基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发

1、PAGE PAGE 37科技项目可行性报告项目编号: K20166001课题名称: 基基于虚拟现实实技术的教育解决方方案的研制与与开发申请单位: 可可视化计算与与虚拟现实四四川省重点实实验室二0一六年二月月目 录一、项目提出的的目的及意义义二、与项目相关关的国内外发发展概况及市市场需求分析析三、主要攻关内内容及技术路路线（技术可可行性分析）四、该项目的技技术创新点五、现有工作基基础和条件六、申请的基础础条件（包括括主要研究成成果）七、进度安排和和实施方案（包包括运行机制制）八、预期成果和和考核目标九、推广及应用用前景十、经费概算及及来源十一、结论附件虚拟拟现实沉浸技技术实验室条条件建设需求求

2、一、 项目目提出的目的的及意义互联网、虚拟现现实和人工智智能被喻为改改变人类认知知世界的三大大信息技术。互联网从少被社社会广泛认知，到到今天对社会会生活的全面面颠覆与渗透透不过二十余年。如如今互联网+已为国家战战略。当互联联网在我们生生活中掀起一一个又一个骇骇浪时，虚拟拟现实正悄然然从幕后走向向前台。今天天虚拟现实正正演绎着当年年互联网对人人类生活，从从无足轻重到全面颠覆的革革命性过程。科技以以虚拟现实给给人类生活再再创造出一次次惊喜己为期期不远。虚拟现实技术与与教育：“虚拟现实”（VVirtuaal Reaality，英英文缩写VRR）技术，利利用计算机硬硬件+软件资资源+传感器器的一种集成

3、成技术，构成成实时三维图图形生成的技技术、仿真技技术、多传感感交互技术以以及显示技术术等，生成实时的的、具有三维维信息的人工工虚拟环境，演演练者（操作作人员）根据据需要通过多多种交互设备备（如头盔、数数据手套和刚刚性外骨架衣衣服等）来驾驾驭该环境，以以及用于操纵纵环境中的对对象，如在真真实世界中一一样地与该环环境中的人和和事物进行行行为和思想等等的实时交流流，并产生逼逼真的身临其其境感。虚拟拟现实技术不不是相关技术术的简单组合合，而是一种种创新性的综综合，并且在在思想方式上上有质的飞跃跃。虚拟现实技术对对教育产生不不可估量的作作用，主要理由如下：1.虚拟现实技技术创建全新新的教育环境 人们普遍

4、认为，虚虚拟现实技术术将使21世世纪的教育发发生质的变化化。虚假现实实技术支持下下的教育之所所以会发生质质的变化，是是因为虚拟教教育环境拥有有现实教育培培训环境无可可比拟的优势势。所谓虚拟拟教育环境，是是指由虚拟现现实技术生成成的一类适于于进行虚拟现现实技术生成成的一类适于于进行虚拟教教育的人工环环境，它可以以是某一现实实世界的基础或设施施的真实实现现，也可以是是虚拟构想成成的世界。在在21世纪，可可能兴办起依依托虚拟现实实技术的各种种新型的学校校教育，如基基础教育、军事教育、各各类培训教育育，许多学员员在虚拟环境境中接受各种种教育体验与与训练。由虚虚拟现实技术术所支撑的教教育系统将使使得人员

5、可以以在虚拟环境境中方便地取取得感性知识识和实际经验验。 与现实实教育基地或或设施相比，在在虚拟现实技技术支持下的的虚拟教育环环境大致有如如下特征和优优势： 1.1仿真性 学生通过虚拟设设施训练，与与在现实教学学基地里同样样方便。这是是因为虚拟环环境无论对于于现实的环境境或是对于想想象的环境，都都是虚拟的但但又是逼真的的。理想的虚虚拟环境应该该达到使受训训者难以分辩辩真假的程度度（例如可视视场景应随着着视点的变化化而变化），甚甚至比真的还还“真”（如如实现比现实实更逼真的照照明和音响效效果）。 1.2开放性 虚拟教育环境有有可能给任何何受训者在任任何地点任何何时间里广泛泛地提供各种种培训的场所

6、所。事实上，虚虚拟教育环境的内内涵是广泛的的，它不同于于传统中的教教育环境，它它具备可以进进行类似于传传统教育项目的环环境，但它的的擅长更是那那种使学员置置身于项目对对象之中的逼逼真环境。凡凡是受训者可可以通过有关关器具操作来来学习或掌握握某种知识与技能的的虚拟环境，都都可以归之于于虚拟教育环境。 1.3超时空性性 虚拟教育环境具具有超时空的的特点，它能能够将过去世世界、现在世世界、未来世世界、微观世世界、宏观世世界、宇观世世界、客观世世界、主观世世界、幻想世世界等拥有的的物体和发生生的事件单独独呈现或进行行有机组合，并并可随时随地地提供给受教教育者。比如如，学生需要身临临超越现实时时空的环境

7、（如如历史事件，探探索太空），那那么虚拟教育育环境就可以以提供历史环环境及虚拟太太空。 1.4可操作性性 学生可通过使用用设备，用人人类的自然技技能实现对虚虚拟环境（无无论它模拟的的是真实环境境还是想象环环境）的物体体或事件进行行操作，就象象在现实环境境里一样。可可操作性是虚虚拟教育环境实际际运用的必备备特性，它使使学生得以在其中中学习中获得得需要实际知识识与技能课程程，也使远程程教育真正实实现。 1.5对应性 教育内容与虚拟拟环境密切相相对应的。例例如，学生要学习化学实实验操作，那那么虚拟环境境就是化学实实验室的模拟拟环境。另外外，虚拟现实实技术能按每每个学生的基础和能能力，对应性性地开展个

