（教育技术学专业论文）基于opengl的教育游戏场景研究.pdf

摘要 信息技术时代，电脑游戏的出现对教育形成了极大的冲击，引起了广大教育者们的 ，- 关注。教育学家们希望将教育和游戏结合起来，以教育游戏的形式为学习者营造一种愉 悦的、沉浸的学习环境，让学习者通过“玩”游戏，身临其境地学到许多传统教育手段 不能较好呈现和表达的知识内容，达到事半功倍的学习效果。作为教育游戏重要组成部 分的教育游戏场景，它是教育游戏的故事和情节赖以存在、发生和发展的空间环境，是 教育游戏设计和制作的基础。它的真实与否直接影响教育游戏的推广和应用。o p e n g l 作为一种开放性的三维图形软件包，以顶点为图元组成想要绘制的形体，对整个三维模 型进行渲染着色、纹理映射和图像增强等操作，它强大的实时渲染能力以及灵活的控制 模型的能力能够产生更加富有真实感和沉浸性的三维景象。因此，如何通过使用o p e n g l 来有效提高教育游戏场景的真实感，促进教育游戏的应用和发展，进而提高学习者学习 的积极性和主动性，已经成为当今研究的热点问题。 为了有效提升教育游戏场景的真实感和沉浸性，本文在研读大量文献资料的基础 上，首先系统归纳了教育游戏和场景建模方法的现状；其次对教育游戏场景的基本概念、 理论基础、设计思路与制作流程等基本情况进行了详细介绍；对o p e n g l 的特点、函数 库、关键技术以及导入3 d s 文件的方法进行了论述；进而提出了将o p e n g l 增强真实感 技术应用于教育游戏场景以有效增强教育游戏场景的真实感和沉浸性，为如何设计和制 作教育游戏场景提出了自己的见解。最后，以上述研究结果为依据，进行开发环境的架 构，设计和制作了更加具有真实感和沉浸性的教育游戏场景模型案例以佐证本文的观 。 ，点。 妯 本文创新之处在于：在前人对教育游戏和场景的分析基础上，根据自己的理解，对 教育游戏场景的概念进行了界定，将o p e n g l 三维图形真实感增强技术运用到教育游戏 场景的研究中来，并对教育游戏场景中的模型进行设计和制作，给相关研究者提供了一 个新的研究思路。 关键词：o p e n g l ，教育游戏场景，真实感技术 v 一 a bs t r a c t i nt h ei n f o r m a t i o na g e ，p cg a m e sh a v eb e e no n eo ft h em a i ne n t e r t a i n m e n t s e d u c a t i o nh a sa g r e a tt r a n s f o r m a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp cg a m e s s o ，m a n ye d u c a t o r sh o p et oc o m b i n ee d u c a t i o n a n dg a m e s ，c r e a t eaj o y f u ll e a r n i n ge n v i r o n m e n tf o rs t u d e n t st oe x p e r i e n c et h el e a r n i n gf u n t h e n , n o to n l y c a ns t i m u l a t et h ei n t e r e s ti nt h el e a r n i n go fs t u d e n t s ，s t u d e n t sc a na l s ol e a r nm o r et h a nw h a tt h e yc a l lg e t f r o mo t h e rt r a d i t i o n a ll e a r n i n gw a y s a sc o m p o n e n to fe d u c a t i o n a lg a m e s ，t h es c e n e si m p a c tr e a l i t yo f d e s i g na n dp r o d u c t i o n s o ，i t sa u t h e n t i c i t yw i l ld e c i d et h ee d u c a t i o n a lg a m e s p r o m o t i o na n da p p l y t h e p r o b l e m i sw h a tw ec a nd ot oi m p r o v et h er e a l i s t i co fe d u c a t i o n a lg a m e sa n ds t i m u l a t es t u d e n t s e n t h u s i a s m a n da c t i v i t y n o w , i ti sah