科技項目可行性報告基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育解決方案的研制與開發(fā)

1、科技項目可行性報告項目編號 : K2016001課題名稱 : 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育解決方案的研制與開發(fā)申請單位 : 可視化計算與虛擬現(xiàn)實四川省重點實驗室二 0 一六年二月目錄一、項目提出的目的及意義二、與項目相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展概況及市場需求分析三、主要攻關(guān)內(nèi)容及技術(shù)路線（技術(shù)可行性分析）四、該項目的技術(shù)創(chuàng)新點五、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件六、申請的基礎(chǔ)條件（包括主要研究成果）七、進度安排和實施方案（包括運行機制）八、預(yù)期成果和考核目標九、推廣及應(yīng)用前景 十、經(jīng)費概算及來源一、結(jié)論附件-虛擬現(xiàn)實沉浸技術(shù)實驗室條件建設(shè)需求一、 項目提出的目的及意義互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實和人工智能被喻為改變?nèi)祟愓J知世界的三大信息

2、技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)從少被社會廣泛認知，到今天對社會生活的全面顛覆與滲透不過二十余年。如 今互聯(lián)網(wǎng) +已為國家戰(zhàn)略。 當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)在我們生活中掀起一個又一個駭浪時， 虛擬現(xiàn)實正悄然 從幕后走向前臺。今天虛擬現(xiàn)實正演繹著當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)對人類生活，從無足輕重到全面顛覆 的革命性過程?？萍家蕴摂M現(xiàn)實給人類生活再創(chuàng)造出一次驚喜己為期不遠。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育：“虛擬現(xiàn)實” （Virtual Reality，英文縮寫VR技術(shù)，利用計算機硬件+軟件資源+傳感器的一種集成技術(shù)，構(gòu)成實時三維圖形生成的技術(shù)、仿真技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及 顯示技術(shù)等，生成實時的、具有三維信息的人工虛擬環(huán)境，演練者（操作人員）根據(jù)需要 通過多種交互

3、設(shè)備（如頭盔、數(shù)據(jù)手套和剛性外骨架衣服等）來駕馭該環(huán)境，以及用于操 縱環(huán)境中的對象，如在真實世界中一樣地與該環(huán)境中的人和事物進行行為和思想等的實時 交流，并產(chǎn)生逼真的身臨其境感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不是相關(guān)技術(shù)的簡單組合，而是一種創(chuàng)新 性的綜合，并且在思想方式上有質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教育產(chǎn)生不可估量的作用，主要理由如下：1. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建全新的教育環(huán)境人們普遍認為， 虛擬現(xiàn)實技術(shù)將使 21 世紀的教育發(fā)生質(zhì)的變化。 虛假現(xiàn)實技術(shù)支持下 的教育之所以會發(fā)生質(zhì)的變化，是因為虛擬教育環(huán)境擁有現(xiàn)實教育培訓(xùn)環(huán)境無可比擬的優(yōu) 勢。所謂虛擬教育環(huán)境，是指由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進行虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一

4、類適于進行虛擬教育的人工環(huán)境，它可以是某一現(xiàn)實世界的基礎(chǔ)或設(shè)施的真實實現(xiàn)，也可 以是虛擬構(gòu)想成的世界。 在 21 世紀，可能興辦起依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)的各種新型的學(xué)校教育， 如基礎(chǔ)教育、軍事教育、各類培訓(xùn)教育，許多學(xué)員在虛擬環(huán)境中接受各種教育體驗與訓(xùn)練。 由虛擬現(xiàn)實技術(shù)所支撐的教育系統(tǒng)將使得人員可以在虛擬環(huán)境中方便地取得感性知識和實 際經(jīng)驗。 與現(xiàn)實教育基地或設(shè)施相比， 在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的虛擬教育環(huán)境大致有如下 特征和優(yōu)勢：1.1 仿真性學(xué)生通過虛擬設(shè)施訓(xùn)練，與在現(xiàn)實教學(xué)基地里同樣方便。這是因為虛擬環(huán)境無論對于 現(xiàn)實的環(huán)境或是對于想象的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達到使 受

5、訓(xùn)者難以分辯真假的程度（例如可視場景應(yīng)隨著視點的變化而變化） ，甚至比真的還 “真”（如實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果） 。1.2 開放性虛擬教育環(huán)境有可能給任何受訓(xùn)者在任何地點任何時間里廣泛地提供各種培訓(xùn)的場 所。事實上，虛擬教育環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)中的教育環(huán)境，它具備可以進 行類似于傳統(tǒng)教育項目的環(huán)境，但它的擅長更是那種使學(xué)員置身于項目對象之中的逼真環(huán) 境。凡是受訓(xùn)者可以通過有關(guān)器具操作來學(xué)習(xí)或掌握某種知識與技能的虛擬環(huán)境，都可以 歸之于虛擬教育環(huán)境。1.3 超時空性虛擬教育環(huán)境具有超時空的特點，它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、微觀世 界、宏觀世界、宇觀世界、客觀世界、

6、主觀世界、幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單 獨呈現(xiàn)或進行有機組合，并可隨時隨地提供給受教育者。比如，學(xué)生需要身臨超越現(xiàn)實時 空的環(huán)境（如歷史事件，探索太空） ，那么虛擬教育環(huán)境就可以提供歷史環(huán)境及虛擬太空。1.4 可操作性學(xué)生可通過使用設(shè)備，用人類的自然技能實現(xiàn)對虛擬環(huán)境（無論它模擬的是真實環(huán)境 還是想象環(huán)境）的物體或事件進行操作，就象在現(xiàn)實環(huán)境里一樣。可操作性是虛擬教育環(huán) 境實際運用的必備特性，它使學(xué)生得以在其中學(xué)習(xí)中獲得需要實際知識與技能課程，也使 遠程教育真正實現(xiàn)。1.5 對應(yīng)性教育內(nèi)容與虛擬環(huán)境密切相對應(yīng)的。例如，學(xué)生要學(xué)習(xí)化學(xué)實驗操作，那么虛擬環(huán)境 就是化學(xué)實驗室的模擬環(huán)境。另外，

7、虛擬現(xiàn)實技術(shù)能按每個學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，對應(yīng)性地 開展個別化的教育。2、虛擬教育培訓(xùn)的廣泛性未來社會是一個學(xué)習(xí)化的社會，為了求得自身知識結(jié)構(gòu)和能力體系的完善與發(fā)展，達 到學(xué)會生存并進而實現(xiàn)自我價值的目的，接受終身教育是人們的當(dāng)然選擇。而在終身化教 育體系中，自然包括了各種各樣的教育項目。由于用虛擬環(huán)境代替現(xiàn)實環(huán)境，學(xué)習(xí)和實練 效果更好； 而且利用虛擬環(huán)境進行訓(xùn)練， 也使一些在真實環(huán)境下難以實現(xiàn)的項目成為可能， 因而虛擬現(xiàn)實技術(shù)會給未來教育帶來根本性的改革。由虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的教育方式將 發(fā)揮強大的優(yōu)勢，大顯身手地運用于各方面的教育項目中去。3、虛擬教育的優(yōu)越性作為教育技術(shù)和工具的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的

