1、虚拟现实技术开题报告一、论文选题的缘起1、建构主义尤其是情境认知等学习理论呼唤更加真实的学习情境。建构主义学习理论强调学习者得主动性和学习情境的创设，认为学生是在与情境相互作用的过程中完成意义建构的。在教育信息化过程中，以多媒体技术和网络技术为基础的多媒体网络教学能够提供友好得界面和交互的学习环境，有利于激发学习者的学习兴趣，促进学习者自主发现、探索和建立新旧知识之间的联系，通过协商、会话等活动，实现知识的意义建构。传统的教学媒体,如文字、图片、动画等在学习情境创设方面都有各自的局限性,最突出的是缺乏实时交互性。为了能使学习者更好地完成意义建构，我们需要为学习创建更加真实的学习情境。2、虚拟现
2、实技术以其独特的交互性、沉浸感和想象性，可以构建更加逼真的网络三维学习情境。随着信息技术的发展,虚拟现实技术(Virtual Reality)以其独特的“3I”特征,广泛应用于军事、医疗、城市规划、GIS、教育和娱乐等领域。虚拟现实技术应用于教育领域,为建构主义理论的学习情境创设提供了新的途径。其中 VRML(Virtual Reality Modeling Language)作为一种简单、应用最广泛的虚拟现实建模语言,可以为学习者构建更加逼真的网络三维学习情境。3、通过构建基于网络的虚拟实验仿真系统，可以为现实中没有实验条件的学生提供实验机会。首先，在现实教学中，由于一些实验设备价格昂贵，数
3、量有限，不能满足教学的要求；其次，一些具有危险的实验， 以及那些微观层面和宏观层面的实验，现实中无法实现；最后，远程教育中与教育机构分离的学生， 一般也没有真实实验的条件。而虚拟实验，可以很好的弥补以上现实教学中的局限。4、因为我院研究生已经有了一个二维的摄影学习网站，所以在学习了 VR 这门课程之后，和刘老师商讨可以再做一个摄影仿真实验系统，嵌入原网站中，以使学习者达到更好的学习效果。二、相关概念的界定1、虚拟现实技术（VR）虚拟现实技术（Virtual Reality，简称 VR）又称为灵境技术或幻真技术，一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技
4、术。从功能上描述，虚拟现实是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行交互的技术；VR 技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察与操作，同时提供视、听、触等多种直观而又自然的实时感知。美Grigore C.Burdea 和法Philippe Coiffe 在虚拟现实技术（第二版） 一书中给出虚拟现实的定义：虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。2、VRMLVRML，是英文 Virtual Reality Modeling Language 的缩写，即虚拟现实造型
5、（建模）语言。它是一种描述交互式三维对象及三维世界的文件格式。最初创建 VRML 的目的是用在全球网（ World Wide Web）上，实现动态交互的主页。在从前的文献中这个缩写曾被解释为“Virtual Reality Markup Language”，其实这是 VRML 最初的名称，主要是参考了 HTML 的命名:Hypertext Markup Language,所以 VRML 最初也称为 Markup Language。但是现在人们意识到，VRML 应该不仅仅局限于简单的文本标记语言，而更多的应该扩充其 3D 能力，因此后来将 VRML 中的 ML 改为 Modeling Langu
6、age。作为一项和多媒体、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术，VRML 目前已发展成为 Internet 上基于 WWW的三维互动虚拟世界制作的主流语言，号称为第二代 Web 建模语言。需要注意的是，VRML 并不是通常意义上的编程语言如 C，或者是脚本语言如JavaScript，或者是什么页面定义语言如 HTML，VRML 语言本身是一种纯粹的场景描述语言，它描述的是几何形体以及一个 3D 场景（或称为“世界 ”）中对象以及对象间的行为关系。 三、国内外研究现状及存在的问题（一）国外研究现状1、美国的研究现状美国是 VR 技术的发源地，也是目前在 VR 技术方面最具权威的国家，其 VR
7、研究技术的水平基本上就代表国际 VR 发展的水平。美国宇航局（NASA）的 Ames 研究中心是许多 VR 技术的思想发源地。目前其研究重点是对空间站操纵的实时仿真，其中一项最著名的实验就是对哈勃太空望远镜的仿真。北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行 VR 研究最早最著名的机构，目前，他们的研究主要是在四个方面：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真。SRI 研究中心目前在 NASA、美国国防部和国家科学基金会的资助下，正在进行利用遥控技术进行外科手术仿真的研究，这已成为 VR 领域一个很有名的话题。美国研究机构利用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目
