（通信与信息系统专业论文）利用virtools设计与开发基于分布式vr技术的教学游戏.pdf

摘要 网络游戏产业在中国是一个已经发展为很热门的产业，国家有关部门给予大 力支持，但它也有其负面影响，网络游戏中的暴力、色情情节已经影响到了现在 青少年的身心发展，并且网络游戏成瘾现象日趋严重。所以有专家提出了将网络 游戏和教学相结合，大力发展教学游戏。 该文章致力于利用v i r t o o l s 虚拟现实开发工具设计与开发基于分布式v r 技 术的教学游戏。首先对国内外的教学游戏的现状进行了研究分析，并找出国内外 教学游戏中的不足之处。其次对虚拟现实与分布式虚拟现实技术进行了深入的研 究。在此基础上，介绍了一些常用的虚拟现实开发工具以及本研究所用到的虚拟 现实开发工具v i r t o o l s 。 接下来，对游戏的定义与分类、教学游戏定义与分类以及教学游戏模式作了 进一步的研究。对市面上典型的五笔打字游戏进行试玩之后，通过对这些游戏进 行对比分析，作者选用练习模式( 教学游戏模式中的一种) ，并参照教学游戏评 价量规，尝试利用v i r t o o l s 游戏引擎开发基于d v r 技术的五笔打字教学游戏极 速五笔，文中介绍了游戏开发的主要过程、创建分布式对象的关键步骤以及游 戏开发过程中解决的关键问题。并在群益职业学校中试运行后进行了问卷调查， 然后对问卷的结果作了一个统计分析。通过理论结合实践的方式对d v r 技术和 v i r t o o l s 游戏引擎有了一个更深入的理解。 最后，总结了论文的主要工作，同时提出了论文所开发游戏的一些不足之处， 并做了近一步的展望。 关键词：分布式虚拟现实教学游戏v i r t o o l s a b s t r a c t o n l i n eg a m ei n d u s t r yi sb e c o m i n gap o p u l a ri n d u s t r yi nc h i n a s t a t ed e p a r t m e n t s h a v eb e e ng i v i n gg r e a ts u p p o r tt oi t h o w e v e r , i th a si t so w nn e g a t i v ei m p a c t v i o l e n c ea n ds e xi no n l i n eg a m e sh a v ea l r e a d ya f f e c t e dt e e n a g ed e v e l o p m e n t t h e p r o b l e mo fo n l i n eg a m ea d d i c t i o ni sa l s og r o w i n g t h e r e f o r e ，s o m ep r o f e s s i o n a l s s u g g e s tc o m b i n i n go n l i n eg a m e i n s t r u c t i o nt o g e t h e rt od e v e l o pi n s t r u c t i o ng a m e s t h i st h e s i si si n t e n d e dt ou s ev i r t o o l s ，t h ev i r t u a lr e a l i t yd e v e l o p m e n tt o o l ，t od e s i g n a n dd e v e l o pi n s t r u c t i o ng a m eb a s e do nd i s t r i b u t e d 豫t e c h n o l o g y 刀0 sa r t i c l ef i r s t l y a n a l y s e sc u r r e n ts t a t u so ff o r e i g n & d o m e s t i ci n s t r u c t i o ng a m e s p o i n t so u tt h ed e f e c t o ft h e m t h e nt h ew r i t e rm a k e sa ni n t e n s i v es t u d yo nv i r t u a lr e a l i t ya n dd i s t r i b u t e d v i r t u a lr e a l i t y b a s e do nf u r t h e rr e s e a r c h t h ea r t i c l ei n t r o d u c e ss o m et y p i c a lv i r t u a l r e a l i t yd e v e l o p m e n tt o o l sa n dv i r t o o l sw h i c hi su s e di nt h i sr e s e a r c h t h e nt h i sa r t i c l em a k e