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VR和MR的虚拟学习环境
摘要
该论文研究教育用途的虚拟学习环境，其中包括学习的要点、训练和环境。我们在虚拟现实和增强现实的基础上分析虚拟学习环境最先进的研究。对于在教育和仿真的用途方面一些例子是形象的。这些说明展示了虚拟学习环境能够作为加强、激发学习者对于具体事件的理解的途径，尤其那些对于指导学习的传统概念已经证明是不适当的或是困难的。此外，使用者可以通过使用虚拟环境在一个快速巧妙的模式下学习。
关键词：虚拟现实，混合现实；合作/协作；虚拟学习环境；娱乐性
1、介绍
虚拟现实是计算机图形学系统的应用，在3D交互式电脑环境下，结合了各种显示和接口装置，提供了沉浸式的效果。我们把这样的环境称为虚拟环境。对VR和VE应用的研究与开发，可以在世界各地的许多地方找到。
混合现实指的是合并了虚拟计算机图形对象称为一个真实的三维场景，或者选择性的将现实生活中包含的元素加入到虚拟环境中。前者通常被称为增强现实性，后者是增强虚拟性。Azuma定义的这三个特征是不可或缺的增强现实的接口。首先，它结合了现实和虚拟。其次，它是实时交互的。第三，它是注册在三维空间的。
VR和MR被认为是一种具有促进学习力量的技术突破。VR/MR技术的在教育方面的研究和应用，丰富了教学形式和学习当前的教育策略。VLE不仅提供丰富教学模式和教学内容，而且对提高学习者分析问题的能力和探索新概念也有帮助。整合了浸入式的、交互式的和想象的优势，它构建了一个可进入的共享虚拟学习空间，所有的学习者都居住在虚拟社区中。
基于VR/MR技术，学习情节可能被加工成以下情景：历史学习者可以通过行走在街道上、参观他们的建筑和其人民交互来了解古希腊。生物学者可以通过在人体内冒险来学习解剖学和生理学。从现实到幻想，从古至今再到未来，人类所能探知的世界范围是无限的。这是VLEs的第一个重要的任务。在虚拟社区中，系统为学习者提供可以模拟、演示和表达任何他们想要的东西的工具。作为先进的学习、训练和仿真的工具包，VLE的主要组件要求是：
1）知识空间提供了集成的学习资源，包括帮助访问学习资源的、评估、指导的工具。
2）交流社区支持一般通信，包括电子邮件、小组讨论、网络访问和社会交流。
3）积极行为功能作为学习者表达他们积极行为的工具。在VLE中，学习者并不是简单的知识接受者，而是信息提供者、问题提出者、问题回答者和概念分析者。
4）设施工具箱有助于将课程映射到可评估的元素（或块），根据这些元素记录有助于追踪学生的活动和成绩。
此外，对于学习者构建VLEs，学习材料和现实社会交互精确的知识形象化是两个关键技术因素。
目前，电子学习显示了它在全球学习市场的力量。虽然缺少浸入式的因素，但它任然达到了学习市场的顶峰。据IDC估计，2001年的电子学习市场为52 亿美元，并且在2006年达到了237亿美元，占全世界的35.5%。在应用VR/MR电子学习的应用方面，市场在不久的将来将会全面开花。
本文概述了近年来与VLE有关领域的工作和应用。一些应用的例子介绍了不同领域的VLE。最后，可以得出一个结论。
2、虚拟学习环境
在本节中，我们通过分析VLE的教育应用来讨论其突出的功能。因为VLE在大部分教育/培训中是一个发展中的技术，来自各个主要社区的研究人员有着不同的起始位置和截然不同的观点。因此，这些技术并非同质的或者普遍认同的。
2.1 总体构架
VLE提供了一个基于网络的环境，网络中的资源是免费共享的。因此，学习者可以在研究过程中加强合作。VLE可以帮助学习者进行合作学习，并进行必要的相互作用。例如，ExploreNet是一个具有教育目的、通用的、可供角色扮演的二维图形计算环境，并且可以多方面合作学习。在研究供工作方面，Prada在他的Belife系统中实现了一种明确合作模式的应用。这种合作模式将给学习者带来便利。每一组都能够修改参数来获得最大便利。Liu侧重于基于网络的协作虚拟。他提供一种基于建构主义的认知学习。在评估的基础上，这个学习系统原型是有效的。
2.2 人机交互
互动可以促进学习者的主动学习。在学习过程中，交互可以为学习者提供不同的控制，比如，在虚拟环境中的交互和操作字符或对象。VLE技术可以处理广泛的交互能力。例如，Maes构造了一个基于视频的交互，其用人工智能的的方法叫做活系统。该系统最适合教使用者运用物理技能来获取使用和即使反馈的便利。Picard和她的反映计算小组描述了可反映电脑可以在使用者长周期使用下建立使用者表示和偏好的模型。这种电脑提供新的方法来增强人们的能力，比如，帮助语言障碍者和帮助记住被感知的重要信息。
