一、引言
现代远程教育在教育模式和教育观念上引发了一场深刻的变革，它采用先进的技术和手段，打破了学习上的时间、空间以及人员的限制，使学习者能够在适当的时间和地点自主地学习，它被认为是构筑继续教育、终身教育和素质教育的重要手段。但是，由于时空分离，现代远程教育在师生情感交流和人机双向交互等方面还存在着不足或缺陷，当学习者长时间面对冷漠的电脑屏幕而感受不到交互的乐趣和情感的激励时，就会引起反感，从而影响其学习效果，更为严重的可能会影响学生心理健康的发展[1]。Web3D技术和情感计算的迅速发展，使得远程教育与Web3D技术、情感计算的融合成为了可能。在此基础上，我们提出了基于情感计算的Web3D模型，并应用于现代远程教育中，试图弥补了现代远程教学系统在情感交流、双向交互和学习者自主性方面的不足。
二、情感信息的获取和识别
情感计算是一个多学科交叉的崭新的研究领域，是建立和谐人机环境的基础之一，美国MIT媒体实验室Picard教授领导研究小组最早开始情感计算研究工作，并提出“情感计算是指关于情感、情感产生以及影响情感的计算”，它试图创建一种能感知、识别和理解人的情感，并能针对人的情感做出智能、灵敏、友好反应的计算机系统[2]。目前情感计算的研究受到学术界和企业界的普遍关注，国际知名大学也纷纷建立情感计算研究小组。但总的说来，情感计算的研究目前还处于起步阶段，主要侧重于情感信号的获取、情感计算的应用和可穿戴计算机等方面。其关键技术包括：人类生理、心理及行为特征的情感状态分析，人类情感信息信号采集传感器的研究、人类情感的识别技术等。其中人类情感的识别又包括人脸表情识别、语音情感识别和身体姿态识别等技术。
人的情感是复杂多样的，所以情感分类的方法也很多，除了有主要情感和次要情感之分[3]之外，Plutchik等人还提出了“情感轮”[3]的概念。而且作为人类情感的不同表达方式，人脸表情和语音情感也分别有各自的分类特点。
1. 人脸表情的识别
人脸表情识别就是对人脸的表情信息进行特征提取分析，按照人的认识和思维方式加以归类和理解，利用人类所具有的情感信息方面的先验知识使计算机进行联想、思考及推理，进而从人脸信息中分析理解人的情绪。
人脸的表情是多种多样的，一般对表情的分析可以从维量分析和分类这两种角度来研究，人类表情学家Paul Ekman等人经过研究将人类的表情划分成六类，分别是高兴、惊奇、恐惧、悲伤、厌恶和愤怒。人类所有的情绪表情都是在以上六种表情的基础上，经过复杂的融合之后产生的[4]。
人脸表情识别包括两大重要技术，即人脸的检测和定位技术以及人脸图像的提取和识别技术。利用计算机进行人脸表情识别主要有基于几何特征的人脸表情识别方法、基于模型的识别方法和基于整体面像特征的识别方法三种。
2. 语音情感的识别
语音情感处理主要是通过测量、分解、分析、合成等方法，识别、理解以及合成语音信号中的情感分量，进而使计算机具备一定的情感能力。主要研究内容包括：语音情感的识别、语音情感的合成、与其他情感信息的融合，以及在相关应用中的实现。其中，语音情感的识别是语音情感处理的基础部分，通过模式识别技术，可对语音信号中的特征参数和情感之间的复杂对应关系进行深入理解。
目前在语音情感识别的研究中常见的归类方法是“四大情感”，即，任一时刻的情感状态由愤怒、高兴、悲伤、害怕四种基本情感[5]混合组成。与人脸表情一样，语音情感也是连续变化的，每种情感状态对应连续空间内的唯一坐标。
利用计算机进行语音情感识别主要包括：情感语音数据库建立、语音情感特征参数提取、语音情感模式识别、模式训练等。其基本流程如图1所示。
此外，随着计算机图形技术和多媒体技术的飞速发展，作为人类情感表达的一种方式，人体运动姿态识别[5]技术也得到迅猛发展，在远程教学系统的情感识别和交流中也将发挥重要作用。
三、Web3D技术概述
Web3D技术是虚拟现实技术的一种实现形式，是Web技术和3D技术相结合的产物，是互联网上实现3D图形技术的总称 [6]。Web3D的出现始于20世纪90年代初期VRML（虚拟现实建模语言）的提出，随后，新的标准Extensible 3D (X-3D)被制订，并完成了VRML到X-3D的转换。随着与XML、Java、流媒体等先进技术的整合，X-3D提供了更强大、更高效的三维计算能力、渲染质量和传输速度。如今，Web3D技术已广泛应用在商品展示、过程模拟、城市规划和娱乐等领域。
