虚拟增强现实技术 教学大纲

PAGEPAGE7《虚拟/增强现实技术》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称虚拟/增强现实技术课程编号课程性质选修课课程类别专业课开课单位机电工程学院授课学期第六学期学分/学时2/32课内学时32理论授课28上机学时0课内实践0实验学时4课外学时40适用专业智能制造工程是否双语否先修课程工程编程基础、Python编程与工程实践后续课程智能运维与健康管理、智能装备故障诊断二、课程简介《虚拟/增强现实技术》是智能制造工程专业重要的专业选修课之一。虚拟现实（VirtualReality,VR）和增强现实（AugmentedReality,AR）是近年来技术领域的热点话题，这两种技术通过创造沉浸式的虚拟环境或在现实世界中叠加虚拟信息，为用户带来沉浸式的体验。虚拟/增强现实技术在游戏、教育、智能制造和数字孪生领域扮演着不可或缺的角色。本课程系统地讲解虚拟现实、增强现实相关理论，并关注领域前沿进展，通过图像虚拟环境漫游技术、3D立体影响技术、三维输入输出与成像技术、Unity引擎等核心内容的学习，使学生具有将此技术应用于数字孪生和智能制造中，更好的为智能工厂的生产和设备运维提供支撑。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标通过本课程的学习，使学生达到以下目标：课程目标1（知识目标）：了解虚拟/增强现实的发展及分类；了解基于图像和是三维建模的虚拟环境漫游技术；了解3D立体影像的原理，了解三维输入输出与呈现技术。课程目标2（能力目标）：掌握三维游戏引擎Unity的基本操作方法，实现人机交互。课程目标3（素质目标）：通过课程教学，培养学生追求真理的理想和献身科学的精神，树立学生现代科学的自然观、宇宙观和辩证唯物主义世界观。通过了解虚拟/增强现实技术在各个领域的应用案例，激发学生的家国情怀、求知热情、探索和创新精神，使学生善于思考，勇于实践。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标1指标点5：使用现代工具5-1能够合理选择与使用解决复杂智能制造工程问题所需的多种仪器设备、信息资源、现代工程工具和信息技术工具课程目标2指标点5：使用现代工具5.2能够开发或应用满足特定需求的现代工具，对智能制造工程领域复杂工程问题进行模拟与预测，并能够理解其局限性课程目标3指标点3：设计/开发解决方案3-3能够设计满足特定需求的智能制造系统、零部件或制造工艺，并体现创新意识四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容第一单元虚拟现实基础（学时数：6学时）1.课程主要内容虚拟现实是可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用了多种学科技术来实现用户与计算机交互的一种方式，还可以根据不同的需求和应用场景划分为桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。本章主要讲授虚拟现实的含义及其发展简史，以及虚拟现实的分类。2.重点和难点（1）重点：虚拟现实的含义；虚拟现实的发展简史；虚拟现实的分类。（2）难点：虚拟现实的含义；虚拟现实的发展简史；虚拟现实的分类。3.教学方法（1）采用“讲授+思政案例”的方式，使学生掌握虚拟现实的基本概念，以及发展简史和分类，激发学生的探索精神。（2）采用“讲授+案例教学”的方式，引入虚拟/增强现实在各个行业的应用，帮助同学更直观的理解虚拟/增强现实技术。4.学生学习预期成果（1）掌握虚拟现实的含义，虚拟现实的发展简史，虚拟现实的分类。（2）具备探究虚拟/增强现实应用场景的能力。5.支撑课程目标通过本单元的学习，使同学们掌握虚拟现实的含义，虚拟现实的发展简史，虚拟现实的分类。结合思政元素的引入，对课程目标1、3起到了支撑作用，并为后续章节的学习奠定了理论基础。第二单元基于图像的虚拟漫游技术（学时数：6学时）1.课程主要内容传统的虚拟/现实系统一般要使用到数据手套、数据服装、头盔显示器和超高速计算机等专用设备。这样建立的虚拟现实环境耗资巨大，难以普及。将不同方位的实景图像按照相互关系有机地连接起来，就可以形成一个低耗费、高性能的虚拟环境。本章主要介绍基于图像的虚拟漫游技术，包括全景拼接技术、全景秒拍与全景视频、全景逆向应用等内容。2.重点和难点（1）重点：全景的概念和发展；全景拍摄和拼接技术；全景逆向应用。（2）难点：基于照片的全景建模；全景VR与建模场景的融合。3.教学方法（1）采用“讲授+多媒体视频”的方式，使学生理解全景的概念和发展。（2）采用“讲授+案例教学”的方式，使学生了解全景拍摄和拼接技术、全景逆向应用、基于照片的全景建模以及全景VR与建模场景的融合。4.学生学习预期成果（1）了解全景的概念和发展、全景拍摄和拼接技术和全景逆向应用。（2）理解基于照片的全景建模，全景VR与建模场景的融合。5.支撑课程目标通过本单元的学习，使同学们了解全景的概念和发展、全景拍摄和拼接技术和全景逆向应用，对课程目标1起到了支撑作用。第三单元基于三维建模的虚拟漫游（学时数：4学时）1.