三维虚拟现实技术在教育领域的应用__辛亥革命严肃游

湖北美术学院硕士学位论文三维虚拟现实技术在教育领域的应用——辛亥革命严肃游戏的制作姓名：吕雪申请学位级别：硕士专业：科技图像研究指导教师：许奋;郭召明20100501湖北美术学院硕士学位论文I摘要虚拟现实是推进教育发展的新的趋势。当前，国外许多高校、科研单位、公司技术力量都对三维数码和虚拟现实技术应用方面展开了广泛而细致的研究并取得了一系列的成果。国内也对虚拟现实技术应用于教育行业展开的深入的研究。在辛亥革命一百周年之际，在海峡全球华人即将共同庆祝的时刻，本研究从再现和深入体会这次革命的意义入手，进一步深入的探讨严肃游戏在历史教育上的应用意义。关键词：辛亥革命数字艺术虚拟现实技术Maya湖北美术学院硕士学位论文IIAbstractVirtualrealityisthenewtrendtopromotetheeducationaldevelopment.Atpresent，notonlymanyforeignuniversities，researchinstitutesandtechnicalforcesofthethree-dimensionaldigitalandvirtualrealitytechnologyapplicationscarriedoutextensiveanddetailedresearchbutalsoourChinaachievedaseriesofresults.Inthe100anniversaryofthe1911RevolutioninChina，inthebothsidesofthestraitandworldwideChinesewillcelebratethemoment，thisstudystartfromthesignificanceofthisrevolution.Discussingthepossibilityoffurtherresearchandeducationinthefieldofseriousgamesofhistoryontheapplicationofmeaning.Keywords：1911RevolutionArtofdigitalVirtualrealityMaya独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）：2010年5月15日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北美术学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2010年5月15日日期：2010年5月15日湖北美术学院硕士学位论文1引言第一节关于研究的对象1.三维数码技术三维数码技术在当今时代发挥着不可估量的重要作用，它的发展，预示着一个社会科技力量的发展，其广泛运用于整个社会的方方面面。就三维动画软件发展而言，从早期的TDI、Softimage、3DSTUDIO一直到今天功能非常强大的MAYA/3DSMAx等等，这些三维数码软件给三维动画的制作提供了极大的技术支持。同时，三维扫描、表演动画捕捉等三维动画设备的出现，在技术层面上对三维动画技术的发展做出了更进一步的提高和飞跃。2.虚拟现实技术虚拟现实(virtualReality，简称VR)或称虚拟环境(VirtualEnvironment，简称VE)技术是二十世纪末发展起来的，建立于计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术以及传感器技术基础上发展起来的一门交叉技术。它使用计算机生成相关的虚拟环境，并通过各种传感设备使用户模拟进入到环境中去。它突破了传统图形、图像技术表现事物的局限性，使人们不仅可以将任何梦想中的环境模拟成为实现，并且可以在其中以完全正常与现实一样的行为与虚拟现实进行交流。虚拟现实又被称为幻境或灵境技术。其作为21世纪信息技术的代表，有着广泛的应用领域，如场景漫游、城市规划、科学技术模拟再现、飞行训练、医疗培训、模拟驾驶、虚拟实验及其它领域。3.辛亥革命辛亥革命爆发于1911年的武昌城，在随后数十年以来，这次革命打开了中国人民追求民主，文明的艰难大门。完成了反封建，反帝的序幕，由此续延至1949年共和国成立。其历史意义重大。2011年将是辛亥革命爆发100周年纪念，亦将进行举国欢庆的庆祝活动。辛亥革命100周年，是两岸提升政治互信的契机；纪念活动如能上升到国共两党层面，对于推动两岸关系的和平发展意义重大。最重要的湖北美术学院硕士学位论文2是让年轻人记住这方面的历史。两岸同属一个国家，同一个文化背景，借助这个平台加强两岸交流是很必要的。第二节研究意义1.三维数码和虚拟现实技术的异同点三维数码和虚拟现实技术都是主要用于模拟和再现现实或者虚拟世界的。三维数码技术主要用于影视动画，影视后期特效和游戏模型的制作，数年来的特效技术以及游戏的震撼画面不断升级，带给了人们无与伦比的神奇娱乐体验，而这些都是在过去根本都无法想象的，所以它自然也就成为了影视和游戏制作的不二选择。而虚拟现实技术，主要运用于带有互动性的虚拟环境体验，比如虚拟城市，虚拟仪器操作，虚拟实验室等等。这些区别于三维数码技术的一大本质特点就是互动性。三维数码的影像是按固定模式发生的，观众只能观看，而不能对其后果产生操作或者影像，它是按照既定的路线和结局在发展。而虚拟现实技术是带有参与者的操作和互动的，结果是可变的，但同时也是可预计的。它可以按照使用者的意愿来产生变化，这样就大大增加了使用者的沉浸感和真实感也同时增加了程序设计的难度。2.三维图像和虚拟现实应用结合计算机软硬件的更新换代和飞速发展，造就了三维数码和虚拟现实技术的不断飞跃，同时也促进了三维数码和虚拟现实技术的各种结合应用。其中，三维数码和虚拟现实技术在教育领域的结合应用，就是一次大胆的创新尝试，将严肃的教育和偏重娱乐的三维动画技术完美结合，让使用者得到全新的学习体验和完整的学习效果。