现从而实现一种交互，这种交互技术在x-box和一些电视一体游戏机中也有过一定的体现。

　　输入设备是教学软件中交互技术的主要载体，基于HTC Vive的输入设备主要包括激光定位器，头戴显示器和手柄，手柄作为虚拟现实交互的主要媒介也是交互技术开发的重中之重。

　　2 VR教学软件中的交互技术

　　虚拟现实促使教学模式发生改变，交互技术的支持突破了传统的教师掌握课堂模式，学生主动进行学习，有利于创新思维和能力的开发。几种友好的UI界面和立体展示的接近真实的学习环境很大程度上提升了学生学习兴趣，进而提高学习效率。endprint

　　2.1 激光定位技术

　　HTC Vive虚拟现实设备中自带有激光定位器，通过定位器我们可以直接实现场景内外漫游的同步，用户可以很容易实现两种漫游模式，站立式与房间模式，但 HTC Vive激光定位器的内部设计较为复杂，在2016-2017年间，加利福尼亚大学戴维斯分校的一名虚拟现实研究人员Oliver Kreylos详细的分析了HTC Vive的激光定位器，这篇分析涉及了定位器的更新频率与延迟、跟踪抖动、惯性定位推算、漂移校正以及准确度等几个方面，这对于Vive开发人员可以说是非常好的一件事，尽量降低不必要的误差，提高准确率，实现高效率、高精确度、高仿真的交互。这种室内动作和定位的技术对于虚拟实验室这类区域性教学软件的开发有着突破性的价值。

　　实验室教学活动的重要组成部分，亲身实验的效果远比单纯的理论教学更有说服力，并且能够产生更好的学习效果。但是教学实验的时间、空间问题矛盾较为突出。昂贵的设备和实验材料经费是主要矛盾，而基于HTC Vive的虚拟现实实验很好地避免了这个问题，时间不限，足不出户便可实验。同时生物和化学方面的实验危险性也是极其突出的矛盾，而交互技术支持下的虚拟现实实验将没有任何危险性，但是又与现实实验有接近同样的体验。