sf u r t h e rr e s e a r c h e si n t od e f i n i t i o na n dc a t e g o r i z a t i o no fg a m e ， i n s t r u c t i o ng a m ea n di n s t r u c t i o ng a m em o d e s t h ew r i t e rc o m p a r e s a n a l y s e ss o m e t y p i c a l 、b it y p i n gg a m ei nt h em a r k e t f o l l o w i n gi n s t r u c t i o ng a m ee v a l u a t i o n s y s t e m ，t h ew r i t e rs e l e c t sp r a c t i c em o d e ( o n eo u to ft h ei n s t r u c t i o ng a m em o d e s ) t o d e v e l o paw d b it y p i n gg a m e ”s o n i c 、 ，u b i ”w i t hd v rt e c h n o l o g yu s i n gv i r t o o l sg a m e e n g i n e i nt h i sa r t i c l e ，t h ew r i t e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h eg a m ed e v e l o p m e n ta n d t h ek e ys t e po fb u i l d i n gd i s t r i b u t e do b je c t t h es o l u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n tt r o u b l ei s a l s om e n t i o n e d t h i si n s t r u c t i o ng a m eh a sb e e nt e s t - r u ni nq u n y iv o c a t i o n a ls c h 0 0 1 c o m b i n gt h e o r ya n dp r a c t i c e ，i tg i v e sad e e p e ru n d e r s t a n d i n go fd v rt e c h n o l o g y & v i r t o o l sg a m ee n g i n e f i n a l l y , w eg i v eas u m m a r yo ft h ea r t i c l ea n dd i s c u s st h ed e f e c t so fo u ri n s t r u c t i o n g a m e a tt h es a m et i m et h ew r i t e rg i v eav i e wo nt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n s t r u c t i o n g a m e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dv i r t u a lr e a l i t y i n s t r u c t i o ng a m ev i r t o o l s 图1 1 图1 2 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 _ 4 图2 5 图2 - 6 图3 1 图4 - l 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 - 7 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 幽5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图目录 网络游戏市场规模3 2 0 0 6 游戏行业为其他行业带米的直接收入4 t c p 口参考模型将网络分为4 个层次与o s i 模型的对应关系1 8 s o c k e t 原理图2 0 c l i e n t 信息“2 1 线程池设置。2 3 d e a dr e c k o n i n g 2 6 d e a dr e c k o n i n g 2 7 v i r t o o l sd e v 开发界面3 4 探索模式实践流程4 2 五笔泡泡2 0 游戏界面4 4 玩玩打打游戏界面。