8、優(yōu)勢，給教育體系帶來了與眾不同的、全新的 教育特點。它不僅僅對于教育場所或設(shè)施的設(shè)計人員和教育業(yè)務(wù)的指導(dǎo)人員提供了實踐其 教育價值的途徑和方式，而且從受教育者的角度來說，它在解決學(xué)習(xí)和實訓(xùn)的困難、提高 學(xué)員汲取知識和掌握技能的效率、 從而改善教育的效果等方面， 也呈現(xiàn)了相當(dāng)有利的特征 這些特征可大致概括為：3.1 臨場性指學(xué)生可以感到自己處于虛擬環(huán)境的體驗，產(chǎn)生一種逼真的存在感，學(xué)員覺得自己真 的存在于某環(huán)境中，是該環(huán)境的一部分，而不是它的旁觀者。學(xué)生可自由地在這環(huán)境中與 有關(guān)的虛擬物體或事件相互作用，如同在現(xiàn)實世界中一樣。臨場性的意義，在于使學(xué)生將 遠程、虛擬認知或感覺如現(xiàn)場與真實中。此外，

9、由于這種臨場性一方面是使學(xué)生進入虛擬 環(huán)境，另一方面是運用交互設(shè)備把學(xué)員的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，使他暫時與真 實環(huán)境隔離，因此不會受到虛擬環(huán)境外的現(xiàn)實環(huán)境的干擾，易于集中學(xué)員的注意力，使他 全身心投入到訓(xùn)練中去。3.2 自主性學(xué)生能自主地選擇或組合虛擬場地或設(shè)施。這樣，學(xué)生能在任何時間、任何地點選擇 學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)設(shè)施、學(xué)習(xí)信息資料、以及取得學(xué)習(xí)結(jié)果的評估，并具有完全的自由度。 此外，對于學(xué)習(xí)后沒掌握的知識與技能過程或片斷，學(xué)生可以自己多次重復(fù)。這樣，學(xué)生 始終處于教育中的主導(dǎo)地位，真正掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，大大增強了學(xué)習(xí)效果，減少了學(xué)習(xí) 時間。3.3 多感受性學(xué)生在虛擬環(huán)境中接受教育時具

10、有多種感知能力，如視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動 覺、味覺等。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)當(dāng)可以讓學(xué)生具有在現(xiàn)實世界中的一切感知能力。多感受 性使學(xué)員得以運用自己所有感知能力，在一個極其生動活潑的環(huán)境里進行實時的、全方位 的學(xué)習(xí)。3.4 功能替代性在虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助下，學(xué)生在虛擬環(huán)境中還可以用一種感知能力代替另一種感知能 力來進行操縱環(huán)境、汲取信息或交流。這樣，殘疾人能通過自己的形體動作與他人進行交 談（如殘疾人戴上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢翻譯成講話的聲音） ，或通過聲音來操作 器械，等等。這種感知功能替代性使殘疾學(xué)生可以接受過去自己無法做的項目。3.5 交互性學(xué)生可以采用多種交互手段如語言、手勢、數(shù)據(jù)

11、手套及觸覺等，與虛擬環(huán)境交流信息， 并得到實時反饋。這種特性使學(xué)員與物體、學(xué)員與事件、學(xué)員與其他人（如指導(dǎo)人員、別 的學(xué)員）之間的雙向?qū)崟r反饋，在遠程狀態(tài)下成為可能，并猶如近距離或面對面交流一樣。3.6 安全性虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)遠比在現(xiàn)實環(huán)境里安全。如具危險的化學(xué)實驗，軍事學(xué)生可以重演戰(zhàn) 爭，消防隊員可以重演撲滅火災(zāi)。每個人都可以在這種虛擬環(huán)境中試驗各種方案，即使闖 下“大禍”，也不會引起任何“惡果”。安全性不僅是對于學(xué)生而言的，它也包括周圍環(huán) 境中的事物，這一點對于技能性學(xué)習(xí)特別重要和特別有意義。（一）項目概要1. 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用層次可分為：1.1 初級應(yīng)用：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) - 非沉浸式體驗系

12、統(tǒng)，計算機 +軟件即可實現(xiàn)1.2 中級應(yīng)用：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) - 沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，計算機 +軟件 +數(shù)據(jù)頭盔 +數(shù)據(jù) 手套。1.3 高級應(yīng)用：分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式交互仿真（ distributed interaction simulation）的基礎(chǔ)上1.4 高級應(yīng)用： +增強現(xiàn)實，于虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上加入真實的物具（現(xiàn)實中的，非建模的） ， 實現(xiàn)虛擬世界與真實世界的交互。2. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育解決方案主要包括以下：2.1 初高中實驗類課程方案，涉及化學(xué)、物理（仿真實驗室，物體與規(guī)則重建）2.2 初高中認知類課程方案，涉及自然（地理、生物） 、歷史（事件

13、重建）2.3. 高中水平類課程方案，涉及外語（事件重建） 、語文（意境重建）、數(shù)學(xué)（ 幾何規(guī)則與邏 輯重建 ）.2.4 職業(yè)學(xué)校技能培訓(xùn)方案，如裝配、修理、維護開發(fā)上述產(chǎn)品， 一類基于“桌面虛擬現(xiàn)實 - 非沉浸式體驗系統(tǒng)”技術(shù)， 另一類基于“桌面 虛擬現(xiàn)實 - 沉浸式體驗系統(tǒng)”技術(shù)。上述產(chǎn)品以通用教材課標為依據(jù)，以教育心理學(xué)、名師教學(xué)方式為邏輯，以時間進度排序， 加入知識與技能要點考察和水平評價，貫穿整個教學(xué)過程。項目開發(fā)的理念、構(gòu)成、內(nèi)涵 與體系均屬國內(nèi)首創(chuàng)，為行業(yè)應(yīng)用的重大創(chuàng)新。社會公司，包括獨立的教師因條件所限， 從事的開發(fā)均以課件、資源類為主，難以開展如我們這種體系化的構(gòu)建。此構(gòu)建的可

14、性行 來自我們的業(yè)界優(yōu)勢，即是川師大數(shù)十年的教育背景與教育資源 +技術(shù)背景與技術(shù)資源，極 其寶貴、極其難得的組合，他人難以復(fù)制。3. 項目目標3.1總體目標該解決方案融合虛擬現(xiàn)實最新硬件設(shè)備以及先進的教學(xué)理念，構(gòu)建完全實時的、高保 真的、用戶高度介入的學(xué)習(xí)環(huán)境。其特點是具有豐富的環(huán)境、豐富的接口、操作與數(shù)據(jù)雙 重驅(qū)動，從而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的教學(xué)功能，對教與學(xué)產(chǎn)生極大的效用。3.2技術(shù)目標包括五個方面：321開創(chuàng)虛擬現(xiàn)實在國內(nèi)教育領(lǐng)域系統(tǒng)化應(yīng)用的先河，于教學(xué)上實現(xiàn)普通數(shù)字教育資源（如多媒體、電子課件、文字、例表、影視動畫資料 ）的替代。解決方案首要的目標是構(gòu)建 快速、協(xié)同的VR資源平臺，資源的迭代演