8、别别化的教育。 2、虚拟教育培培训的广泛性性 未来社会是一个个学习化的社社会，为了求求得自身知识识结构和能力力体系的完善善与发展，达达到学会生存存并进而实现现自我价值的的目的，接受受终身教育是是人们的当然然选择。而在在终身化教育育体系中，自自然包括了各各种各样的教教育项目。由由于用虚拟环环境代替现实实环境，学习习和实练效果更好好；而且利用用虚拟环境进进行训练，也也使一些在真真实环境下难难以实现的项项目成为可能能，因而虚拟拟现实技术会会给未来教育育带来根本性性的改革。由由虚拟现实技技术支持下的的教育方式将将发挥强大的的优势，大显显身手地运用用于各方面的的教育项目中中去。 3、虚拟教育的的优越性

9、作为教育技术和和工具的虚拟拟现实技术的的优势，给教教育体系带来来了与众不同同的、全新的的教育特点。它它不仅仅对于于教育场所或设施的的设计人员和和教育业务的的指导人员提提供了实践其其教育价值的的途径和方式式，而且从受受教育者的角度度来说，它在在解决学习和和实训的困难、提提高学员汲取取知识和掌握握技能的效率率、从而改善善教育的效果果等方面，也也呈现了相当当有利的特征征。这些特征征可大致概括括为： 3.1临场性 指学生可以感到到自己处于虚虚拟环境的体体验，产生一一种逼真的存存在感，学员员觉得自己真真的存在于某某环境中，是是该环境的一一部分，而不不是它的旁观观者。学生可自由地在在这环境中与与有关的虚拟

10、拟物体或事件件相互作用，如如同在现实世世界中一样。临临场性的意义义，在于使学学生将远程、虚虚拟认知或感觉如现场与真实中。此外，由由于这种临场场性一方面是是使学生进入虚拟环环境，另一方方面是运用交交互设备把学学员的视觉、听听觉和其他感感觉封闭起来来，使他暂时时与真实环境境隔离，因此此不会受到虚虚拟环境外的的现实环境的的干扰，易于于集中学员的的注意力，使使他全身心投投入到训练中中去。 3.2自主性 学生能自主地选选择或组合虚虚拟场地或设设施。这样，学学生能在任何时时间、任何地地点选择学习习内容、学习设施、学习信息资料料、以及取得得学习结果的评评估，并具有有完全的自由由度。此外，对对于学习后没掌握握

11、的知识与技技能过程或片片断，学生可以自己己多次重复。这这样，学生始终处于教教育中的主导地位位，真正掌握握学习的主动动权，大大增增强了学习效效果，减少了了学习时间。 3.3多感受性性 学生在虚拟环境境中接受教育育时具有多种种感知能力，如如视觉、听觉觉、力觉、触触觉、运动觉觉、味觉等。理理想的虚拟环环境应当可以以让学生具有在现实实世界中的一一切感知能力力。多感受性性使学员得以以运用自己所所有感知能力力，在一个极极其生动活泼泼的环境里进进行实时的、全全方位的学习习。 3.4功能替代代性 在虚拟现实技术术帮助下，学学生在虚拟环境境中还可以用用一种感知能能力代替另一一种感知能力力来进行操纵纵环境、汲取取

12、信息或交流流。这样，残残疾人能通过过自己的形体体动作与他人人进行交谈（如如残疾人戴上上数据手套后后，就能将自自己的手势翻翻译成讲话的的声音），或或通过声音来来操作器械，等等等。这种感感知功能替代代性使残疾学学生可以接受过过去自己无法法做的项目。 3.5交互性 学生可以采用多多种交互手段段如语言、手手势、数据手手套及触觉等等，与虚拟环环境交流信息息，并得到实实时反馈。这这种特性使学学员与物体、学学员与事件、学学员与其他人人（如指导人人员、别的学学员）之间的的双向实时反反馈，在远程程状态下成为为可能，并犹犹如近距离或或面对面交流流一样。 3.6安全性 虚拟环境中学习习远比在现实实环境里安全全。如具

13、危险险的化学实验验，军事学生可以重演战战争，消防队队员可以重演演扑灭火灾。每每个人都可以以在这种虚拟拟环境中试验验各种方案，即即使闯下“大大祸”，也不不会引起任何何“恶果”。安安全性不仅是是对于学生而言的，它它也包括周围围环境中的事事物，这一点点对于技能性性学习特别重重要和特别有有意义。 （一）项目概要要1.虚拟现实的的应用层次可可分为：1.1 初级应应用：桌面虚虚拟现实系统统非沉沉浸式体验系系统，计算机机+软件即可可实现1.2 中级应应用：桌面虚虚拟现实系统统沉浸浸式虚拟现实实系统，计算算机+软件+数据头盔+数据手套。1.3高级应用用：分布式虚虚拟现实系统统，它建立在在沉浸虚拟现现实系统和分

14、分布式交互仿仿真（disstribuuted iinteraactionn simuulatioon）的基础础上1.4高级应用用：+增强现实，于于虚拟现实的的基础上加入入真实的物具具（现实中的的，非建模的的），实现虚虚拟世界与真真实世界的交交互。2.基于虚拟拟现实技术的的教育解决方方案主要包括括以下：2.1初高中实实验类课程方方案，涉及化化学、物理（仿仿真实验室，物物体与规则重重建）2.2初高中认认知类课程方方案，涉及自自然（地理、生生物）、历史史（事件重建建）2.3.高中水水平类课程方方案，涉及外外语（事件重重建）、语文文（意境重建建）、数学(几何规则与与逻辑重建).2.4职业学校校技能培训

15、方方案，如装配配、修理、维维护开发上述产品，一一类基于“桌面虚拟现现实非非沉浸式体验验系统”技术，另一一类基于“桌面虚拟现现实沉沉浸式体验系系统”技术。上述产品以通用用教材课标为为依据，以教教育心理学、名名师教学方式式为逻辑，以以时间进度排排序，加入知知识与技能要要点考察和水水平评价，贯贯穿整个教学学过程。项目目开发的理念念、构成、内内涵与体系均均属国内首创创，为行业应应用的重大创创新。社会公公司，包括独独立的教师因因条件所限，从从事的开发均均以课件、资资源类为主，难难以开展如我我们这种体系系化的构建。此构建的可性行来自我们的业界优势，即是川师大数十年的教育背景与教育资源+技术背景与技术资源，