课程主要内容基于图像的虚拟现实技术具有高度的真实感，但却不能真正地在三维场景中漫游，而基于三维建模的虚拟现实技术则可以实现真正的虚拟漫游。其思路为制作一个矢量化的3D模板，开发一个实时渲染引擎并显示具有交互性的3D图形或动画。本章主要介绍几种基于建模的虚拟实景开发系统。2.重点和难点（1）重点：主要的建模软件和方法；基于VRML/X3D的场景虚拟漫游技术；基于Virtools的虚拟环境漫游技术。（2）难点：VRML建模语法；Virtools软件的入门操作。3.教学方法（1）采用“讲授+视频动画”的方式，使同学们入门三维建模软件。（2）采用“讲授+案例教学”的方式，使同学们掌握软件的使用方法。4.学生学习预期成果（1）了解主要的建模软件和方法、基于VRML/X3D的场景虚拟漫游技术和基于Virtools的虚拟环境漫游技术。（2）理解VRML建模语法，入门Virtools软件。5.支撑课程目标本单元课程内容对课程目标1起到支撑作用。第四单元基于Web的虚拟现实技术（学时数：4学时）1.课程主要内容WebVR是网页能为虚拟现实设备的渲染提供支持的API，支持头戴式设备与Webapp的连接。它能让开发者将位置和动作信息转换成3D场景中的运动。基于这项技术能产生很多有趣的应用，比如虚拟的产品展示，可交互的培训课程，以及超强沉浸感的第一人称游戏。本章主要介绍基于Flash3D、HTML5和WebGL实现虚拟现实技术。2.重点和难点（1）重点：什么是Flash3D及其发展历史；Flash平台的3D引擎。（2）难点：Flash3D与ActionScript脚本语言。3.教学方法（1）采用“讲授+视频动画”的方式，使同学们了解Flash3D的发展史和主要的Flash平台的3D引擎。（2）采用“讲授+案例教学”的方式，使同学们理解ActionScript脚本语言。4.学生学习预期成果（1）了解Flash3D及其发展历史；Flash平台的3D引擎。（2）难点：Flash3D与ActionScript脚本语言。5.支撑课程目标对课程目标1起到支撑作用。第五单元三维交互式应用设计（学时数：3学时）1.课程主要内容Unity3D是一款易操作的全面整合的游戏引擎，它是UnityTechnologies开发的，用户可以用它轻松地制作游戏。除了易于操作，跨平台也是它的一项重要特征，可将游戏发布到Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平台。本章主要介绍使用Unity3D实现虚拟现实技术。2.重点和难点（1）重点：Unity3D操作基础；（2）难点：Unity3D基本指令；Unity3D场景搭建；用Unity3D实现简易3D射击游戏。3.教学方法（1）采用“讲授+案例教学”的方式，使同学们掌握Unity3D的使用方法。4.学生学习预期成果（1）掌握Unity3D的操作基础。（2）具备制作一个简易游戏的能力。5.支撑课程目标通过本单元的学习，使同学们掌握Unity3D的操作基础，具备将其应用到虚拟现实制作中的能力，对课程目标2起到支撑作用。（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例第一单元虚拟现实基础讲授法、思政案例、案例教学课程目标1、341.5第二单元基于图像的虚拟漫游技术讲授法、多媒体视频、案例教学课程目标141.5第三单元基于三维建模的虚拟漫游讲授法、视频动画、案例教学课程目标161.3第四单元基于Web的虚拟现实技术讲授法、视频动画、案例教学课程目标161.3第五单元三维交互式应用设计讲授法、案例教学、汇报讨论课程目标2、3121合计321.25五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩40%作业（百分制）40本门课程5次作业，主要考核各章节教学重点和难点内容，作业评分的具体标准为提交时效性和准确率；目标分值=0.4*作业平均成绩*时效系数；其中，时效系数=（1-延迟提交作业天数*0.1），时效系数最低值为0.5。课堂表现（百分制）60参与课堂互动、投票、问答、讨论等课程活动获得相应分数，主要考核学生对基础知识的掌握程度和课堂听课状态。作品展示60%知识40分组进行Unity3D制作游戏作品展示和汇报，由教师和其他组学生共同打分确定成绩。能力30综合应用20创新10（二）课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标第一单元虚拟现实基础1-1虚拟现实的含义1-2虚拟现实的发展简史1-3虚拟现实的分类作业课程目标1、3第二单元基于图像的虚拟漫游技术2-1基于照片的全景建模作业课程目标1第三单元基于三维建模的虚拟漫游3-1基于Virtools的虚拟环境漫游技术作业课程目标1第四单元基于Web的虚拟现实技术4-1什么是Flash3D及其发展历史4-2Flash平台的3D引擎作业课程目标1第五单元三维交互式应用设计5-1掌握Unity3D的操作基础5-2制作一个简易游戏作品展示课程目标2、3六、使用教材、相关推荐书目及课程资源（一）使用教材张燕翔主编：《虚拟/现实增强技术及其应用》，中国科学技术大学出版社，2017年版；（二）相关推荐书目1.赵