虚拟仿真技术在灯光通信教学中的应用

刘丽丽

摘 要：本文从灯光通信课程教学目标和方式出发分析出在教学过程中存在的问题。论述了现有虚拟仿真技术类型及如何针对存在问题利用虚拟仿真技术设计虚拟仿真软件。结合软件功能介绍，论述了具体如何使用设计的软件有效解决理论与实践教学过程中的问题，与前期教学过程进行对比，讨论教学效果的改进程度，为遇到同类问题的教员提供参考。

关键词：灯光通信 虚拟仿真技术 教学实践

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（c）-0213-02

教育部在2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划中各类项目为2017年100项，2018年250项，2019年300项，2020年350项共计1000项。由此可见国家大力提倡发展虚拟仿真实验教学项目建设，可立项数目呈逐年增加的趋势。虚拟仿真技术的有效运用推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，切实解决设备短缺、大型设备解析困难、操作环境危险等实际问题，为学员独立学习与实践提供了更多的选择和更有利的条件，为教员提供更有效和更丰富的教学手段[1]。

1 灯光通信课程教学中的问题

灯光通信广泛应用于舰、船间视觉通信，是海军、海警舰艇上必备的通信手段，也是航通官兵必须掌握的一项专业技能。授课对象为海警通信指挥专业学员、海警通信工程实习学员及海警通信士官培训，主要教学内容为灯光信号的拍发和灯光信息读取识别，要求学员熟练掌握灯光信号拍发器的使用方法，很好控制灯光亮灭的时间以摩尔斯码的形式将信息传递出去，准确读取对方拍发灯光传递的信息。

问题一：灯光通信部分授课方式采用理论与实践相结合的方式，更加侧重于实践教学，实践教学设备为一台信号探照灯，是利用强烈的光源和反射镜的光学原理所构造的，它不仅使视觉通信达到可能达到的最远距离，而且它同时适用于白天与晚上，因此实际设备灯光照射强烈，功率大，在实验室的有限区域内强光对学员的眼睛有很大伤害，因此在教学改革中，将实作设备根据实际情况进行了改良，改用普通低功率照明设备，虽然减少了照射强度，但是拍发和认读过程是一个较长的熟练操作练习过程，灯具光照依然对视力造成损伤，学员认读练习、授课教员盯住灯光判断学员拍发操作是否正确等，对眼睛损害更加严重。

问题二：实作设备短缺，目前实验室拍发灯具设备只有一套，通常20～40人的课程，每个人练习操作只有2～4min，练习时间短，单人操作练习时其他同学只能进行认读训练，课堂授课及练习形式受限。

虚拟仿真技术的发展与应用解决了一些高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，成本高、高消耗以及大型设备和综合过程的仿真训练等。可靠、安全和经济的虚拟实验，仿真实验与实际操作實验的虚实结合、相互补充可以有效的解决上述问题。

2 虚拟仿真技术在灯光通信相关软件开发中的应用

虚拟仿真技术是20世纪80年代兴起的一种综合集成及技术，是在多媒体、虚拟现实、人机交互、网络、通信等技术不断发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实等技术相结合而产生的更高层次的仿真技术[2]。多媒体技术是利用计算机对文本、图形、动画、声音、视频等多种媒体信息进行综合处理，通过建立逻辑关系和人机交互作用，使计算机具有交互展示不同媒体形态的能力，并通过图形交互界面、窗口交互操作实现人与计算机之间的信息输入与输出。人机交互技术，通常指借助计算机输入与输出设备，以有效方式实现人与计算机对话的技术，典型应用体现在触摸式显示屏点击交互、可穿戴计算机、沉浸式动作识别等。

仿真技术以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用数学模型对实际的或设想的随想进行动态试验、性能分析和综合评估。本研究为利用多媒体技术开发的“灯光通信训练系统仿真”软件和利用人机交互技术开发的“灯光通信信息识别系统”[3]。