16、极其宝贵、极其难得的组合，他人难以复制。3. 项目目标标3.1总体目标标该解决方案融合合虚拟现实最最新硬件设备备以及先进的的教学理念，构构建完全实时时的、高保真真的、用户高高度介入的学学习环境。其其特点是具有有丰富的环境境、丰富的接接口、操作与与数据双重驱驱动，从而实实现虚拟现实实的教学功能能，对教与学学产生极大的的效用。3.2技术目标标包括五个方方面：3.2.1开创创虚拟现实在在国内教育领领域系统化应应用的先河,于教学上实现现普通数字教教育资源(如如多媒体、电电子课件、文文字、例表、影影视动画资料料)的替代。解决方案首要的目标是构建快速、协同的VR资源平台，资源的迭代演化保持一定领先性且遥应

17、未来技术发展要求，体现业务创新、技术创新特征，突出与满足教学及教学管理的现代化需求。3.2.2 采采用分层设计计，强调统一一的同时兼顾顾风险与效率率，达到规范范性与个性化化相结合的目目的，增加系系统灵活性，满满足不同学科科、不同层次次课程的需求求。在实际设设计过程中，遵遵循现有网络络课程（如川川师4A网课课）课程分类类规划设计，并并与校园其它它网络教学平平台有效衔接接。3.2.3保证证高性能、高高可用性，提提供动态扩容容、应急处理理、备份等手手段实现系统统的可靠性、增增进用户体验验。3.2.4组件件化、可配置置的指标、参参数策略，适适应不断增加加与调整的系系统需求变化化。适配不同同种类与配置置

18、的虚拟现实实硬件设备。3.2.5 数数据驱动。构构建VR场景景知识库、参参数化模型库库以及学习者者学习行为轨轨迹库，形成成个性化学习习成果反馈技技术应用。4. 项目应用用主目标，完成虚拟现实教教育解决方案案系统框架设设计5. 项目应用用次级目标启动期目标标： 5.1完成非沉沉浸性与沉浸浸性中学化学学实验教学系系统，并在学学习者中推广广，以达到体体验和验证。5.2完成沉浸浸性中学化学学实验教学系系统5.3完成中学学物理、历史史、地理、语语文、数学、英英语需求设计计5.4职业学校校需求调研（二）立项的必必要性及意义义虚拟现实技术被被普遍认为是是继计算机技技术、网络技技术后，在221世纪最有有潜力的

19、技术术。虚拟现实实技术具有的的沉浸、交互互、构想三大大特征使得虚虚拟现实技术术在教育领域域应用有其独独特而明显的的优势。随着资本对虚拟拟现实的持续续关注、硬件件成本降低、设设备的普及以以及互联网信信息技术对教教育融合的深深入，迫切需需要虚拟现实实技术改造传传统教育模式式，甚至是刚刚刚开始流行行的基于互联联网的教育模模式（如MOOOC）。基基于互联网的的教育模式虽虽然解决了传传统教育的大大部分“痛点”(如不能跨时时空共享优质质教育资源，互互动性差等)，但是学习习者的体验没没有得到实质质的提升，缺缺乏虚拟现实实技术（如沉沉浸式虚拟现现实技术）带带来的强烈的的体验感、逼逼真的现在感感与強大的可可交互

20、性。1.把握历史机机遇，珍惜最佳进入入期长期以来，虚拟拟现实硬件成成本的居高不不下成了其实实际应用的最最大障碍，行行业应用处于于3/4的休休眠状态。近近两年因技术术突破性进步步，成本直线线下降，其行行业应用处于于爆发前夜，越越来越清晰地地呈现出一个个科技应用热热点。在市场场尚未完全被被唤醒时进入入，无疑为最最佳时期。以游戏头盔式显显示器为例，22013年美美国当地报价价5万美元到到17万美元元，到20115年降到77000美元元到8万美元元间，非游戏戏头盔则降价价幅度更大，早早几年还需数数万人民币的的体感头盔目目前市场价普普遍在1千到到3千人民币币不等。进入入2015年年，硬件价格格的下降趋势

21、势仍在加速，以以乐视为例，22015年111月向市场场推出有售价价仅149元元的VR头盔盔。随硬件成成本的快速平平民化，虚拟拟现实技术走走向广泛社会会应用的闸门门已经打开。从从资本市场看看，20155年6月以来来，中国A股股历经了三次次股灾，资本本市场一片哀哀歌，但虚拟拟现实概念股股却逆势上涨涨，成为A股股独特的亮丽丽风景。据惠惠特资本分析析，这是一个个尚未有巨型型企业出现的的蓝海市场。2.开启重大行行业应用技术术创新，树立立行业科技开发发优势地位 虚拟现现实技术在教教育行业的运运用，除非沉沉浸式的一些些三维交互课课件外，尚没没有更多运用用，基本处于于未开垦状态态。做好这一一块并不太容容易，不

22、但要要熟知教育，而而且要熟知技技术。我们两两者皆具，这这是我们的背背景优势。纵纵观社会，两者皆具的的开发者很少少，珍惜历史给予的难得机会。背景优优势将很好支支持我们开展展这一项具有有行业重大应应用创新的研研发，进而树树立其行业科科技开发优势势。3.形成行业应应用级产品，占占领行业科技技应用的制高点若衡向与兄弟院院校在科技实实力上对比，川师大的弱处还在缺少对社会、对行业、对企业不能提出解决方案级别的成果，科研产出缺乏对国民经济起重要推进作用的、应用级别的创新。本项目的推进有利于突破困局。二、 与项目相相关的国内外外发展概况及及市场需求分分析2016年被公公认为虚拟现现实的应用元年。虚拟现实近10

