了得網研究生_虛擬現實技術在職業教育中的應用研究

內容簡介

本書包含虛擬現實技術發展現狀及其在職業教育中的應用兩篇。篇深度剖析虛擬現實技術的內涵、特征與產業發展，重點介紹桌面型虛擬現實的設計與開發方法。第二篇結合作者12年開發實踐及研究成果，深入分析虛擬現實技術在職業教育中的應用現狀與應用模式，並以大量典型實例為基礎，具體介紹虛擬現實技術在軌道交通、數字校園和教育培訓領域的研究成果。本書是一本關於虛擬現實技術的普及讀物，既有發展現狀梳理，又有實踐應用研究，既能讓讀者快速了解虛擬現實產業的概貌，又能有助於讀者提高虛擬現實的開發水平，具有面向實踐、重在應用的特點。本書適合虛擬現實產業的從業者、職業教育教學改革的實踐者、虛擬現實技術的愛好者閱讀參考，同時對尋找未來方向的創業者、尋求新興產業布局的投資者也有重要參考價值。

篇虛擬現實技術發展現狀章虛擬現實概述 3節虛擬現實的起源與發展 4一、虛擬現實的起源 4二、虛擬現實的發展 4三、國內外虛擬現實研究與發展現狀 8第二節虛擬現實的定義與特征 11一、虛擬現實的定義 11二、虛擬現實的特征 12三、虛擬現實的分類 13四、虛擬現實的九種交互方式 15第三節虛擬現實的關鍵科學技術問題 19一、虛擬現實頭戴式顯示器的輸入與交互 19二、頭戴式顯示器的空間計算與增強現實虛實融合及其室外化 20三、虛擬現實全景視頻的采集、制作與交互式播放 20四、基於移動終端和互聯網的虛擬現實 20五、物理特征的更多表現與新型物理模型 20六、進化演化模型與虛擬孿生 21七、智能行為模型 21八、力交互的柔韌感與新型自然交互 21九、虛擬現實內容的智能化生產技術與通用軟件開發工具 21十、虛擬現實的逼真性度量與虛擬現實心理學、虛擬現實社會學 21第四節制約虛擬現實普及應用的主要問題 22參考文獻 24第二章虛擬現實產業發展分析 25節虛擬現實產業發展概況 26一、虛擬現實產業鏈分析 26二、虛擬現實產業宏觀環境分析 28三、我國虛擬現實產品發展現狀 28四、我國虛擬現實市場規模 30五、我國虛擬現實市場展望 34第二節虛擬現實產業發展趨勢與瓶頸 35一、虛擬現實產業發展趨勢 35二、虛擬現實產業發展瓶頸 36第三節虛擬現實前沿發展技術 38一、光場技術 38二、Intel實感技術RealSense 38三、SMI注視點渲染技術 39四、虛擬編程渲染技術 39五、Eyefluence新型眼控技術 39六、Immy視網膜投影技術 39七、視網膜掃描激光技術 40八、Conjure臉控制技術 40九、Sennheiser Ambeo技術 40十、Oculus Rift 主動式紅外光學定位技術和九軸定位繫統 40十一、Leap Motion 手勢識別技術 41參考文獻 41第三章職業教育領域桌面型虛擬現實的設計與開發 42節桌面型虛擬現實的選取原則 43第二節桌面型虛擬現實的設計與評價標準 45一、桌面型虛擬現實在職業教育中應用的設計標準 45二、桌面型虛擬現實在職業教育中應用的評價標準 45第三節 Web3D的概念與實現技術 46一、Web3D的概念與發展 47二、Web3D的實現技術 48第四節 Web3D的開發方法與工具 51一、基於編程的開發技術 51二、基於開發工具的開發技術 52三、基於多媒體工具軟件的開發技術 61四、基於Web開發平臺的SDK開發技術 62第五節 VRML的開發工具與流程 62一、VRML的基本原理與特征 63二、VRML的開發工具 65三、VRML的開發流程 66四、VRML的開發策略 66五、VRML瀏覽器 68參考文獻 69第二篇虛擬現實技術在職業教育中的應用第四章虛擬現實技術在職業教育中的應用現狀與應用模式 73節虛擬現實技術在職業教育中應用的現狀、問題及對策 74一、虛擬現實技術在職業教育中應用的現狀 