o ti s s u e i no r d e rt op r o m o t et h er e a l i s t i ca n di m m e r g i n go ft h es c e n e si ne d u c a t i o n a lg a m e s ，t h et h e s i s b a s e do nn u m b e r so fr e f e r e n c e s ，c o n c l u d e dr e s e a r c hs t a t u so fe d u c a t i o n a lg a m e sa n ds c e n e s ；i n t r o d u c e dt h e d e f i n i t i o n ，t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，d e s i g ni d e a sa n dw o r k f l o wo ft h es c e n e so fe d u c a t i o n a lg a m e s ；e x p o s i t e d b a s i ci n f o r m a t i o n , i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s ，a n dm e t h o dt oi m p o r t3 d sf i l e st oo p e n g l ；a f t e r w a r d s ， p r o p o s e do p e n g lc o u l de n h a n c et h er e a l i s t i co fe d u c a t i o n a lg a m e s f i n a l l y , id e s i g nt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf r a m e w o r k , b r i n ga b o u tt h ea p p l i c a t i o n0 1 1t h em o d e l i n go fn a t u r a ll a n d f o r ma n ds k y , p r o v e t h ev i e wp o r td e s c r i b e da b o v e t h ei n n o v a t i o no ft h ep a p e ri st h a t ：d e f i n e dt h ee d u c a t i o n a lg a m e ss c e n e sb a s e do np r e d e c e s s o r s a n a l y s i so fe d u c a t i o n a lg a m e sa n ds c e n e s ，a p p l i e do p e n g l ，t h r e e d i m e n s i o ng r a p h i c sr e a l i s t i ct e c h n o l o g y , t oe d u c a t i o n a lg a m e ss c e n e s ，d e s i g n e da n dp r o d u c e ds c e n e so fn a t u r a ll a n d f o r ma n ds k y , p r o v i d e dn e w r e s e a r c hi d e a sf o rs o m er e s e a r c h e r s k e y w o r d s ：o p e n g l ，e d u c a t i o n a lg a m e ss c e n e s ，r e a l i s t i ct e c h n o l o g y i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 目录。v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及问题的提出1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 问题的提出2 1 2 研究现状3 1 2 1 教育游戏研究现状3 1 2 2 场景研究现状5 1 3 研究内容与意义。8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究意义8 1 4 研究方法8 1 5 论文结构9 第二章教育游戏场景解读1 1 2 1 教育游戏概述1 1 2 1 1 相关概念界定与辨析1 1 2 1 2 教育游戏特点1 3 2 1 3 教育游戏的教育价值1 5 2 1 4 教育游戏分类。