2.3 合成人像
合成人像对于交互和智能行为是其重要特点，可以提供潜在的学习VLE工具。大量有价值系统和构架对于合成人像行为控制已经被提议。例如，Blumberg和他的合成人像小组致力于开发一个实时实用的学习合成人像的方法。它的实现基于技术的强化学习和通过动物培训角度来了解。他们构建每天的有常识有学习能力和在动物身上，比如狗身上发现的同理心的人物。
类似的，USC/ISI开发了一个教学代理，叫做Steve，用来支持学习过程。Steve代理可以向学生展示技能，回答学生提问观看学生执行任务，并在学生遇到困难时给予建议。多重Steve代理可以同时共存在虚拟环境中连同着多个学生。因此，它有可能帮助培养学生的团队任务。
与此同时，给合成人物赋予情感和强大的个人能力来吸引学生的注意力。例如，Gratch设计了一个沉浸式训练系统，这个系统模拟了一个美国士兵在波斯尼亚执行维护和平行动。每一个Steve系统代理都可以配置不同的外表和声音。图2显示了情感系统在虚拟人物体现了扮演孩子母亲正在与感性与理性做斗争的受训者进行强烈的情感交流。
2.4 情节
讲故事是一种对孩子有效且重要的教育。增强AR技术，讲故事在人类计算机交互意义上变得越来越交互和直观。尽管AR技术并不新鲜，但在教育中嵌入AR的潜在应用才开始探索。
VLE还培养小学生通过讲故事来激发创造力和想象力。例如，Cavazza构建了一个虚拟交互故事。这应该可能是以后每一代用故事情节讲述的实时故事。参与用户可以采取多种形式：一个使用者可以参与故事，扮演一个角色，或者从观众角度来干扰这个行动。
2.5 VLE的心理学和生理学因素
Tang研究一个实验，共有68名学生参与调查了一个全球远程学习课程，来获得影响虚拟学习环境效果的因素。他们的结果显示了学生的特点、效率、对VLE的态度。技术的可靠性、媒体的丰富性和虚拟团队的支持都与此有关。他们的结果同样显示了虚拟学习的态度是学习效果最重要的反映，并且自我效能对学科效能有着多方面的影响，尽管技术效能更能预测一般的效果。虚拟团队的支持是技术贡献对学习的有效性的关键。
2.6 娱乐性交互学习
Funbrain是一个根据学生不同水平和课程提供在线交互的网站。本网站分为六个部分：所有孩子的游戏、数学头脑、街机、父母、老师们、小测验实验室。在所有孩子游戏部分，它提供从1到12等级的教育游戏。数学头脑部分提供提供数学类型的游戏。除了游戏部分，父母和老师部分为父母提供一系列服务。同样地，GameGoo根据美国二年级为教语言设计游戏。另一个众所周知的网站是Gamequarium。这个网站是一个教育游戏的搜索引擎。学习平台是一个商业网站，它提供多种教学的游戏或学生。
在中国，中国科学院软件研究院的研究人员为儿童设计了一项娱乐活动。该软件利用文本、图形、照片、音频、视频和最新的互联网软件创造一个充满交互问题解决练习来强化课程材料的电子学习环境。这个软件集成夹带教育，其提供了一种自然而有趣的虚拟学习环境。把带有人物情节的课程材料变得有趣和交互。孩子们可以边学习边玩游戏。这个系统使用一支笔作为互动，这样可以操作简单直接。
当学生们跟随一个课程故事时，他们被迫通过字符解决问题。这对课程材料创造一种更深入、更普遍而不是死记硬背的理解。为了充分学习一个想法或一个过程，学生必须不得不亲自做来看清问题的性质和结构。图4显示了该软件的两个屏幕截图。
3、 VR/MR设计学习实例
因为VLE在学习、训练和娱乐中起着重要的作用。在这一部分，我们提出一些典型例子，这由新加坡和中国两组人开发。
3.1 E-Teatrix for kids
E-Teatrix是浙江大学和INSEC在里斯本欧盟项目ELVIS下的合作成果。它成功地应用于浙江秋实小学。Teatrix的目标是帮助大约7到10岁孩子提高叙述故事的能力。Teatrix最初是INSEC在里斯本开发的，而E-Teatrix是Teatrix在中国的扩展版。它通过计算机接口为孩子学习和彼此沟通提供一个虚拟学习环境。，因此它可以向他们展示新的交流方式。
