信息技術(shù)基礎(chǔ)（拓展模塊） 課件 學(xué)習(xí)單元11 虛擬現(xiàn)實 11.2

學(xué)習(xí)單元十一虛擬現(xiàn)實11.2探索虛擬現(xiàn)實的構(gòu)成元素線上課前導(dǎo)學(xué)課前自測頭腦風(fēng)暴任務(wù)調(diào)研小思考

你知道虛擬現(xiàn)實技術(shù)是怎么做到給人帶來身臨其境的體驗感的嗎？你知道虛擬世界是由哪些元素構(gòu)成的嗎？虛擬現(xiàn)實是計算機技術(shù)與思維科學(xué)結(jié)合的發(fā)展產(chǎn)物，它的出現(xiàn)開辟了人類認(rèn)識世界的新途徑。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了人類過去除了親身經(jīng)歷只能間接了解環(huán)境的方式，從而拓寬了人類的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有較強的三維空間表達(dá)能力、人機交互的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的體驗感，所以在軍事、航天、教育等領(lǐng)域的模擬和展覽中起到了至關(guān)重要的作用。那么虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)成要素有哪些呢？線上課前導(dǎo)學(xué)頭腦風(fēng)暴任務(wù)調(diào)研課前自測參考資料：百度百科：/item/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E7%8E%B0%E5%AE%9E%E7%B3%BB%E7%BB%9F/2593414?fr=aladdin知乎：/p/115934577線上課前導(dǎo)學(xué)任務(wù)調(diào)研課前自測頭腦風(fēng)暴1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是由什么組成？2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件有哪些構(gòu)成要素？線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)在了解虛擬現(xiàn)實的基本概念后，我們需要繼續(xù)學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實的具體系統(tǒng)的組成和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素，深入了解虛擬現(xiàn)實的整體技術(shù)框架，為后面實際開發(fā)虛擬現(xiàn)實內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)1.了解虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成；2.了解虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素；線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成1.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成一般的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征之一就是人機之間的交互性。為了實現(xiàn)人機之間的充分交換信息，必須設(shè)計特殊輸入工具和演示設(shè)備，以識別人的各種輸入命令，且提供相應(yīng)反饋信息，實現(xiàn)真正的仿真效果。不同的項目可以根據(jù)實際的應(yīng)用可以有選擇的使用這些工具，主要包括:頭盔式顯示器、跟蹤器、傳感手套套、屏幕式、房式立體顯示系統(tǒng)、三維立體聲音生成裝置。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成1.計算機在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機是系統(tǒng)的心臟，被稱之為虛擬世界的發(fā)動機?它負(fù)責(zé)虛擬世界的生成?人與虛擬世界的自然交互等功能的實現(xiàn)?由于所生成的虛擬世界本身具有高度復(fù)雜性，尤其在大規(guī)模復(fù)雜場景中，生成虛擬世界所需的計算量極為巨大，因此對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的計算機配置提出了極高的要求?通常可分為基于高性能個人計算機?基于高性能圖形工作站及超級計算機系統(tǒng)等?2.輸入/輸出設(shè)備在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶與虛擬世界之間要實現(xiàn)自然的交互，依靠傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標(biāo)是無法實現(xiàn)的，這就必須采用特殊的輸入/輸出設(shè)備，用以識別用戶各種形式的輸入，并實時生成相應(yīng)的反饋信息?常用的設(shè)備有用于手勢輸入的數(shù)據(jù)手套?用于語音交互的三維聲音系統(tǒng)?用于立體視覺輸出的頭盔式顯示器等?線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成3.應(yīng)用軟件為了實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要很多輔助軟件的支持。這些輔助軟件一般用于準(zhǔn)備構(gòu)建虛擬世界所需的素材。例如：在前期數(shù)據(jù)采集和圖片整理時，需要使用AutoCAD和Photoshop等二維軟件和建筑制圖軟件；在建模貼圖時，需要使用3DMax、MAYA等主流三維軟件；在準(zhǔn)備音視頻素材時，需要使用Audition、Premiere等軟件。