全景技术在《航海仪器》课程教学中的应用研究

全景技术在《航海仪器》课程教学中的应用研究

蔡君 ,钟林

陆军军事交通学院镇江校区  江苏镇江  212003

摘  要：本文详细分析航海仪器实践性教学过程中的矛盾问题，针对全景技术的优势特点，探讨全景技术制作全景系统的方法步骤，最终实现“看、学、练”一体化的教学效果，为航海仪器教学提供一种新而有效的教学手段。

关键词：全景技术；航海仪器；教学

航海仪器是航海类院校航海专业的主干课程，其实践性教学过程强调对学生实际操作技能的培养。学生在学习航海仪器过程中了解查看驾驶室内的航海仪器基本信息、学习仪器操作演示以及仪器操作练习这三个步骤是分离的，一定程度制约了教学效果。全景技术是一种基于图像处理的虚拟漫游技术，利用计算机图形学、人工智能技术、仿真技术、并行处理技术和多传感器技术等多种信息技术的综合，生成逼真的三维虚拟环境[1]。为了克服航海仪器实践性教学环节中存在“看、学、练”相互分离的问题，提高学生的认知水平、节约教学经费、熟练掌握航海仪器操作使用方法、克服教学实践场地受限等问题，可以利用全景技术制作教学演示系统[2]。

1.航海仪器实践性教学存在的问题分析

《航海仪器》的实作课程要求具有能够满足学生规模的实验教学场地，要求仪器设备是船舶主流的现有装备，要求教员能够较好地给学生做示范，更要求学生能够利用足够的时间进行学习训练。

1.1看

1.1.1教学设施与教学实施之间的矛盾

在校区航海仪器实验室和教练大队船艇上能够进行航海仪器实作教学，但是受教学经费、场地等诸多方面的限制，校区现有航海仪器设备存在型号陈旧、数量有限、功能单一等问题，已经远不如船艇部队新造船艇上的仪器设备，因此有很多新型航海仪器设备的教学仅凭教员的讲解和简单的图片展示进行。

1.1.2实作课时与学生数量之间的矛盾

航海仪器课程实作课时的比例已经得到了提高，但是每个班次的学生数量却有增无减，因此较小实船驾驶室场地根本无法容下较多学生的情况。在实船参观学习过程中，站在后排的学生无法清晰地看到仪器设备，也不能观察教员的操作示范。

1.2学

1.2.1学习动力与课程安排之间的矛盾

航海仪器实作课时的短暂以及仪器设备数量缺乏等诸多问题，导致学生在课时有限的情况下，只能紧跟教员的思路进行“满堂灌”式的学习，学生在学习过程中发现的问题并不能及时提问并得到满意的答案，导致学生逐渐失去学习动力。另外，学生在实作过程中，也没有相当多的时间做笔记，学完就忘的现象非常严重，在考试过程中回答实作性题目的时候便能够反映出来。

1.2.2自主学习与学习条件之间的矛盾

学生在课程安排的课时中能够借助于仪器设备进行学习，但是很多学生学习的时间要求比较长，如果离开了教练大队就等于失去了学习条件。目前学生能够利用一些航海仪器模拟器进行学习，但是这些模拟器数量较少、功能单一，且长时间没有更新换代，因此学生在课后无法进行常态化学习也制约了学生掌握航海仪器知识。

1.3练

1.3.1练习时间与学生规模之间的矛盾

教学过程中为满足一定数量规模的学生的练习，可以采取学生分组练习的方法。分组练习又会导致学生的平均练习时间缩短，大量学生练习的机会和次数就会变少，据船艇指挥学生反映，在练习过程中，由于机会较少，出现了看别人练习的现状，这在一定程度上降低了学生的练习效果。

1.3.2练习过程与对错评判之间的矛盾

教员在教学过程中负责学生的练习指导，教员精力有限，只能重点关注少量学生，如果学生自己在练习过程中出现了问题，教员很难发现并提出纠正。缺乏教员的对错评判，学生对于自己的练习情况不能较好地进行分析，如果出现错误，将会对其造成较深的影响。

通过以上分析，可以得出解决《航海仪器》教学所面临的各种问题，如果这些学生走上任职岗位面对船舶上各种现代化航海仪器时，必定会感到不适应。因此，培养出实际动手能力强的高素质航海专业人才是摆在人才培养课题面前的重要环节。

2.全景仿真演示系统的制作与应用

为克服航海仪器实践性教学过程中矛盾，达到“看、学、练”一体化教学训练的效果，本文以制作船舶全景仿真演示系统为例，研究基于信息技术手段实现船舶舱室交互式全景漫游。

2.1全景图生成流程

船舶全景仿真演示系统的生成过程可以先利用数码相机+鱼眼镜头采集场景序列图片，然后把多幅全景图投影到PTGui软件进行拼接；再把拼接之后的全景图利用Photoshop进行处理；再把处理过的全景图利用“全景精灵”软件组织成虚拟的全景空间，用户通过场景中导航图标可以在这个虚拟空间进行前进、转弯、切换场景等漫游；每个场景都可以进行360°环视、变焦浏览、信息查看等操作。