15、化保持一定領(lǐng)先性且遙應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展要求，體 現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新特征，突出與滿足教學(xué)及教學(xué)管理的現(xiàn)代化需求。3.2.2采用分層設(shè)計，強調(diào)統(tǒng)一的同時兼顧風(fēng)險與效率，達到規(guī)范性與個性化相結(jié)合的目 的，增加系統(tǒng)靈活性，滿足不同學(xué)科、不同層次課程的需求。在實際設(shè)計過程中，遵循現(xiàn) 有網(wǎng)絡(luò)課程（如川師4A網(wǎng)課）課程分類規(guī)劃設(shè)計，并與校園其它網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺有效銜接。3.2.3保證高性能、高可用性，提供動態(tài)擴容、應(yīng)急處理、備份等手段實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、 增進用戶體驗。3.2.4組件化、可配置的指標、參數(shù)策略，適應(yīng)不斷增加與調(diào)整的系統(tǒng)需求變化。適配不 同種類與配置的虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備325數(shù)據(jù)驅(qū)動。構(gòu)建VR場景知識庫

16、、參數(shù)化模型庫以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為軌跡庫，形成個 性化學(xué)習(xí)成果反饋技術(shù)應(yīng)用。4. 項目應(yīng)用主目標，完成虛擬現(xiàn)實教育解決方案系統(tǒng)框架設(shè)計5. 項目應(yīng)用次級目標啟動期目標：5.1 完成非沉浸性與沉浸性中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)，并在學(xué)習(xí)者中推廣，以達到體驗和驗證。5.2 完成沉浸性中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)5.3 完成中學(xué)物理、歷史、地理、語文、數(shù)學(xué)、英語需求設(shè)計5.4 職業(yè)學(xué)校需求調(diào)研（二）立項的必要性及意義虛擬現(xiàn)實技術(shù)被普遍認為是繼計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，在 21 世紀最有潛力的技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有的沉浸、交互、構(gòu)想三大特征使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用有其獨 特而明顯的優(yōu)勢。隨著資本對虛擬現(xiàn)實的持續(xù)關(guān)

17、注、硬件成本降低、設(shè)備的普及以及互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對 教育融合的深入，迫切需要虛擬現(xiàn)實技術(shù)改造傳統(tǒng)教育模式，甚至是剛剛開始流行的基于 互聯(lián)網(wǎng)的教育模式（如 M00）基于互聯(lián)網(wǎng)的教育模式雖然解決了傳統(tǒng)教育的大部分“痛 點”（ 如不能跨時空共享優(yōu)質(zhì)教育資源，互動性差等 ） ，但是學(xué)習(xí)者的體驗沒有得到實質(zhì)的 提升，缺乏虛擬現(xiàn)實技術(shù)（如沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)）帶來的強烈的體驗感、逼真的現(xiàn)在感 與強大的可交互性。1. 把握歷史機遇，珍惜最佳進入期長期以來，虛擬現(xiàn)實硬件成本的居高不下成了其實際應(yīng)用的最大障礙，行業(yè)應(yīng)用處于 3/4 的休眠狀態(tài)。近兩年因技術(shù)突破性進步，成本直線下降，其行業(yè)應(yīng)用處于爆發(fā)前夜， 越來越清

18、晰地呈現(xiàn)出一個科技應(yīng)用熱點。 在市場尚未完全被喚醒時進入， 無疑為最佳時期。以游戲頭盔式顯示器為例， 2013年美國當(dāng)?shù)貓髢r 5 萬美元到 17萬美元，到 2015年降 到 7000美元到 8萬美元間， 非游戲頭盔則降價幅度更大， 早幾年還需數(shù)萬人民幣的體感頭 盔目前市場價普遍在 1 千到 3千人民幣不等。進入 2015年，硬件價格的下降趨勢仍在加速， 以樂視為例，2015年11月向市場推出有售價僅149元的VR頭盔。隨硬件成本的快速平民 化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)走向廣泛社會應(yīng)用的閘門已經(jīng)打開。從資本市場看， 2015年6月以來， 中國 A 股歷經(jīng)了三次股災(zāi)，資本市場一片哀歌，但虛擬現(xiàn)實概念股卻逆勢上

19、漲，成為 A 股 獨特的亮麗風(fēng)景。據(jù)惠特資本分析，這是一個尚未有巨型企業(yè)出現(xiàn)的藍海市場。2. 開啟重大行業(yè)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，樹立行業(yè)科技開發(fā)優(yōu)勢地位虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的運用，除非沉浸式的一些三維交互課件外，尚沒有更多運 用，基本處于未開墾狀態(tài)。做好這一塊并不太容易，不但要熟知教育，而且要熟知技術(shù)。 我們兩者皆具，這是我們的背景優(yōu)勢?？v觀社會，兩者皆具的開發(fā)者很少，珍惜歷史給予 的難得機會。背景優(yōu)勢將很好支持我們開展這一項具有行業(yè)重大應(yīng)用創(chuàng)新的研發(fā)，進而樹 立其行業(yè)科技開發(fā)優(yōu)勢。3. 形成行業(yè)應(yīng)用級產(chǎn)品，占領(lǐng)行業(yè)科技應(yīng)用的制高點若衡向與兄弟院校在科技實力上對比，川師大的弱處還在缺少對社會、對行業(yè)

20、、對企 業(yè)不能提出解決方案級別的成果，科研產(chǎn)出缺乏對國民經(jīng)濟起重要推進作用的、應(yīng)用級別 的創(chuàng)新。本項目的推進有利于突破困局。二、 與項目相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展概況及市場需求分析2016 年被公認為虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用元年。虛擬現(xiàn)實近 10 年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展， 其行業(yè)應(yīng)用愈來愈清晰而備受社會 各行業(yè)關(guān)注。目前在發(fā)達國家中 , 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，其表現(xiàn)之亮麗，令人 震驚。如美國很多學(xué)生已經(jīng)開始使用 zSpace STE M實驗室。學(xué)生們已經(jīng)探索了虛擬火山和 構(gòu)建了先進電路板。這個系統(tǒng)為學(xué)生提供了真實的學(xué)習(xí)環(huán)境和個性化學(xué)習(xí)體驗，且符合美 國新世紀科學(xué)標準（NGSS、基礎(chǔ)課和各州標準。虛

21、擬全像圖像可以從屏幕中“取出來” 并使用觸筆去操控。一些應(yīng)用則提供多感官反饋。比如，學(xué)生在和一個虛擬心臟互動時， 可以看到、聽到并感覺到它在跳動。我國目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要側(cè)重在科學(xué)研究、虛擬試驗的開發(fā)以 及虛擬校園的開發(fā)方面，與發(fā)達國家相比，我國虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用的規(guī)模差距不少 , 但是 已經(jīng)引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家的高度重視。九五計劃、國家自然科學(xué)基金會、國家高技 術(shù)發(fā)展計劃等都把虛擬現(xiàn)實技術(shù)列入了研究項目。（一）目標市場的分析與預(yù)測1、市場分布整體上看，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)處在起步期。它的發(fā)展與上世紀80年初的微型計算機、90 年代中期的互聯(lián)網(wǎng)相似。以虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備為例， 2

