（教育技术学专业论文）基于分布式虚拟现实的协作学习平台设计与研究.pdf

y8 8 6 6 8 0 囊鬟鬟舞糕 秉承学较严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是获 t 在罨师指导下进行的研究工作及取得的研究戚果。尽魏所知除了文 巾糟翥加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果。不包含本人或他人已申请学位或其糟用途使甩过的成果。与 我一同工作帕同志对本研究所馓的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了致谢。 申请学位论文与资料若肓不宴之处，本八承担一切相关责任。 自、a 论文作者签各：墨! i ：日期：五丝：! 纛妒纛纛产糕蠢焉 本人完全了解第四军医大学有关保护知识产较韵规定。即：研究生在较 瑷读学位期阃论文i 作的知识产权单位再第四军医大学。本人保证毕业离 羲岳发表论文或使用论文工作成果时署名单位弱然为第四军医大学。学 较可以公布论文的全部或部分内容( 含电子蹶，保密内容除外) ，可以采 用影印。缩印或其他复嗣手段保存论文。学较有彀允许论文被查啊秘借阕， 并在校囿网上提供论文内容的浏览和下载服务。 诧文作者阮耋盎导- 际垒! 堕二日诧文作者签名：婆兰b导- 签名：绫! 竖 日期：皇! 堑! 第四军医大学硕士学位论文 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 v rv | r t u a ir e a t y虚拟现实 d v rd i s t n b u t e dv i r t u a ir e a l i t y 分布式虚拟现实 s w fs h o c k w a v ef i a s h( f i a s h 文件格式) ( f l a s h 软件的脚本语 a s ca c t i o n s c r i d t 言) c a ic o m o m e a s s i s t e di n s t r u c t i o n 计算机辅助学习 f m sf i a s hm e d i as e n ，e r f i a s h 媒体服务器 d v ed i s tr b u t e dv i r t u a ir e a i i t y 分布式虚拟环境 c o m p u t e r - s u p p o r l e d c s c w 计算机支持的协同工作 c o o p e r a t i v ew o r k i n g c o m p u t e r _ s u p p o n e d c s c l计算机支持的协作学习 c o l i a b o r a t i v el e a m j n g u r lu n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i 稍e r 统一资源标识符 第四军医大学硕士学位论文 虚拟达到交互。协同的重点在于各客户端在同一虚拟场景中彼此可见， 相互间有关联。而现有的协作学习系统很少考虑应用虚拟现实，一方面 虚拟现实的直观、沉浸感强等适合于教学的优点得不到发挥；另一方面， 虚拟现实仅被用来作为一种呈现3 d 物体的媒体，不能多人协同交互。 本文通过研究分布式虚拟现实的实现方法，在建立分布式虚拟现实 协作平台的基础上，实现了多客户端通过网络在同一虚拟场景中协作学 习。在教学实践中，抽象内容难于表述，例如在讲述物体的空间结构和 内部结构时非常困难，且容易发生理解偏差。在医学教学中，会遇到大 量的关于生物体的教学内容，而人体器官结构复杂，解剖结构不规则， 标本也只能够看到外周情况或者是剖面的结构，让学生建立整体的从外 到内的概念比较困难；对于微生物的研究，通常只能通过显微镜获得平 面影像，难以讲述其外部特征和内部结构，降低了教学效率。虚拟现实 在这方面具有无与伦比的优势，在虚拟环境中，我们可以从任意角度观 察物体，只用鼠标拖动就可以查看局部细节，甚至“进入”物体内部深 入研究。 本文以建立一间虚拟教室作为协作平台，虚拟教室中有课桌、书架、 幻灯库、投影仪、计算机等教学设施，学习者在教室中共同完成一系列 可交互的协作学习过程。学习者分别由各自的客户端进入虚拟教室，彼 此之间可以相互“看见”，并且可以协作学习。例如：在虚拟教室中，学 习者可以操作三维物体展示给其他协作学习者，并将需要说明的重点部 位指示给其他人，而其他人在自己的虚拟场景保持同步，可以看到相同 的画面。学习者还可以在虚拟场景中点击投影仪给所有人播放幻灯、传 送视频，如：学生甲打开教室中的投影播放教学幻灯，那么同在教室中 的学生乙和学生丙都可以在自己的客户端中看到该幻灯的播映。 本文设计的分布式虚拟现实协作平台以客户服务器模式运行，平台 的虚拟场景用3 d sm a x 软件建模，导出w 3 d 文件后，在d i r e c t o r 中进行 控制。客户端为学习者呈现了一个虚拟教室的场景，服务器负责同步通 讯、事件触发等后台工作。平台由m a c r o m e d i a 公司的d i r c c t o r 、f l a s h 和 f m s 共同完成，三者分工明确、逻辑清晰：d i r e c t o r 设计客户端程序的主 体，显示3 d 场景，实现交互；f l a s h 嵌入d i r e c t o r 作为其中的演员，负责 网络通讯与同步：f m s 是平台的服务器，负责与f l a s h 对象交换数据，更 新同步状态，实时检测各客户端连接状态等。 