2.1.1鱼眼图像的采集

鱼眼图像采集使用的设备器材包括：数码相机、鱼眼镜头、123全景云台以及三角架、辅助尺等，如图2所示。鱼眼镜头是一种焦距极短并且视角接近或等于180°的镜头，本文中采用固定焦距为8mm的加尔达鱼眼镜头。

（1）准备好相机，将鱼眼镜头安装于对应卡口的相机上，将相机固定在全景云台支架上，全景云台机身固定在三脚架上；

（2）选定场景拍摄点，利用水平仪调整三脚架、鱼眼镜头的水平度，调整相机位置，确保鱼眼镜头光学中心（节点）位于全景环摄台旋转轴心线上；

（3）确定拍摄张数，本课题中每个场景一般拍摄9张鱼眼图像，每60°一张、天顶一张，地面两张。设置相机相应的参数，拍摄前关闭相机的闪关灯和相机的自动曝光功能，使用手动曝光模式。扶稳三脚架，转动全景云台，每60°拍摄一张鱼眼图像。

2.1.2全景图的拼接

本文采用PTGui软件来实现球面全景图的拼接，PTGui合成全景图的步骤为：加载图像、设置相机镜头参数、对准图像、创建全景图。首先打开PTGui，加载9张鱼眼图像，设置镜头相关参数；利用软件的蒙版功能将地面拍摄图片的摄像头划去；然后对准图像，输出合成图像文件，可以修改图像尺寸、路径和名称，最后创建完全景图像。

2.1.3全景图的补地

拼接后的全景图由于地面部分被三脚架挡住，需要对地面部分进行补充处理，本文使用Photoshop对球形全景图进行处理。由于球形全景图中的每个像素坐标位置都发生了相应的改变，因此不能直接对球形全景图进行处理，需要使用Flexify插件，将球形全景图转化为天空和地面平面图后进行处理。然后利用Photoshop的克隆印章工具将地面部分修补成功。最终使用Flexify插件将天空和地面平面图转化为球形全景图。

2.2船舶全景仿真演示系统在《航海仪器》教学中的应用

船舶全景仿真演示系统的创新点在于利用全景技术实现了船舶的仿真演示，达到了“看、学、练”一体化教学训练的效果，该演示系统具有如下特点：

（1）真实感强，基于真实图片制作生成的，具有照片级的真实感，沉浸感强烈，给用户带来身临其境的感觉；

（2）交互性强，能比平面图片表达更多的图像信息，并可以任意控制，交互性能好，可用鼠标控制环视的方向；

（3）生成方便，制作周期短，制作成本低，素材的准备工作简单，只需要数码相机和图像处理软件，便能够制作出产品。播放设备对硬件要求低，普通电脑均可播放，无需专门工作站；

（4）文件较小，传输方便，适合内部局域网络使用。

全景技术把船舶的内部空间，如驾驶室、海图室、航海作业室、罗经室都可以表现得琳漓尽致。学习者可以利用任何一台电脑进入虚拟仿真船舶，通过鼠标或者键盘等输入设备的操作，在其中进行漫游，对舱室内的环境进行观察，使学生能够身临其境地感受360度的真实场景，有助于学生认识船舶内航海仪器设备的位置、信息，提高了学习效率。学生利用船舶全景仿真演示系统进行学习时，可以通过点击航海仪器“热点”链接查看航海仪器操作使用的文字信息、教学视频，便于学生进行航海仪器学习。另外，学生也可以通过点击相关“热点”链接打开航海仪器模拟器，结合所学习的视频教程练习使用相关仪器设备。最终，利用船舶全景仿真演示系统达到“看、学、练”一体化的教学训练效果。

3.结语

船舶全景仿真演示系统中的设备基本信息数据资料准确，与船舶实际场景保持一致，能以网页形式发布，能实现船舶舱室交互式全景漫游，通过“热点”链接方便形象地查看装备信息。实现了船艇舱室交互式全景漫游，能够方便形象地获取船艇装备的相关信息、教学视频，提高了用户对船舶内航海仪器的认知效率。嵌入系统的航海仪器模拟器可以便于学习进行常态化的自主学习，克服了课程课时短缺的重点矛盾。该系统应用于航海仪器教学能够创造真实教学场景，实现可视化教学场地，从而推进理论和实践相结合的一体化教学实施，突破常规教学时间限制，实现学习教育的公平化[3]。

参考文献

[1]徐嘉庆等.活动理论下全景沉浸式交互设计课程教学模式研究[J]. 计算机教育,2015（8）：18-19.

[2]尧燕.基于虚拟现实的制图交互性教室构建研究[J]. 软件导刊,2015.14(2):102-103.

[3]刘小鸿等.医学虚拟现实教学融入多元化教学设计的思考[J]. 实验室研究与探索,2014,10(10):180-182.