22、015 年全球虛擬現(xiàn)實設(shè)備的銷量己達 1400萬部， 2020 年的全球銷量會提高至 8800萬部； BI Intelligence的報告預(yù)測，虛擬現(xiàn)實硬件市場的規(guī)模將在未來幾年迅猛增長，未來 5 年的復(fù)合年增長率將高達 299%；美國知名的第三方調(diào)研機 構(gòu) Manatt 5Digital Media 和投資銀行 Digi-Capital 也發(fā)布報告稱，全球虛擬現(xiàn)實市場規(guī) 模將在 5 年內(nèi)、即 2020 年達到 5200 億美元?？梢?，針對消費者的虛擬現(xiàn)實商業(yè)化時代已 經(jīng)來臨，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品對市場的滲透將會是“一場必勝的持久戰(zhàn)” 。從國內(nèi)外發(fā)展比較看， 目前國內(nèi)外發(fā)展方向出現(xiàn)分化，但重大分水嶺尚

23、未形成。國內(nèi)產(chǎn)品、技術(shù)與市場需求的深度融合處于摸索期，以出售產(chǎn)品和服務(wù)為目標，有近 200 家公司介入VR領(lǐng)域，從硬件產(chǎn)品到內(nèi)容制作幾乎全部覆蓋；國外并非單純以出售產(chǎn)品為目標，以 Oculus 和 Sony 公司為例，除了研發(fā)頭戴顯示器、交互設(shè)備、輸入設(shè)備、動作識別 設(shè)備，更在著手制定各自的行業(yè)標準，意圖統(tǒng)治全球市場。以上不難看出，隨著虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵設(shè)備制造的成本大幅下滑，我們己站在了一個以虛 擬現(xiàn)實技術(shù)為手段，以行業(yè)應(yīng)用為開發(fā)內(nèi)容的門坎，門內(nèi)擁有一個不低于數(shù)千億級的市場 體量。2、市場需求與發(fā)展前景的分析和產(chǎn)品市場空間預(yù)測2.1 市場份額至 2014 年末，四川省初中共計 3901 所，在校生

24、 258.3 萬人；普通高中共計 732 所， 在校生 149.0 萬人；教師共計約 30 萬人; 職業(yè)學(xué)校 500 所，在校生 20 萬人。按人均 100 元/年信息消費，年消費量約 4億元。若項目進入國家教育扶貧工程，有望獲得政府基金的 支持。2.2 市場選擇將目標市場鎖定在中等基礎(chǔ)教育與職業(yè)教育，以省內(nèi)為重點。2.3 市場運作以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合為理念，以服務(wù)社會、社會應(yīng)用為目標。自主開發(fā)，并在進程中吸引資 本加入。導(dǎo)入效率化管理機制。虛擬現(xiàn)實進入現(xiàn)代教育，并發(fā)揮重大影響絕對是不爭的事實。發(fā)達地區(qū)，但不限于， 都將因此受益。我國教育資源分布不均，邊遠地區(qū)師資隊伍落后，名師空缺。近十多年來， 國家

25、對這類地區(qū)的教育投入逐年增加，但多限于基礎(chǔ)條件的改善，如何提高教學(xué)質(zhì)量，讓 這類地區(qū)的學(xué)生與內(nèi)地學(xué)生一樣享有較高質(zhì)量的教育水平，顯然己擺在面前。這是一個重 大的教育問題， “教育公平”涉及全社會的良知，不僅僅引發(fā)政府的思考、全社會有識之 士也在思考并追求解決方案。虛擬現(xiàn)實在這方面可發(fā)揮出重大作用，為公平教育發(fā)揮出不 可替代的作用。因為基于虛擬現(xiàn)實的教育解決方案可以將名師的教育方法，先進的教學(xué)理 念，科學(xué)的認知體系以及嚴格的技能訓(xùn)練導(dǎo)入系統(tǒng)，且傳播無地域限制，成本低廉。成本 低廉，以計算機為列，以 2013 年配伍的普通計算機已足夠承載系統(tǒng)運行，性能價格以今天 市價計，不過 3000 千元左右

26、/ 臺。數(shù)據(jù)頭盔，其普及型以今天市價計， 800 元左右 / 件（ 五 年前一個普通的數(shù)據(jù)頭盔不低于 10萬元/件） ，據(jù)賽德數(shù)據(jù)，在未來 2-3 年可降至數(shù)十元左 右/件。按這種推算，低成本的虛擬現(xiàn)實裝備進入邊遠中學(xué)為期不遠。我們所做的就是為此 做好準備，做好內(nèi)容開發(fā)，為迎接虛擬現(xiàn)實爆炸性需求的來到做好準備。虛擬現(xiàn)實桌面非沉浸式系統(tǒng)推廣階段教育扶貧”無疑是最佳方包裝宣傳為本階段首要任務(wù)。本階段需要營造亮點，營造新聞熱點。以社會效益為述 求，并發(fā)揮到極致。基于此目標，需尋找一個即能切合國家需求，又有社會關(guān)注熱點與道 德制高點的入口，進而演繹為社會的突出事跡。經(jīng)調(diào)研認為， 式。為此，本階段主打教

27、育扶貧牌，即能滿足需求，又可為進入國家教育扶貧工程做準備。 具體做法是，選一批學(xué)校下線的計算機 +制成的虛擬現(xiàn)實桌面系統(tǒng)，找一個邊遠 / 貪困地區(qū) 中學(xué)，調(diào)動當(dāng)?shù)卣c之一道建示范點。以三個月為調(diào)試與試用期，一切正常后，對示范 點全面包裝，組織新聞宣傳，營造社會形象，大力將宣傳效果發(fā)揮到極致。利用其稀有性： 最前沿的高科技教學(xué)手段與最邊遠 / 貧困地區(qū)教育現(xiàn)狀所存在的極大反差， 及一個基于這種 反差，又預(yù)想不到的融合 （ 這本身就是一件反常規(guī)的事列 ） ，加入教育公平、社會正義、良 知、責(zé)任與道德的因素造出新聞熱點，將宣傳做足。這個設(shè)計可容易達到幾個目標：突出 學(xué)校的社會形象，不花巨額廣告費的

28、產(chǎn)品宣傳，為進入國家教育扶貧工程打下基礎(chǔ)。一旦進入國家教育扶貧工程系列，在政府基金的支持下，可全面推進桌面虛擬現(xiàn)實非 沉浸式方案的應(yīng)用實施，同時加速沉浸式解決方案的深度開發(fā)，做好在較發(fā)達地區(qū)的試用 推廣。實現(xiàn)產(chǎn)品的由農(nóng)村向城市，從邊遠到內(nèi)地的戰(zhàn)略調(diào)整。3. 產(chǎn)業(yè)融資與擴張階段基于良好的社會聲譽與產(chǎn)品的獨特性吸引資本注入， 融資額度不少于 1000 萬，構(gòu)建不 限于教育類虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的開發(fā)。解決的主要難點技術(shù)與運用領(lǐng)域如下：數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的機制與方法動態(tài)與時實仿真產(chǎn)業(yè)級技術(shù)運用分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)與運用基于以上成果，進入虛擬現(xiàn)實的高級運用期，形成教育、數(shù)字娛樂、軍事、公共安全、 醫(yī)療、制造業(yè)等