6 第四军医大学硕士学位论文 平台设计过程中采用了有效的同步机制确保每个客户端在场景中的 任何变化都会实时地体现在各客户端。通过该平台，学习者可以在虚拟 教室中“活动”、漫游。一个用户活动，在其它用户的场景中也可以在虚 拟的计算机上进行视频点播，可以给协作小组学习者播放幻灯等。 基于分布式虚拟现实的协作学习作为一种全新的协作方式的尝试与 应用，具有较高的应用价值和研究价值，一定能在教学中发挥重要的作 用，同时，作为一种新的技术研究与应用，也为我们提出了新的要求： 怎样真正使分布式虚拟现实最大的发挥它的优势，如何设计协作学习策 略、进行怎样的教学设计。新技术不是万能的，不可能替代现有的协作 方式，而是与其它方式配合起来共同发挥最大效能，研究新的协作方式。 分布式虚拟现实协作平台要真正应用起来对网络和计算机的运算水平具 有极大的考验，本文所设计的平台尚存在很多不足，离真正的实用仍有 相当差距，但已经可以看到完全不同的协作方式，具有很好的应用前景， 无疑，它是未来网络多媒体发展、协作形式的种趋势。 关键词：分布式虚拟现实，s h o c k w a v e3 d ，f m s ，协作平台 7 蔓型兰堕盔芏堡主兰些堡塞 t h e mi n 廿l er o o m ，e s p e c i a l l yy o uc a l ls e eh e l l 0t oe v e r y o n e o fc o u r s e ，m y t a r g e ti sn o tt os a yh e l l oo r s e ee a c ho 血e r h l i i r i d n i r i l l y i nt h ev i 咖a 王 c l a s s r o o m ，ac l i e n tc a ng oa n y w h e r ea n ds e ea n y t 蛐n g ，w h e nu s e r sp r e s st h e k e v b o a r da nm o u s eb u 札o n c l i e n t sc a i lp r e s st h ev i m l a lp r o j e c t o ro nt l l ew a l l ， a n dav i d e ow i l lb ep l a y e di m m e d i a 把1 y 1w r i t em a n yc o d e sf o r 也es y s t c m ，i n c u d i n ga c t i o n s c r i p t si nf l a s h ，l 血g o s c r 如si nd i r e c t o l t h em a i nc l i e n tp m g r 锄i sd e s i g n e dw j 也d i r c c t o r t h ed v rs y s t e mu s es o m es y n c 扯o n i 2 i n gm e c h a n i s mt os y n c h r 0 1 1 i z ea u 1 ec l i e n t sl o g g m gi 1 1t h es e e lo n c eac l i e mm o v e st oac o m p u t e r ，o t h e r s w i l ls e ei tl e a v eo r i g i np o s m o n ，i lr c a l t i i n e i naw o r d ，m yd e s i g nb r e a k so u tt h e 饥l d i t i o n a lm o d e lo f0 1 1 1 i n ee d u c a t i o n ， e x p a i l d s 廿l e 印p l i c a b l e f i e l do fr e s e a r c h o r i e n t e dl e a m i n g 丘o mo r 硒n a l e d u c a t i o nt oh i 曲e 由j c a t l o no n1 i n c ，e n r i c h e sa n dd e v e l o p so n l i n ec o u r s ea n d i n s t n l c t i o n a l t 1 1 e o r y c o n s 蜘t sar c s c a r c ho r i e n t e dl e a m i n gm o d e l e k m e n t a r i l y ，a n dp u t sf o n ，唧r das t u d y i n gc a s ef o rm o d e mo n l i n ee d u c a t i o n t i u d u g ht h ec o m b i n a t i o no ff e s e a i _ c ho r i e n t e d1 e a m i n ga n dt h em e d i c a l i n s t n l c t i o n a lt b c l l n o l o g yo n l i n ec o u r s ei np r a c t i c e k e yw o r d s ： d i s t r i b u t e dv i r t l l a lr e a l i t y ，s h o c k w a v e3 d ，f m s 9 蔓婴垩堕盔堂雯圭堂焦丝兰 一 前言 虚拟化是协作平台发展的趋势，本文通过研究协作学习平台和分布 式虚拟现实技术( d v r ) 在教学中的应用，设计了一个基于分布式虚拟 现实技术的协作学习平台。 