4 5 玩玩打打帮助界面4 5 运指如飞游戏界面一4 6 运指如飞游戏界面二4 6 运指如飞游戏界面三一4 7 极速五笔游戏流程图4 9 创建s e s s i o n 代码5 l 创建本地分布式用户代码5 2 m a n a g ed i s t r i b u t e dc l a s s e sb b 对话框5 3 选择赛艇出现点程序代码5 3 s t a r tp o s i t i o na r r a y 内容：5 4 监测新用户进入代码5 4 实时监测学习者退出代码5 5 离开s e s s i o n 代码5 6 学习者对话代码5 7 监测远程用户消息在本地显示的代码5 7 鼠标控制赛艇程序代码5 8 随机抽取题目以及判断回答程序代码5 9 极速五笔中出现题目场景5 9 问卷调奄统计一：6 0 问卷调查统计二6 0 问卷调夯统计三6 l 问卷调查统计四6 l v 表目录 表2 1动态改变工作线程。2 4 表2 - 2c r c 文件2 5 表4 1 教学游戏评价量规。4 3 v i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 、 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名： 同钆 日期：缨：兰： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：f 矧艮 厂、二 日期：理：坌：么 之律， 纺纠 ，孑一 ： 口1 名 丝 獬 互 ：iy h 目 剥 期 第1 章绪论 1 1 引言 自从有了网络，网络游戏也渐渐融入了我们的生活，网络游戏行业也成为了 一个热门行业。日前，中国出版工作者协会游戏出版物工作委员会( g b c ) 与国 际数据公司( i d c ) 联合发布了( 2 0 0 7 年中国游戏产业报告，报告数据显示， 2 0 0 7 年中国网络游戏用户数达到4 0 1 7 万人，同比增加2 3 ：中国网络游戏市场 实际销售收入达1 0 5 7 亿元，同比增长6 1 5 【1 1 。 而目前的大型网络游戏为了达到绚丽的游戏效果，使玩家有一种身临其境的 感觉，大都用到了分布式虚拟现实技术( d i s t r i b u t e dv h t u a lr e a l i t y ，简称d v r ) 当前虚拟现实研究中的一个最热门的主题，也可以称之为网格化的v r ( n e t w o r k e dv i r t u a lr e a l i t y ) 。产生d v r 的概念的原因非常简单，因为现实世界 是我们所有人共享的，人与人之间要产生交流。这样，一个仿真的世界不可能总 是运行在一台计算机上，而是要运行在通过网络连接在一起的多台计算机上。这 个网络可能是一个局域网，也可能是互联网。人们能够使用这些计算机实时交互， 共享同一虚拟世界。 但是网络游戏在中国刚刚火了几年之后，目前已经受到了很大一部分人的指 责，特别是教育工作者，其原因何在呢? 网络游戏为何被称为“精神鸦片昵? 其原因就在于目前网络游戏的内容大多为打怪、暴力、凶杀，甚至有些还有色情 成分，不适合青少年玩。即使是成年人玩也会沉迷其中，影响工作和学习，更不 要说青少年了。 2 0 0 8 年2 月，新闻出版总署音像电子和网络出版管理司寇晓伟副司长在接 受记者采访时称：“绿色网游开发、出版、运营都应该有利于传播民族优秀的历 史和文化，有利于树立良好的道德观念和社会风尚，应该有利于弘扬科学精神和 普及科学知识，要通过网络游戏这一载体把科学知识、文化内涵、娱乐形式有机 地统一起来，使人们特别是未成年人在游戏中得到美好的精神享受。【2 】本文研 究的教学游戏就在绿色网游所定义的范畴之内。 1 i 2 0 0 7 年中国游戏产业报告：网游业凸显“中国创造”能力 e w o l h t t p ：w w w c q p p b g o v c n c q p p b 7 2 9 0 5 3 i7 5 0 2 9 4 3 2 3 2 2 0 0 8 0 2 2 7 3 4 4 9 h t m l f 2 1 以奥运年为开端人力发展绿色网游h t t p ：n e t c h i n a c o r n c n y w d t z j g d t x t 2 0 0 8 一0 1 1 2 2 1 c o n t e n t 2 0 2 1 4 2 0 h t m 1 2 研究背景及意义 1 2 1 研究背景 析。 本文的提出是基于对分布式虚拟现实技术、国家政策以及教学游戏现状的分 首先，分布式虚拟现实技术( 以下简称d v r 技术) 得到了很大的发展，其 原因如下： 因特网技术的广泛使用：i n t e m e t 己经成为娱乐、商业等的重要媒体。 硬件基础：网络带宽的提高( 宽带网的逐渐普及) ，个人计算机图形处理能 力的增强。 软件基础：虚拟现实技术和网络技术的结合。 日益复杂的数据使得原来的界面不能满足需要，人们希望更加直观的表达 信息，使用更加自然的方式进行人机交互以及通过网络实现人与人之间实 时、形象的交流。 分布式虚拟现实系统可以广泛应用于教育、模拟战争演习、灾难救援仿真、 异地协同设计、远程操作系统( 如远程会诊与远程手术) 、城市规划及管理等方 面，在应用和商品化方面有着巨大的发展潜力，并将对信息技术产生深远的影响。 