29、領(lǐng)域的優(yōu)秀解決方案，進而全面服務(wù)社會并獲得很好的經(jīng)濟效益。4. 市場競爭力分析虛擬現(xiàn)實的內(nèi)容開發(fā)， 或稱虛擬現(xiàn)實的行業(yè)應(yīng)用解決方案， 從目前的國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用看， 基本以“桌面虛擬現(xiàn)實非沉浸式體驗”與“環(huán)幕非沉浸式體驗”的解決方案為主，主 要用來效果展示；沉浸式虛擬現(xiàn)實于專業(yè)行業(yè)有應(yīng)用，如航空制造業(yè)。但從社會的層面講， 其應(yīng)用仍處于初期的起步階段；分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與增強現(xiàn)實大多還停留在專門的研發(fā) 機構(gòu)?？陀^分析如下：4.1 具備比較完善的從事虛擬現(xiàn)實教育與研發(fā)的學(xué)科隊伍與條件：早在 2007 年為配合重點實驗室的發(fā)展， 支撐新的學(xué)科與研究方向我們以產(chǎn)學(xué)研的理念 建議學(xué)校開建數(shù)字媒體專業(yè)，在學(xué)校領(lǐng)

30、導(dǎo)的帶領(lǐng)下，我們花費了大量精力從論證到實施做 了很多事。專業(yè)的成立為虛擬現(xiàn)實工作的開展奠定了人才基礎(chǔ)、學(xué)科基礎(chǔ)。4.2 具備開發(fā)優(yōu)勢：技術(shù)與教育背景的深度融合，有一支即懂技術(shù)又知教育的開發(fā)隊伍：虛擬現(xiàn)實教育類的應(yīng)用，市場呈現(xiàn)的均為“桌面虛擬現(xiàn)實非沉浸式體驗”方式開發(fā)的教 育類產(chǎn)品，且基本以課件為主，幾乎沒有基于教材的完整解決方案（僅僅“課件”，有極 大的應(yīng)用局限， 正如一個汽車制造廠， 不能提供整車，只能提供零件， 其適用性可想而知） 這個現(xiàn)象與這些公司或群體的行業(yè)地位有關(guān)，因為這些公司或群體：或者懂技術(shù)，卻身在 教育之外，不懂教育，沒有體系，無論從理念還是方法沒有教學(xué)的支撐，注定了只能以課

31、件的方式存在。如軟件公司；或者做教育又缺失技術(shù)，只好借用他人開放工具軟件，局限 于做課件。如教師群體。 ; 兩者合二為的團隊，即做教育也做技術(shù)的少之又少。與我們本 質(zhì)不同。4.3 具備多年從事教育仿真軟件系統(tǒng)的經(jīng)驗積累：我們的背景優(yōu)勢使我們在架構(gòu)同類方案時可以跳過課件的束縛，以基于教材的理念， 融入教育心理學(xué)、名師的教育方法與教學(xué)經(jīng)驗，開發(fā)集教學(xué)、操作、考點、評價為一體的 解決方案，并將開發(fā)的系統(tǒng)走入學(xué)校中期試用、座談，再改進，使之完全符合教學(xué)過程， 力求完整、規(guī)范，簡單易用。我們對開發(fā)教育類產(chǎn)品慎之又慎，如中學(xué)化學(xué)方案，先以平面交互為框架，用于弄清 教學(xué)仿真內(nèi)涵。 目前已做成完整的方案 -

32、面向初、高中化學(xué)教學(xué)的二維仿真交互軟件平臺 一套，學(xué)校試用己達三年，各方反應(yīng)效果良好。通過這一案件，我們基本弄清了教育仿真 軟件開發(fā)設(shè)計的內(nèi)在精髓。由此我們深知，這是一個內(nèi)涵遠勝于技術(shù)的開發(fā)，非多資源的 教育資源組合背景，不可能開發(fā)出適合用戶需求的產(chǎn)品。因為現(xiàn)實需求不是一堆課件可實 現(xiàn)。通過多年的探索，我們這類產(chǎn)品的開發(fā)，其理念、方法及技術(shù)均在國內(nèi)同行的前列。4.4 具備從事虛擬現(xiàn)實大型仿真應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)成果的積累：本實驗室于 2009 年建立后，于 2010年啟動了以 “桌面虛擬現(xiàn)實 - 非沉浸式體驗系 統(tǒng)”為主的起步型建設(shè)，取得了如大型化學(xué)仿真教學(xué)平臺、大型數(shù)字博物館、公安仿真訓(xùn) 練平臺、大

33、型園區(qū) +地理位置信息的產(chǎn)品級技術(shù)成果。遺憾的是，“沉浸式虛擬現(xiàn)實建設(shè)方案”至今仍未落地。4.5 限制因素科研需要落地，科技創(chuàng)新、服務(wù)社會、服務(wù)產(chǎn)業(yè)，不局限于學(xué)術(shù)，滿足于論文，尤其 對計算機技術(shù)這類應(yīng)用性很強的學(xué)科，需要真刀真搶，而非脫離應(yīng)用的些紙上談兵。4.6遇稍縱即逝:虛擬現(xiàn)實隨著硬件成本的快速平民化，系統(tǒng)平臺的不斷升級換代，其步入社會應(yīng)用的 步伐愈來愈快，加之近年來受到資本的追逐，一個嶄新的時代已為期不遠。隨著應(yīng)用與市 場的逐漸明朗化，必然吸引大批的加入者，拖得越久，競爭就愈激烈，我們也會再一次喪 失歷史曾給予過我們發(fā)展的重要良機。唯有建設(shè)才有發(fā)展。即使困難不少，但我們在桌面 虛擬現(xiàn)實的

34、研究還是取得了重要進展，項目水平達到了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用水平，為今天所提方案 的實施打下了重要基礎(chǔ)。三、主要攻關(guān)內(nèi)容及技術(shù)路線（一）體系構(gòu)架VR教育解決方案通過優(yōu)質(zhì)VR內(nèi)容和最新VR硬件配套，將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí) 方式乃至互聯(lián)網(wǎng)+教育模式推向一個新的層次。為滿足總體設(shè)計目標、實現(xiàn)系統(tǒng)需要，將從 業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)以及技術(shù)架構(gòu)四個方面提出總體設(shè)汁方案。系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)（圖3-1-1系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)）根據(jù)職責(zé)及業(yè)務(wù)規(guī)劃不同將系統(tǒng)從業(yè)務(wù)上劃分為五部分：最底層為課程資源分類；中 間為VR內(nèi)容建設(shè)、學(xué)習(xí)者（學(xué)生）行為及 VR學(xué)習(xí)環(huán)境；最上層為評價與追蹤。 VR學(xué)習(xí)環(huán) 境部分全部依賴其余四部分，剰余四部分