f m s 是m a c r o m e d i a 新推出的与f l a s h 通信的服务器，具有优秀的消 息处理机制和多媒体传输性能，而d i r e c t o r 为s h o c k w a v e 3 d 内置了大量 的3 d 控制指令，交互方便，且执行效率高。因此本设计以f m s 作为服 务器，使用d i r c c t o r 设计客户端控制3 d 场景，f l a s h 作为协调客户端与服 务器的中间件，共同构建d v r 协作平台。研究过程中检索了大量关于 v r 和d v r 的文献，了解到绝大多数v r 应用和协作平台采用v r m l 或 者j a v a 技术实现，但这两种方式也各有不足之处，而与之相比较，d i r e c t o r 提供了一套完整的3 d 显示和控制技术，几乎所有的3 d 元素，d i r e c t o r 的s h o c k w a v e 3 d 都可以很好地支持，并且控制交互相对简单。由于 d i r e 咖r 和f 1 a s h 在网络应用上都能够流式传输，更好地解决了速度与带 宽的矛盾，使得对同步要求苛刻的协同方式有了很好地实现方法。 平台设计过程中涉及到f 1 a s h 、d i r e c t o r 、f m s 多种软件的混合编程， 最终形成了一个3 d 虚拟教室，学习者执行e x e 或者从浏览器访问客户 端，连接到f m s 服务器，进入到虚拟教室，可以与教室中的投影仪、计 算机、书架等虚拟物体交互，进行相应的操作；客户端之间能够通过平 台协作学习。 1 0 第四军医大学硕士学位论文 第l 章协作学习平台发展现状 协作学习是一种为了促进高效率学习、培养学生团队协作能力而开 展的教学组织活动，它以个人自主学习为先导，小组合作学习为支撑， 在此基础上，组内成员共同完成既定的学习任务。计算机应用于协作学 习，为学习方式带来了新的变化，各种协作学习平台也随之出现。协作 学习平台的发展具有这样的趋势：传统的课堂协作一计算机支持的协作 学习一w 曲环境下的协作学习一分布式虚拟现实环境下的协作学习。 现有的协作平台多基于w 曲方式，在提供文本信息的基础上设计了 便于交流协作的板块、小组讨论区等。随着技术的进步和协作学习理论 的发展，协作学习平台也不断出现新的发展趋势，本文通过设计一种基 于分布式虚拟现实技术的协作学习平台，研究了分布式虚拟现实技术这 此平台上的实现和应用，为创建新的协作学习方式进行了有益的尝试。 1 1 协作平台的出现 在协作学习过程中，学习者以相互合作共事的态度，共享信息与资 源，共同担负学习任务。这种协作活动有利于发展学生个体的思维能力、 增强学生个体之间的沟通能力以及对学生个体之间差异的包容能力。此 外，协作学习对提高学生的学习业绩、形成学生的批判性思维与创新性 思维、培养成员的交流沟通能力、处理个体间相互尊重关系等都有明显 的积极作用。计算机作为协作学习的工具，越来越体现出它的重要作用， 也逐渐发展成为联系学习者的中心枢纽平台，协作方式也发展成为“计 算机支持的协作学习”。 1 1 1 计算机支持的协作学习 计算机支持的协作学习( 即c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v e l e 姗i n g ，缩写为c s c l ) ，是指利用计算机技术帮助学生参与课程小组的 讨论，从而达到学习目标的一种交互式学习方法。 与传统的课堂学习相比，c s c l 突破了传统学校教育的各类分隔屏 第四军医大学硕士学位论文 障，实现了时间和空间上的连续，交互变得更加容易控制，学习者的角 色也可以进行隐藏，教师的角色发生了根本转变，他们要掌握的不仅仅 是教学内容的逻辑序列和目标的合理安排，更多的是学生协作情况、学 习过程的规划设计l l j 。 当前大多数基的协作学习系统基本上都采用了基于协作的概念，从 系统提供的环境与功能上可以明确地看到这一点。在该思想的指导下， 系统为学习者提供一个共享的学习环境，他们可以在此环境中共同学习。 有些系统虽然也提供了小组形式，但也是基于这基本思想组织小组学 习过程的。协作学习的这一思想是从协作的定义上延伸出来的，基于该 思想组织的协作学习过程比较容易实现，而且对用户具有开放性和高自 由度的特点。 我们一直在强调教学资源的设计，但是却往往忘记了学生本身这一 重要的学习资源。教学过程的本质是人和人的交互活动。在课堂上的学 习其效果往往要优于单独的学习。因为课堂不仅仅是教师教的地方，也 是学生之间相互交流、帮助的场所，班级的学习还能形成群体压力等有 利的学习氛围。而发挥学生本身这一学习资源目前最优的方法又是协作 学习。学生学习的组织形式通常有三种：一种是竞争性组织结构，学习 者之j 目的关系互相对立；一种是个别化组织结构，学习者之间的关系是 互相独立的；第三种是协作组织结构，学习者之间通过小组或团队的形 式协同工作并共同分享学习目标。1 9 2 4 年至1 9 8 1 年间的研究结果表明， 协作学习组织形式比其它两种组织结构更能提高学习业绩。通过协作学 习能充分发挥学习者本身这一资源。学生学习中的协作活动有利于发展 学生个体的思维能力、增强学生个体之间的沟通能力以及对学生个体之 间差异的包容能力。通过分析，我们可以得出网络游戏和协作学习有着 许多的相同之处，他们的重要特点都是强调人和人之间的交互【2 1 。网络 的发展为协作学习带来了新的方式和发展空间，远隔万里的人也可以通 过网络进行协作学习。 