其次，国家对教学游戏的扶持力度也逐渐加大。在日前召开的中国游戏产业 年会上，新闻出版署副司长寇晓伟表示：“新闻出版署更看重的是绿色健康的游 戏理念。2 0 0 8 年中国网络游戏将以原创和绿色为重点，借绿色奥运之机，加快 绿色网游的步伐。【3 】一 另一方面，市面上基于d v r 技术且质量较好的教学游戏比较少见，有待寻 找一个游戏性和教育性的平衡点即一种教学游戏模式。 1 2 2 研究目的及意义 3 】以奥运年为开端人力发展绿色网游h t t p ：n e t c h i n a c o r n c n y w d t z j g d t x t 2 0 0 8 - 0 1 2 2 c o n t e n t 2 0 2 1 4 2 0 h t m 2 在我国用v i r t o o l s 开发出来的具有代表性的教学游戏比较少见，本研究的目 的是利用v i r t o o l s 游戏引擎开发一个基于d v r 技术的五笔打字教学游戏，笔者 希望通过此次实践来探讨个人或小团队如何利用v i r t o o l s 开发基于d v r 技术的 教学游戏，并对d v r 的客户端管理效率、连接速度、用户使用的便利性等方面 做出探索。 本论文研究意义如下： 基于d v r 技术的教学游戏是传统网游的出路 据游戏工委与i d c 数据公司联合开展的2 0 0 6 年度中国游戏产业调查结果显 示，2 0 0 6 年中国网络游戏市场规模为6 5 4 亿元人民币，比2 0 0 5 年增长7 3 5 。 预计2 0 1 1 年中国网络游戏出版市场销售收入将达到2 4 4 3 亿元人民币，2 0 0 6 年 到2 0 1 0 年的年复合增长率将达到3 0 2 t 4 1 。如图1 1 所示： 图1 1网络游戏市场规模 2 0 0 6 年度网络游戏产业为相关行为带来的直接收入达3 3 3 2 亿元，是网络 游戏市场规模的5 1 倍。2 0 0 6 年度网络游戏产业为电信行业带来的直接收入达 2 1 0 5 亿元，是网络游戏市场规模的3 2 倍；为i t 行业带来的直接收入达8 3 3 亿 人民币，是网络游戏市场规模的1 4 倍，为出版和媒体行业带来的直接收入达 3 9 4 亿元人民币，是网络游戏市场规模的0 6 倍【5 1 。如图1 2 所示。 网络游戏发展非常迅速和火爆，国家相关部门如文化部、新闻出版署等对网 4 1 2 0 0 6 年网络游戏市场规模已达6 5 亿元 e b o l lh t t p ：w w w g m w e n c o n t e n t 2 0 0 7 - 0 1 2 5 c o n t e n t5 4 1 4 0 8 h t m 例网游玩家超过3 0 0 0 万人市场规模为6 5 4 亿) 己 e b o l 】h t t p ：w w w s x g o v e n e j l x 5 c c j y w 3 9 7 2 7 4 s h t m l 3 络游戏也给以大力扶植和支持。但同时部分缺乏自制力的青少年学生沉溺于网络 游戏不可自拔，网络成瘾、荒废学业，影响其身心健康并诱发了一系列社会问题。 另外，部分网络游戏中存在色情、暴力、迷信等不健康内容，这些内容在潜移默 化地影响着青少年学生的道德观和价值观。 图1 22 0 0 6 游戏行业为其他行业带来的直接收入 如何让网络游戏走可持续发展之路? 教育从业者和游戏运营商不约而同地 注意到网络游戏这一有着无穷魅力的网络新事物。因此，教育与网络游戏两者相 结合，即以教育为目的的网络游戏，在几年内迅速的发展起来。本研究中提到的 教学游戏是教育游戏的一个组成部分，两者的关系会在本研究第四章第二节中具 体给出。 利用v i r t ) o l s 开发基于d v r 技术的教学游戏可提高效率。 v i r t o o l s 让原本深不可测的3 d 数字产品研发变得简单，使一般对于程序望 之却步的美工人员有更大的发展空间，不再受限于程序语言的约束，随着v i r t o o l s 这样的开发工具的陆续诞生，这也代表着新的程序语言的时代来临，尽管所需效 能比起c ，c + + 等传统程序语言来的高，但模块化的指令却是能大大的降低学习 的门槛，让撰写游戏程序不再是程序人员的专利，程序人员可以更放心的去处理 深层的建构与规划，增进了效率，节省了成本。从而使个小团队或个人开发出 高质量的基于d v r 技术的教学游戏成为了可能。 1 3 研究内容及创新点 1 3 1 研究的主要内容 4 分布式虚拟现实 我们认真研究了分布式虚拟现实技术的特点、结构、模式以及涉及的关键技 术等，并详细分析了本文程序实现主要用到的网络技术。 教学游戏 笔者认真分析了教学游戏国内外发展现状，对游戏、教学游戏以及教学游戏 模式作了进一步的研究。 基于dvr 技术教学游戏开发过程中的关键问题 我们全面、系统地学习了虚拟现实制作软件v i r t o o l s ，掌握了利用v i r t o o l s 来制作基于d v r 技术的教学游戏，并对开发过程中的关键步骤予以说明。 