1. Web3D的实现技术
Web3D的实现技术，主要分三大部分，即建模技术、显示技术、三维场景中的交互技术。
（1）建模技术
三维复杂模型的实时建模与动态显示是虚拟现实技术的基础。目前，三维复杂模型的实时建模与动态显示技术可以分为两类。一是基于几何模型的实时建模与动态显示。它的主要优点是观察点和观察方向可以随意改变，不受限制，允许人们能够沉浸到仿真建模的环境中，充分发挥想象力，而不是只能从外部去观察建模结果。二是基于图像的实时建模与动态显示。它适用于那些难以用几何模型的方法建立真实感模型的自然环境，以及需要真实重现环境原有风貌的应用。相对来说，基于图像的建模技术显然只能是对现实世界模型数据的一个采集，并不能够给VR设计者一个充分的、自由想象发挥的空间。
（2）显示技术
即把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图像。在浏览Web3D文件时，除了Java 3D技术不需要安装插件，只需在客户端用一个Java解释包来解释就行以外，其它Web3D软件都必须在客户端安装支持Web3D的浏览器插件。
（3）交互技术
Web3D实现的用户和场景之间的交互是相当丰富的，而在交互的场景中，实现用户和用户的交流也将成为可能。
用户首先要建立模型，而显示是由软件通过计算机的运算完成的，只要显示质量能满足我们要求的技术就行了；交互功能的强弱由Web3D软件本身决定，但用户可以通过适当的编程来改善软件的不足。
2. 典型的Web3D开发工具
Web3D的开发工具软件有很多，下面仅就一些典型的工具软件作分析、比较。
（1）Viewpoint
Viewpoint，Viewpoint Experience Technology （简称VET），它生成的文件格式非常小，三维多边形网格结构具有可伸缩和流质传输等特性，使得它非常适合于在网络上应用。它具有一个纯软件的高质量实时渲染引擎，渲染效果接近真实而不需要任何的硬件加速设备。
（2） Cult3D
Cult3D 是一种崭新3D 网络技术，利用Cult3D技术可以做到文件小、3D真实互动、跨平台运用，只要用鼠标在3D物件上直接拖动，就可以移动、旋转、放大缩小，还可以在Cult3D物件中加入音效和操作指引。
此外，还有Flash、Java、MGI和VRML其它几种常用的Web3D开发工具。其中，Java和VRML都需要一定的编程基础，对一般的用户来说，开发效率不高，但它却能实现较多的功能；Cult3D和Viewpoint相对来说开发效率比较高，能实现的功能基本可以满足教学所需；至于Flash和MGI虽然只能模拟三维，但它们是使用图像来建立模型，在必要时为我们多提供了一种选择。
无论是与传统影视媒体、多媒体软件，还是与传统虚拟现实技术相比，Web3D技术都表现出了在网络教育中的独特优势和潜力。Web3D技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序，可以挑选自己感兴趣的环节而略过其他部分，从而拥有比多媒体技术更强的真实感。此外，Web3D也不需要传统虚拟现实技术的特殊硬件和附属设备，在普通的PC机或Macintosh机上即可实现图象虚拟现实的效果，且更宜于网络传输。
四、基于情感计算的Web3D现代远程教学系统
学生在教学中的情感表现是很重要的反馈信号。为了在现代远程教学环境中，有效地解决情感交流和双向交互匮乏的问题，我们开发了基于情感计算和Web3D技术的远程教学系统模型。该系统模型将对学生的情感信号进行捕捉和识别，以此作为重要依据，判定学生对所学知识的接受情况，并以Web3D作为情境学习和双向交互的重要技术，实现现代远程教学系统中的情感交流和人机交互。
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