15 2 2 场景概述17 2 2 1 场景定义17 2 2 2 场景的分类1 7 2 2 3 场景的功能1 8 v 2 3 教育游戏场景概述18 2 3 1 教育游戏场景基本概念18 2 3 2 教育游戏场景理论基础1 9 2 3 3 教育游戏场景的设计思路2 1 2 3 4 教育游戏场景与角色的相对比例2 2 2 3 5 教育游戏场景排布分类2 3 2 3 6 通过虚拟场景营造教育游戏氛围的几个环节2 4 2 3 7 教育游戏场景制作流程图。2 4 第三章基于o p e n g l 的虚拟场景真实感增强技术2 7 3 1o p e n g l 概j 苤2 7 3 1 1o p e n g l 简介2 7 3 1 2o p e n g l 相关函数库2 9 3 1 3o p e n g l 数据类型定义3 0 3 1 4w i n d o w s 环境下的o p e n g l 应用程序结构3 0 3 2o p e n g l 关键技术3 2 3 2 1o p e n g l 中变换技术的实现。3 2 3 2 2o p e n g l 中光照和材质属性的定义3 5 3 2 3o p e n g l 中的雾化技术3 7 3 2 4o p e n g l 中纹理映射技术的实现3 8 3 3o p e n g l 导入3 d s 文件的方法4 0 3 3 13 d s 文件的定义4 0 3 3 23 d s 文件内容的读取4 2 3 3 33 d s 对象的绘制4 3 3 3 43 d s 对象的控制4 4 3 4o p e n g l 绘制场景工作流程。4 4 第四章教育游戏场景的设计分析4 7 4 1 系统问题的提出与实现目标4 7 4 2 影响教育游戏场景设计的教学因素分析4 8 4 2 1 分析教学对象4 8 v i 4 2 2 分析教学内容和教学目标4 8 4 3 教育游戏场景设计遵循的原则4 8 4 4 开发平台的选择4 9 4 5 开发环境的架构5 0 第五章教育游戏场景的案例开发与实现5 3 5 1 主要功能模块的设计5 3 5 2 具体案例的设计和实现方法5 4 5 2 1 地形场景的设计与制作5 4 5 2 2 天空盒的设计与制作5 9 第六章总结与展望6 1 6 1 研究总结6 1 6 2 创新点6 1 6 3 研究不足与展望6 2 参考文献。6 3 致谢6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录。6 9 独创性声明和关于论文使用授权的说明7 1 v i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及问题的提出 1 1 1 课题研究背景 近年来，随着计算机技术和网络技术的迅速发展和广泛应用，网络游戏以它扣人心 弦的关卡设计、情境逼真的场景设计吸引了广大青少年沉浸于其中。游戏参与者在玩游 戏过程中所表现出的投入、热情以及接受关卡挑战时百折不挠的精神，正是一个学习者 应该培养和发展的品质。正如杜威所说：“没有一些游戏和工作，就不可能有正常、有 效的学习【1 j 。 如果把“学习”变成为人们喜爱的一种活动，当学习目标转化为内在动 机时，学习与游戏之间便存在了部分转化。学习者可以在游戏过程中获得学习的收获， 同时体验到游戏的乐趣。新课程改革的一个重要方面就是将以往被动的、接受式的学习 方式改变为主动实践和主动探索的方式，倡导学习者主动参与、乐于探究和勤于动手， 努力培养学习者搜集、处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以 及交流与合作的能力。随着人本教育、快乐学习理念的不断深入人心，人们试图寻找一 条游戏与教育相结合的完美途径，从而有效激发学习者学习的积极性，使学习更为有趣。 这种尝试主要包括两种取向，一是将具有教学价值的游戏直接应用到课堂教学的适当阶 段来达到预期的激发学习者学习动机的目的；二是改变或者开发教育游戏为课堂教学所 用。k i r r i e m u i r 和m c f a r l a n e 在研究中指出：游戏直接应用到课堂教学中是有障碍的【2 】。 因此，如何把游戏与教育完美结合，制作出适合现实需求的教育游戏成为当前备受关注 的课题。作为教育游戏前期设计过程中的一个重要组成部分，教育游戏场景是整个教育 游戏的情节和事件发生、发展过程中赖以展开的空间环境，是游戏角色内心感情和情绪 的延伸和外化形式，是角色与周围环境或角色之间关系的矛盾中心理活动的反映，它的 设计与制作又是教育游戏设计与制作的基础。所以，设计良好、情境逼真的教育游戏场 景能够从感官上和心理上吸引学习者，进而达到学习者对整个教育游戏的喜爱。 随着游戏和三维图像技术的迅猛发展，计算机游戏的表现力在深度和广度上都有很 大拓展。