虚拟现实技术在数字化校史馆中的应用研究 ——以贵州师范学院数字化校史馆建设…
【摘要】随着现代文化对地域文化的冲击和传统人文精神的缺失，人文文化精神的传承、历史文化遗产和非物质文化遗产的保护成为当前国内的一个研究热点，同时近几年人文资源的虚拟化和数字化，越来越受到教育界的关注，尤其是以虚拟现实为主导的Web3D技术为网络教育的发展提供了更加逼真的学习环境，基于此本人以贵州师范学院数字化校史馆为例，探讨虚拟现实技术在数字化校史馆中的应用。
【关键字】数字化校史馆；虚拟现实技术；应用研究
一、数字化校史馆与虚拟现实技术
校史馆是陈列学校发展历史、展示学校办学过程和不同时代学校面貌的场馆；是学校传统与校园文化的集中表现的舞台；是学校博物馆，能把学校的文博全景陈列；是学校的荣誉室，是学校教育教学成果的荣誉展览室；是学生德育教育基地，即通过校史馆的陈列与展示，成为学生德育教育和人文教育的基地。
虚拟现实技术具有沉浸性、想象性和交互性的三大特征，与传统的二维技术相比，在视觉、听觉和触觉方面具有更强的吸引力，尤其是分布式虚拟现实技术可以把分布在不同地理位置的人整合在一个虚拟环境中，实现共享资源、相互交流和协作，从而使虚拟环境变得更加有趣，更加具有沉浸性。虚拟现实技术的运用，给浏览者来视觉上的冲击力，图像、声音等多媒体的加入，使得展出更加生动、有趣，让参与者体验校园的历史变迁演绎，同时数字化校史馆的建设，有利于促进学校传承和发扬优良的教育教学传统，有利于学校不断积淀校园文化、创新校园文化和形成办学特色。
二、数字化校史馆的系统架构设计
数字校化史馆系统采用主流的浏览器/服务器（B/S）结构，如图1所示。
图1数字化校史馆的系统架构
为了满足浏览者利用IE浏览器就可以进行灵活的浏览操作。服务器端需要配置Web服务和Java制作的Server服务应用程序，客户端需要在IE浏览器中安装三维浏览插件（BS Contact Vrml-X3D或者Cortona）和安装Java制作的Client客户应用程序。
三、数字化校史馆功能模块的制作
数字化校史馆功能模块具体制作中，主要用Autodesk3ds
Max 2013建模技术来实现虚拟场景，用Avatar Studio软件来制作虚拟替身，用Java 9.0语言编写的服务器端和客户端应用程序来实现浏览者浏览、操作和视音频传输。
1、三维数字场景的制作
在数字化校史馆中，各种三维场景均采用Autodesk3ds
Max 2013软件来构建三维数字场景。三维场景中的对象及其属性用节点(Node)描述，节点按照一定规则构成场景图(Scene Graph)。场景图中的第一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象，按照层次体系组织起来，反映境界的空间结构；第二类节点用于事件产生和路由机制，形成路由图(Route Graph)，确定三维场景随时间的推移如何动态变化。
2、虚拟替身人物的制作
虚拟替身人物代表着三维场景中的浏览者，是浏览者能够以沉浸方式进行学习活动的一个主要因素。现有的虚拟替身均采用Blaxxun公司的Avatar机制标准，可以使用Avatar Studio软件来进行制作。在Avatar Studio软件中，每一个虚拟替身的关节点模型(Joint Model)简化为头、手、手臂、脚、腿、身体上部和身体下部等七个部分。在制作过程中，利用软件提供的相应工具可以设置虚拟替身以上身体部位的动作动画。
3、视音频传输的实现
Java编写的服务器组播程序可以使得浏览者之间进行视音频数据交互，并且通过 SAI 接口将这些操作写入虚拟场景文件中，从而实现多用户的虚拟替身分布式实时同步，其中视频线程接收视频数据包进行解压缩及回放；音频线程接收音频数据包进行解压缩及播放。
·发送端：在主线程中，启动视音频两个线程分别对视音频进行采集，放入视音频缓冲区，同时监听客户端的连接请求，收到连接请求，建立信令通道（TCP连接），通过信令通道，向服务器分控中心发送播送地址及端口号，同时对应视音频两个线程，利用建立的视音频数据通道（UDP），对视/音频进行压缩编码、组播发送，实现视音频的双向传输。
·接收端：在主线程中，向发送端主机发出连接请求（CALL），三次握手建立信令通道（TCP连接），接收到组播地址及端口号后启动视/音频两个线程，完成建立视音频数据通道（UDP），加入视音频播组，接收压缩视音频包并解码显示和播放，从而实现视音频的双向传输。
三、数字化校史馆功能的实现
浏览者利用IE浏览器进入数字化校史馆时需要安装Vrml插件。Vrml插件既是浏览器，还是独立运行的应用程序，也是实时3D着色引擎，支持Nurbs曲线，粒子效果，雾化效果，支持多人的交互环境。同时要使用视频语音功能还需要安装视音频客户端应用程序以及麦克风和视频摄像头等硬件设备。
图2数字化校史馆的运行界面
数字化校史馆浏览器的运行界面如图2所表示，其中图中1部分是虚拟场景和虚拟替身显示页面；图中2部分是用户视频画面显示窗口；图中3部分是用户列表显示页面；图中4部分是语音控制面板；图中5部分是综合控制面板。
四、虚拟现实技术在数字化校史馆应用的意义
在数字化校史馆中，学生可以实现数字漫游，看到和现实一样的景象，比空洞的实物更有说服力。利用虚拟现实技术构建虚拟环境有望实现教育界理想的“寓教于乐”的学习效果。利用虚拟现实技术构建面向人文教育的数字化校史馆，以三维空间向量形式表示各人文教学模型体和位置相对关系，有效地节约了现实人文资源建设的成本，同时为浏览者提供了一个高度沉浸的网络学习环境，对历史文化遗产的保护和与人文精神在中小学的传承和发展具有重要的意义。
五、结束语
随着Web3D虚拟现实技术的发展和在人文教育中应用的深入，人文教育虚拟学习环境必将朝着三维虚拟社区化方向发展，对于提高学生的学习积极性和学习兴趣，有着积极的作用。数字化校史馆通过模仿现实的人文环境来构建高度沉浸性三维虚拟环境，将分布在不同地域的浏览者合成在3D虚拟环境中来进行交流和协作，增加了学习的趣味性，改善学习效果，提高学习效率。
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