23、0年来，随着计算机机技术的快速速发展，其行业应用愈来愈清清晰而备受社社会各行业关关注。目前在在发达国家中中, 虚拟现实实技术在教育育领域的应用，其表现之亮亮丽，令人震震惊。如美国很多学学生已经开始始使用 zSSpace STEM实实验室。学生生们已经探索索了虚拟火山山和构建了先先进电路板。这这个系统为学学生提供了真真实的学习环环境和个性化化学习体验，且且符合美国新新世纪科学标标准（ NGGSS）、基基础课和各州州标准。虚拟拟全像图像可可以从屏幕中中“取出来”并使用触笔笔去操控。一一些应用则提提供多感官反反馈。比如，学学生在和一个个虚拟心脏互互动时，可以以看到、听到到并感觉到它它在跳动。我国目前

24、的虚拟拟现实技术在在教育领域的的应用主要侧侧重在科学研研究、虚拟试试验的开发以以及虚拟校园园的开发方面面，与发达国国家相比，我我国虚拟现实实教育应用的的规模差距不不少, 但是已经经引起政府有有关部门和科科学家的高度度重视。九五五计划、国家家自然科学基基金会、国家家高技术发展展计划等都把把虚拟现实技技术列入了研研究项目。（一）目标市场场的分析与预预测1、市场分布整体上看，我国国虚拟现实技技术处在起步步期。它的发发展与上世纪纪80年初的的微型计算机机、90年代代中期的互联联网相似。以虚拟现实硬件件设备为例，22015年全全球虚拟现实实设备的销量量己达14000万部，22020年的的全球销量会会提高

25、至88800万部；BI Inntelliigencee的报告预测测，虚拟现实实硬件市场的的规模将在未未来几年迅猛猛增长，未来来5年的复合合年增长率将将高达2999%；美国知知名的第三方方调研机构MManattt 5Diggital Mediaa和投资银行行Digi-Capittal也发布布报告称，全全球虚拟现实实市场规模将将在5年内、即即2020年年达到52000亿美元。可可见，针对消消费者的虚拟拟现实商业化化时代已经来来临，虚拟现现实产品对市市场的渗透将将会是“一场必胜的的持久战”。从国内外外发展比较看看，目前国内内外发展方向向出现分化，但但重大分水岭岭尚未形成。国内产品、技术术与市场需求求

26、的深度融合合处于摸索期期，以出售产产品和服务为为目标，有近近200家公公司介入VRR领域，从硬硬件产品到内内容制作几乎乎全部覆盖；国外并非单单纯以出售产产品为目标，以以Oculuus和Sonny公司为例例，除了研发发头戴显示器器、交互设备备、输入设备备、动作识别别设备，更在在着手制定各各自的行业标标准，意图统统治全球市场场。 以上不不难看出，随随着虚拟现实关关键设备制造造的成本大幅幅下滑，我们们己站在了一一个以虚拟现现实技术为手手段，以行业业应用为开发发内容的门坎坎，门内拥有有一个不低于于数千亿级的市市场体量。2、市场需求与与发展前景的的分析和产品品市场空间预预测2.1市场份额额至2014年末

27、末，四川省初初中共计39011所，在校生2558.3万人人；普通高中中共计732所所，在校生1149.0万万人；教师共共计约30万万人; 职业学校5500所，在在校生20万万人。按人均均100元/年信息消费费，年消费量量约4亿元。若项目目进入国家教教育扶贫工程程，有望获得得政府基金的的支持。2.2市场选择择将目标市场锁定定在中等基础础教育与职业业教育，以省省内为重点。2.3市场运作作以产学研结合为为理念，以服服务社会、社社会应用为目目标。自主开开发，并在进进程中吸引资资本加入。导导入效率化管管理机制。虚拟现实进入现现代教育，并并发挥重大影影响绝对是不不争的事实。发发达地区，但但不限于，都都将因

28、此受益益。我国教育育资源分布不不均，边远地地区师资队伍伍落后，名师师空缺。近十十多年来，国国家对这类地地区的教育投投入逐年增加加，但多限于于基础条件的的改善，如何何提高教学质质量，让这类类地区的学生生与内地学生生一样享有较较高质量的教教育水平，显显然己摆在面面前。这是一一个重大的教教育问题， “教育公平平”涉及全社会会的良知，不不仅仅引发政政府的思考、全全社会有识之之士也在思考考并追求解决决方案。虚拟拟现实在这方方面可发挥出出重大作用，为为公平教育发发挥出不可替替代的作用。因因为基于虚拟拟现实的教育育解决方案可可以将名师的的教育方法，先先进的教学理理念，科学的的认知体系以以及严格的技技能训练导

29、入入系统，且传传播无地域限限制，成本低低廉。成本低低廉，以计算算机为列，以以2013年年配伍的普通通计算机已足足够承载系统统运行，性能能价格以今天天市价计，不过30000千元左右右/台。数据据头盔，其普普及型以今天天市价计，8800元左右右/件(五年年前一个普通通的数据头盔盔不低于100万元/件)，据赛德数数据，在未来来2-3年可可降至数十元元左右/件。按按这种推算，低低成本的虚拟拟现实装备进进入边远中学学为期不远。我我们所做的就就是为此做好好准备，做好好内容开发，为为迎接虚拟现现实爆炸性需需求的来到做做好准备。虚拟现实桌面非沉浸式系系统推广阶段段包装宣传为本阶阶段首要任务务。本阶段需需要营造

30、亮点点，营造新闻闻热点。以社社会效益为述述求，并发挥挥到极致。基基于此目标，需需寻找一个即即能切合国家家需求，又有有社会关注热热点与道德制制高点的入口口，进而演绎绎为社会的突突出事迹。经经调研认为， “教育扶贫”无疑是最佳佳方式。为此此，本阶段主主打教育扶贫贫牌，即能满满足需求，又又可为进入国国家教育扶贫贫工程做准备备。具体做法法是，选一批批学校下线的的计算机+制制成的虚拟现现实桌面系统统，找一个边边远/贪困地地区中学，调调动当地政府府与之一道建建示范点。以以三个月为调调试与试用期期，一切正常常后，对示范范点全面包装装，组织新闻闻宣传，营造造社会形象，大大力将宣传效效果发挥到极极致。利用其其稀