8、的伟大成果。2、欧洲研究现状英国在 VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈) 设计和应用研究方面，在欧洲来说是领先的。德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了 VR 技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了 VR 技术；制药企业将 VR 用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。3、亚洲研究现状日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中具有举足轻重的地位，它在建立大规模 VR 知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。（二）国内研究现状我国对 VR 技术的正式研究起步较晚，大概在 20 世纪 90 年代初，且由于虚拟现实高昂的成本
9、和使用费用多年来限制了虚拟现实技术在我国的研究和应用。但近年来，由于政府有关部门和科学研究者的重视，虚拟现实技术已经在中国取得了很大的进步。九五规划、国家自然科学基金会等都把 VR 列入重点研究项目，国内一些重点院校也已几级投入了对这一领域的研究。1996 年，天津大学在 SGI 硬件平台上，基于 VRML 国际标准，最早开发了虚拟校园，至此开启了虚拟现实在我国教育领域应用的序幕，从此虚拟校园、虚拟实验室不断的投入教育领域使用。续天津大学推出虚拟校园后，上海交通大学、西南交通大学、中国人民大学等高校相继推出了虚拟校园。尤其是中央广播电视大学远程教育学院推出的虚拟校园，极大的方便了学生的学习，有
10、助于提高教学质量。虚拟现实在实验教学中的应用也日益广泛。北京科技大学的虚拟现实实验室在近 20 年来一直从事虚拟现实研究，已成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统；北京航天航空大学的虚拟现实与多媒体研究室，正在研制我们军事模拟训练与作战演练系统；此外还有同济大学建筑学院的虚拟现实实验室、西南交通大学的工程漫游、中国科技大学运用虚拟现实技术构筑的物理实验、中国地质大学利用虚拟现实技术演示晶体的结构特征、东南大学自主开发虚拟工程漫游等。（三）存在的问题从整体上讲，目前的 VR 技术仍处于实际应用领域的初始阶段。在很多方面，它还只是一种刚开始研究如何投入应用的技术，还存在着很多尚未解决的理论问题和
11、尚未克服的技术障碍。另外，我国目前在虚拟现实的教学应用方面的研究水平还比较低，一般是一些重点大学在开展实验性质的研究，真正和教育理论结合起来研究虚拟现实在教育领域中的应用成果几乎是空白，直接造成目前我国的虚拟现实技术无法走进中小学的课堂中去。因此，怎样使虚拟现实从科学研究走向实际的教育应用，发挥其教育价值成为现实需要。三、论文研究的主要内容及目标（一）研究的主要内容1、虚拟场景建模。构建一个逼真的虚拟场景，使试验者产生身临其境的感觉，提高学习的兴趣和积极性。2、虚拟场景的漫游及定位技术。开发一个虚拟场景定位子系统，使得试验者在虚拟场景中可以迅速漫游定位，也使得该系统更具有人性化和智能化。3、虚
12、拟照相机的建模及其交互技术。构建一个逼真的、功能相对完备的虚拟相机模型，使得该虚拟相机模型不仅看起来很真实，而且更重要是相机模型的各个部件具有实时的交互性。4、照片的实时产生技术。根据试验者在虚拟场景中对照相机的动态交互，实时产生不同效果的照片（重点& 难点） 。此中会涉及一些图形学知识和 JAVA 的 EAI 接口技术。（二）目标1、由于硬件条件、使用对象以及个人知识能力的有限，本系统只是属于一个初级的桌面式虚拟现实系统。也就是说本系统开发和使用限于普通 pc 机，不涉及其它设备。开发技术限于计算机图形技术、人机交互技术和仿真技术等。使用对象为摄影技能培训者,目标是创设一个更加真实的学习情境
13、，提高摄影技能培训效果。2、构建一个网络平台，把该系统嵌入其中，使其可以在 Internet 上使用,实现在远程教育中开展虚拟摄影实验。四、论文的创新点、难点及可行性分析（一）创新点紧紧抓住虚拟现实的两个本质特征交互性和沉浸感，采用基于 VRML 的虚拟现实技术构建 WEB 三维世界，与二维的网络课程相比情境更逼真、吸引力更强。让学生置身于一个更加真实的情境中，去获取知识、培养能力、发展智力。（二）难点1、建模一个逼真的相机，可以动态设置相机的不同参数，实现动态交互操作。相机的逼真程度和功能完备程度，直接决定摄影技能训练的效果。2、照片的实时产生技术是本系统开发的最大的难点。采用在虚拟场景中实