1 3 2 论文的特色及创新点 根据教学游戏型教学软件评价量规尝试利用v i r t o o l s 开发基于d v r 技术 的教学游戏 设计开发适合青少年的教学游戏，而目前国内的网络教学游戏主要针对 儿童和学龄前儿童 1 4 教学游戏现状 国内对于教学游戏的研究刚刚起步，对于教学游戏的研究比较晚，从事教学 游戏研究的组织也不多。近几年人们正在试图利用教学游戏解决网络游戏带来的 社会问题以及目前教育教学上存在的种种弊端，目前仍处于一个探索研究阶段。 而国外对教学游戏的研究比较早，随着网络技术的发展，逐步转向网络教学游戏 的研究，目前取得了良好的学习效果。 由于笔者开发的基于分布式v r 技术的教学游戏为网络教学游戏，所以本节 着重介绍国内网络教学游戏的现状。 1 4 1国内现状 5 网络教学游戏这个概念在中国被提出以来，长期处于尴尬的地位。由于前几 年网络游戏的迅速发展，而教育又没有及时跟上，造成了学校、老师在这个方面 教育的严重缺位。广大中小学的教师，对于电脑、网络的了解滞后于自己的学生。 因此，容易对网络产生抗拒心理，认为学生上网、打游戏就不是什么好事情。对 于以教学为目的的网络游戏，持怀疑和观望的态度。而作为游戏的主要玩家“学 生来说，他们对以教育为目的的网络游戏是否好玩非常怀疑，也存在着一定的 抵触心理，觉得在学校学习就够辛苦的了，回家打个游戏还要学习。 在网络教学游戏方面，也缺乏代表性的产品问世，盛大的学雷锋曾招来 骂声一片，主要原因是目标玩家特征分析出现偏差和游戏内容的教学设计出现偏 差。 国内目前的网络教学游戏基本上都是针对学龄前和小学阶段的儿童的，如奥 卓尔软件公司的软件涉及到小学阶段的数学、语文、语文、英语等，而创新未来 有限公司的w a w a y a y a 其用户对象就是学龄前儿童及小学低年级学生。虽然现 在网络游戏的主要用户群是青少年，而非儿童。但针对儿童的教学游戏，由于能 更好的发挥计算机的形象化，同时进行实物的抽象，制作的动画的要求的精度也 不是很高，情节设计的相对简单。因此开发的成本、难度等相对要低，所以现在 我们见到的面对低年龄段用户群的游戏较多，而针对中学甚至更高阶段的学习者 的游戏就很少。 笔者曾体验过南天门网络信息有限公司潜心研发的全球首款3 d 英语学习游 戏幻境游学，登陆服务器后，笔者发现里面的游戏很少有人问津，可见 它的游戏模式还没有得到学习者的认可。 所以国内的网络教学游戏的主要问题是找不到一个教育与网络游戏很 好的结合点即游戏模式。 1 4 2 国外现状 国外对于教学游戏的研究比较早，而且取得了良好的学习效果。国外很多的 公司和机构在致力于教学游戏的研究和开发。 在美国，m i c r o s o t t ( 微软公司) 和m i t ( 麻省理工学院) 合作的一个项目 g a m e s - t o t e a c h ( h t t p ：w w w e d u c a t i o n a r c a d e o r g ) ，致力于为下_ 代交互式的 教育媒体开发概念原型。目前己经开发完成了适合于数学，自然科学和工程学的 6 游戏化学习软件的概念框架，现在即将进行的工作是适合于人文学科和社会科学 的游戏化学习软件的概念原型。项目g a m e s t o t e a c h 是m i c r o s o f t 公司m i c r o s o f t i c a m p u s 项目的一部分，m i c r o s o f t 公司在描述m i c r o s o f ti c a m p u s 项目的目标时， 这样说：从一开始，微软研究院就把i c a m p u s 项目作为m i c r o s o f t 在高等教育领 域确立技术领导者地位的重要战略步骤。他们的主要目标第一条是基于自然科 学、数学和教育技术等学科建立一种新的交互式的学习模型。 韩国的k i d n k i d 公司( h t t p ：w w w b s h o o t e r c o m ) 是专门为儿童开发电脑游戏 的公司，他们开发的“b u b b l es h o o t e re d u p a n g p a n g 适合从5 岁到成人不同年 龄的人来玩。而且计划开发“e n g l i s hp a n g p a n g ”、“c h i n e s ep a n g p a n g 和“j a p a n e s e p a n g p a n g ”，这些游戏化学习软件是用来教学生们学习词语，会话技能，了解商 业用语以及同常用语的。而开发完成的“k o r e a np a n g p a n g ”和“m a t h e m a t i c s p a n g p a n g ”己经正式发行了。 在英国中小学中广泛应用的角色扮演( 1 冲g ) k a r 2 0 u c h e 游戏，是由英国的 i m m e r s i v ee d u c a t i o nl t d 和剑桥大学联合推出的，该游戏主要是通过大量课程 包括角色扮演、照片制作、故事叙述、动画、出版和电影制作等交叉性的创造活 动，来帮助学生发展其概念理解、关键词解释和个人表现能力。 