31、有性：最最前沿的高科科技教学手段段与最边远/贫困地区教教育现状所存存在的极大反反差，及一个个基于这种反反差，又预想想不到的融合合(这本身就就是一件反常常规的事列)，加入教育育公平、社会会正义、良知知、责任与道道德的因素造造出新闻热点点，将宣传做做足。这个设设计可容易达达到几个目标标：突出学校校的社会形象象，不花巨额额广告费的产产品宣传，为为进入国家教教育扶贫工程程打下基础。 一旦进入国家教教育扶贫工程程系列，在政政府基金的支支持下，可全全面推进桌面面虚拟现实非非沉浸式方案案的应用实施施，同时加速速沉浸式解决决方案的深度度开发，做好好在较发达地地区的试用推推广。实现产产品的由农村村向城市，从从边

32、远到内地地的战略调整整。3.产业融资与与扩张阶段基于良好的社会会声誉与产品品的独特性吸吸引资本注入入，融资额度度不少于10000万，构构建不限于教教育类虚拟现现实产品的开开发。解决的的主要难点技技术与运用领领域如下：数据驱动模型型的机制与方方法动态与时实仿仿真产业级技技术运用分布式虚拟现现实系统的开开发与运用基于以上成果，进进入虚拟现实实的高级运用用期，形成教教育、数字娱娱乐、军事、公公共安全、医医疗、制造业业等领域的优优秀解决方案案，进而全面面服务社会并并获得很好的的经济效益。4.市场竞争力力分析虚拟现实的内容容开发，或称称虚拟现实的的行业应用解解决方案，从从目前的国内内开发应用看看，基本以

33、“桌面虚拟现现实非沉浸式体体验”与“环幕非沉浸式体体验”的解决方案案为主，主要要用来效果展展示；沉浸式式虚拟现实于于专业行业有有应用，如航航空制造业。但但从社会的层层面讲，其应应用仍处于初初期的起步阶阶段；分布式式虚拟现实系系统与增强现现实大多还停停留在专门的的研发机构。 客观分析如下：4.1具备比较较完善的从事事虚拟现实教教育与研发的的学科队伍与与条件：早在2007年年为配合重点点实验室的发发展，支撑新新的学科与研研究方向我们们以产学研的的理念建议学学校开建数字字媒体专业，在在学校领导的的带领下，我我们花费了大大量精力从论论证到实施做做了很多事。专专业的成立为为虚拟现实工工作的开展奠奠定了人

34、才基基础、学科基基础。4.2具备开发发优势：技术与教育背景景的深度融合合，有一支即即懂技术又知知教育的开发发队伍：虚拟现实教育类类的应用，市市场呈现的均均为“桌面虚拟现现实非沉浸式体体验”方式开发的的教育类产品品，且基本以以课件为主，几几乎没有基于于教材的完整整解决方案（仅仅仅“课件”，有极大的的应用局限，正正如一个汽车车制造厂，不不能提供整车车，只能提供供零件，其适适用性可想而而知）。这个个现象与这些些公司或群体体的行业地位位有关，因为为这些公司或或群体：或者者懂技术，却却身在教育之之外，不懂教教育，没有体体系，无论从从理念还是方方法没有教学学的支撑，注注定了只能以以课件的方式式存在。如软软

35、件公司；或或者做教育又又缺失技术，只只好借用他人人开放工具软软件，局限于于做课件。如如教师群体。;两者合二为为的团队，即即做教育也做做技术的少之之又少。与我我们本质不同同。4.3具备多年年从事教育仿仿真软件系统统的经验积累累：我们的背景优势势使我们在架架构同类方案案时可以跳过过课件的束缚缚，以基于教教材的理念，融融入教育心理理学、名师的的教育方法与与教学经验，开开发集教学、操操作、考点、评评价为一体的的解决方案，并并将开发的系系统走入学校校中期试用、座座谈，再改进进，使之完全全符合教学过过程，力求完完整、规范，简简单易用。我们对开发教育育类产品慎之之又慎，如中中学化学方案案，先以平面面交互为框

36、架架，用于弄清清教学仿真内内涵。目前已已做成完整的的方案面向初、高高中化学教学学的二维仿真真交互软件平平台一套，学学校试用己达达三年，各方方反应效果良良好。通过这这一案件，我我们基本弄清清了教育仿真真软件开发设设计的内在精精髓。由此我我们深知，这这是一个内涵涵远胜于技术术的开发，非非多资源的教教育资源组合合背景，不可可能开发出适适合用户需求求的产品。因因为现实需求求不是一堆课课件可实现。通过多年的探索索，我们这类类产品的开发发，其理念、方方法及技术均均在国内同行行的前列。4.4具备从事事虚拟现实大大型仿真应用用系统开发成成果的积累：本实验室于20009年建立立后，于20010年启动动了以 “桌

37、面虚拟现现实非非沉浸式体验验系统”为主的起步步型建设，取取得了如大型型化学仿真教教学平台、大大型数字博物物馆、公安仿仿真训练平台台、大型园区区+地理位置置信息的产品品级技术成果果。遗憾的是是， “沉浸式虚拟拟现实建设方方案”至今仍未落地地。4.5限制因素素科研需要落地，科科技创新、服服务社会、服服务产业，不不局限于学术术，满足于论论文，尤其对对计算机技术术这类应用性性很强的学科科，需要真刀刀真抢，而非非脱离应用的的些纸上谈兵兵。4.6 遇稍纵纵即逝：虚拟现实随着硬硬件成本的快快速平民化，系系统平台的不不断升级换代代，其步入社社会应用的步步伐愈来愈快快，加之近年年来受到资本本的追逐，一一个崭新的

