QTVR技術在物理實驗網絡教學中的應用

時間：2024-08-19 05:41:59 計算機網絡畢業論文

QTVR技術在物理實驗網絡教學中的應用

　　摘要：本文就QTVR(QuickTime Virtual Reality)技術在物理實驗網絡教學中的應用問題作了初步探討。首先就其教學優勢作了分析。接著以虛擬儀器為例，說明在物理實驗網絡教學中如何應用QTVR技術。

QTVR技術在物理實驗網絡教學中的應用

　　關鍵詞：QTVR技術，全景，對象，場景，虛擬世界，虛擬實驗室，虛擬儀器

　　正文：

　　QTVR是QuickTime Virtual Reality 的簡稱，是美國蘋果公司Quick Time技術的拓展。它是新一代的、基于靜態圖象處理的初級虛擬現實技術①。它不需要傳統虛擬現實技術所要求的特殊硬件和附屬設備，在普通的PC機或Macintosh機上就可產生相當程度的虛擬現實的體驗。它不需要進行任何幾何造型，只需通過圖像采集系統采集真實世界的圖像、QTVR系統軟件處理離散的圖像，即可完成三維空間、三維物體的造型;操縱普通鼠標、鍵盤即可實現對三維造型的全方位觀察。

　　QTVR有三個核心概念：全景圖像(Panoramas)，對象(Object)，場景(Scene)。全景圖像：是空間中的一個視點對周圍環境的360度視圖，用戶可在全景圖像的360度范圍內任意切換視線，也可在一個視線上改變視角，來獲得距離遠近的視覺效果。對象(物體)：是從分布在以一件物體為中心的立體360度的球面上的眾多視點來看一件物體，從而生成的對一件物體全方位的圖像信息。經QTVR系統軟件的處理，形成用戶可觀察的各個視點。場景：利用熱點手段將一個或多個全景圖像或對象電影進行連接，從而生成的有序集合體。在場景中，用戶可在很多全景圖像和對象電影中漫游。

　　雖然是初級的虛擬現實技術，但是QTVR以其獨特的技術特色與獨特的優勢，開創了多媒體技術與仿真技術相結合的新途徑，為虛擬現實技術的大眾化鋪平了道路。尤其重要的是，它的出現使得建立網絡虛擬實驗室有了廣闊的前景②。

　　身處網絡時代，作為物理教學論實驗物理方向的學生，我們所關注的問題是QTVR技術能為物理網絡實驗教學做些什么? QTVR技術在物理教育領域中已有了廣泛的應用，例如虛擬固體物理中的晶格結構、虛擬核物理中的核反應堆等，在這些理論教學中，QTVR技術都有了極為成功的應用范例;但是在網絡實驗教學方面，國內的QTVR技術應用基本上還處于探索階段。因此，我們想就這個問題做些探討。

　　1978年，在英國牛津召開了一次國際物理教學委員會，討論的主題是“實驗室在物理教育中的作用”。會議認為實驗課的作用之一就是學會使用儀器③�？墒�，傳統的物理實驗教學存在著不重視儀器使用的問題。有的實驗室因為某些實驗儀器價格昂貴而無力購買，因此無法開設一些實驗;有些儀器不可能拆卸開讓學生熟悉內部構造;有些實驗因為樣品存在危險性，由老師演示學生觀摩。以上因素造成學生不能動手實驗，這顯然是與開展實驗的目的相悖的。另外，實驗室大多數實驗都是采用菜譜式教學方式，也就是給出具體實驗步驟，學生依樣畫葫蘆，這就導致學生不重視儀器的構造、功能、和使用方法、參數指標、誤差范圍等。再者，多數實驗的數據采集、數據處理已由計算機系統完成，實驗過程比較枯燥，只是機械地重復對幾個按鈕的操作，學生的興趣普遍不高。

　　此外，目前的物理網絡教學實驗僅提供計算機二維仿真系統，真實感不夠強，不能給人以身臨其境的感覺。因此，綜合以上幾個方面的因素，我們考慮在網絡實驗教學中引入QTVR技術，以期能在一定程度上解決以上問題。