74二、虛擬現實技術在職業教育中應用的問題 75三、提高虛擬現實技術在職業教育中應用效果的對策 77第二節職業教育中虛擬現實教學資源的開發現狀與應用評價 78一、研究設計 79二、虛擬現實教學資源開發現狀 81三、虛擬現實教學資源應用效果的基本評價 85四、現行虛擬現實教學資源建設改革的幾點建議 87第三節協同虛擬學習環境下技能習得：概念、特征與影響因素 89一、基本概念 90二、特征分析 90三、影響因素 92四、總結與展望 94第四節協同虛擬技能訓練繫統模型與應用策略 95一、協同虛擬技能訓練繫統的概念模型 95二、協同虛擬技能訓練繫統的模型建構 96三、協同虛擬技能訓練繫統應用策略 99第五節信息技術虛擬實踐教學研究 100一、虛擬實踐教學改革與意義 100二、傳統實踐教學和虛擬實踐教學的區別 101三、虛擬實踐教學改革對學生能力的培養 102參考文獻 104第五章虛擬現實技術在軌道交通類專業的應用 106節虛擬現實技術在軌道交通類專業教學中的應用 107一、軌道交通類專業教學的特點及現狀 107二、虛擬現實技術在軌道交通類專業教學中的應用 108三、提高虛擬現實技術在專業教學中應用效果的建議 111第二節虛擬地鐵空間中毒氣洩漏三維仿真研究 112一、毒氣洩漏仿真繫統的設計 113二、三維模型的建立 114三、改進Dijkstra算法的人群疏散方法 118四、毒氣洩漏仿真繫統的實現 120第三節虛擬地鐵空間中電梯火災模擬與運行控制 123一、虛擬電梯運行控制繫統的設計 124二、虛擬地鐵空間模型的建立 125三、火焰粒子的繪制 127四、虛擬電梯交互控制的方法 129五、扶手電梯火災仿真的實現 131第四節基於VRP技術的機車車輛虛擬演示繫統的設計與實現 132一、繫統設計 133二、繫統實現的關鍵技術 135第五節交通運輸行業三維閱覽平臺和書籍資源庫建設 139一、虛擬圖書館場景模型設計 139二、虛擬場景漫遊機制與原理 141三、三維書籍實現 142四、後臺管理設計與實現 144參考文獻 145第六章虛擬現實技術在數字校園的應用 147節虛擬校園三維場景構建與漫遊導航的實現 148一、虛擬校園漫遊繫統總體設計 149二、虛擬校園漫遊繫統三維模型的構建 150三、漫遊導航的關鍵技術 154四、虛擬校園漫遊繫統實現與性能分析 156第二節基於OpenGL的三維虛擬對像拾取與查詢繫統 159一、概述 159二、坐標變換與鼠標拾取原理 160三、三維虛擬對像雙向查詢的設計 164四、應用案例與實現 166第三節 VRML虛擬圖書館的構建與優化瀏覽 167一、虛擬圖書館的總體設計 168二、虛擬圖書館三維場景構建 170三、虛擬圖書館的快速調度 177四、虛擬圖書館的發布與性能分析 179第四節網絡安全虛擬實驗室 180一、虛擬實驗室的定義和發展 180二、網絡安全虛擬實驗室的設計與開發 182參考文獻 188第七章虛擬現實技術在教育培訓中的應用 190節 VRML協同虛擬現實繫統的研究與應用 191一、協同虛擬現實概述 191二、協同虛擬現實的實現技術 192三、協同虛擬現實的應用實例 197第二節支持協同工作的VRML網絡虛擬現實繫統 198一、繫統設計的基本原理 199二、繫統框架設計 200三、繫統實現的關鍵技術 201四、仿真實例及分析 204第三節多用戶協同虛擬現實的技能訓練繫統 205一、協同虛擬環境下技能訓練需求 206二、技能訓練繫統總體設計 207三、協同虛擬環境的關鍵支撐技術 209四、應用實例及分析 213第四節基於虛擬現實技術的遠程教育平臺研究與實現 214一、VRMDEP的總體框架 215二、VRMDEP的功能設計 216三、VRMDEP的實現模式 218四、實現的關鍵技術 218五、VRMDEP的特點和優勢 221參考文獻 222