38、时时代已为期不不远。随着应应用与市场的的逐渐明朗化化，必然吸引引大批的加入入者，拖得越越久，竞争就就愈激烈，我我们也会再一一次丧失历史史曾给予过我我们发展的重重要良机。唯唯有建设才有有发展。即使使困难不少，但但我们在桌面面虚拟现实的的研究还是取取得了重要进进展，项目水水平达到了相相当的应用水水平，为今天天所提方案的的实施打下了了重要基础。三、 主要攻关关内容及技术术路线（一）体系构架架VR教育解决方方案通过优质质VR内容和和最新VR硬硬件配套，将将传统学习方方式、网络化化学习方式乃乃至互联网+教育模式推推向一个新的的层次。为满满足总体设计计目标、实现现系统需要，将将从业务架构构、应用架构构、数

39、据架构构以及技术架架构四个方面面提出总体设设汁方案。 系统业务架构构（图3-1-11系统业务架架构）根据职责及业务务规划不同将将系统从业务务上划分为五五部分：最底底层为课程资资源分类；中中间为VR内内容建设、学学习者（学生生）行为及VVR学习环境境；最上层为为评价与追踪踪。VR学习习环境部分全全部依赖其余余四部分，剰剰余四部分按按图3-1中中层次关系从从顶向下产生生依赖关系，不不可反向为之之。各部分职职责及业务描描化如下:1.资源分类：提供整个系系统的资源分分类信息，首首先需要构架架一颗完整全全面的学科分分类树，可以以和现有的网网络课程资源源（川师4AA网课）对接接。资源分类类业务为VRR内容

40、建设及及学习者行为为提供基础数数据设计范式式、也是学习习者行为设计计、VR学习习环境构建的的重要依据。例例如对于职业业教育中的操操作技能训练练，则需要构构建高保真的的现场工作环环境，并采用用数据手套交交互模式塑造造学习者行为为，从而达到到良好的训练练效果；而对对于化学仿真真实验，只需需采用非沉浸浸式的桌面环环境外加参数数变量，学生生通过相关配配置和调整达达成教学目标标。在分类业业务的功能设设计上须有可可自动扩展的的程序设计及及实现；重点点功能需满足足节点管理、节节点关键字管管理功能需要要。系统需支支持简单的权权限控制、用用户管理功能能便于安排操操作人员分节节点维护。资源分类如图33-1-2所所

41、示：（图3-1-22）2.内容建设：此部分为VVR学习环境境提供所需推推荐电子资源源的预处理功功能。在当前前VR硬件发发展迅猛而配配套教育资源源不足的情况况下，该系统统采用UGCC（Userr Geneeratedd Conttent指用用户原创内容容）设计理念念，每个教育育工作者都可可以参与建设设并完善VRR课程资源库库。内容建设设以抽象化的的 3D 场场景表示为核核心，采用面面向协同的可可视操纵架构构，集成了模模型、场景、人人员、配置的的管理和协作作模块，形成成了完整并具具有通用性的的解决方案。需需要支持3DD模型、材质质、纹理、sshaderr程序、骨骼骼动画及文档档资料、语音音、视频等

42、非非关系型数据据，对非关系系型数据需要要做摘要处理理转化为类关关系型数据，尤尤其对语音及及视频需要从从中摘出关键键信息形成连连接关系并依依据分类树进进行学科、课课程分类，按按统一规划打打造VR教学学内容生态圈圈。3.使用者（学学生）行为:该业务部分分采用先进的的人机交互手手段达成教学学目标。学生生通过与信息息环境的自主主交互行为获获取知识、技技能。为了匹匹配不同的交交互硬件，系系统根据不同同的课程类型型与教学目标标对学生的交交互行为进行行分类和封装装，形成抽象象交互层及其其接口。4.VR学习环环境:此部分分为系统的核核必功能体现现，结合调用用其他四部分分数据营造最最终自主学习习环境。该业业务部

43、分包含含一个高性能能的图形引擎擎，能够快速速响应外围交交互硬件的追追踪数据（如如高速头部追追踪、眼动仪仪数据等）5.追踪与评价价: 传统的的教学评价大大都是由老师师批改学生的的作业和考卷卷，或凭主观观印象给出成成绩，这种评评价方式存在在着一定的弊弊端。随着教教学信息化改改革的推进和和计算机的普普及，在虚拟拟环境下进行行教学评价已已成为可能。教教师可以对每每一位学生进进行学习记录录的全程跟踪踪，包括查看看学生的学习习报告，访问问课程的次数数、学生参与与某个教学模模块的情况。在评价内容上从课程内容学习、参与互动交流、考试与作品和课外资源学习四个方面进行了细分和聚类，构建了基于虚拟现实环境的个性化学

44、习评价模型。在评价结果上，依据柯氏四级评估模式和布鲁姆教学目标分类理论设计了基于教育大数据的个性化评价层次塔，该层次塔包括学习成效、概念转变、学习迁移和学习力四个层级。最后，结合教育大数据、教育云服务、个性化评价模型和评价层次塔，设计了个性化学习评价系统模型，包括信息采集模模块、数据分分析与处理模模块、个性化化评价模块和和可视化反馈馈模块，并通通过云管理层层实现对教育育云服务平台台、云存储池池和云集群计计算平台的调调控和管理，以以期为后面开开展个性化评评价系统的设设计与开发提提供有益的指指导。通过追踪与评价价获取课程教教学大数据并并持续改进VVR教学系统统，VR教育育大数据将成成为推动教育育变

