分布式协同虚拟学习环境的交互技术

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1、分布式协同虚拟学习环境的交互技术Interaction Techniques In The DistributedCooperative Virtual Learning Environment陈敏罗会棣西南师范大学计算机与信息科学学院Tel: 8623-68291609 8623-68254143 Fax: 8623-68254143E-mail: 人机结合以人为主，而高效自然的人机交互技术是提高人机系统的整体效率的关键技术。本文将 CSCW技术与虚拟现实技术结合起来，构造分布式协同虚拟学习环境，提出了一个分布式协同虚 拟学习环境中的多维交互界面模型，为协作者提供以三维动态形式出现的信息环境

2、，使其在这一 环境中具有真实感和沉浸感，改善协同学习环境的用户界面，通过多维、自然的交互更好地表达 情感、协同工作。关键词：协同学习分布式虚拟现实交互技术1弓|言随着计算机及网络、通讯等技术的飞速发展，人类正向高度信息化的社会迈进，网络改变着人类的生活和 工作方式。协同工作技术与虚拟现实技术的结合将引发教育领域的又一次革命，它提供一种完全沉浸式的交互 界面，把网络空间转换为社会空间，通过虚拟社会将人们联系起来，提高协同工作者之间的可感知性和交互性， 使其获得更真实的身临其境的体验。基于此，研究如何加强协同虚拟学习环境中交互的自然性、多维性和丰富 性，成为了一个热点研究领域。2协同学习环境2.1

3、 CSCW计算机支持的协同工作(Computer Supported Cooperative Work简称CSCW)技术是现代计算机技术的一 个分支，它是指一组用户在一个共享的工作环境中协作地完成一个任务SCW技术运用于教育领域更好地体 现了建构主义对教学过程的要求更能突出学习者的主体性和协作性C SCW教学系统具有边界开放性、信息 共享性、自动化支持、工作协同性、分布性、群体感知性等特点。其教学模式如厮示。人A人人一机接口t人一机接口机一机接口2.2当前网络学习环境的局限性（1）缺乏真实的体验建构主义学习环境所要求的知识的建构是在情境中进行积极的连接和反思过程的结果产生的知识是大 脑的产品，

4、是学习者来自于情境的经验及对情境解释的结果这些经验能够在学习环境也能够在真实世界环境 中遇到。而现有的网络学习环境基本上遵循HTTP协议由HTML及相关扩展技术构造，缺乏真实感，其创设 的情境不能将现实世界环境中的特征尽可能忠实地体现在学习环境中。（2）交互缺乏可感知性和自然性基于Internet的协作学习环境应该具备共享的信息资源、交互工具和学习空间（协作空间、个人空间）三 个功能。其中交互应该通道多维、信息丰富、效果良好。目前的网络学习环境在用户界面和交互方式上显得不 够友好，不能很好的满足协同参与者之间的情感表达和协同群体感知缺乏可感知性和自然性，影响协同工作 的效果与效率。（3）学习者

5、的非智力因素没有引起足够的重视现有的网络学习环境不能很好的识别学习者在真实交往中所表现出来的个性差异习者由于各自有不同 的社会、文化背景、知识结构和个性特征，因此，每个人的学习风格、思维方式也有显著差别，而目前的网络 学习环境惟一能标志学习者之间差别的就是系统分配给ID号，这不但不能很好的因材施教，而且学习者之 间也不能相互了解。此外，传统网络学习环境中运用集体的力量促进每个学习者的发展也不能很好的体在良好的协作学习 环境中，学习者之间应能够通过相互观摩共同进步。每个人在各方面的进步或后退都会被同伴所注意和评价， 这些外部评价很能影响其今后努力的方向在协作学习环境中这种积极向上的心理气氛将能够