1 1 2 网络环境下的协作学习 基于网络的协作学习是指利用计算机网络以及多媒体等相关技术， 建立协作学习环境，使教师与学生、学生与学生，针对同一学习内容彼 此讨论 斫庥胝莆盏墓獭计算 机网络以其快捷性、交互性、超时空性以及对资源的共享方式介入 笺塑呈匡盔堂堡主堂焦丝塞 协作学习，因而网络环境下协作学习除了具备非网络环境协作学习的特 点外，同时还具备自己本身的特点。可将其概括为以下几点： ( 1 ) 交互性 网络能提供多种交互方式，教师与学生、学生与学生之间可以通过网 络进行双向交流，这种通过人机交互、机机交互间接实现的人与人交互， 仍然可以拥有视、听觉形象系统通道和视、听觉符号信息通道。因此网 络环境下的交互包含有面对面、文字和图像以及视频媒体、程序软件等 交互形式的不同特点，进而保证了学习者之间进行有效协作所需的必要 交互。 ( 2 ) 开放性 网络打破了传统的班级、年级、学校的界限，实现了时间和空间上 的延续。教师和学生不再受到教室的束缚，协作的范围从班上的小组到 整个班级以及班与班之间、年级与年级之间甚至校与校之间。不仅如此， 网络使得协作学习突破了学校束缚，变成一种大环境下的学习，极大地 促进了社会学习化和学习社会化。 ( 3 ) 个性化 远距离的协作化学习以更大的灵活性、选择性和自主性给学生进行 选择，学生可根据自己的需要选择学习内容和学习进程，个人可以利用 协作性手段来解决遇到的难题。 ( 4 ) 资源共享性 由于互联网的迅速普及应用，使全球的信息资源共享成为可能，学 生通过互联网可以随时获得新资料，吸取新知识，满足学生对新生事物 的好奇心和求知欲。 1 2 网络化教育 1 2 1 远程教学的产生 新技术的发展，不断地影响着我们的生活，改变我们的思维、意识 和传统。这种影响渗透到了教育领域，对教学体制、教学模式、教学手 段都不同程度地提出了挑战。在这种背景下，基于网络互连，特别是基 于因特网的网络远程教学应运而生。知识经济、信息时代对人才的需求 有了新的要求。那就是他们应该具有信息获取、信息分析与信息加工的 1 3 第四军医大学硕士学位论文 能力，这三方面的能力统称为“信息能力”。“信息能力”已经逐渐成为 信息社会所需人才的最重要的知识结构与能力素质，具有这种能力对于 适应激烈的国际竞争是至关重要的，而基于网络互连，特别是基于因特 网的远程教学为培养这种“信息能力”提供了崭新的手段和途径。 信息社会的“知识爆炸”形势客观要求大幅度提高教学质量与教学 效率。英国技术预测专家詹姆斯马丁的测算结果表明，人类的知识在1 9 世纪是每5 0 年增加一倍，到2 0 世纪初是每1 0 年增加倍，7 0 年代则是 每5 年增加一倍，而近1 0 年大约是每3 年增加一倍。可见，知识总量正 在以爆炸式的速度急剧增长和更新，而低效率的传统教育体制与教学模 式难以适应这样的状况。按照传统的教学模式与教学方法，许多知识学 生还没有学会，可能就已经过时了。这就要求学生、老师的学习应该是 终身的不局限于既定教材和传统知识体系的，而网络远程教学为此提供 了广阔的学习空间，适应了这一要求。综上所述，随着知识经济和信息 时代的到来，传统教育模式和方法已经不再适应人才教育的要求，而基 于网络互连的远程教育作为新生事物应运而生，它为培养信息时代新型 人才提供了崭新的、可行的手段和途径。网络技术的发展为远程教育提 供了技术支持和资源保障网络技术发展至今，在传输带宽、信息传输安 全性和可靠性、网络资源配置等方面都有了长足的进步。为远程教育提 供了技术支持和资源保障。以宽带接入、无线接入、卫星接入等为主要 代表的高速接入技术，使得视频会议、可视电话、视频广播、在线讨论 等成为可能；基于网络分布的计算机解决了资源共享、协同计算等多方 面的问题，是多种网络应用的系统框架；新的w 曲和多媒体技术的结合 使得教学的方式和内容发生了质的飞跃；包括传统的电子邮件、f t p 、网 络新闻、b b s 以及视频会议、虚拟现实在内的与因特网相关的其他应用 技术，是实现随时随地学习的必要条件。 4 】 1 2 2 网络教育的特点 网络教育是以学习者为主体，以计算机技术、多媒体技术、通信技 术和i n t e m e t 网络等高新技术为主要教学手段和传输媒体，运用图像、文 字、动画、音频和视频技术相结合的一种新型的交互式网络教育方式。 网络教育以其跨地域、跨时空的优势，最大限度地满足人们随时随地学 习知识地要求，以其趣味性、信息的丰富性与快捷性吸引越来越多的学 习者，以其自身巨大的潜力丰富着教育内容和教育方式。网络教育以其 1 4 塑塑星匡盔堂堡圭堂堡堡塞 独特地时代特征，把普通教育、学历教育与非学历教育、专业教育与职 业教育、继续教育与终身教育等融为一体，使得全民教育、终身教育成 为可能。【5 】 1 3 协作学习平台的发展趋势 1 3 1 协作学习平台需要具备的功能 通过对比各种学习平台，协作学习平台应具备的功能【6 j ： ( 1 ) 协作学习的组织环境 为教师提供管理协作小组组织结构的工具，包括小组的划分、小组 成员角色和任务的分配等。 ( 2 ) 共享的学习资源 协作者要求能够共享学习资源，为教师和学习者提供学习资源上载 的功能，学习资源既可保存在服务器上，也可保存于网络数据库中。 ( 3 ) 交流工具 有锛作就有交流，协作小组成员之间需要传递消息，通常的w 曲协 作环境中会设立在线聊天室、专题讨论区等，学习者根据自己的情况选 择专题，与讨论区内的其他学习者或指导教师展开讨论。学习者在学习 的过程中如果遇到了问题，还可以利用电子邮件、b b s 作小组内进行非 实时异步交流。 ( 4 ) 协作空间。 协作空间在小组成员中共享，成员可对协作空间中的内容进行讨论、 操作。 1 3 2 协作学习平台的发展趋势 当前，许多国家的研究者在网络环境下协作学习系统的设计与开发 方面做了大量的研究与开发工作，如美国、英国、加拿大、日本、德国、 荷兰、澳大利亚以及新西兰等国。