45、革的创新新战略资产。(二) 应用架架构在充分分析VRR教育解决方方案功能需求求与业务逻辑辑的基础上，遵遵循逻辑结构构中定义各子子系统功能及及实现方式，按按照分层设计计原则，明确确系统功能设设计及应用总总体架构如图图3-2-1所示。（图3-2）（图3-2-11总体应用架构）其中基础服务层层为上层应用用提供数据库库服务、会话话管理、协同同支持、异常常处理等服务务。教学资源源管理层是一一个面向协同同的、采用多多人众包模式式的资源共享享平台，主要要面向教师或或者课程开发发人员，实现现各学科知识识点向虚拟现现实情境迁移移，从而为优优质VR教学学内容的创作作、分发、迭迭代更新提供供技术保障。面面向协同的V

46、VR建模平台台，包括VRR场景的生成成、课程知识识场景映射射、场景协同同交互、用户户权限控制、语语义支持等多多个功能模块块和可配置模模块。VR教教学应用层主主要面向学习习者，为学习习者的学习活活动提供虚拟拟现实环境支支撑，该部分分集成自然的的人机交互技技术和高性能能图形渲染引引擎，是整个个系统的核心心部分。在学学习活动进行行的同时，每每个学习者的的学习行为轨轨迹将被全面面追踪记录形形成结构化数数据。(三) 数据架架构VR教育解决方方案是一个基基于数据驱动动、多用户数数据共享、实实时数据生成成的全新环境境。在满足总总体设计目标标和应用架构构设计的前提提下,设计总总体数据架构构如图3-33所示:（

47、图3-3）数数据架构1. VR场景景数据库。在在完成知识点点向VR场景景的映射后，需需要一个专门门的场景数据据库。场景数数据库包含场场景信息、语语义信息 概概念结构信息息与版本信息息。其中，场场景信息需要要详细记录场场景ID、场场景名称、场场景描述、场场景类型和场场景创建者信信息。2. 学科分类类树内容库。对对于主要供学学科分类树应应用使用，属属于外来资源源的重要存储储库，同时也也是学科分类类树自动增长长操作的重要要数据落地点点，它提供VVR教育内容容生态系统的的土壤。3. 用户信息息库。存储用用户和用户专专属的、个性性化课程信息息。用户信息息与虚拟现实实环境的中的的虚拟人物角角色（化身）对对

48、应，同时也也为VR教育育资源管理应应用提供用户户、权限及各各种关系数据据。主要利用用MongooDB的水平平扩展能力满满足分类树存存储量大的需需求。4.记录追踪库库,通过MoongoDBB存储学习者者的整个学习习流程，为学学习效果评价价、教学内容容更新乃至教教育决策支持持提供依据。5.配置信息库库。记录日志志、软硬件配配置信息，确确保系统平稳稳运行。在系系统发生错误误时可以实时时回滚策略；在硬件配置置发生改变时时可以自动调调整，通过优优雅降级或者者渐进增强的的方式给用户户带来最佳体体验。(四) 技术架架构VR教育解决方方案选用Unnity3DD虚拟现实图图形引擎并结结合源生weeb3D以及及H

49、TML55技术，根据据本身的业务务情况做适当当的创新，其其总体技术架架构如图3-4-1所示:（图3-4-11技术结构）总体上采用分层层架构的思想想,将系统划划分为三个层层次:数据层层、业务逻辑辑层和表现层层；每个层之之间采取上层层能依赖下层层而下层不能能反向调用上上层的策略。数据层采用moongoDBB数据库，mmongoDDB文档结构构的存储方式式非常适合存存储不同类型型的VR教学学资源，并帮帮助用户更便便捷的获取数数据。monngoDB可可以直接和上上层的nodde服务器通通信，或者通通过JDBCC Drivver与Unnity3DD通信。在业务逻辑层分分别采取桌面面程序和weeb应用的部

50、部署方式，采采用开放的自自然人机交互互驱动模块（OOpenNII）适配种类类繁多且日益益发展的外围围硬件设备。针针对桌面程序序选用uniity3D作作为图形引擎擎。VR教育内容开开发中，Unnity3DD具有以下优优势：1. Unityy3D开发平平台主要是MMonoDeevelopp，这个平台台可以嵌套多多种编程语言言，其中jss和c#是最最常用的两种种，而js语语言容易入门门，这使得教教师更容易学学习、参与到到VR教育内内容开发中来来。2. Unityy3D几乎支支持所有的跨跨平台设计，是是目前唯一一一款可以提供供所有平台植植入能力的三三维仿真开发发软件，实现现了手机平台台开发3D游游戏和

51、 HYPERLINK /cpro/ui/uijs.php?adclass=0&app_id=0&c=news&cf=1001&ch=0&di=128&fv=18&is_app=0&jk=40aed2b6eed85178&k=%D0%E9%C4%E2%CF%D6%CA%B5&k0=%D0%E9%C4%E2%CF%D6%CA%B5&kdi0=0&luki=6&mcpm=0&n=10&p=baidu&q=52066088_cpr&rb=0&rs=1&seller_id=1&sid=7851d8eeb6d2ae40&ssp2=1&stid=9&t=tpclicked3_hc&td=1847666&tu

52、=u1847666&u=http%3A%2F%2Fwww%2Exzbu%2Ecom%2F1%2Fview%2D5285019%2Ehtm&urlid=0 虚拟现现实系统，支支持flassh输入格式式，对于移动动学习的移动动平台建立具具有重要的启启示和意义。3. Unityy3D能够创创造高质量的的3D仿真系系统和真实视视觉效果，对对DirecctX和OppenGL具具有高度优化化的图形渲染染管道，低端端硬件也可以以流畅运行茂茂盛的作物、植植被景观和实实时三维图形形混合音频流流和视频流，使得教育资资源得到更好好的呈现、知知识内容具有有更好的交互互性和吸引力力。4. Unityy3D能够支支持更大

53、的场场景、更多的的展示物件以以及更炫的展展示效果，仅仅占用很小的的空间，这些些特性教学内内容得到更好好的应用和普普及。在web端可以以WebGLL+Threeejs三维维引擎实现虚虚拟现实场景景渲染。作为为一种替代方方案可以直接接通过uniity3D的的web发布布功能，但是是此种做法需需要用户浏览览器安装插件件，不符合互互联网的以及及web发展展方向故不建建议采用。四、 该项目的的技术创新点点(一)技术创新新点1. 面向协同同的虚拟现实实教学内容生生产方式。对对于一般性的的数字化教学学资源，其中中大部分都是是由一线教育育工作者生产产的，与之对对应的是虚拟拟现实资源大大部分是由专专业软件开发发

