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虚拟现实和网络技术已经极大地改变人类生活和工作方式。虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是二十世纪末才兴起的一门综合性信息技术,其本质是运用计算机对现实世界或者虚构世界进行全面的仿真,生成一个融合三维视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的感觉世界,用户借助一些三维设备和传感设备来完成头部转动、手势等人的自然技能与这个环境的交互操作,使其仿佛置身于电脑所建立的仿真世界中。网络使人们可以随时随地地进行信息访问,彼此之间的距离也被大大拉近。
多人在线虚拟场景又称协同虚拟环境(Collaborative Virtual Environment),分布式虚拟环境(Distributed Virtual Environments,简称DVE或DVR)等,是虚拟现实与网络技术相结合的产物。其目标是为用户提供一个具有真实感和空间感的共享虚拟空间,以便人类可以在其中更加自然、协调地与他人进行交互和协同工作。在该虚拟空间中,处于不同地理位置的人们可以通过网络进入仿真的虚拟世界,与任何人进行逼真的会面与交流。多人在线虚拟场景代表了下一代计算机网络应用的发展方向。
当前,网络教育中由于所采用的资源多是传统的基于Web的文本、图像或者视频信息,形式单一,交互性弱,趣味性低而无法满足广大青少年对对沉浸性、交互性和多感知性的需要,难以吸引广大青少年的参与。
在此背景下,本文在总结和借鉴国内外有关协同虚拟环境已有研究成果和应用系统设计的基础上,针对网络教育中存在的问题,开展多人在线虚拟学习场景的研究工作,提出建立一个三维的多人在线虚拟学习社区的构想,将其应用在网络科研平台和网络科普教育等方面,将有助于更好的开展教育和科研工作。
本文首先对多人在线虚拟场景进行了概述,结合多人在线虚拟场景的基本定义,场景的特点,给出了多人在线虚拟场景的需求说明,基本运行方式和多人在线虚拟学习社区的总体设计。
又由于虚拟学习社区中学习形式多种多样,将其分为探险类学习、益智类学习、语言类学习三大类,其中学习场景构建的流程基本类似。本文针对其中的语言类学习,模拟现实世界中室外英语角学习方式,提出建立一个虚拟户外讨论学习交流场景。针对该虚拟学习场景的需求,给出了该虚拟学习场景的总体设计思路,深入研究其中所涉及到的关键技术如三维虚拟建模技术、虚拟视景生成技术以及虚拟交互控制技术,并且给出具体的虚拟学习场景建模方案和实现方法,具体包括虚拟地形建模、虚拟物体对象建模、虚拟人物替身建模及人物运动路径设计等,并且在MultiGen Creator软件中一一建立该虚拟学习场景所需要的相应模型,然后引入分布式仿真体系结构的概念,重点介绍其中的技术实现核心——高层体系结构(High Level Architecture,HLA),深入研究系统实现的关键技术DeadReckoning(简称DR)算法,给出分布式仿真系统应用程序的运行原理,并且利用QuickLink实现该多人在线虚拟学习交流场景的合成设计。
最后在技术研究和模型设计的基础上,实现一个多人在线虚拟学习交流场景的原型系统。本文采用目前业界广为流行的三维虚拟视景仿真软件MultiGen Vega Prime进行主要视景仿真设置工作,在VS2003+Vega Prime2.0.1环境下调用Vega Prime提供的API接口函数,实现虚拟人物替身模型的动态加载和虚拟人物的行走仿真,进行虚拟学习交流场景的动态渲染,并在QuickLink仿真环境下,对虚拟人物实体和交互类进行设计,并生成该仿真应用的互连接口,配置各仿真结点,启动HLA中的运行时间框架RTI服务,利用仿真互联接口进行通讯,实现了多人在线学习场景合成等工作。