基于人机交互的虚拟现实仿真教学系统平台开发

陈春铁

摘 要 文章首先分析了基于人机交互虚拟现实技术构建仿真教学系统的优势，从功能层面进行总结，并对传统课堂做出反思。在此基础上重点分析人机交互中的虚拟现实技术在仿真教学系统平台开发中的应用，以及设计研究中需要重点完善的功能层面，帮助全面提升系统运行效果，促进虚拟现实技术在教学系统设计中更好的应用。

【关键词】人机交互 虚拟现实仿真 教学系统开发 平台构建

1 基于人机交互虚拟现实技术的仿真教学系统平台优势

1.1 增强课堂教学的感官体验

利用虚拟现实技术来构建仿真教学系统平台，能够模拟出真实的教学场景，并在教学期间通过虚拟现实技术来对真实的场景进行构建仿真，为学生带来更直观更真实的体验。传统教学模式中存在的课堂教学内容过于枯燥等问题，丰富学生在课堂上的感官体驗后，学生学习兴趣也会有明显提升，为接下来各项教学计划进行建立稳定的基础环境。感官体验是增强学生学习兴趣与知识掌握程度的必备条件，在传统教学模式下学习接触到的知识内容较为单一，引入虚拟现实仿真教学平台后，学生与教师之家的互动也得到增强，教学促进效果明显。

1.2 提高学生学习效率

应用虚拟仿真教学系统后，能够在课堂上向学生分享不同类型的学习资源，充分刺激学生记忆感官，知识点记忆的扎实程度也因此得到提升。仅仅依靠机械式的练习与背诵学习效率并不明显，导致学生处于疲劳学习状态下，学习的知识点只能形成短时间印象，经过一段时间后便会忘记。应用虚拟现实仿真教学系统后，这一问题得到解决，课堂中通过仿真软件来向学生展现丰富有趣的学习资源，包括图片、视频等多种模式，知识点整理也更清晰简明，不但减轻了学生学习压力，同时也更有利于学生形成深刻的印象，牢牢掌握相关知识点。

2 基于人机交互的虚拟现实仿真教学系统平台构建

2.1 硬件结构组成

软件平台设计中首先需要进行硬件组成确定，根据教学任务进行的具体硬件需求来进行差异性选择。信号接收器，用于数据传输过程中的指令控制，实现设计课件通过虚拟现实平台显示。数据手套，佩戴后可以将手势动作捕捉转存到系统平台中，手势识别是教学软件中实现互动的具体部分，关系到最终的教学软件应用效果。立体眼镜是每个学生都需要佩戴的，通过立体眼镜可以观看到近似于真实的仿真效果，实现虚拟现实中的人机互动。硬件设备功能水平则需要根据具体的教学任务来进行比配选择。硬件设备同时也是软件功能实现的一个载体部分，设计出稳定的硬件系统，接下来软件功能实现也能更高效进行。

2.2 软件设计组成

所应用的软件组成包括DivisionMockup2000i2、RapidVRM、Trackd、Pro/E。将所需要的各个软件构建成为如下子集，从而实现软件与硬件系统之间的相互交换，并建立如下的系统组成流程图（见图1）。在该系统中存在人机互动环境，将动作捕捉到虚拟现实教学平台中，所追踪得到的参数需要进行再次整合运算，经过系统内部处理来展现在显示屏幕中，并与现实中的动作保持一致，这样的环境下所进行的各个系统内部控制模型构建，软件组成按照图中的功能实现流程来进行，现实设计中还需要体现出硬件与软件关于功能上的配合形式。系统启动后软件部分会自动运行，并对最终所得到的各项参数进行整合计算，达到教学任务所需要的标准。