　　那么，在物理網絡實驗教學中應用QTVR技術有哪些優勢呢?首先，由于QTVR獨特的技術特色，使得它在立體空間的展示、立體物體的展示、展品的介紹、虛擬空間的營造與構建、虛擬場景的構造等方面有著獨特的優勢。教育過程的很重要的一個過程就是呈現知識信息，而QTVR在呈現知識信息方面有著獨特的優勢④。我們可以為某些儀器創作配以解說詞和文字說明的三維旋轉體圖片，讓學生在虛擬的實驗室中對虛擬儀器進行隨意地旋轉和任何視覺角度的觀察，以便學生詳盡了解儀器的構造、功能和使用方法，同時達到預習實驗、復習實驗的目的。更重要的是，教師和學生在QTVR創造的虛擬現實環境中，可以沉浸其中，全身心地投入教與學，既生動了課堂教學，又提高了學生的學習效率與積極性。

　　QTVR制作簡單，制作周期較短，制作的可控性也很強，對于物理教師這類非計算機專業人士來說，比較容易掌握其技術;要開發一些簡單的實驗教學軟件應用于網絡教學中，也不至于難度太大。

　　我們初步的工作是制作虛擬儀器，在網上為學生提供真實儀器的各種資料;第二步的工作是構建虛擬實驗室，使教師與學生在網上身臨其境般地完成教學任務。由于時間有限，目前暫時沒能完成第二步的工作，所以在此僅介紹制作虛擬儀器的工作。

　　接下來要陳述的是我們制作虛擬儀器的工作。

　　首先，選擇實驗儀器。我們選擇密立根油滴儀、γ能譜儀等儀器。(我們以密立根油滴儀為例，說明制作過程)。

　　其次，用數字相機獲取密立根油滴儀圖像。我們使用的是Epson PhotoPC 850Z相機，選擇800*600的分辨率，拍下儀器360度自轉的照片，總共拍攝二十四張。在拍攝相片的過程中，可為相片配解說詞。Epson PhotoPC 850Z相機有在拍攝過程中為相片配錄音的功能。

　　上傳圖像。用USB電纜(Epson相機自帶)連接相機和計算機，使用Epson Photo !3 Ver.1上傳圖像，并保存。

　　編輯圖象。我們使用Picture Works公司的Spin PhotoObject軟件來編輯圖像。

　　具體步驟如下：

　　Browse

　　將所有圖片按順序編號(一般需三位以上數字)后放在同一目錄下，在Browse中選中該目錄，此時會將目錄中所有文件列出。

　　Insert

　　如果需要目錄中所有圖片，選Insert All，否則選定所需文件后選Insert Selection

　　Align

　　觀察每一張圖片的位置，使之盡量重合。關鍵是每一張圖片的尺寸大小(長和寬)必須一致，如原圖片太大需要切割，則每一張圖片切割的位置必須完全一致

　　Crop

　　調整八個句柄圍成的范圍大小，其中包含的內容是最后顯示的內容

　　Create

　　建立輸出文檔。注意選擇播放的尺寸。輸出文檔可以是QTVR Object Movie(mov)格式、Quicktime(mov)格式、Movie AVI格式、Animated GIF格式等等。其中最常用是mov格式文件，可用Quicktime Player播放器觀看(含交互性)，若插入頁中，則需要Quicktime Player的插件(Plug In)支持。我們把它插入頁中，用Microsoft FrontPage制作網頁。包含虛擬儀器的HTML文件的地址A:\VRinstruments.files\VirtualInstruments.htm，打開它，可以瀏覽我們所制作的虛擬儀器。

　　Picture Works公司的Spin PhotoObject軟件制作三維旋轉物體，過程簡單、快捷，很容易就可在網上實現360度觀看儀器的目的。

　　以上陳述的是我們在網絡實驗教學中應用QTVR技術的一部分工作。寫出來，希望得到同行們的好建議和批評指正。我們下一步的工作是利用VR Worx(VR Toolbox 公司的軟件)制作擺放虛擬儀器的虛擬實驗室，以期能在網上教學中使師生充分體驗虛擬現實的身臨其境感。

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