7 第2 章分布式虚拟现实技术 2 1 虚拟现实技术概要 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r 技术) 是一种高度逼真的模拟人在 自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。 虚拟现实既是虚拟的，但又有真实感，通过多媒体传感交互设备使人进入一 种虚拟的环境，产生身临其境的感觉。这种虚拟环境是通过计算机生成的一种环 境，它既可以是真实世界的模拟体现，也可以是构想中的世界。 虚拟现实具有下列特点： ( 1 ) 立体感的视觉效果：这种视觉效果是根据人的视觉原理设计出来的。 从而大大增强了环境的真实感。 ( 2 ) 主角在虚拟环境中的存在感：即人在虚拟环境中处于运动坐标系。例 如，当你坐在行驶的汽车里时，会看到道路两边的景物飞驰而过，前方的景物迎 面而来，从而使你产生置身于环境中，并且自身在运动的感觉。 ( 3 ) 多感知性：通过多媒体，产生视觉、触觉的感受。同时，作为行为主 体的人也可以用语言、手势、数据手套、触摸等方式控制和操作虚拟空间的虚拟 对象。 ( 4 ) 闭环交互方式：当人对虚拟空间的对象进行操作时，对象将给人以感 觉上的反馈。例如，利用虚拟现实技术进行外科手术，当你用虚拟的手术刀切割 对象的肌体时，会产生触觉和力的反馈。 ( 5 ) 动态现实：即随着人的自身运动、视线和位置的改变，例如头部的转 动，周围的景物也随之改变。 不是任何一个虚拟现实系统都具备上述的所有特征，但是一般认为，沉浸感、 交互性、思想性是虚拟现实的三大要素。并以这三大要素作为评价虚拟现实系统 8 性能的指标【6 1 。 第一是沉浸感( i m m e r s i o n ) 或临场参与感。首先v r 是通过计算机生成一 个非常逼真的足以“迷惑 人类视觉的虚幻的世界。这种“迷惑”是来自多方面 的，我们不仅可以看到而且可以听到、触到以及嗅到这个虚拟世界中所发生的一 切。这种感觉是如此的真实，以至于我们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中。 一般来说，虚拟系统的输出设备应尽可能面向使用者的感觉器官以保证良好的浸 没感，如头盔式显示器( h m d ) ，它将使用者的听觉、视觉功能完全置于虚拟的 环境之中并切断了所有外界信息。使用者在虚拟的环境漫游可以通过跟踪使用者 的头及身体的运动来完成，与虚拟物体的接触通过戴在手上的传感装置检测来实 现【7 1 。 第二是交互性( i n t e r a c t i o n ) 。虚拟现实不是一个静态的世界，而是一个开放 的环境，它可以对使用者的输入( 如手势，语言命令等) 做出响应。比如你可以 拿起一把虚拟的火炬并打开其开关，你一推操纵杆，仿佛可以在里面漫游，你甚 至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在，这是v r 的第二个特征，即交互性 7 1 。 第三是思想性( i m a g i n a t i o n ) 。虚拟现实不仅仅是一个媒体，一个高级用户 界面，它是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软 件，它以夸大的形式反映了设计者的思想，比如当在盖一座现代化的大厦之前， 你首先要做的事是对这座大厦的结构做细致的构思，为了使之定量化，你还需要 设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂。正如这些图纸反映的是设计者的 构思，虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板 的图纸生动，强大的多。所以，国外有些学者称v r 为放大人们心灵的工具，或 人工现实( a r t i f i c i a lr e a l i t y ) 。这是v r 所具有的第三类特征，即思想性 7 1 。 虚拟现实技术接近现实，也高于现实。 规律提供了又一个更好的方式。 2 2 分布式虚拟现实技术 2 2 1 分布式计算技术 它为表达人的思想、揭示客观世界的 6 1 汪成为，高文，王行仁，灵境( 虚拟现实) 技术的理论、实现及应用，北京：清华大学版社1 9 9 6 年：i 1 0 7 1 余俊主编，中国机械设计大典第一卷( 现代设计方法卷) ，南昌：江西科学技术i i 版社，2 0 0 2 9 分布计算技术成为当前网络技术研究的热点。在2 0 世纪8 0 年代中期，国际 标准化组织i s o 推出了r p c ( r e m o t ep r o c e s sc a l l ) 标准，极大地推动了分布处 理技术的规范化和标准化。到了1 9 9 2 年，开放软件基金会o s f 颁布了d c e ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 标准。在这个标准中，它不仅吸收了r p c 作为其远程调用的方式，而且对分布处理进行了抽象定义，是分布计算技术发展 过程中的一个里程碑。非常可惜的是，遵从d c e 的实现和产品不多，造成了这 个标准始终未能得到广泛的应用。