6、激励其向更好 的方向发展，全面提高每个协作者的自身素质。2.3解决问题的一条思路将协同工作技术和虚拟现实技术结合起来构造分布式协同虚拟学习环境提出一个分布式协同虚拟学习 环境中的多维交互界面模型，为协作者提供以三维动态形式出现的信息使其在这一环境中具有较好的真实感 和沉浸感，改善协同学习环境的用户界面，通过多维、自然的交互更好地表达情感、协同工作。3分布式虚拟现实系统3.1情境化学习理论情境化学习理论认为，所有的学习都应该是情境变化的学习应该发生在真实的情境中，环境是学习者所 不可避免的整体的一部分。在情境中获得的知识和技能反映了这些知识和技能在现实世界所应用的方法。情境化学习理论本质上与建构

7、主义学习理论是一致的亦即认为学习是在原有的基础上通过与环境的交 互，积极地建立新的认识和理解的过程环境对与学习的意义是至关重要的情境化学习理论坚持两条最基本 的原则：一是对知识和技能的学习应当置于一个真实度很高的情境中二是学习需要社会交互与合作。情境化 学习理论的积极倡导者莱夫Lave）认为，学习就其正常的发生的形式来说，应该是情境、文化和学习活动的 共同功能。情境化学习的重要组成部分是社会交互亦即让学习者成为学习团体的一员，团体有共同的信念与 行为。情境化学习常常是无意识的，而不是刻意的。3.2分布式虚拟现实系统简介分布式虚拟现实Distributed Virtual Reality DVR

8、）系统是一个支持多人实时通过网络进行交互的图形系 统。每个用户在一R环境（真实感3D立体图形、立体声等）中通过联网的计算机与其他用户进行交互。 美国国防部制定了DIS （Distributed Interactive Simulation协议，成为DVR的一项标准（IEEE 1278）。目前虚 拟现实技术已在医学、军事、航空、机器人及制造业、建筑、教育及娱乐等众多领域得到成功应用。DVR系统应具有以下5个方面的特征：共享的虚拟空间；伪实体的行为真实感;支持实时交互，共享时钟； 多个用户以多种方式相互通信; 资源信息共享以及允许用户自然操纵环境中的对象。3.3虚拟现实系统的教学功能Rory St

9、uart和 John Thomas认为虚拟现实系统有六大教学功能：（1）帮助学习者探索那些不能接触到的地点和事物，如火星表面；（2）向学习者呈现那些难于观察和测量的事物，如分子结构；（3）为学习者再现那些已经不复存在的事物，如冰河期的地球；（4）为地域上远隔万里的学习者提供合作学习和讨论的环境；（5）将抽象的、深奥的学习内容具体化、形象化；（6）让学生与虚拟的人物进行交流，如与牛顿、伽利略探讨物理。所有应用的关键在于参与，学习者进行推理和问题解决的基础是个案实例和经验，而不是依靠规则的学 习，学习者需要通过与环境的自然交互来建构他们自己的意义世界。此外，从安全性与经济性的角度考虑虚拟现实技术也

10、是一种有效的教学工具虚拟现实有极大的灵活性 和多样性，只要更改计算机内的程序，就可以改变学习者所面临的“现实也就是说，计算机技术可以设计 许多仿真实验，通过输入必要的参数，或者通过学习者交互操作，进行模拟实验，通过输入不同的参数，观察 不同的实验结果，进行分析比较，学习科学探究的能力。4分布式协同虚拟学习环境的交互技术4.1基于事件的VRML交互机制新一代的WEB语言VRML（Virtual Reality Modeling Language是一个三维造型和渲染的图形描述性语言 它把一个“虚拟世界”看作是一个“场景”而场景中的一切都看作是“节点，”它的描述构建通过Internet和 World

11、 Wide Web上的超链接而形成的虚拟世界。这为虚拟现实Internet的结合提供了一条新思路，也为基于 Internet的协同工作的发展提供了一种新的虚拟现实的工作环境和交互技术VRML的基本特征包括：分布式、 交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被称为第二WEB。VRML 2.0标准提供了感应器节点（Sensor来产生事件（Events）以代表用户的动作和要瑚用执行引擎来处 理事件，使对象发生相应的状态改变或动作的变化再通过路由结构（Route）来传递事件和生成动态的场景，实 现虚拟现实动画的人机交互功能。VRML允许用户的行为能够实时作用于场景用户不仅可以在场景中随意漫步甚

