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1、目录1 引言12 虚拟现实技术与虚拟学习环境12.1虚拟现实技术12.2虚拟学习环境22.3虚拟现实开发工具33虚拟学习环境的三维建模63.1 校园三维场景的建立63.1.1校园建筑物三维模型的创建63.1.2 校园立体图建筑物模型材质设计63.1.3 其它场景模型的创建83.2 校园三维模型导出94虚拟学习环境的三维交互设计与实现104.1利用Virtools 提供的BB 功能模块实现物体的识别104.2 利用BB脚本实现虚拟学习角色的交互104.2.1 学习角色的设置104.2.2 碰撞设置124.2.3 学习角色交互设置134.3 虚拟学习环境的发布155 结束语16参考文献16基于VR
2、技术虚拟学习环境的构建摘要：本文概括了Virtools 技术的特点和优势，分析了Virtools 的组成结构和视景数据库的建立。使用3ds max 建模工具和Virtools 开发软件，以江西科技师范学院为虚拟对象，设计并实现了虚拟学习环境，提供实现学习角色在虚拟校园环境中的展示、行走、学习等功能。 用户可以以Web的形式,随意在该校园环境中漫游，进行虚拟学习。关键词：3dsMax； Virtools；虚拟学习环境；1 引言虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种由计算机全部或部分生成多种感觉环境，给参与者提供各种感官信息，使之产生身临其境的感觉，以便更好地体验、接受和认
3、识客观事物的技术，它可分为沉浸式和非沉浸式两种。沉浸式虚拟现实技术，是通过一些特殊的外部设备如头盔式立体显示器、空间位置传感器等输入输出设备来实现的。但由于其价格昂贵，且一次只能供一人使用，因此很少在教学中得到推广和应用。而非沉浸式虚拟现实技术，主要依赖软件技术来实现，即应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟，其特点是经济、方便，便于广大学习者使用，目前用于非沉浸式虚拟现实的软件有很多，如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools 等。其中，Virtools 技术以其功能较全面、人机交互可视化强等优势得到了越来越广泛的研究和应用。2
4、 虚拟现实技术与虚拟学习环境2.1虚拟现实技术虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。他综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。VR技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现
5、实系统的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站，但近来基于Intel奔腾（代）代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异，有可能异军突起。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。虚拟现实技
6、术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。2.2虚拟学习环境“环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体
7、生存的一切事物的总和。”由此看来，环境总是针对某一特定主题或中心而言的，是一个相对的概念。学习环境的主体是学习者，学习环境是指促进学习者发展的各种支持性条件的统合。虚拟学习环境是由信息技术构建的、促进学习者发展的各种支持性条件的统合。虚拟学习环境简称IVLEs，是网络环境和数字环境的结合。即网络检索平台与数字图书馆相融合的产物。它是在网络环境下，将读者的学习资源、教师的教学资源和科研资源与图书馆信息资源和服务资源融合在一起，供读者在一个平台上、一个在窗口下检索、一站式查询、一站式链接的数字化学习环境。在虚拟学习环境这样的开放环境下其对教学的教育技术理论是具有促进作用的，其不但重视了理论联系实际
8、，还刺激着学习角色的学习效果。其优点也主要归结为以下几点：（1）时间灵活，迅速、快捷获取材料在开放环境下，学习者不但可以利用网络等各种平台快速查找案例、分析案例、整理案例，还可以随时在网络上查找到所需要的资料，激发学习者的学习兴趣和提高他们的学习动机。（2）不受空间限制，能够获得最近和最远的学习资源虚拟学习环境为学习者提供了资源平台，学生可以不受空间的限制，寻找到自己所需要的学习资源，从而促进了教学的教育技术理论。（3）学习角色的参与性、自主性、灵活性强虚拟学习环境本身没有什么授课时间的限制，任何学习者都可以自由的自我调整学习时间以及自我的参与度，在学习程度上自由度更大。2.3虚拟现实开发工具
9、虚拟现实开发工具有很多，在本项目中所采用的虚拟现实开发工具主要有两个，分别是3ds max和Virtools,其中3ds max由于三维场景的建模，Virtools用于设计虚拟学习环境的交互，其编辑界面分别如图1、图2所示。图1 3ds max的编辑界面3ds max是美国Autodesk 公司的电脑三维模型制作和渲染软件，该软件早期名为3DS，因为类似dos年代，需要记忆大量的命令，因而使用非常不便。后来改为max，其图形化的操作界面，使用更为方便。max 历经3.0，4.0，5.0现在发展到9.0 以上版本，逐步完善了灯光、材质渲染、模型和动画制作。广泛应用于建筑设计、三维动画、音视制作等