面向对象技术的发展和成熟，给分布计算技术 带来了新的发展方向。国际非盈利组织o m g 于1 9 9 1 年制订了c o i 啦a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 规范，并不断增加新内容和新技术，版本也 不断升级。目前，在国际上已经有大量的企业、政府和银行等运用了c o r b a 技 术，取得了显著的效益。1 9 9 3 年，m i c r o s o f t 公司推出c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，并制定了该技术的规范。在m i c r o s o f t 公司的大力扶持和推动下，c o m 技术很快就被用于分布式计算领域，d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 就是m i c r o s o f t 公司用于与o m g 的c o r b a 相竞争的一项技术。不过， 专业人士早已指出，d c o m 技术并不能真正的单独实现分布式计算，如果希望 通过d c o m 构筑分布式软件，就必须配合使用m t s ( m i c r o s o f tt r a n s a c t i o n s e r v e r ) 、m m s ( m i c r o s o f tm e s s a g es e r v e r ) 等技术。因此，软件界很多权威人 士纷纷指责m i c r o s o f t 的d c o m 是一种很有缺陷的分布式结构。为了弥补d c o m 的不足，m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 2 0 0 0 平台上发布了c o m + 。同时，o m g 也 制定了c o r b a c o m 互操作的标准。不可否认的是，由于m i c r o s o f t 公司强大的 财力，d c o m 也占据了相当的市场份额。因此，尽管c o r b a 是更加完整的分 布式对象体系，但d c o m 与c o r b a 竞争还仅仅是刚刚开始，两种分布式对象 技术将长期共存。 除了c o r b a 和d c o m 以外，e j b 也逐渐成为分布式对象模型的一项标准。 1 9 9 8 年3 月，s u n 公司提出了个j a v ap l a t f o r mf o rt h ee n t e r p r i s e 解决方案，其 核心就是e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n s ) 。e j b l 0 刚刚提出，就获得了包括i b m 、 b e a 、w e b l o g i c 、o r a c l e 和i n f o r m i x 等众多厂商的支持。e j b 提供了安全的执行 环境，具备高延展性的对象访问机制，并且能够以c o r b a 技术作为底层的实现 技术，以简化c o r b a 的复杂性。由于e j b 是以j a v a 语言实现上层的功能，因 此e j b 服务器可以在任何支持j v m 的平台上运行。 目前，由于e j b 得到了迅猛的发展，在分布式对象领域己经形成了c o r b a 、 d c o m 、e j b 三足鼎立的局面。 1 0 2 2 2 分布式虚拟现实技术的产生和发展 随着计算机网络技术和应用的发展，分布式虚拟设计技术得到了很大的发 展。与分布式虚拟设计研究密切相关的研究方向主要包括分布式虚拟环境研究和 基于网络的c a d 技术( 包括二维c a d 设计和三维c a d 设计) 。分布式虚拟环 境( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n 讥r o n m e n t ，简称d v e ) 是传统虚拟现实技术多用户化 的发展。目前多数的分布式虚拟环境的概念都来源于美国军事仿真工程s i m n e t ( s i m u l a t i o nn e t w o r k i n g ) 系统。该系统的成功，为后来的d v e 的研究开发奠定 了基础，d i s ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 协议就是在s i m n e t 协议的基 础上发展起来的，并成为i e e e 关于d v e 的标准协议( i e e e l 2 7 8 ) 。在分布式虚 拟环境中，数据传输面临的3 个主要难点是：兼容性( c o m p a t i b i l i t y ) 、有限的带 宽( l i m i t e db a n d w i d t h ) 和延迟( l a t e n c y - l a g ) 。为了解决兼容性问题，d i s 定 义了一种实体间交换数据包的标准格式协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t s ， 简称p d u ) 。