35、按圖3-1中層次關(guān)系從頂向下產(chǎn)生依賴關(guān)系，不可反向為之。各部分職責(zé)及業(yè)務(wù)描化如下：1. 資源分類：提供整個系統(tǒng)的資源分類信息，首先需要構(gòu)架一顆完整全面的學(xué)科分類樹， 可以和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程資源（川師 4A網(wǎng)課）對接。資源分類業(yè)務(wù)為 VR內(nèi)容建設(shè)及學(xué)習(xí)者行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計范式、也是學(xué)習(xí)者行為設(shè)計、VR學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的重要依據(jù)。例如對 于職業(yè)教育中的操作技能訓(xùn)練，則需要構(gòu)建高保真的現(xiàn)場工作環(huán)境，并采用數(shù)據(jù)手套交互 模式塑造學(xué)習(xí)者行為，從而達到良好的訓(xùn)練效果；而對于化學(xué)仿真實驗，只需采用非沉浸 式的桌面環(huán)境外加參數(shù)變量，學(xué)生通過相關(guān)配置和調(diào)整達成教學(xué)目標。在分類業(yè)務(wù)的功能 設(shè)計上須有可自動擴展的程序設(shè)

36、計及實現(xiàn)；重點功能需滿足節(jié)點管理、節(jié)點關(guān)鍵字管理功 能需要。系統(tǒng)需支持簡單的權(quán)限控制、用戶管理功能便于安排操作人員分節(jié)點維護。資源分類如圖3-1-2所示：優(yōu)學(xué)生物!賀源分癸塞程學(xué)冃標井年數(shù)不追總分瓷（圖 3-1-2 ）2. 內(nèi)容建設(shè)：此部分為VR學(xué)習(xí)環(huán)境提供所需推薦電子資源的預(yù)處理功能。在當(dāng)前 VR硬件 發(fā)展迅猛而配套教育資源不足的情況下，該系統(tǒng)采用 UGC（User Gen erated Con te nt指用 戶原創(chuàng)內(nèi)容）設(shè)計理念，每個教育工作者都可以參與建設(shè)并完善 VR課程資源庫。內(nèi)容建設(shè) 以抽象化的3D場景表示為核心，采用面向協(xié)同的可視操縱架構(gòu)，集成了模型、場景、人員、配置的管理和協(xié)作

37、模塊，形成了完整并具有通用性的解決方案。需要支持3D模型、材質(zhì)、紋理、shader程序、骨骼動畫及文檔資料、語音、視頻等非關(guān)系型數(shù)據(jù)，對非關(guān)系型 數(shù)據(jù)需要做摘要處理轉(zhuǎn)化為類關(guān)系型數(shù)據(jù)，尤其對語音及視頻需要從中摘出關(guān)鍵信息形成 連接關(guān)系并依據(jù)分類樹進行學(xué)科、課程分類，按統(tǒng)一規(guī)劃打造VR教學(xué)內(nèi)容生態(tài)圈。3. 使用者（學(xué)生）行為：該業(yè)務(wù)部分采用先進的人機交互手段達成教學(xué)目標。學(xué)生通過與信 息環(huán)境的自主交互行為獲取知識、技能。為了匹配不同的交互硬件，系統(tǒng)根據(jù)不同的課程 類型與教學(xué)目標對學(xué)生的交互行為進行分類和封裝，形成抽象交互層及其接口。4. VR學(xué)習(xí)環(huán)境：此部分為系統(tǒng)的核必功能體現(xiàn)，結(jié)合調(diào)用其他四部

38、分數(shù)據(jù)營造最終自主學(xué) 習(xí)環(huán)境。該業(yè)務(wù)部分包含一個高性能的圖形引擎，能夠快速響應(yīng)外圍交互硬件的追蹤數(shù)據(jù)（如高速頭部追蹤、眼動儀數(shù)據(jù)等）5. 追蹤與評價：傳統(tǒng)的教學(xué)評價大都是由老師批改學(xué)生的作業(yè)和考卷，或憑主觀印象給出 成績，這種評價方式存在著一定的弊端。隨著教學(xué)信息化改革的推進和計算機的普及，在 虛擬環(huán)境下進行教學(xué)評價已成為可能。教師可以對每一位學(xué)生進行學(xué)習(xí)記錄的全程跟蹤， 包括查看學(xué)生的學(xué)習(xí)報告，訪問課程的次數(shù)、學(xué)生參與某個教學(xué)模塊的情況。在評價內(nèi)容 上從課程內(nèi)容學(xué)習(xí)、參與互動交流、考試與作品和課外資源學(xué)習(xí)四個方面進行了細分和聚 類，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的個性化學(xué)習(xí)評價模型。在評價結(jié)果上，依

39、據(jù)柯氏四級評估 模式和布魯姆教學(xué)目標分類理論設(shè)計了基于教育大數(shù)據(jù)的個性化評價層次塔，該層次塔包 括學(xué)習(xí)成效、概念轉(zhuǎn)變、學(xué)習(xí)遷移和學(xué)習(xí)力四個層級。最后，結(jié)合教育大數(shù)據(jù)、教育云服 務(wù)、個性化評價模型和評價層次塔，設(shè)計了個性化學(xué)習(xí)評價系統(tǒng)模型，包括信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊、個性化評價模塊和可視化反饋模塊，并通過云 管理層實現(xiàn)對教育云服務(wù)平臺、云存儲池和云集群計算平臺的調(diào)控和管理，以期為后面開 展個性化評價系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供有益的指導(dǎo)。通過追蹤與評價獲取課程教學(xué)大數(shù)據(jù)并持續(xù)改進 VR教學(xué)系統(tǒng)，VR教育大數(shù)據(jù)將成為推 動教育變革的創(chuàng)新戰(zhàn)略資產(chǎn)。（二）應(yīng)用架構(gòu)在充分分析VR教育解決方案功能需求與

40、業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)上，遵循邏輯結(jié)構(gòu)中定義各子系統(tǒng)功能及實現(xiàn)方式，按照分層設(shè)計原則，明確系統(tǒng)功能設(shè)計及應(yīng)用總體架構(gòu)如圖3-2-1所示。（圖 3-2）（圖3-2-1總體應(yīng)用架構(gòu)）其中基礎(chǔ)服務(wù)層為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)、會話管理、協(xié)同支持、異常處理等服務(wù)。教學(xué)資源管理層是一個面向協(xié)同的、采用多人眾包模式的資源共享平臺，主要面向教師或者課程開發(fā)人員，實現(xiàn)各學(xué)科知識點向虛擬現(xiàn)實情境遷移，從而為優(yōu)質(zhì)VR教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)作、 分發(fā)、迭代更新提供技術(shù)保障。面向協(xié)同的 VR建模平臺，包括VR場景的生成、課程知識 場景映射、場景協(xié)同交互、用戶權(quán)限控制、語義支持等多個功能模塊和可配置模塊。VR教學(xué)應(yīng)用層主要面向?qū)W習(xí)者，為學(xué)