10、各种静态、动态场景的模拟制作。软件具有功能强大、扩展性好，操作简单、容易上手，和其它相关软件配合流畅等特点。3ds max是单文档应用程序, 这意味着一次只能编辑一个场景。但是可以打开3ds max的多个副本并在每个副本中打开不同的场景。由于打开多个3ds max副本需要占用大量计算机内存，为了获得最佳性能, 应该计划好一次只打开一个副本并只编辑一个场景。在3ds max软件中创建建筑三维场景的第一步就是建立建筑形体的三维模型, 它在整个工作流程中非常重要, 其后的灯光、材质等元素的添加, 都是以三维模型为基础的,可以说建模是万丈高楼的地基。为保证模型的精度和便于模型的导入, 利用3ds ma
11、x建模时我们遵循了以下原则:(1)各建筑物的长、宽、高数据应严格按照校园建筑平面图上标示数据和实测数据。（2)模型的中心基点应与3D Max中场景的中心点一致。(3)为减少数据量, 模型应表现建筑的主体轮廓,尽量减少面数。图2 Virtools的编辑界面Virtools 是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发的一款三维互动程序开发工具，Virtools 是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D 图形或是音效等。Virtools 是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多
12、媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。目前的版本支持到Directx9.0c。它除了自身的三维交互开发平台Virtools Dev以外，还有5个可选模块，分别是网络服务器Virtools Server、物理属性模块Physics Pack、人工智能模块AI Pack、Xbox 开发模块和沉浸式平台VR Pack。其主要有以下几方面特点：(1)人机交互图形化用户界面Virtools 的用户创作界面是一个可视化、图形化的界面；是一个以可视化的编辑方式、流程图的思维模式，进行对象和脚本设计的用户界面，它使开发流程更加直观。(2)便捷的网络传播Virtools 设计的作品除了可以编译
13、成单机运行的可执行文件以外，最大的特色在于可保存为网页格式，形成的文件体积小、网络传输速率快、占用资源少,便于推广和传播。(3)强劲的脚本语言VSL(Virtools Scripting Language)VSL 是一个强大的脚本语言。用户可以在Virtools 的图形脚本编辑器中进行相应的脚本代码编写与运行，编辑器提供脚本关键字智能颜色显示功能、函数参数显示功能以及完整的调试功能。除了用于脚本互动部分的撰写与运行，VSL 还可以用于创作模式下的操作功能的扩展，提升Virtools 本身开发环境的制作效能2。(4)模块化的技术开发路线Virtools可以利用拖放的方式，将系统内的Buildin
14、gBlocks（行为交互模块，以下简称BB）赋予在适当的object（对象）或是character（虚拟角色）上，并以流程图的方式，决定BB的前后处理顺序，从而实现可视化的交互脚本设计，并把许多功能不同的程序模块相互连接组成应用程序，再逐渐编辑成完整的交互式虚拟世界。用户还可以利用现有的行为模块，再建立一个新的行为模块。此新的行为模块可以另外独立储存成一个模块档案，以方便重复使用，实现了技术开发的模块化。模块化的技术开发路线便于开发者进行制作任务的分配、优化项目制作流程，确保项目制作科学与实用。(5)高效的协作平台Virtools 具有多重工作方式。普通的开发者可以用鼠标拖放模块的方式，通过人
15、机交互图形化用户界面，制作高品质图形效果和互动内容的作品。高级开发用户可以利用SDK(Software Development Kit,软件开发工具包)和VSL，通过相应的API 接口，创建自定义的交互行为脚本和应用程序。以上5个特点确保了非技术性的设计人员和高端的程序员，聚集在Virtools 工作环境中，群策群力，为一个共同的制作任务进行工作协作。3虚拟学习环境的三维建模3.1 校园三维场景的建立校园三维场景的建立包括校园建筑物三维模型的创建、校园立体图建筑物模型材质设计、其它场景模型的创建。3.1.1校园建筑物三维模型的创建在3dsMAX 中有很多种建模方式，包括：旋转建模，loft 放
16、样建模，Boolean 建模方法，细分建模，复制、堆积建模，依附建模，面片建模，NURBUS 曲面建模，材质建模，组合建模等。通常来讲，没有固定的建模方式，主要看使用者自己的使用习惯，也可以配合多种工具同时使用，每种建模方式也有自己的各自特点。例如：在建立学校比较复杂的建筑物的时候可以采用依附建模的方式，因为现在很多学校的建筑物都有各自的特色，不再是规规矩矩方方正正的盒子模式。但在设置校园住宿区的时候一般是采用复制的方式进行。建筑物立体模型, 通常有三种建模方法, 即多边形、面片及NURBS建模。建筑物使用多边形建模最简便快捷,因此本次校园建筑物建模就采用此方法。事实表明, 使用多边形建模, 能描述足够的