三维模式的教育游戏可以向学习者直观展现危险性较高和难以观察到的微观、 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 宏观事物，模拟代价较高的技能训练，有效激起学习者的学习兴趣并减轻认知负担。为 了能使学习者真正“沉浸”在一个由计算机生成的虚拟环境中，必须使生成的环境足够 自然和逼真。从理论上来说，可以通过建立无限接近于真实世界的模型，在模型的精确 度、计算机处理能力和人们的可接受程度上采取适当的折衷【3 】。另外，随着虚拟现实技 术、分布式计算、分布式仿真和网络三维游戏的发展，要求教育游戏中的模型在图形上 高度逼真并具有实时响应能力。然而，在3 d 应用程序中，经常要实现各种如3 d 变换、 纹理映射等底层功能，如果这些功能完全由用户自己开发的话，是一件非常费时费力的 事情。o p e n g l 作为一种开放性的三维图形软件包，以顶点为图元，由点构成线，由线 及其拓扑结构构成多边形，然后组成想要绘制的形体，最后通过图形的绘制、移动和旋 转等操作，方便的生成需要的真实感图形。另外，o p e n g l 可以自动与硬件的驱动程序 进行沟通，启动3 d 图形芯片的图形处理功能，大幅度提高了3 d 程序设计的效率。 1 1 2 问题的提出 纵观教育游戏这些年来的发展，我们发现，相关的理论或者实践研究中，理论研究 所占的比重很大，并且，理论研究中，能够以实践背景为支撑的理论研究非常稀少。同 样，对于场景的研究，又大多集中于场景建模方法和场景使用工具上的研究，极少涉及 到教育游戏的场景制作。因此，确定本文的研究方向为使用o p e n g l 增强教育游戏场景 真实感的方法，致力于提出一种具有理论指导和实践支撑的有效提高教育游戏场景的沉 浸性和真实感的方法，为教育游戏的推广和应用提供一个解决思路。寻找相关研究点时， 在中国学术期刊全文数据库中进行了相关文献检索，检索文献数据的年限是从1 9 9 9 年 到2 0 1 0 年，由于“关键词”是文章检索的有效因素，因此使用它作为检索项，结果如 表1 - 1 所示。在这1 2 年中，共有教育游戏的相关文献4 7 0 4 篇，说明我国在教育游戏领 域已经有一定的发展。以“游戏场景”作为关键词进行检索，共有3 4 9 篇，说明我国对 游戏场景的研究有一定的涉猎。以“教育游戏+ 场景”为关键词进行检索，只有8 篇文 章，其中只有“三维情境式教育游戏软件的设计与案例研究 一篇真正与研究点相关， 然而，场景的研究只是其中的一部分。用“o p e n g l + 场景”作为关键词进行检索，共有 2 0 9 篇，研究大多集中在建筑场景漫游、场景可视化以及场景生成算法等方面，具体应 用在游戏中的很少。最后，以“o p e n g l + 教育游戏+ 场景”为关键词进行检索，结果为 o 篇。以上数据表明，教育游戏在我国的研究已经有一定的发展，但是关于教育游戏场 2 第一章绪论 景的研究还非常少，特别是在改善教育游戏场景真实感方面尚属于空白。 表1 - 1 研究点文献检索结果 检索项检索词篇数检索词篇数 关键词教育游戏4 7 0 4 o p e n g l 2 4 9 7 关键词游戏场景 3 4 9 o p e n g l + 场景 2 0 9 关键词教育游戏+ 场景 8 o p e n g l + 教育游戏场景 o 因此，如何有效地使用o p e n g l 开发出更符合真实情境的虚拟场景，更好地开发出 充分调动学习者积极性的教育游戏，从而增加教育游戏的可玩性，进一步提高学习者的 学习效率是当前需要迫切解决的问题。 1 2 研究现状 1 2 1 教育游戏研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 教育游戏的研究始于上世纪8 0 年代，欧美在游戏应用于教育的研究较为深入，不 仅有丰富的在线教育游戏网站，还开发了许多单机版和网络版的游戏软件。除了应用教 育游戏的学校之外，大型企业和机构也致力于游戏化学习的研究与开发。 理论研究现状 游戏理论的研究起源于西欧，众多教育学者对游戏理论、游戏的教育和精神价值等 方面进行了深入探究。通过探讨游戏的特征研究如何去影响、发展和创造新的教育理论， 并提出更多设计开发模式和方法。如：活动理论的代表人物k u u t t i 认为：人的行为应该 放在情境与脉络之中去考察。d a v i d 从学习体验的角度，主张学习过程中有必要加强学 习资源的交互作用、知识表征方式的多样化以及加强虚拟现实中知识的运用【4 1 。教育游 戏能够提供学习者体验学习的机会，这一特征正与建构主义理论的观点相吻合。 m a j a p i v e e 认为教育游戏具有以下特点：第一，游戏为一项解决方案，组合各种领域的知 识，从一种观点上做出判断；第二，学习者可以测试游戏的结果所引起的变化；第三， 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 学习者在玩游戏的过程中，可以与其他成员进行讨论和协商5 1 。