从国内外已有的系统和相关领域技术 的发展情况可以看出，主要具有如下发展趋势【7 ： ( 1 ) 组件化 对于系统而言，组件即具有独立功能的模块。这些不同的功能模块 通过一系列标准定义，如标准接口、通讯协议等，可以实现不同模块的拆分 1 5 第四军医大学硕士学位论文 1 4分布式虚拟现实技术在协作平台中的应用 1 4 1 分布式虚拟现实概述 虚拟现实( 即n l l a lr e a l i t y ，v r ) ，是一种综合计算机图形技术、 多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以 及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术，也是 力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。目前，所涉及的 研究应用领域包括：军事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、 娱乐、制造业、工程训练等。虚拟现实已经被人们公认为是2 1 世纪重要 发展学科以及影响人们生活的重要技术之一【9 】。 1 4 1 1 虚拟现实的优势 虚拟现实思想的起源可追溯到1 9 6 5 年i v 孤s u m e r l a n d 在i f i p 会议上 的终极的显示报告，而m 】a lr e a l i t y 词是8 0 年代初美国v p l 公 司的创建人之一j a r o n l a i l i e r 提出来的。v r 系统在若干领域的成功应用， 导致了它在9 0 年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领 域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、 网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、 物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。 虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就 是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体 化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环 境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临现场的真实环境的 感受和体验。虚拟现实提供了人通过计算机生成的虚拟环境可自然交互 的人机界面，对于学习者而言，可通过视觉、听觉以及触觉获得接近真 实的学习体验。【州 总的来说，实物虚化、虚物实化和商性能的计算处理技术是虚拟现 实技术的三个主要方面。实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的 一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和 视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境 对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。 1 7 第四军医大学硕士学位论文 1 4 1 2 分布式虚拟现实 分布式虚拟现实( 即d i s 伍b u t e dv i r t u a lr 髓l 畸，d v r ) ，可以看作是 基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环 境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中，通过姿势、 声音或文字等“在一起”进行交流、学习、训练、娱乐，甚至涛同完成 一件复杂产品的设计或进行同一任务的演练】，图1 是d v r 在军事领域 的应用。 分布式虚拟现实技术是今后虚拟现实技术发展的重要方向。未来的 虚拟现实系统主要是基于分布式系统的。分布式虚拟现实也称为分布式 虚拟环境( 即d i s t r i b u t e dv i 咖a le n v i r o 蛳e n t ，d v e ) ，随着众多d v e 开 发工具及其系统的出现，d v e 本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、 工程、训练与教学以及协同设计。m a i 等人利用多媒体通信建立了一个 应用于神经外科的d v e 系统，进行外科手术的辅助规划和分析。m a x i e l d 等人实现了面向并行工程的d v e 系统，支持建模、装配以及计算机辅助 工程分析。美国西南路易斯安娜大学开发了用于远程机器人控制的d v e 系统。仿真训练和教学训练是d v e 的又一个重要的应用领域，包括虚拟 战场、辅助教学等。另外，研究人员还用d v e 系统来支持协同设计工作。 近年来，随着i i l t e m e t 应用的普及，一些面向i n t c m e t 的d v e 应用使得位 于世界各地的多个用户可以进行协同工作。【1 2 】 图1 美国空军联合训练，演习指挥系统中的d v r 模块 1 8 箜堕墨匡丕堂至主堂堡迨塞 1 4 2 虚拟现实技术在网络教育中的应用 虚拟现实技术可以制造出一些特殊的刺激环境，可以通过一些视觉和 听觉的刺激来验证人们的感知理论，达到治疗某些心理疾病的目的。