E-Teatrix为学生提供各种生动的、新颖的3D图形表现孩子们都很熟悉的人物。孩子们可以通过角色表达他们的想法和感受，这激发了他们的创造力和想象力。E-Teatrix还提供了保持在相同虚拟空间的协作学习环境。他们可以彼此协作来演示故事。这种合作环境促进孩子们的适应能力和社交能力。在E-Teatrix中，有六种基本情绪。学生可以输入这种情绪的原因。这个信息帮助其他学生弄清为什么他的性格会是这个样子。E-Teatrix也可以给这些角色不同的特征。例如，它们可能是坏的、有用的、英雄主义的和神奇的。图5展示了一些在E-Teatrix中的人物和个性。
在秋实小学使用E-Teatrix，学生的反馈表明学生们满意它的内容和教学方法。老师说E-Teatrix加强所涉及所有的学生合作。
ELVIS项目的另一个任务是在小学训练应用合成人物行为。我们调查了VLEs在一般情况下的潜力和合成人物在特定情况下嘉庆中国学校的课程，并且将合成人物技术转移到开源形式中，因此可以很容易在中国学校学习。作为一个有意义的补充代理系统，一个开源库AgentLib是为了支持创建3D合成人物而开发的。图6展示了一个Agentlid开发实例，它起源于一个叫做“YY捡蘑菇”的传统故事。在这个场景中，一个年轻漂亮女孩YY在地上玩耍，如果找到了蘑菇，她就捡起蘑菇，然后她就变得非常快乐。
3.2 运动模拟
3.2.1 健美操团体虚拟演练系统
2008年奥运会将在中国举行，科技奥运为智能虚拟环境提供了一个广泛的实验平台。浙江大学和国家体操局开发一种形式（或模式）和健美操团体虚拟演练系统。团体健美操是一种大众体育运动，以体操动作为基础，将体育运动与艺术相结合。这种传统训练依靠大量人群，导致大量人力和物力资源的浪费，并且低效率重复的安排和训练花费了大量的时间。为了解决这些问题，系统采用指引人群行为的技术来模拟群体的转化过程。这个系统提高设计质量和规划团队模式及其变革的效率。图7显示了两种模式的转换。
3.2.2 虚拟保龄球游戏机器
浙江大学的潘设计一个叫EasyBowing虚拟保龄球游戏机器。EasyBowing是一个基于VR、动画和为了培训目的图像处理技术的教育模型。球员们扔一个真正的保龄球，然后这个EasyBowing系统使用一台PC相机来探测这个真球的运动。计算运动参数、球的方向和球的力量等，球的运动和碰撞用引脚实时模拟。，结果显示在一个大屏幕上。这种保龄球游戏机器最明显的优点是系统将身体锻炼融入到游戏中，适合教导使用者运用物理技能。图8显示了虚拟保龄球机和虚拟保龄球游戏模拟结果。
3.3 神奇故事盒子—一个增强故事性现实界面
在本节中，我们将呈现一个3D混合媒体故事盒子，它使用可折叠盒子作为有形的和交互式的故事接口。在这里，我们嵌入AR和有形交互概念。使用多种模式，包括语音、3D音频、3D图形和触摸。
图9显示了魔法故事盒子的物理设置。用户头戴前置摄像头显示器，它提供3D场景第一视角，并且可以直接双手互动操控故事的进程。
在一个特定的阶段，魔法故事盒子的物理布局只允许用户通过独特的顺序持续展开。通过展开盒子，故事的六个阶段将通过物理配置限制的顺序逐一展开。这物理上的约束是的连续讲故事成为可能。如图9所示，盒子的展开，一个特定的阶段是独一无二的。这非常符合讲故事的连续性要求。神奇的故事盒子为互动讲故事应用了一个简单的状态转换模型。
图10展示了连续漫画的演示。适当的音频和三维动画片段在用户展开盒子进入一个特定状态时按预定义的顺序播放。状态转换被调用仅在当前状态被打破时。状态转换是单向的，因此，只有第一个未使用的故事片段将被播放，让故事保持连续叙事过程。
3.4 混合现实京都花园
日本京都以它独特的园林艺术与文化闻名于世。设计一个迷你沙地花园可以是人类心灵治疗的一个好帮手。然而，设计一个物理沙盘耗费时间，并且白色沙子会变得很乱。为了解决这个问题，我们提出一个新颖的想法，应用无处不在的人类媒体方法，开发虚拟园林设计系统。
系统布局如图11所示。在桌上，将会有一个由12个不同标记组成的基板。基板给出了花园基地的位置。在左边，有一个菜单板，那是一个三维园林对象模型目录，创建并显示在菜单的每一页。如图12所示，为了查看虚拟花园及其内部，用户需要持有HMD和照相机，并指向一块板（菜单或基板）。如果他拿着球拍在镜头前，他会看到一个虚拟的木质球拍。
1）拿起和放下。通
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