前言

信息產業是我國國民經濟的基礎性、戰略性、先導性產業，是穩增長、促改革的主戰場，對我國經濟結構調整具有重要意義。作為信息產業大國，我國以虛擬現實等產品為代表的一批市場反響好、用戶體驗佳的創新性產品推動了供給側改革，成為提升消費類有效供給能力的重要手段。信息產業的發展改變了人類知識分享與創新的方式。生長在信息化時代的學習者，他們更習慣非線性思維、超文本閱讀、圖形化思考、信息並行處理，這種學習行為的改變，客觀上要求教育工作者不斷調整教學行為、改變管理方式來加以適應。從這一點來看，基於信息技術的網絡化新思維、新技術勢必全面滲透整個教育生態，進而引起教育理念、教學內容、教學方法、學習方式和管理模式的深刻變革。起源於20世紀60年代的虛擬現實技術是信息技術的傑出代表。它能借助計算機繫統及傳感器技術生成三維虛擬環境，創造出新的人機交互方式，通過調動使用者各種感官（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等）來給其提供一種更加真實、身臨其境的體驗。然而，由於一些客觀原因，我國虛擬現實技術的研究起步較晚，發展相對滯後。對此，國務院、工業和信息化部、文化部密集出臺政策文件對虛擬現實技術的發展加以支持和鼓勵，各地也紛紛采取有效措施加速推進，以占領虛擬現實產業發展的制高點。機遇、挑戰、問題、舉措等迎面撲來，推進過程中內容豐富多彩，取得的成果可圈可點，尤其是近年隨著硬件性能的提升和成本的大幅降低，虛擬現實技術獲得長足進步，得到各界充分肯定。但是，面對“職業教育+虛擬現實”這一促進職業教育變革的龐大體繫，其繫統之復雜、誤區之多、融合創新應用之難，都迫切需要對虛擬現實技術在職業教育的應用進行科學、繫統和全面的梳理。 12年來，筆者及其團隊對虛擬現實技術在職業教育的應用進行了連續和繫統性探索，取得一些研究成果，如發表研究論文50餘篇，開發虛擬現實應用軟件9套，獲計算機軟件著作權證18項等，本書很多內容就來源於這些研究成果。2005年，筆者進入華南師範大學攻讀計算機應用專業碩士研究生，師從著名網絡教育技術專家邬家煒教授。在邬教授的學術導引和提攜下，毅然選擇具有前瞻性和挑戰性的研究領域——虛擬現實技術，開啟對虛擬現實技術的探索征程。走上工作崗位後，制定詳細開發工作計劃，扎根虛擬現實技術的應用研究。2009年和2010年，連續兩次獲廣東省計算機教育軟件評審活動一等獎，2010年獲第十四屆全國多媒體教育軟件大獎賽一等獎。2011年11月，筆者順利晉升副教授職稱，把研究重點放在協同虛擬學習環境下職業技能習得研究上，先後獲廣東省科技計劃項目、廣東省教育科學信息技術專項課題、廣州市哲學社會科學課題立項，並獲計算機軟件著作權證書12項等。2016年11月，這些研究成果在一定程度上支撐筆者晉升教授職稱。隨著研究的深入和應用試驗的推進，筆者及其團隊對虛擬現實技術促進職業教育變革事業的感情越來越深，動力越來越足，團隊成員也越來越多，深感責任越來越大。 2016 年，適逢廣州鐵路職業技術學院軌道交通信息技術研究所成立，站在新的研究平臺，筆者及其團隊以研究為基礎、以產品為導向、以校內外優勢資源為支撐，堅持走產學研結合的研究道路。在研究產品方面，從教學軟件的研究擴展到商業軟件的研究；在研究應用方面，從軌道交通的應用研究擴展到礦產資源的應用研究；在研究技術方面，從流程模擬的研究擴展到多人協同的研究；在研究成果方面，從應用軟件的研究擴展到對策建議的研究。作為研究所的負責人，筆者深深為學院領導和科研部門的高瞻遠矚所折服，這種集“學術探索、職教實踐和政策研究”為一體的校級科研平臺，在聚集人纔、凝聚人心、整合資源、提升社會服務能力方面具有重要意義。本書是筆者與團隊成員12年來對虛擬現實技術在職業教育應用領域研究實踐的梳理總結。全書包括虛擬現實技術的發展現狀及其在職業教育中的應用兩篇。篇（至三章）通過對虛擬現實技術相關理論進行梳理和規律探尋，繫統闡述虛擬現實技術的內涵與特征、產業發展分析、桌面型虛擬現實技術的設計與開發方法。第二篇（第四至七章）以具體設計案例為例，分別在軌道交通、數字校園、教育培訓領域驗證虛擬現實技術交互設計的理論方法和原則，重點對三維虛擬展示中的交素進行分析，以信息傳遞與反饋為主線剖析虛擬展示中的交互流程，分析交互行為、界面、體驗之間的關繫，並對這一特殊的三維虛擬環境內受眾的感官需求、行為方式和心理進行深入探討，以期為虛擬現實行業的從業者、職業教育教學改革的實踐者、虛擬現實技術的愛好者，以及尋找未來方向的創業者、尋求新興行業布局的投資者等提供參考。本書的共同著作人包括許愛軍、張文金、杜棋東、李鋒、陳昭喜、黃正午。校對與整理工作由以下人員共同參與：陳章惠、覃仲宇、梁耀棠、羅惠敏、陳雪梅、陳文浩等，在此表示衷心感謝！在撰寫過程中，作者查閱了大量的國內外相關資料，參考並引用了很多有價值的文獻的觀點，並盡可能注明出處，在此對相關作者表示衷心的感謝。由於作者水平有限，許多有價值的研究和實踐方法可能被遺漏，書中也難免有不當之處，希望廣大讀者不吝指正。許愛軍於廣州石門流溪河畔 2017年8月

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