诺丁 汉大学社交研究小组及精神病学研究对用虚拟现实系统治疗不同的恐惧 症进行了研究。美国加州k a i s e 卜p e n l l a n e m e 医疗小组开发了一套将虚拟 现实技术应用于恐高症治疗的试验系统，并且使得9 0 的参加者达到了治 疗目标，当然虚拟现实技术可以应用于许多心理疾病的治疗。| l ” 虚拟现实技术在心理学领域中的研究( 即人类感知特征) 通常包括 视觉感知心理与生理、听觉感知心理与生理、记忆与认知心理等内容。 虚拟环境下的心理学方面的研究与应用是虚拟现实未来发展的一个闪光 点。 在教学中，可以通过虚拟现实技术建立起来的虚拟环境，从教育心 理学方面充分利用虚拟现实，达到提高学习质量和效果的目的。 ( 1 ) 虚拟实验，弥补远程教学条件的不足。 在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面 原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实技术，可 建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室，在“实验室” 里，学生可自由地做各种实验。可弥补这些方面的不足，学生足不出户 便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性 认识，加深对教学内容的理解。 ( 2 ) 虚拟仿真校园。采用3 d 虚拟技术实现网上大学的虚拟仿真校 园，使学生可以感受一个生机勃勃的大学校园环境。增强参与感和认同 感，使学生体会网上学习犹如真实校园，拓展网络教育的魅力。利用虚 拟技术来建设虚拟教室，激发学生学习兴趣和认识主体的发挥，有利于 知识的获取与保持，可实现对教学、教务、信息的有效组织与管理，构 建大学教育教学全过程的每个环节。虚拟大学才是未来网上教育的发展 方向。 ( 3 ) 技能训练，避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于 危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实 验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术，使学 生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中 去，可以放心地去傲各种危险的或危害人体的实验，这非常有利于学生 1 9 第四军医大学硕士学位论文 的技能训练。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、 爆炸所带来的危险：虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造 成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操 作失误而造成飞机坠毁的严重事故。 ( 4 ) 彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打 破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物 体的内部进行观察。例如，在学习地理知识时，通过虚拟现实系统，将 学生带到北极去领略那里的自然风光。在学习物理知识时，利用虚拟现 实技术，向学生展示如原子核裂变、半导体导电机理等复杂的物理现象， 供学生观察学习。这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。虚拟技 术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化 过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生。例如，生 物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技 术在一堂课内就可以实现。 ( 5 ) 可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、 名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境， 使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习 气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流、讨论，共同探讨学习 中的各种问题，进行协作化学习。再如在外语教学中，可以通过计算机 虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生口语的目 的。 ( 6 ) 可以探索学习。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各 种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生 的结果或效果。例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设， 将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。