基于虚拟现实技术远程教育系统

摘要: 由于传统的教学与网络课程均不能完美的实现与学生大量的教学互动环节，在日益增长的教学需求下，如听觉、视觉、触觉等身临其境的教学需求，虚拟现实技术备受瞩目。虚拟现实技术是一种良好的人机交互技术，利用计算机可以生成二维、三维、四维等虚拟空间，通常广泛应用的是三维空间，而虚拟物体可以按一定的规则去自主运动，使用者通过一定的输入方式可以虚拟互动，促使该物体做出相应的回应。本文提出一种学生在异地可以远程和教师进行身临其境交互的一种系统。
关键字: 虚拟现实技术; 云服务器; 远程教育; 人机交互;6人工智能;
第一章 引言
1.1. 系统开发背景
虚拟现实技术最早可以追溯到美国VPL公司，虚拟现实技术包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）[1]，该技术融入了AI、传感、网络、图形技术，使用者利用专用头盔、专用手套和人体接触传感设备，在网络环境控制下，可以让用户感知模拟的三维环境，并进行交互，使其在听觉、视觉、触觉均能有所反应。其特点包括：多感官感知性、信息交互性、体验沉浸性、虚拟想象性[2]，在传统的教学不能完美的实现与学生大量的教学互动环节，日益增长的教学需求下，如听觉、视觉、触觉等身临其境的教学需求，因此虚拟现实技术用于远程教育系统的开发前景是十分光明的。
1.2. 国内外研究现状
在20世纪60年代虚拟现实技术开始兴起，美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HIT Lab）等许多知名的研究机构。美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。英国主要有四个从事VR技术研究的中心，包括Windustries公司、British Aerospace公司、Dimension International公司、Divison LTD公司等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目上，在VR游戏方面的研究也处于领先地位。我国从20世纪80年代起开始研究VR技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。是国内最早进行VR技术研究、最有权威的单位之一。它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩速度。
直到80年代虚拟现实才开始运用于教育领域,在20世纪90年代，美国最早把虚拟现实技术引入到高等与基础教育建设中。现在中国教育部教育管理信息中心、数字学习与教育公共服务部工程研究中心、百度教育共同编著的《2018中国互联网学习白皮书》指出“互联网+”教育持续发展,VR+教育、AR+教育等获得深入推进。虚拟现实在教育领域中的运用具备巨大的潜力和良好的发展前景,国家政府与各行各业对虚拟现实教育的发展现状与未来发展状况密切关注,已经开展了各项研究,因此设计一种基于虚拟现实技术远程教育系统是十分有必要的[3]。
第二章 系统开发的相关介绍和分析
2.1. 系统设计框图
本文提出一种基于虚拟现实技术远程教育系统设计方法，其中包括教师终端与学生终端，两个终端通过5G或4G网络可靠的TCP协议连接到一个云端中央处理器，通过计算和相应算法对数据进行处理。教师终端包括VR采集模块、数据反馈模块、教师识别模块；学生终端包括数据标注模块、VR显示模块、交互采集模块、学生识别模块如图1所示为系统整体设计框图[4]。

2.2. 具体开发实施方式
云端服务器可以通过阿里云、腾讯云等购买，中央服务器系统要求基于Red Hat Linu系统CentOS 7.3以上。利用远程连接如Xshell登入最高权限ROOT用户，用于架设中央服务器。进一步，通过FTP将写好的C/C++程序通过FTP上传到中央服务器根目录，通过前面所述将云主机安装gcc和g++用于编译程序生成和执行文件，在root权限下，输入命令CD进入根目录，输入g++ suanfa.cpp编译成功后生成可执行文件，直接调用该文件，同时键入后台运行命令，使得该程序稳定运行，中央服务器就配置成功了，该服务器实现教师终端与学生终端之间数据TCP协议通信连接。教师终端用于接受教师终端内各个模块数据信息并处理；VR采集模块用于对教师教学内容进行全景拍摄，并形成交互反馈信息发送给学生终端。教师识别模块用于对教师身份识别并将所识别的结果发送给中央服务器，该模块依托于指纹识别方式进行识别。学生终端的载体则是VR头盔，用于接受学生终端内各个模块数据信息并处理，载体通过局域网wifi方式和学生终端服务器通信。其中学生识别模块也采用指纹识别方式，将识别结果反馈给中央服务器。VR显示模块用于对VR教学视频进行接受并显示；数据标注模块用于学生在VR教学视频观看。此外教师端需要利用移动式摄像头来捕捉画面，为了得到一个便于建模的全景图像，我们采用多个摄像头来采样图像，图像一系列处理后采用LOD模型生成算法建模。如图2。