41、習(xí)者的學(xué)習(xí)活動提供虛擬現(xiàn)實環(huán)境支撐，該部分集成自然的人機交互技術(shù)和高性能圖形渲染引擎，是整個系統(tǒng)的核心部分。在學(xué)習(xí)活動進行的同時，每個學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為軌跡將被全面追蹤記錄形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。（三）數(shù)據(jù)架構(gòu)VR教育解決方案是一個基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、多用戶數(shù)據(jù)共享、實時數(shù)據(jù)生成的全新環(huán)境。在滿足總體設(shè)計目標和應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計的前提下，設(shè)計總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3-3所示:（圖3-3 ）數(shù)據(jù)架構(gòu)1. VR場景數(shù)據(jù)庫。在完成知識點向 VR場景的映射后，需要一個專門的場景數(shù)據(jù)庫。場景 數(shù)據(jù)庫包含場景信息、語義信息 概念結(jié)構(gòu)信息與版本信息。其中，場景信息需要詳細記錄 場景ID、場景名稱、場景描述、場景類型和場景創(chuàng)建者信息。2

42、. 學(xué)科分類樹內(nèi)容庫。對于主要供學(xué)科分類樹應(yīng)用使用，屬于外來資源的重要存儲庫，同時也是學(xué)科分類樹自動增長操作的重要數(shù)據(jù)落地點，它提供VR教育內(nèi)容生態(tài)系統(tǒng)的土壤3. 用戶信息庫。存儲用戶和用戶專屬的、個性化課程信息。用戶信息與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的中 的虛擬人物角色（化身）對應(yīng)，同時也為 VR教育資源管理應(yīng)用提供用戶、權(quán)限及各種關(guān)系 數(shù)據(jù)。主要利用MongoDB勺水平擴展能力滿足分類樹存儲量大的需求。4. 記錄追蹤庫，通過MongoD存儲學(xué)習(xí)者的整個學(xué)習(xí)流程，為學(xué)習(xí)效果評價、教學(xué)內(nèi)容更新 乃至教育決策支持提供依據(jù)。5. 配置信息庫。記錄日志、軟硬件配置信息，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行。在系統(tǒng)發(fā)生錯誤時可以 實時回

43、滾策略；在硬件配置發(fā)生改變時可以自動調(diào)整，通過優(yōu)雅降級或者漸進增強的方式 給用戶帶來最佳體驗。（四）技術(shù)架構(gòu)VR教育解決方案選用Unity3D虛擬現(xiàn)實圖形引擎并結(jié)合源生web3D以及HTML豉術(shù)，根據(jù) 本身的業(yè)務(wù)情況做適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，其總體技術(shù)架構(gòu)如圖3-4-1所示：（圖3-4-1技術(shù)結(jié)構(gòu)）總體上采用分層架構(gòu)的思想，將系統(tǒng)劃分為三個層次：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層； 每個層之間采取上層能依賴下層而下層不能反向調(diào)用上層的策略。數(shù)據(jù)層采用mongoD數(shù)據(jù)庫，mongoD文檔結(jié)構(gòu)的存儲方式非常適合存儲不同類型的 VR教 學(xué)資源，并幫助用戶更便捷的獲取數(shù)據(jù)。 mongoD可以直接和上層的node服務(wù)器通信

44、，或 者通過JDBC Driver與Unity3D通信。在業(yè)務(wù)邏輯層分別采取桌面程序和 web應(yīng)用的部署方式，采用開放的自然人機交互驅(qū)動模 塊（Ope nN）適配種類繁多且日益發(fā)展的外圍硬件設(shè)備。針對桌面程序選用un ity3D作為圖形引擎。VR教育內(nèi)容開發(fā)中，Unity3D具有以下優(yōu)勢：？1. Unity3D 開發(fā)平臺主要是 MonoDevelop這個平臺可以嵌套多種編程語言，其中 js和 c#是最常用的兩種，而js語言容易入門，這使得教師更容易學(xué)習(xí)、參與到 VR教育內(nèi)容開發(fā)中來。 ?2. Unity3D 幾乎支持所有的跨平臺設(shè)計，是目前唯一一款可以提供所有平臺植入能力的三維仿真開發(fā)軟件，實

45、現(xiàn)了手機平臺開發(fā) 3D游戲和系統(tǒng)，支持flash輸入格式，對于移動學(xué) 習(xí)的移動平臺建立具有重要的啟示和意義。 ?3. Unity3D能夠創(chuàng)造高質(zhì)量的3D仿真系統(tǒng)和真實視覺效果，對 DirectX和OpenG具有高 度優(yōu)化的圖形渲染管道，低端硬件也可以流暢運行茂盛的作物、植被景觀和實時三維圖形 混合音頻流和視頻流，使得教育資源得到更好的呈現(xiàn)、知識內(nèi)容具有更好的交互性和吸引 力。?4. Unity3D 能夠支持更大的場景、更多的展示物件以及更炫的展示效果，僅占用很小的空 間，這些特性教學(xué)內(nèi)容得到更好的應(yīng)用和普及。在web端可以WebGL+Threejs三維引擎實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景渲染。作為一種替代方案

46、可以直 接通過unity3D的web發(fā)布功能，但是此種做法需要用戶瀏覽器安裝插件，不符合互聯(lián)網(wǎng) 的以及web發(fā)展方向故不建議采用。四、該項目的技術(shù)創(chuàng)新點（ 一） 技術(shù)創(chuàng)新點1. 面向協(xié)同的虛擬現(xiàn)實教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)方式。 對于一般性的數(shù)字化教學(xué)資源， 其中大部分都 是由一線教育工作者生產(chǎn)的，與之對應(yīng)的是虛擬現(xiàn)實資源大部分是由專業(yè)軟件開發(fā)團隊生 產(chǎn)的，這與虛擬現(xiàn)實內(nèi)容制作難度較高有關(guān)，這種情況帶來的結(jié)果是：生產(chǎn)人員不足造成 的內(nèi)容匱乏；生產(chǎn)人員缺乏教育背景以致內(nèi)容水平較低、實用性較差，現(xiàn)有VR教學(xué)資源基 本停留在情境體驗式學(xué)習(xí)階段，對于復(fù)雜的認知與邏輯重建類型的學(xué)習(xí)罕有涉及。本系統(tǒng) 提出一種具有普遍通

47、用性的協(xié)同 3D 建?？蚣埽ㄟ^統(tǒng)一的課程知識樹和通用的虛擬現(xiàn)實 場景模型庫降低VR內(nèi)容制作難度，將普通教育工作者納入到虛擬現(xiàn)實教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)環(huán)境。 系統(tǒng)以 B/S 架構(gòu)為基礎(chǔ)， 以協(xié)同 3D 概念化場景為核心， 輔以協(xié)同環(huán)境中的模型與場景管 理與智能提示，使通用性的 3D 協(xié)同平臺的搭建成為可能。整體框架自上而下包含基于網(wǎng) 頁的 3D 展示與操作平臺， 3D 場景概念化與批處理中心， 后臺支持服務(wù)器， 系統(tǒng)儲存層等2. 數(shù)據(jù)驅(qū)動?，F(xiàn)有的互動教學(xué)資源大部分成碎片狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一調(diào)度和管理，更缺乏以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動的設(shè)計思想和實踐。VR教育解決方案創(chuàng)新性提出構(gòu)建一個基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、多用 戶數(shù)據(jù)共享、實時數(shù)