通过这种探索 式的学习方式，学生很有可能研究出新的物质。利用虚拟技术，学生还 可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究 出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。 利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养 学生的创新能力 1 ”。这种想法需要相当复杂的技术来支持，目前还只能 是对未来的一种美好展望，也是虚拟现实发展的最高境界。 第四军医大学硕士学位论文 1 4 3 基于分布式虚拟现实技术的协作学习平台 近年来，基于分布式虚拟现实环境的协作学习系统的研究与开发受 到领域研究者的极大重视，可充分利用其技术优势建立远程协作学习系 统为教学服务。但就目前的研究情况看，大多数仍停留在理论研究阶段， 应用于教学实践的就更少之又少。通过研究分析，可以发现d v r 环境下 的协作学习平台具有如下特点： ( 1 ) 虚拟化 整个平台就是一个模仿现实的虚拟空间，使学习者有现实感。 ( 2 ) 教师参与协作过程 很多基于d v r 环境的协作学习系统都提供了教师参与学生协作过程 的功能，教师可以根据学生的需要提供指导。教师对学生协作过程的指 导是非常重要的，因为他们可以为学生提供具有针对性的知识，在虚拟 环境中指导学生通过与虚拟物体交互掌握现实的知识，并可以控制协作 学习进程( 如时间进度、任务解决、过程与结果评价) 。 ( 3 ) 具有明确的目的性 d v r 环境下协作学习系统具有明确的目的性。一个平台必须做好定 位，明确平台需要实现代目标，如有些平台上提供学习者相互交流的空 间，有的是为了讲授某个领域的知识，有的目标是通过重新设计和提高 教育过程，实现技术同课程相结合。 w e b 环境下协作学习系统具有的这一特点，增强了其教学的适用性，可 以实现有针对性地解决教学中存在的实际问题。 ( 4 ) 重视开发与教学应用相结合 很多系统不仅重视其设计与开发过程，而且在开发完成后，即开始教 学应用。并根据应用结果对系统进行改进和提高。该过程有利于提高系 统的教学应用性、适应性、针对性。对该过程而言，最重要的是如何获 得使用后有利于系统改进的数据，而且必须保证这些数据的有效性和真实 性。 2 l 第四军医大学硕士学位论文 户端身份等。 2 8 第四军医大学硕士学位论文 目前最新的d i r e c t o rm x2 0 0 4 更是具有多项新的特征，包括可使用l i n g o 和j a v a s c r i p t 语法，支持d v d 视频、跨平台发布等。【3 1 3 1 1d i r e c t o r 的特点 d i r e c t o rm x2 0 0 4 功能强大，支持f 1 a s h 、q u i c k t i m e 、r e a l 、a v i 等 常用的符合工业标准的媒体格式，能够实时组合视音频，并高效率地播 放，通过语言实现非常复杂的交互，l i n g o 脚本语言比j a v a s c r i p t 、v b s c r i p t 等脚本语言有更高的执行效率。可用来涉及游戏、3 d 交互应用、e 1 e a r n i n g 设计【3 2 1 。以下是d i r e c t o r 的特点口3 ： l i n g o 语言 l i n g o 是d i r e c t o r 内置的专用脚本语言，可以控制d i r e c t o r 中的各种 演员、角色，是d i r e c t o r 高级应用的核心。它是一种完整的面向对象的编 程语言，相对与其它高级语言也毫不逊色，对于演员、角色的属性、方 法和事件能够灵活控制。 x t r a x 仃a 是d i r e c t o r 的扩展库，d i r e c t o r 的多数媒体支持、网络功能等都 依靠x t r a 来扩展。由于m a 有一套标准开发包，因此可根据需要制作x t r a 扩展应用范围。 s h o c k w a v e3 d d i r e c t o r 为s h o c k w a v e 3 d 加入了上百条l i n g o 语句，结合d i r e c t o r 本 身功能，无疑在交互能力上使得s h o c k w a v c 3 d 具有强大的优势。 鉴于i n t e l 和m a c r 0 i n e d i a 在业界的地位，s h o c k w a v e 3 d 自然得到了众 多软硬件厂商的支持。舢i 踮w a v e 劬n t ，d i s c r e e t ，s o r i m a g e a v i d ，c u r i o u s l a b s 在他们的产品中加入了输出w 3 d 格式的能力。h a v o k 为 s h o c k w a v e 3 d 加入了实时的模拟真实物理环境和刚体特征，a t i 、 n v i d i a 也发布在其显示芯片中提供对s h o c k w a v e 3 d 硬件加速的支持 3 4 】。 对3 d 的支持可以认为是d i r e c t o r 最引人瞩目的进步，d i r e c t o r 在8 5 版本之后增加的一种新的媒体类型s h o c k v 哪e3 d 。l i n g o 能够对3 d 对象完整的控制，提供了众多的函数和属性，配合可视化的剪辑室窗口 可实现复杂的交互，因此成为本文建立d v r 的首选开发工具。 