14、时抓图的方法，可以使系统效果具有更好的沉浸感和真实感，但会涉及大量图形学方面的知识，具有较大的难度；而如果采用照片预先处理的方法，则系统的沉浸感和真实感会大打折扣。（三）可行性分析该系统涉及的主要技术：VRML、java、3DMAX 及多媒体技术、网页设计与制作技术、摄影技术。而在学习了多媒体技术、VRML 和 java、网页设计与制作、现代摄影技艺等课程之后，已经为系统的设计开发打下了一个基础的知识铺垫。我国一些虚拟现实专业研究机构（公司）和一些高等院校已经成功开发出一些虚拟校园、军事或医疗实验系统，其中的一些成功经验可以为我吸取和借鉴。在主观上具有一定开发能力和客观环境可以提供经验支持的前
15、提下，希望今后在老师们的关心和指导下，在同学们的帮助下，通过学习和吸取已有经验，不断地摸索练习，力争给大家呈现一个神奇的虚拟三维世界。五、论文的主体框架第一章：绪论 1.1 课题的研究背景和意义1.2 国内外利用 VR 技术进行虚拟实验的研究现状1.3 本文的研究目标和内容1.4 论文框架第二章：虚拟现实技术概述2.1 虚拟现实的概念及发展历程2.2 虚拟现实的基本技术特征2.3 虚拟现实系统的种类2.4 虚拟现实教育应用2.4.1 虚拟现实教育应用的意义2.4.2 虚拟现实教育应用的理论基础2.4.3 虚拟现实教育应用的方式2.4.4 阻碍虚拟现实技术推广使用的因素分析第三章：VRML 和
16、Java 开发虚拟学习情境 3.1 虚拟现实造型语言 VRML3.1.1 VRML 的发展历史及特点3.1.2 VRML 的编辑器、运行环境和浏览器3.1.3 VRML 的场景图、坐标系和坐标变换3.1.4 VRML 的光照技术、纹理技术3.1.5 VRML 的路由和事件机制3.1.6 VRML 的触发器技术3.1.7 VRML 的脚本语言3.2 Java 语言简介3.3 Java 和 VRML 结合的三维交互技术3.3.1 执行模式3.3.2 驱动方法3.3.3 JSAI 接口3.3.4 EAI 接口第四章：摄影实验仿真系统的设计分析 4.1 系统的设计理念和设计原则4.2 摄影实验仿真系统
17、的功能模块设计（见图 1）4.2.1 虚拟场景4.2.2 虚拟相机模型4.2.3 场景漫游定位模块4.2.4 相机操作监控模块4.2.5 照片生成模块（难点）4.2.4 照片显示模块4.3 网络平台的设计4.3.1 摄影实验仿真系统的嵌入4.3.2 其它功能的补充第五章：摄影实验仿真系统的开发实践 5.1 开发计划和步骤5.2 开发工具和环境设置5.3 系统开发5.4 系统整合测试5.5 系统缺陷及有待改善之处第六章：结论及展望 6.1 工作总结6.2 研究展望六、研究方法与时间安排（一） 研究方法文献研究法：查阅相关专业书籍、期刊、杂志，搜集相关文献，同时进行网络调研；在此基础上分析、整理，
18、研究当前基于网络的虚拟实验系统开发的相关理论成果与实践经验，分析研究的薄弱环节。案例研究法：调研国内外现有的虚拟现实实验系统，从功能上、结构上、技术上对其进行全面分析调查，发现优缺点，为网络考试系统的开发提供经验借鉴。实验研究法：通过反复系统运行测试，获取反馈意见，进行修改完善。（二） 时间安排2006 年 4 月5 月底(两个月） ，在现有调查的基础上，继续查阅相关资料，完善论文框架的构建。在此基础上完成论文的理论铺垫部分，并继续深入学习相关技术，拓展个人的技术能力，为系统的开发做好准备。2006 年 6 月9 月底（四个月） ，努力突破技术难点，开发出该系统的基本模型，并进行试运行。200
19、6 年 10 月12 月底（三个月） ，根据试运行的反馈结果，不断修改完善该系统的各项功能，完成论文初稿，交由导师修改。2007 年 1 月3 月，对初稿进一步完善，形成最终的文字稿。七、参考文献书籍：1. 虚拟现实技术（第二版） .美Grigore C.Burdea 法Philippe Coiffet 著 .魏迎梅 ，栾悉道等译.电子工业出版社 2005.72. 虚拟现实与系统仿真.韦有双 杨湘龙 王飞编著.国防工业出版社 2004.13.虚拟现实基础与 VRML 编程.段新昱著.高等教育出版社 2004.34.使用 VRML 与 JAVA 创新网络虚拟环境 .陆昌辉主编 .周正平 倪文志
20、李竞杰编著.北京大学出版社 2003.15.虚拟现实技术.申蔚 夏立文编著.北京希望电子出版社 2002.96.现代摄影技艺.刘成新 褚晓红编著.中国海洋出版社 2003.9硕博论文：7. 虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计. 恽如伟. 南京师大 2005.11.148. 基于 VRML 的虚拟现实应用研究. 韩立龙. 华中师范大学 2005.7.229. 基于 VR 技术的虚拟教学应用研究. 黄鑫. 华中师范大学 2005.7.2210. 基于 VRML 的虚拟实验研究与实现. 孙俊峰.中国农业大学 2005.7.2211. 虚拟实验教学及其设计研究. 白娟. 陕西师范大学 2005.7.19