并在此基础上提出了设 计开发教育游戏的基本步骤：确定教育方法、在仿真的世界中确定任务、描述细节、整 合潜在的教育支持、将学习活动设置在界面交互的活动中以及将所要学习的概念设置在 界面交互的目标中。蹦s t i 肌k i i l i 根据体验式学习理论、沉浸理论和游戏设计理论提出 了教育理论与游戏设计整合的体验式游戏模型，强调在教育游戏中向学习者提供即时反 馈、清晰的教学目标以及与他们技能水平相适合的挑战的重要性【6 】。 应用现状 国外教育游戏的应用方面，主要集中在学校与企业之间的相互合作，设计、制作并 应用各种教育游戏，呈现出教育游戏研究的专业化和市场化的特点。 m i t 研究的项目“g 锄e s l 0 1 e a c h ”，目标是提供一种新的视角开发下一代教育 游戏，使游戏更好地为教育服务。目前，已经开发完成了适合于数学、自然科学和机械 工程学科的教育游戏范例，并试图将游戏研究成果普及到人文社科专业，逐渐将其拓展 到高中和大专层次的社科专业学习中。 德克萨斯大学工学院与一些机构合作开发了可以应用于教学、商务和政府工作的计 算机游戏。1 9 9 8 年，利用e n t e r t e c h 计划开发出针对一批接受福利救济人员进行职业技 能教育的模拟软件，获得了很大的成功。 2 0 0 5 年联合国世界粮食计划署推出全球首款人道主义教育游戏粮食力量，旨在 教育孩子应对分发食物的挑战。 韩国k i d n k i d 游戏公司开发的“b u b b l es h o o t e re d u p a n g p a n g 彤适合于从5 岁到成 年等不同年龄的人，用来教学习者学习词语、绘画技能，了解商业用语以及日常用语。 “k o r e a np a n g p a n g 和“m a t h e m a t i c sp a n g p a n g 目前已经开发完成，正式发行。 此外，f u n b r a i n ，g a m e g o o ，g a m e q u a r i u m 等教育游戏网站提供免费的中小学在线 互动游戏。 ( 2 ) 国内研究现状 理论研究现状 随着国外教育游戏理念的引入，国内关于教育游戏也展开了许多有价值的探讨，但 总体来说仍处于起步状态。研究内容主要集中在：传统游戏和教育游戏本质与意义的探 讨；教育游戏教育价值的研究；游戏与教育如何结合；如何找到教育游戏中教育性和游 戏性的平衡点等方面。另外，还有一部分学者在分析现存教育游戏的基础上提出了一些 4 第一章绪论 教育游戏开发模式的基本框架、设计策略、学习环境的设计和评价等。如：祝智庭等人 关于娱教技术最新研究成果的专题系列文章：娱教技术：教育技术的新天地、娱教 技术人才培养框架、基于娱教技术的体验学习环境构建等，全面阐释了娱教技术的 本质和内涵、娱教技术人才能力结构、培养模式和环境构建等内容。但是，这些研究只 集中在对部分国内产品进行分析，具有一定的局限性，不能很好地解答如何设计、开发、 评价和应用教育游戏软件，还有待进一步扩大和深入。 应用现状 国内外各大院校的相关学科和专业的专家都在进行教育和游戏的整合研究，希望真 正达到良好的“寓教于乐”的学习效果。部分游戏制作公司也在进行相关教育游戏的开 发和制作。比如：科利华公司的科利华学生智慧世界；奥卓尔公司的奥卓尔学习世界； 创新未来电脑有限公司的“w a w a y a y a ”；，意成资讯科技有限公司的“一课一练之传说之 旅”；盛大的学雷锋网络教育游戏；以及北京中教电信公司的真知探索等。 目前，出现的教育游戏一般为r p g 游戏和f l a s h 游戏，从游戏内容和适用对象来看 大多将游戏用户定位于中小学生，面向大学生和成人的教育游戏很少。从我国大范围来 看，人们对教育游戏虽然排斥心理有所减轻，但是误解仍然存在，教育游戏的应用很少， 还需要游戏设计师、教育学家、教师和家长多方面人士的共同努力。 1 2 2 场景研究现状 在以往的二维场景设计创作中，已经形成了较为成熟的理论和表现方法。在构思方 法上，人们树立整体造型意识、把握主题、确定场景基调以及探索独特恰当的造型方式 等思维方法。在场景空间的表现手法上，利用引力感、强化景深等方式塑造场景。但是， 对于三维场景的设计，从其专业培养和理论研究方面来看，基本处于起步阶段。对场景 设计的特性和表现方法的研究，仍然存在着需要进一步研究的空间。笔者所能够查到的 文献，往往是从场景漫游、设计场景所使用的工具和场景建模方法等角度来阐述场景， 没有更多地涉及到教育游戏场景的研究。 目前，主要采用的场景建模方法主要有三种方法：基于几何模型的建模方法、基于 图像的建模方法和基于图形与图像混合建模方法。 ( 1 ) 基于几何模型的建模方法 基于几何模型的建模方法( g e o m e t r y - b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ，g b m r ) 是 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 基于计算机图形学的实现三维几何模型基础建模和绘制的技术盯1 。虚拟场景中物体的几 何建模和传统的c a d 建模和动画建模有着本质的区别。c a d 建模和动画建模以造型为 主，为了达到提高场景逼真度的目的必须增a n - - 维造型的复杂度。而虚拟场景中图形的 生成需要兼顾真实感和实时性，所以采用了降低造型复杂度和增强纹理显示的方法。首 先，利用现有的三维建模软件，对真实场景进行抽象，用数学意义上的曲线和曲面等定 义一个虚拟场景的三维几何模型，建立虚拟环境中的光照和材质模型，然后进行纹理映 射及参数设定，最后完成对整个场景的建模和漫游。要达到这个目标，首先要构造几何 模型，其次模拟虚拟摄像机在场景中六个自由度的运动，并得到相应的输出画面。使用 基于几何模型的建模方法来构建三维虚拟场景，只需要按照相关建筑图纸，根据一定的 比例，就能完成精确的三维建模。同时，方便了用户与虚拟场景中虚拟实体的交互并获 取深度信息。但这种方法的缺点是：三维建模费时费力、工程量大；当场景模型比较复 杂时，实时显示的计算量大，实时交互性和图形的真实感结合起来更为困难；对计算机 硬件有较高要求；漫游时在每个观察点和视角实时生成的数据量较大。 通常，基于几何模型的建模方法包括：规则物体的几何建模和不规则物体的几何 建模l s j 。虚拟环境中往往包含许多人、建筑物、铁路和桥梁等具有规则形状的物体。这 些规则物体的建模理论发展比较成熟，对这些物体进行建模时，需要选用比较合适的建 模工具并使用l o d 层次细节模型对其进行简化。虚拟现实中游戏场景的构成元素包括 地形与地表纹理、地表植物与建筑物、天空系统和场景特效四大部分。其中，地形与地 表纹理、地表植物和天空系统呈现出比较大的随机性和不规则性，不适合使用传统的几 何建模工具对其进行建模构造，通常则采用随机的分形建模方法。如：r o b e rm a r s h a l l 运用随机模型组合基本数据元素构造了树林、灌木和山脉等不规则物体模型；g a v i n m i l l e r 则使用递归分形，构造了复杂地形与地表纹理和天空系统等模型。需要注意的是， 随机分形建模方法必须使用简化的数学模型并选择合适的分形维数范围。 ( 2 ) 基于图像的建模方法 基于图像的建模方法( i m a g e b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d i n g ，i m b r ) 完全摒弃了传 统的先建模、后确定光源的绘制方法，直接利用照相机或者摄像机预先采集真实的场景 图像，然后通过把二维图像进行裁剪、透视交换，再经过重构和重新采样等操作实时生 成不同视点的场景画面，用户可以在虚拟场景中进行前进、后退、近看、远看、俯视、 仰视和环视等各种操作，实现全方位三维虚拟场景的漫游【9 】o 基于图像的建模方法根据 6 第一章绪论 输入图像及内部像素之间的几何联系，用全景图集合来构成虚拟场景。 基于图像的建模方法的优点是：场景中图像的绘制独立于场景的复杂性，仅仅与所 要生成画面的分辨率有关；不需要建立几何模型和光照模型；对计算机硬件环境要求不 高，可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时绘制；场景的源图像既可以 是计算机生成的，也可以是使用相机从真实环境中捕获，甚至是两者混合生成的。因此， 基于图像的建模方法可以反映更为丰富的明暗、颜色和纹理等信息；不需要复杂的计算。 通过这种方法构建模型，绘制时间不依赖于场景的复杂度，所以构造模型一旦建立，在 绘制输出时与场景的复杂度就没有关系，只与图像的采样和显示分辨率有关；可以生成 复杂的景观。传统的基于几何建模方法所构造出来的模型是通过创作或者设计想象出来 的，与生成的环境无关。基于图像的建模方法主要以真实场景为基础，可以包含现实世 界中所存在的各种景观。 但缺点是：基于图像的建模方法需要进入现实场景进行拍摄。如果真实场景不存在， 或者只处于设计规划阶段，就无法生成虚拟场景。另外，获得的实景图像对照相和摄影 装备要求比较高，得到的图像文件经过采样、重构会产生误差，引起失真。 基于图像的建模方法按照表示模式可以分为：基于立体视觉的视图合成方法、基于 图像拼合的方法、基于分层表示的方法、基于视图插值的方法和基于全视函数的方法i l u 。 ( 3 ) 基于图形与图像混合建模方法 建模过程中，既要满足实时绘制的要求，又要避免复杂场景几何模型的大量计算。 因此，可以将基于图形的建模技术和基于图像的建模技术有机结合起来，采用基于图形 与图像的混合建模方法进行虚拟场景的构建。从前面分析可以得知，基于图形的建模技 术注重对虚拟场景交互行为的仿真和可实现性；基于图像的建模技术则注重视觉的真实 性，用图像的变形、拼接等方法构造一个尽可能符合视觉要求的虚拟场景。