对网络的支持 d i r e c t o r 通过扩展x t r a 和l i n g o 语言增强了网络功能，能够做到控制 浏览器，在d i r e c t o r 中调用浏览器打开网页，还能够向服务器提交、接收 第四军医大学硕士学位论文 文本，在网络应用很普遍的今天。这个功能可以帮助我们在程序中加入 用户验证、自动网络升级、自动下载更新素材库、以及创建网络协作系 统。 3 1 2 s h o c k w a v e 3 d 特点 s h o c k w a v c 3 d 具有完整的3 d 概念，支持几乎所有的标准三维元素， 从创建简单的三维模型、导入复杂的三维场景，材质、材质资源、各种 光源、粒子系统、动画、碰撞检测等。而且3 d 系统包含的内容不仅仅是 呈现3 d 虚拟场景和虚拟物体，更重要的是可以与3 d 物体交互。图2 显 示了d i r e c t o r 中的s h o c k w a v e 3 d 的模型。 图2d i r e c t o r 中的s h o c k v 旧v e3 d s h o c k 、v a v e 3 d 非常适合应用于教学，例如化学教学中的分子结构， 建模后，在s h o c k h r a v e 中可以看到分子的空间排列结构，学生拖动、旋 转、拉近都可以轻松实现，非常有利于加深对分子结构的印象，对于强 调的分子或者键，可以给它赋予醒目的材质，既方便了教学，又提高了 学习效率【3 5 l 。 3 1 第四军医大学硕士学位论文 3 1 2 1 3 d 演员对象 图33 d 演员和角色 s h o c k w a v c 3 d 在d i r e c t o r 中作为演员存在，每个3 d 演员就是个完 接的3 d 世界( 3 dw o r l d ) ，包括模型、光源、摄像机等基本三维元素。 完整的3 d 场景包括模型、光、摄像机、材质等 3 6 】。演员的角色代 表一个特定摄像机对于该3 d 世界的视角。假设一个3 d 演员是一个放置 了各种家具的房间，每个窗口都有一个摄像机对着室内，3 d 角色就指其 中一个摄像机的视角，但是房间本身( 3 d 演员) 与被观看的视角无关【3 7 】。 如图3 所示。 ( 1 ) 获取模型 d i r e c t o r 有两种方法获取模型：一种是从3 d sm a x 之类的3 d 设计 软件中导出w 3 d 格式的文件；另一种是在d i r c c t o r 中用l i n g o 程序创建。 一般的模型通常是从3 d 软件中导出，因为d i r e c t o f 并不是三维编辑软件， 不能创建复杂模型。简单的几何体，则可以用l i n g o 建立，它们不会增加 文件的大小。s h o c k w a c e 3 d 中的粒子系统( p a n i c l es y s t e m ) 尚无法用3 d 软件导出，只能在d i r e c t o r 中用l i n g o 程序建立。 ( 2 ) 模型与模型资源 一个模型包括模型资源0 v i o d e lr e s o u r c e ) 、材质( s h a d e r ) 。模型与模型 资源的关系密不可分。个模型资源可以被多个模型共用。模型资源决 定着模型的几何形状。 下面的例子是新建一个模型和一个模型资源，并指定模型的模型 资源 3 2 第四军医大学硕士学位论文 m e m = m e m b e r ( “3 d m e m b e r ”) 也e b o x r e s o u r c e = m e m n e w m o d e l r e s o u r c e ( b o x r e s o u r e n a m e ”， s y m b o l ( ”b o x ”) ) t h e b o x = m e m n e w m o d e l ( “b o x m o d e l n a m e ，m e b o x r e s o u r c e ) ； n e w m o d e l 和n e w m o d e l r e s o l l r c em e m o d 的第一个参数是它们的名 字。n e w m o d e l r e s o u r c e 第二个参数指定的是模型资源的类型，例子中的 是b o x 类型。n e w m o d e l 第二个参数指定的是使用哪一个模型资源。 以下是d i r e c t o r 的几种类型的模型资源 p l a n e ，b o x ，s p h e r e ，c y l i n d e r ，m e s h ，p a r t i c l e ，丘d m f i l e 各种不同的模型资源有不同的属性，比方说口l a n e 的属性有长 ( 1 e n 伊h ) ，宽( 谢d t h ) ，长方向上的节点数目( 1 c n g m v e r t i c e s ) ，宽方向上的 节点数目( w i d m v 缸i c e s ) 。其它的模型资源也有相应的属性。其中以p a r t i c l e 的属性最多，调整起来也最复杂【3 s 】。 3 1 2 23 d 行为 通过l i n g o 语句可以控制三维物体在场景中的位置、旋转、平移等， 还可以动态更换材质，响应鼠标、键盘的控制等，这是虚拟交互的核心。 d i r e c t o r 提供了一个3 d 行为库，可以直接应用到3 d 演员对象中。 3 2 f l a s h 在d v r 协作学习平台中的应用 f 1 a s h 是m a c r o m e d i a 公司推出的一款优秀的矢量动画编辑软件，可用 来创建网页、广告、有同步音频的动画，甚至可设计独具特色的w e b 站 点。 3 z 1f l a s h 的特点 通常f l a s h 被用