灯光通信实验练习仿真教学训练软件研发，主要利用Flash软件开发，分为学习系统、训练系统和考核系统三个部分，如图1所示。界面及灯光亮灭效果由场景控制，输入训练信息码字母组合，并将字母与灯光亮灭时间对应，拍发的速度控制等功能用Flash软件ActionScript 3.0开发语言完成。仿真教学训练软件模拟仿真灯光传递信息的效果，教员可以通过软件参数调整，设置不同的拍发速度和内容，降低了对授课教员实际操作拍发操作的要求，同时也提高了教学的准确。软件发布用Flash发布成网络版可以加入到虚拟仿真教学网站中，是对虚拟仿真教学中心建设的一项推动，也可以作为部队开展灯光通信训练使用。

灯光通信信息识别系统，利用了人机交互技术，系统选用可变焦广角高清摄像头作为图像采集设备，在Visual studio2008开发环境下，利用Opencv中的VideoCapture类调用计算机外接高清摄像头进行图像采集，调用Opencv中的高斯滤波函数，以及腐蚀运算函数等对关键帧图像进行去噪处理，通过Opencv中的算法将采集到的图像二值化处理，再运用阈值分割函数对图像进行分割，从环境背景中选出灯光部分，判定灯光亮灭状态及间隔时间。系统中将灯光亮灭“翻译”成字母信息，通过STL类中的map容器来实现，map容器提供一对一的数据处理能力，可以将灯光信号的二进制编码与相对应可读字符之间的转化。

3 运用虚拟仿真软件对教学的改进效果

3.1 教学演示

理论知识在学习摩尔斯码编码方法和汉语拼音基础上掌握信号通文理论知识及灯光通信规则。授课时可使用“灯光通信训练系统仿真”软件学习系统进行教学，点击字母和数字即会有对应灯光拍发，教员逐一讲解演示，教学效果较图片上的点划示意更加直观生动。实作演示，教员应教会学员如何使用信号探照灯拍发信息，以往教学时由教员持探照灯实际操作，现可通过虚实结合的方式，加入软件操作展示灯光拍发中不同码数的演示效果，否则教授本门课程的教员需要长期练习以保证拍发的正确率和速率，以往受拍发熟练程度的影响教研室内可授本课程的教员数量不多，现在教学中使用仿真系统辅助教学，在同时有本、专科及士官培训入院学习时出现专业教师短缺的情况有了明显缓解。

3.2 实践操作

教员进行讲解演示后，学员需进行拍发和读取信息练习，以往受探照灯数量限制，只能单人次轮流操作，教员和其他学员读取拍发人的拍发信息，教员需紧盯灯具读取信息，还要关注学员的拍发手法及速度。现在可以利用仿真软件每个学员都可以根据自己的识别能力调整拍发速率，拍发和识别练习可以分组练习，避免一人操作，多人观看的实践过程。教员可利用“灯光通信信息识别系统”辅助识别学员的拍发信息，有更多精力纠正学员在拍发操作时出现的问题，也减少了灯光对眼睛的伤害。

3.3 课后练习

课后学员可以在个人电脑上使用灯光通信训练系统仿真软件进行练习，可单人学习，也可多人分组配合学习，利用软件中的考核系统模拟考核环境，课后学习更加生动有趣，增加了学员课后学习兴趣。但是仿真软件中模拟的灯光和实际灯光在光照范围和强度上有所区别，使所学知识真正用到实处还需虚实结合的练习方法。

3.4 考核方法

因为课程的专业性限制，实作考核方法以往完全由授课教员考核，分为拍发和读取考核两部分，所以考核所需时间过长，现有虚拟仿真软件和灯光通信信息识别系统的帮助降低了对考核人员的要求，可组成考核小组同时分多组进行考核，提高了考核效率，也降低了人为因素的误判，使考核更准确和公平。

4 结语

本研究解决所授课程中发现的问题，同时推进了虚拟仿真实验项目的建设工作，为申报国家示范性虚拟仿真实验教学项目打下基础。软件开发过程是通信工程专业师生充分运用所教所学知识的过程，提高了师生的创新和科研水平，软件的运用使灯光通信课程的教学效果显著提升，在实践运用进一步加强软件的互动性和复杂环境下的准确性，可以将软件推广至海军及海警一线部队的训练中去。

参考文献

[1] 程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013（7）：94-97.

[2] 刘烨.虚拟仿真技术在高职物流管理专业实训教学中的应用[J].物流工程与管理，2019（2）：163-164，162.

[3] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015（5）：214-217.