12、至可以随时启动一个事 件”，比如碰到了一个物体、旋转灯钮来控制灯光的亮度等等这种人机交互是建立在事件的基础上的通过路 由将节点联系成为事件体系是使/RML具有动态交互能力的机制，如盈所示。初始事件4.2分布式协同虚拟学习环境中的多维交互界面模型为支持人与虚拟环境之间同时使用多种交互方式（多通道）我们建立了一种基于分布式虚拟现实交互的 CSCW应用结构，其多维交互界面模型如图所示。图3分布式协同虚拟学习环境中的多维交互界面模型该模型支持多种人与虚拟环境的自然交互方式，用户可以通过各种输入技术和输入设备表达信息，如语音 技术、姿势输入技术、唇读、表情识别、数据衣、数据手套等。这些输入信息通过信息整

13、合器的整合，然后送 入交互信息管理模块进行处理。交互信息管理模块通过提供一致的接口将可交互改变的信息分离出来，允许系统通过不同的方式对其进 行改变。模块包括冲突检测、协调机制、交互命令。在协作过程中协作者之间必然存在某种和谐的冲突，冲突 检测引擎可以实时检测出各仿真实体之间、仿真实体与静态实体之间的冲突，交由协调机制进行协调，协调过 后就向智能代理模块发出交互命令。智能代理模块中的计算进程负责完成所有非图形类计算操作，何模型管理进程负责对虚拟现实环境中的 所有几何场景进行管理，将处理结果传递给界面信息表示模块控制、修改后进行输出。界面信息表示模块支持多种显示和不同观点因为协作的用户必须知道其他

14、用户的活动所以必须支持给 不同的协作者形象地显示共享的协作信息，并支持对不同视窗上的共享信息做出各种有效的协作操作；对应于 不同级别的信息共享，各协作者往往要求以不同的方式表达。按照交互作用的程度，通常有三种级别的共享方 式：（1）表示级共享（紧耦合）：对于公共信息区的同一信息为用户提供统一的显示输出方式因显示内容改变 时，所有协作成员的显示屏幕都要随之改变。这种通讯共享方式也称为“你见即我见WYSIWIS）。（2）视图级共享（中等耦合：）每个用户使用的显示数据相同但显示方式不同。例如，同一数据可以为用 户表示为图表或图形。（3）对象级共享（松耦合）每个用户使用的显示数据都不相同例如，几个用户

15、可编辑同一文档的不同部分。4.3关键技术4.3.1交互设备三维人机交互技术与传统的WIMP （窗口、图标、菜单和指点装置）图形交互技术不同。它采用六自由度 输入设备。所谓六自由度是指C Y、Z轴平移和绕X、Y、Z轴旋转。目前的交互设备在三维交互环境会破坏 空间感，同时也使得交互过程非常不自然。现有三维设备中被广泛应用的主要有：浮动鼠标ying Mouse）、 数据手套、手持式操作器Wand）、力矩球（空间球Space Ball）等，此外，手势识别、视线跟踪等也成为研 究的热点课题。4.3.2自然的人一机、人一人交互技术要使得协同工作者获得很好的“真实感”和“沉浸感”交互的自然性就显得特别重要，

16、必须使用多通道 用户交互技术，包括自然语言、手势、头部运动等。在分布式协同虚拟学习环境中，除了一般图形系统的人一 机交互之外，还有人一人交互，并且要求是同步交互，实时同步交互的协同工作的同步交互涉及的问题包括同 步交互请求和同步交互检测等，它是才CSCW技术与虚拟现实技术相结合。4.3.3网络通信和网络协议由于在分布式协同虚拟学习环境中要求高交互性和实时性，网络通信的带宽和延时成为系统的主要限制。 另外，一些传统的网络协议不能满知VR系统的需求，必须研究新的面向DVR的网络协议，现有的一个典 型例子是虚拟现实传输协议Virtual Reality Transport Protocols简称VRTP）。4.3.4快速环境建