3 实现虚拟现实仿真教学系统平台设计的关键技术

3.1 三维建模

实现该技术首先需要进行三维建模，为接下来的系统平台运用建立是适合的视觉平台效果。三维建模需要在系统平台基础上来进行，观察所需要的各类功能，以及在功能基础上需要继续深入构建的数据资源。按照接下来需要实现的控制功能进行现场建模处理，按照图2中的流程图构建程序运行模型，实现不同流程同样需要在数字建模基础上来开展，根据信息数据传输中的指令需求来进行接下来的传输端口对接，避免出现数据传输中断的现象。面对不同的数据传输量在三维建模中也要做出明显区分，观察各个端口中所需要继续深入完善的功能。三维模型建立更要结合object_adapters_11.0软件来实现现场功能操作控制，构建出现实中需要的三维场景。

3.2 数据转换

数据转换是针对现实录入与虚拟场景之间来进的，根据教学软件应用中所产生的请求来进行数据传输对接，数据转换功能实现需要外设软件与内部控制软件同时配合完成。随着外设设备中所产生的数据，软件系统会自动做出匹配，将数据转换成为一种教学系统内可以识别的软件，从而达到最佳数据转换效果。对于不同设计方案中所存在的数据转换效果，还需要结合实际使用场景来分析使用，达到内部控制作用。虚拟现实仿真教学系统内所构建出的场景是完全按照现实比例来处理的，因此数据转换任务进行也十分重要，关系到最终的设计理念，以及系统内需要继续深入完善的部分。数据转换是单项进行的，不仅要针对转换过程中共的程序设计来进行，更应该体现出教学期间对软件功能的使用需求，将数据处理成为教学期间所需要的内容。选择trackd.conf文件，在数据转换过程中自动修复，并实现与转换场景之间的相互交换，达到系统中的现实模拟效果。

3.3 操作识别与命令获取

这对这部分功能进行设计，要建立起教学数据库，并在网络平台中获取资源，使数据库中包含的资源更加全面。需要注意的是信息获取安全性，以及使用中存在的安全隐患问题，充分构建现场的操作识别指令，并在命令获取基础上来启动相关功能模块，教学任务开展期间才能充分利用系统内部功能，完成相关指令构建。图3中的设计图为单通道中的被动立体显示原理图，构建现场控制指令，采用单通道的模式来进行现场控制原理构建，丰富控制指令达到更理想的运行使用效果。设计教学系统平台要考虑转换部分的数据处理能力，是否能够达到最佳使用效果，避免实际操作处理中出现运行能力不足的现象，影响到最终的功能实现。操作识别与命令获取均建立在单通道系统基础上，对数据进行更高效识别，从而转换成为相关命令指令。

4 结语

综上所述，该技术可以对真实世界的行为活动进行仿真，并对用户的位置、姿态、语言等做出实时响应，借助一些交互设备可以使参与者以接近自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而使参与者和虚拟环境之间建立起实时的交互关系，产生与真实环境中相似的感觉体验，将其应用在教学系统构建开发中，可帮助营造出高效学习环境。

参考文献

[1]李婷婷，刘石，陈发禄.沉浸式虚拟校园仿真系统开发及关键技术研究[J].微型机与应用，2017，36（01）：79-82.

[2]王鑫元.基于VR的配电检修仿真培训系统研究[J].自动化与仪器仪表，2017（08）：58-60.

[3]陈静.关于虚拟现实技术实验教学改革的探讨[J].科技经济导刊，2017（12）.

[4]谢敬伟.分布式虚拟现实交互仿真系统研究[D].浙江大学，2017.

[5]刘欢乾.基于虚拟现实的冲床仿真系统研究与开发[D].浙江大学，2017.

[6]牟洋，杨磊，张福海等.手部康复机器人的人机交互系统设计[J].机械与电子，2017，35（07）：69-72.

[7]冯蕊，刘成，李磊民.虚拟现实HPGeγ能谱仪操作平台设计[J].核电子学与探测技术，2017（03）：257-261.

[8]卢兴泉.手势交互技术在机舱虚拟现实中的应用研究[D].大连海事大学，2017.

[9]蔺薛菲.虚拟现实三维场景建模与人机交互应用技术研究[J].艺术与设计：理论版，2017（04）：100-102.

[10]戴鹏.基于虚拟现实技术下的界面设计[J].中国科技投资，2017（11）.

作者单位

北京知感科技有限公司 北京市 100085