基于图形与 图像的混合建模方法的基本思想是：第一步，用基于图像的建模方法构造出具有逼真视 觉效果的虚拟场景；第二步，对虚拟场景中用户交互的实体用基于图形的建模方法进行 实体构建；第三步，对模型进行修整。最后，得到以图像形式表示的几何模型【1 1 1 。混合 建模方法增加了场景真实感，同时保证实时性与交互性，有效提高了用户的虚拟沉浸感。 但是它也带来了很多技术上的困难，需要解决一下三个问题：空间关系和透视的匹配； 运动的一致性；光学效果的一致性。 7 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 1 3 研究内容与意义 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 通过查阅大量文献资料，对当前教育游戏现状、场景现状进行研究总结，对教 育游戏场景本身进行必要分析； ( 2 ) 分析了教育游戏场景的理论基础，并在这些理论的指导下进行案例的设计与开 发；探讨了教育游戏场景的设计思路、排布分类、营造氛围的几个环节以及开发流程； ( 3 ) 对o p e n g l 三维图形开发软件关键技术进行总结； ( 4 ) v c 开发环境中运用3 d sm a x 、o p e n g l 设计制作出更加具有真实感的场景模型； ( 5 ) 对整个课题进行总结，指出o p e n g l 对增强教育游戏场景真实感的重要作用和 意义； 1 3 2 研究意义 ( 1 ) 分析了o p e n g l 在构建逼真、具有沉浸性教育游戏场景上的应用，对o p e n g l 的一些关键技术进行了总结，可以为相关开发工作者提供帮助和参考； ( 2 ) 利用o p e n g l 进行教育游戏场景建模，提高虚拟场景真实性，更加有效地激发 学习者的学习动机，维持学习者持续学习的乐趣。为教育游戏的推广和应用提供一个解 决的思路； 一l r 1 4 研究方法 课题的研究方法主要有文献分析、开发研究和观察法等。 ( 1 ) 文献分析 文献分析是研究者通过阅读有关图书、资料和文件来全面正确地掌握所要研究的情 况。o p e n g l 自引入游戏中以来，逐渐成为了研究的热点。但目前，相关研究主要集中 地形可视化、场景建模方法、游戏引擎和一些模拟系统的开发等方面，对教育游戏场景 的应用研究成果比较缺乏。为了研究o p e n g l 引入教育游戏场景后所产生的深远的影 响，通过中国学术期刊全文数据库、中国优秀博硕学位论文数据库、中国科技期刊数据 库、中国数字图书馆电子书库等数据库资源，阅读了大量的有关o p e n g l 、教育游戏和 场景等方面的文献。同时，在河南师范大学图书馆、物理与信息工程学院资料室等地方 第一章绪论 查阅了大量的书籍、期刊和报纸等资料，登陆浏览了各个相关的网站，通过大量的文献 阅读提出研究问题，力求为本课题寻找坚实的理论支柱、技术支撑和解决方案。 ( 2 ) 开发研究 开发研究方法是类似于软件工程中的快速应用开发方法，在一定理论依据指导下， 快速制作出一个系统原型。这个原型可以是一个独立运行的计算机软件，也可以是一个 在纸上画出来的模型。并且，在这个系统原型的基础上，邀请一些专家或者实际用户对 系统原型提出意见，设计者在分析、整合意见的基础上制作出第二个原型，直到以上各 方面的专家和用户对制作出的系统原型满意为止。开发研究的过程是一个循环往复的过 程，开发者边开发边研究，一方面开发者不断吸取各方面意见，改进系统的设计，丰富 系统内容，逐步开发出一个功能比较完善的系统，一方面开发者同时也可以不断积累经 验和知识，为相关的其他研究者提供借鉴和方法指导。这种研究方法的缺点是比较费时， 研究者通常在项目开始之初很难知晓整个设计需要几个回合的原型开发，并且，每个回 合需要多次实践才能完成。另外，开发研究需要有丰富的专业知识才能在面对收集来的 大量意见和建议的情况下，做出科学的合理的决定。 ( 3 ) 观察法 观察法是研究者按照一定的目的和计划，对研究对象进行系统的连续观察，并做出 准确、具体和详尽的记录，以便全面而正确地掌握所要研究的情况。本研究将观察法作 为记录教育游戏场景在系统设计过程中产生的真实感变化情况的一种工具。 “ 1 5 论文结构 本文共分6 章。第一章为绪论，主要介绍了论文的研究背景、国内外研究现状、研 究内容和意义以及论文结构。第二章为相关理论研究，对教育游戏场景中所涉及的基本 概念进行界定，并对教育游戏场景进行了详细论述。第三章对o p e n g l 三维图形真实感 增强技术的特点、工作原理和关键技术等进行了详细介绍。第四章对整个系统进行总体 设计，分析了影响教育游戏场景教学因素以及开发原则，并指出系统开发技术和开发环 境。第五章是对教育游戏场景中的自然地貌场景和天空系统场景进行真实感实例建模。 第六章为总结本文研究成果、创新点以及以后的进一步研究方向。