54、团队生产的的，这与虚拟拟现实内容制制作难度较高高有关，这种种情况带来的的结果是：生生产人员不足足造成的内容容匮乏；生产产人员缺乏教教育背景以致致内容水平较较低、实用性性较差，现有有VR教学资资源基本停留留在情境体验验式学习阶段段，对于复杂杂的认知与逻逻辑重建类型型的学习罕有有涉及。本系系统提出一种种具有普遍通通用性的协同同 3D 建建模框架，通通过统一的课课程知识树和和通用的虚拟拟现实场景模模型库降低VVR内容制作作难度，将普普通教育工作作者纳入到虚虚拟现实教学学内容生产环环境。系统以以 B/S 架构为基础础，以协同 3D 概念念化场景为核核心，辅以协协同环境中的的模型与场景景管理与智能能提示

55、，使通通用性的 33D 协同平平台的搭建成成为可能。整整体框架自上上而下包含基基于网页的 3D 展示示与操作平台台，3D 场场景概念化与与批处理中心心，后台支持持服务器，系系统储存层等等。2. 数据驱动动。现有的互互动教学资源源大部分成碎碎片状态，缺缺乏统一调度度和管理，更更缺乏以数据据作为驱动的的设计思想和和实践。VRR教育解决方方案创新性提提出构建一个个基于数据驱驱动、多用户户数据共享、实实时数据生成成的全新环境境，数据贯穿穿整个学习活活动之中。3. 抽象的用用户交互层。针针对虚拟现实实硬件尤其是是交互设备种种类多、配置置差异大、更更新换代快的的情况，该解解决方案设计计一个抽象的的用户交互

56、层层，提供统一一的接口适配配不同的硬件件设备，在硬硬件配置达不不到系统要求求时可自适应应降级处理，在在牺牲部分用用户体验的情情况下不缺失失基本的教学学功能。(二) 该项目目的主要技术术难点：虚拟场景合成与与冲突处理在协同虚拟环境境建模过程中中，实际三维维场景与概念念场景之间将将相互转换，多多个用户创造造的多个概念念场景会完成成合成。转换换和合成的过过程需要有设设计合理的逻逻辑算法和实实现。而这其其中最为重要要的就是场景景组合技术。因因为概念化场场景合成算法法主要是指在在本协同架构构服务器端，当当获取了多个个用户的操作作批处理和版版本信息之后后，如何通过过逻辑算法形形成合理而无无冲突的合成成场景

57、，并推推送给用户。因此，我们将此此算法描述如如下1. 比较所有有用户的版本本 V1、,V2 Vn是否与 Vc相同，若不不同，相应用用户 k 的的操作批处理理 Sk和版本 VVk进入冲突列列表 L 等等待进一步的的处理。 2. 以模型 ID 为分分类标志，对对所用用户的的操作批处理理 S 进行行划分。 3. For each （模型 ID），若若对应的操作作集合可以合合并，则合并并成新的操作作批处理S1, S2 Sn，否则加入入冲突列表 L 等待进进一步的处理理。 4. 对新加入入模型或删除除模型操作进进行单独处理理。 5. 对当前概概念化 Vcc应用操作 S1, S2Sn，形成新概概念化场景

58、Vnew。 6. 对 Vnnew进行语语义冲突及几几何冲突检查查，若有冲突突则加入冲突突列表 L 等待进一步步处理。 7. 将无异议议 Vneww推送给用户户，进行用户户端的组装操操作。从上面的场景合合成算法分析析中可以看出出，目前系统统在合成过程程中，会进行行多个阶段，而而每个阶段都都有可能会产产生冲突，这这些冲突将被被加入冲突列列表中等待冲冲突处理步骤骤进行进一步步的处理。这这些冲突可简简要分为指版版本冲突、不不可合并冲突突以及语义及及几何冲突。他他们以递进的的方式表示了了为了维护协协同环境中数数据一致性所所需要解决的的问题。 版本冲突是最低低层的冲突类类型。因为如如果场景的版版本不同就会

59、会使用户的操操作对象完全全相异，这使使得一切用户户的操作都不不再有意义，因因此必须保证证用户操作的的场景版本是是一致的，版版本冲突必须须最先被处理理。再高一层层的冲突是不不可合并冲突突，一般是指指在同一场景景中，不同用用户对于同一一模型的操作作，这两种操操作相互排斥斥，因此必须须有某种方式式来选择合成成的结果。最最高一层的冲冲突是语义及及几何冲突，代代表了在空间间意义上和语语义层面上模模型之间的不不合理，需要要解决协同过过程中用户操操作和场景数数据的合理性性。本解决方方案通过基于于用户优先级级的选择、管管理员仲裁与与提示回滚技技术（Rolll bacck）解决虚虚拟场景合成成与冲突问题题。五、

60、 现有工作作基础和条件件（一）开发人员员配置情况姓 名性别文化程度专业工作单位职 称组内具体分工李奇男硕士计算机技术川师大高工系统设计刘云安男硕士计算机技术川师大讲师系统开发陈迹浪男硕士三维设计川师大讲师建模。（二）技术支持持可视化计算与虚虚拟现实计算算机图形图像像研究中心，可提供本系系统开发关联联的算法与交交互关联的二次开开发，若需要要。（三）设备设施施配置配套建设：“可可视化计算与与虚拟现实四四川省重点实实验室虚拟现现实沉浸技术术实验室”。详见附件-虚虚拟现实沉浸浸技术实验室室建设（四）资金保证证情况：本系系统开发启动动期投入开发发费20万元元。六、 申请基础础条件（包括括主要研究成成果）