p d u 的传输采用t c p 口协议，并考虑到t c p 协议有较大的延迟且 不能实现多播，实际的传输协议一般均采用u d p 协议。对于有限的带宽和延迟 问题，d i s 采用了“推算定位”技术( d e a dr e c k o n i n g ) 。这种技术允许网络中不 同结点中的相同实体保持一定范围内的状态差异，只有在误差超过阀值的情况下 才进行p d u 的网络传输，从而降低了通讯数据量】。 分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到上世纪8 0 年代初。如1 9 8 3 年美国 国防部( d o d ) 制定了s i m n e t 的研究计划：1 9 8 5 年s g i 公司开发成功了网络 v r 游戏d o gf l i g h t 。到了2 0 世纪9 0 年代，一些著名大学和研究所的研究人员 也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性d v r 系 统或开发环境，典型的例子有美国n p s 开发的n p s n e t ( 1 9 9 0 ) 、美国斯坦福大 学的p a r a d i s e i n v e r s e 系统( 1 9 9 2 ) 、瑞典计算机科学研究所的d i v e ( 1 9 9 3 ) 、 新加坡国立大学的b r i c kn e t ( 1 9 9 4 ) 、加拿大a l b e r t 大学的m r 工具库( 1 9 9 3 ) 及英国n o t t i n g h 锄大学的a v i a r y ( 1 9 9 4 ) 。 所以，本文借鉴了分布式虚拟环境研究和基于网络的c a d 技术这两个研究 方向上已有成果的技术路线，并结合本文的实际开发环境，对分布式虚拟现实技 术进行了研究。 2 2 3 分布式虚拟现实技术的概念 【s 】蔡猛，徐乃平，李克己多机协同空战仿真分布式虚拟环境网络通信软件的设计与实现计算机仿真，2 0 0 2 ， 1 9 t s ) ：1 8 2 0 ，5 5 1 1 分布式虚拟现实( d v r ) 也称为分布式虚拟环境( d v e ) ，它是计算机网络 技术、通信技术和虚拟现实技术等多学科交叉结合的产物。分布式虚拟现实技术 是在虚拟现实技术以及互联网发展的基础上发展起来的【9 】。分布式虚拟现实系统 将这两项技术结合在一起，在一组以网络互连的计算机上同时运行虚拟现实系 统，它将孤立的或小范围的虚拟现实系统连接起来，使处于不同地域的多个用户 可以在同一个虚拟的世界中进行实时交互，协同完成各种任务。分布式虚拟环境 是传统虚拟现实技术的多用户化发展，d v r 就是一个支持多人实时通过网络进 行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进 行交互，并共享信息。分布式虚拟环境旨在将不同的局部虚拟环境通过空间关联 以构造大范围的虚拟环境，支持分布在不同地域的用户同时进入虚拟环境中，并 与之交互。 分布式软件是软件技术发展的必然趋势。同时，随着处理信息量的增大，采 用多层分布式数据库系统也成为数据库技术发展的必然结果。 2 2 4 分布式虚拟现实技术的应用 分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子 商务、交互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多 媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区等全新的应用 系统。典型的应用领域有： ( 1 ) 教育应用：把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、 化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激 发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、 教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机 对话方式。 ( 2 ) 工程应用：当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显 示各种产品。目前，c a d c a m 己经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。 分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进 行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。 ( 3 ) 商业应用：对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在 【9 】郭蕴华、黄培、陈定方等，面向协同虚拟制造的分布式支撑环境研究，工程设计学报，2 0 0 5