48、據(jù)生成的全新環(huán)境，數(shù)據(jù)貫穿整個學(xué)習(xí)活動之中。3. 抽象的用戶交互層。針對虛擬現(xiàn)實硬件尤其是交互設(shè)備種類多、配置差異大、更新?lián)Q代 快的情況， 該解決方案設(shè)計一個抽象的用戶交互層， 提供統(tǒng)一的接口適配不同的硬件設(shè)備， 在硬件配置達不到系統(tǒng)要求時可自適應(yīng)降級處理，在犧牲部分用戶體驗的情況下不缺失基 本的教學(xué)功能。（ 二） 該項目的主要技術(shù)難點：虛擬場景合成與沖突處理在協(xié)同虛擬環(huán)境建模過程中，實際三維場景與概念場景之間將相互轉(zhuǎn)換，多個用戶創(chuàng) 造的多個概念場景會完成合成。轉(zhuǎn)換和合成的過程需要有設(shè)計合理的邏輯算法和實現(xiàn)。而 這其中最為重要的就是場景組合技術(shù)。因為概念化場景合成算法主要是指在本協(xié)同架構(gòu)服 務(wù)

49、器端，當(dāng)獲取了多個用戶的操作批處理和版本信息之后，如何通過邏輯算法形成合理而 無沖突的合成場景，并推送給用戶。因此，我們將此算法描述如下1. 比較所有用戶的版本Vi、，V2Vn是否與Vc相同，若不同，相應(yīng)用戶k的操作批處 理Sk和版本Vk進入沖突列表L等待進一步的處理。2. 以模型 ID 為分類標志，對所用用戶的操作批處理 S 進行劃分。3. For each (模型 ID )，若對應(yīng)的操作集合可以合并，則合并成新的操作批處理S1,S 2S n,否則加入沖突列表L等待進一步的處理。4. 對新加入模型或刪除模型操作進行單獨處理。5. 對當(dāng)前概念化Vc應(yīng)用操作S 1, S 2S n,形成新概念化場

50、景 Vnew。6. 對Vnew進行語義沖突及幾何沖突檢查，若有沖突則加入沖突列表L等待進一步處理。7將無異議Vnew推送給用戶，進行用戶端的組裝操作。從上面的場景合成算法分析中可以看出，目前系統(tǒng)在合成過程中，會進行多個階段，而每個階段都有可能會產(chǎn)生沖突，這些沖突將被加入沖突列表中等待沖突處理步驟進行進 一步的處理。這些沖突可簡要分為指版本沖突、不可合并沖突以及語義及幾何沖突。他們 以遞進的方式表示了為了維護協(xié)同環(huán)境中數(shù)據(jù)一致性所需要解決的問題。版本沖突是最低層的沖突類型。因為如果場景的版本不同就會使用戶的操作對象完全相異，這使得一切用戶的操作都不再有意義， 因此必須保證用戶操作的場景版本是一致

51、的，版本沖突必須最先被處理。再高一層的沖突是不可合并沖突，一般是指在同一場景中，不同用戶對于同一模型的操作，這兩種操作相互排斥，因此必須有某種方式來選擇合成的結(jié)果。最高一層的沖突是語義及幾何沖突，代表了在空間意義上和語義層面上模型之間的不合理，需要解決協(xié)同過程中用戶操作和場景數(shù)據(jù)的合理性。本解決方案通過基于用戶優(yōu)先 級的選擇、管理員仲裁與提示回滾技術(shù)( Roll back )解決虛擬場景合成與沖突問題五、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件（一）開發(fā)人員配置情況姓名性別文化程度專業(yè)工作單位職稱組內(nèi)具體分工李奇男碩士計算機技術(shù)川師大高工系統(tǒng)設(shè)計劉云安男碩士計算機技術(shù)川師大講師系統(tǒng)開發(fā)陳跡浪男碩士三維設(shè)計川師大講師

52、建模0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0（二）技術(shù)支持可視化計算與虛擬現(xiàn)實計算機圖形圖像研究中心，可提供本系統(tǒng)開發(fā)關(guān)聯(lián)的算法與交互關(guān)聯(lián)的二次開發(fā)，若需要。（三）設(shè)備設(shè)施配置配套建設(shè)：“可視化計算與虛擬現(xiàn)實四川省重點實驗室虛擬現(xiàn)實沉浸技術(shù)實驗室”。詳見附件-虛擬現(xiàn)實沉浸技術(shù)實驗室建設(shè)（四）資金保證情況：本系統(tǒng)開發(fā)啟動期投入開發(fā)費20萬元。六、申請基礎(chǔ)條件（包括主要研究成果）（一）已有基礎(chǔ)1.開發(fā)條件：實驗室初步具備“桌面虛擬現(xiàn)實-非沉浸式體驗系統(tǒng)”開發(fā)的硬件條件：中型三維環(huán)幕一套，未報廢服務(wù)器、開發(fā)機，包括入門級渲染6臺，普通未報廢計算機5臺，可規(guī)劃使用場地7

53、0平米。2項目關(guān)聯(lián)技術(shù)積累:基于新課標的初中化學(xué)二維仿真交互教學(xué)實驗平臺基于新課標的高中化學(xué)二維仿真交互教學(xué)實驗平臺三維虛擬交互多人在線仿真公安培訓(xùn)系統(tǒng)三維交互式數(shù)字展覽館系統(tǒng)三維交互式園區(qū)地理系統(tǒng)體驗式旅游信息系統(tǒng)批量交互式課件設(shè)計以上初、高中化學(xué)二維仿真教學(xué)實驗平臺系統(tǒng)經(jīng)多所中學(xué)試用+改進不少于 3 年，具備實用性，被國內(nèi) 400多所中學(xué)用于教學(xué) ; 公安多人在線仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通過由公安部組織、 重 慶市公安局主持的驗收 ; 三維交互式數(shù)字展覽館系統(tǒng)、 三維交互式園區(qū)地理系統(tǒng)均以產(chǎn)品方 式上線 ; 體驗式旅游信息系統(tǒng)獲成都市科技局主持的驗收 ; 批量交互式課件設(shè)計多個課件 獲全國一等獎。3 項目開發(fā)團隊：三維設(shè)計團隊，不少于 5 人（專業(yè)人員），可帶學(xué)生加入不少于 20 人軟件開發(fā)團隊，不少于 5 人（專業(yè)人員），可帶學(xué)生加入不少于 10 人教育專家，涉及教育心理、教育方法及一線特級教師不少5人（其中部分川師附中學(xué)特級教師）以上條件可開展基于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)非沉浸式系統(tǒng)的小規(guī)模開發(fā)，但不具備沉浸式系統(tǒng)的開發(fā)（二）新增條件實施四川省重點實驗室的“虛擬現(xiàn)實沉浸技術(shù)實驗室”建設(shè)。詳見附件七、進度安排和實施方案啟動期階段做好以下工作：1盡快使“虛擬現(xiàn)實沉浸技術(shù)實驗室”落地，啟動虛擬