论文研究框架如图 1 1 所示。 9 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 1 0 图1 - 1 论文研究框架 第二章教育游戏场景解读 第二章教育游戏场景解读 2 1 教育游戏概述 2 1 1 相关概念界定与辨析 ( 1 ) 游戏基本概念 游戏是现实生活中常用的一个词语，人们很难对它进行精确的概念定义。现代汉 语词典中对游戏的解释是：游戏是娱乐活动或者玩耍【1 2 】。辞海中的解释为：体育 的重要手段之一，文化娱乐的一种【1 3 】。很显然，在中国的工具书中，游戏是娱乐和体育 的一种手段，与教育毫不相干。 荷兰学者h u i z i n g a 认为：游戏是一种自愿的活动或者消遣，这种活动或者消遣是在 某一固定的时空范围内进行的，游戏规则是游戏者自由接受的，但又有绝对的约束力； 游戏以自身为目的而又伴有一种紧张、愉快的情感以及对它“不同于日常生活”的意识 【h 】。m a n n 则认为：游戏是能够使人融入到活动性的、有意义的、象征性的游戏的世界 之中，并使人在玩游戏的过程中达到学习的目的【”】。此外，a l e s s i 认为，游戏能够促进 学习者主动学习，具有竞争性、幻想性、挑战性和安全性等特征。 ( 2 ) 教育游戏基本概念 随着计算机技术和网络技术的迅速发展和广泛应用，网络游戏在此基础上得到了快 速发展。它强调人与人之间的交互，为游戏者提供了一个逼真、互动和平等的虚拟世界。 但是网络游戏也产生了很多负面影响，如：危害青少年身心健康，影响他们正常的学习 生活等。为了解决青少年网络游戏成瘾这个问题，政府部门采取了“疏而不堵”，正确 引导，开发有利于青少年的“绿色网络游戏”。同时，一些教育工作者也通过对一些具 有教育意义的网络游戏的反思提出了教育游戏的理念，尝试把教育内容融入到游戏中， 通过游戏和教育内容的结合使得教学过程像游戏一样轻松和充满吸引力，实现“在娱乐 中学习、在学习中娱乐”的理想状态。2 0 世纪9 0 年代初，美国新闻与世界报道中最 先使用了“教育游戏 这个词。最初，教育游戏主要应用于商业领域，吸引愿意为孩子 们购买家庭用学习产品的家长们。但是，在当时，一些教育学家、家长和老师们认为教 育游戏与传统的学习方式格格不入，对它的应用采取排斥态度。后来，随着教育游戏内 基于o p e n g l 的教育游戏场景研究 容、方式的逐渐完善，获得了越来越多的人的关注，现在已经渗入到学校、家庭和企业 中。 国外称教育游戏为“e d u t a i n m e n t ”，是“e d u c a t i o n ”和“e n t e r t a i n m e n t ”的合成词。 英语字源字典中对教育游戏的解释为：1 通过兼具教育性和娱乐性的媒体来学习的 行为。2 包含教育内容和娱乐方式的计算机软件。英国媒介教育专家大卫帕金翰认为： 教育游戏是一种紧紧依靠视觉化的学习材料，以某种叙述或者类似游戏的较少说教的方 式展开的学习类型n 6 1 。芬兰学者s a r iw a l l d 6 n 将教育游戏理解为通过一种娱乐手段或 者信息技术来达到教育目的教育材料。 国内对教育游戏的研究起步相对较晚，主要有以下三种名称。第一种名称是教育游 戏。教育游戏产业研究报告中指出：教育游戏是指能够培养游戏使用者的知识、技 能、智力、情感、态度和价值观，并具有一定教育意义的计算机游戏类软件1 7 1 。第二种 名称是娱教技术。祝智庭将“e d u t a i n m e n t ”翻译为娱教技术，认为娱教技术主要是以尊 重学习者当前的生活价值为基础，通过创建、使用和管理恰当的技术过程和技术资源以 促进学习者的生活体验和乐趣为教育目的的理论与实践【1 8 】。第三种表达类似概念的名称 是“游戏化学习”。 因此，从以上对游戏和教育游戏的定义概述中可以看出，教育游戏以游戏软件为依 托，不仅是一种可玩性强的游戏，而且还具有一定隐性的教育目的，能够培养学习者知 识与技能、过程与方法、情感态度和价值观。如果仅仅是把教育内容设计进入游戏中而 没有可玩性；或者可玩性太强而教育性太弱都不能称为教育游戏。教育游戏目的是通过 充满色彩鲜明动画的计算机屏幕，调动学习者的学习积极性，吸引和维持他们的持久注 意力【1 9 1 。 ( 3 ) 相关概念辨析 概括说来，教育游戏是介于电脑娱乐游戏和教育软件之间，三者分界并不明确相互 影响、相互作用。它们之间的具体关系如图2 1 所示。 教育游戏与电脑游戏：二者均侧重给玩家提供一个沉浸式的游戏环境。电脑游戏注 重游戏的娱乐性，充分挖掘游戏玩家的心理特征，吸引更多玩家投入到游戏中去。电脑 娱乐游戏的技术性、叙述性和个体体验三个方面特征适合整合到教育游戏中，但不能马 上对应到特定学科或专题的知识技能。教育游戏属于电脑游戏的范畴，是一种游戏化的 学习环境，具有明确的游戏规则、游戏环境和目标。它通过玩游戏这种方式来激发学习 1 2 第二