随着时代的发展和科技的日新月异，三维数码和虚拟现实技术，在现代社会的各行业领域都占据着越来越重要的地位。二维动画，三维动画，建筑漫游展示，从伊拉克血腥战场的真实再现到东南亚大海啸灾难的全景动画剖析，虚拟机器人，虚拟社会等，无一不展示着三维数码和虚拟现实技术的强大和实用。相信在不久的将来，美国科幻电影《真人游戏》里面的真实角色虚拟场景的社会生活，将不仅仅出湖北美术学院硕士学位论文3现在科幻片里了。也正因为如此，三维数码和虚拟现实技术的研究，必定会成为未来电子行业研究的热点，也会与生活产生越来越紧密的联系。比如说，学生要上英语课，只需要坐在电脑前面，戴上耳麦，即可走入英国，在老师的带领下，与英国人交流，学习，学会纯正的发音，同时也克服了现代英语教学不敢开口的窘境；再比如，想要参观艺术展了，只需要打开计算机，全世界各地的艺术馆都可以任您欣赏，轻轻点击鼠标，可以得到艺术品的详细信息，名字，作者，创造灵感，售价等等；还有开汽车产品发布会的时候，不需要将所有的车辆搬入现场，只需要戴上相关的设备，即可体验各种车型的驾驶感受以及外观体验等等。这样子大大加速了时代的发展，节省了时间和各种资源，也彻底打破了时间与空间的限制。第三节本文的研究角度受现实条件所限，笔者不能远赴国外作实地考察，未能亲眼探索国外虚拟现实技术和三维数码方面结合应用的研究策划过程和整体制作过程。只能就着有限的英文水平，尽量收集、整理各类资料中的相关信息。在省内各大图书馆（湖北省图书馆、武汉市图书馆、湖北美术学院图书馆等）查阅图书文献，同时从国内外相关的网站获取资料信息。本文就是在综合分析这些资料的基础上，试图总结三维数码和虚拟现实技术的共通点和各自的特点，然后探讨使之结合应用的可能性及实用性。时值辛亥革命爆发100周年纪念之际，希望可以从辛亥革命这一具有重大历史意义的事件出发，探索研究三维数码和虚拟现实技术在历史教育领域的结合性应用的问题，并且尽力使之实现。鉴于资料和笔者自身水平有限，所做论述难免会有不足。仅希望以此为契机，抛砖引玉，使得三维数码和虚拟现实技术之间的联系应用得到大家的重视，今后可以进行更多方位多层次的研究，应用到社会生活的各个方面。湖北美术学院硕士学位论文4三维虚拟现实技术在教育领域的应用——辛亥革命严肃游戏的制作第一章三维数码和虚拟现实技术概述第一节虚拟现实的含义、特征及国内外研究现状1.含义：虚拟现实（virtualreality）主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境（virtualenvironment），用户借助必要的设备，以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响，从而产生身临其境的感受和体验。2.虚拟现实系统特征著名研究学者GrigoreBurdea和PhilippeCoiffet在著作“virtualReality——Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，即人们称道的“31”特性:交互性(Interactivity)、沉浸感(IllusionofImmersion)和构想性(Imagination)。（1）交互性(Interactivity)交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。虚拟现实的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言及身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放的环境，它可以对用户的输入(如手势，语言命令)做出响应。例如用户可以用手去直接抓取和移动模拟环境中的物体，不仅有抓东西的感觉，还能感到物体的重量:用户可以像现实中一样拿起一湖北美术学院硕士学位论文5把虚拟的火炬，并在虚拟环境中打开开关点燃它等等。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互方式。（2）沉浸感((IllusionofImmersion)沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征，它是指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。虚拟现实是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑”人类感知的虚幻世界，导致用户产生了类似于现实世界的存在意识或幻觉。人们不仅可以通过视觉和听觉，还可以通过嗅觉和触觉多维地感受到虚拟世界中所发生的一切，它们看上去是真的、听起来是真的、动起来也是真的。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。这种感觉是如此的逼真，以至于人们能全方位地沉浸其中。当然，这也正是虚拟现实技术追求的终极目标:力图使用户全身心地投入到计算机所创建的三维虚拟环境中，成为虚拟环境中的一个部分，处于身临其境的感觉状态，而不仅仅是旁观者。（3）构想性(Imagination)构想性是指借助虚拟现实技术，使抽象概念具像化的程度。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，比如在建造一座现代化的大厦之前，要对其结构做细致的构思。然而许多量化的设计图纸的读者只能是极少数的内行人，而虚拟现实则可以用别样方式同样反映出设计者的构思，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动和强大得多。所以某些国外学者称虚拟现实为放大人们心灵的工具，或人工现实(ArtificialReal