為了將各種媒體素材組織在一起，形成完整的具有交互功能的虛擬世界，還需要專業(yè)的虛擬現(xiàn)實引擎軟件，它主要負(fù)責(zé)完成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的模型組裝、熱點控制、運動模式設(shè)立、聲音生成等工作。另外，它還要為虛擬世界和后臺數(shù)據(jù)庫、虛擬世界和交互硬件建立起必要的接口聯(lián)系。成熟的虛擬現(xiàn)實引擎軟件還會提供插件接口，允許客戶針對不同的功能需求而自主研發(fā)一些插件。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成4.數(shù)據(jù)庫虛擬世界數(shù)據(jù)庫主要存放的是整個虛擬世界中所有物體的各方面信息?在虛擬世界中含有大量的物體，在數(shù)據(jù)庫中就需要有相應(yīng)的模型?如在顯示物體圖像之前，就需要有描述虛擬環(huán)境的三維模型數(shù)據(jù)庫支持?線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素2.虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素虛擬現(xiàn)實是一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。那么對于一個虛擬現(xiàn)實應(yīng)用而言應(yīng)該包含哪些必要元素呢？虛擬現(xiàn)實是一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。那么對于一個虛擬現(xiàn)實應(yīng)用而言應(yīng)該包含哪些必要元素呢？線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素1.三維模型三維模型是物體的多邊形表示，通常用計算機或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實世界的實體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。主流的三維建模軟件有3DMax、MAYA，模型制作流程如下，明確需求--素材分析--外輪廓搭建--中模制作--高模制作--高低模匹配--高低模烘焙--貼圖制作--中模減面--模型大綱分組整理。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素2.虛擬環(huán)境虛擬現(xiàn)實是一種計算機仿真系統(tǒng)，通過對三維世界的模擬創(chuàng)造出一種嶄新的交互系統(tǒng)。它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，為用戶提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶具有身臨其境的沉浸感，并能在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進(jìn)突發(fā)交互。虛擬現(xiàn)實場景與視頻游戲類似，在封閉的環(huán)境中生成感官模擬。通過將用戶與現(xiàn)實的感覺隔離，重現(xiàn)日常生活中常見的物體、景色，并獲取視覺和音頻反饋，從而讓體驗者產(chǎn)生處于另外一個地方的錯覺。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素3.多媒體資源計算機領(lǐng)域里，媒體主要是傳輸和存儲信息的載體，傳輸?shù)男畔ㄕZ言文字、數(shù)據(jù)、視頻、音頻等等。對于虛擬顯示技術(shù)而言，良好沉浸感是其能夠讓用戶身臨其境以假亂真的必要體驗，那么除了能夠還原真實的三維場景之外，音頻、視頻等常見的多媒體資源對于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的體驗感來說必不可少。以VRC-Editor為例，該虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件支持.mp3、.wav、.flac等常見的音頻格式。視頻方面支持.mp4、.wmv、.avi、.flv等常見的視頻格式。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素4.數(shù)據(jù)處理虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)可視化圖表、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)運算邏輯、云計算、物體的數(shù)據(jù)交互等。（1）數(shù)據(jù)可視化圖表在信息爆炸的時代，越來越多的數(shù)據(jù)堆積。但是，這些密集數(shù)據(jù)沒有重點關(guān)注并且可讀性較差。因此，我們需要數(shù)據(jù)可視化以幫助數(shù)據(jù)易于理解和接受。相反，可視化更加直觀和有意義，并且使用適當(dāng)?shù)膱D表來可視化數(shù)據(jù)非常重要。1）柱形圖柱形圖使用垂直列來顯示類別之間的數(shù)值比較，并且列數(shù)不應(yīng)太大，過大可能導(dǎo)致軸向信息顯示不全。柱狀圖利用柱高來反映數(shù)據(jù)中的差異，并且人眼對高度差異很敏感。限制是它僅適用于中小型數(shù)據(jù)集。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素2）折線圖折線圖用于顯示連續(xù)時間間隔或時間跨度內(nèi)的數(shù)據(jù)變化。它的特點是隨著時間或類別的變化而反映事物的趨勢。應(yīng)當(dāng)注意，折線圖的數(shù)據(jù)記錄數(shù)應(yīng)大于2，可用于大數(shù)據(jù)量的趨勢比較。并且最好不要在同一圖形上超過5條折線。應(yīng)用場景：數(shù)據(jù)量隨時間變化的趨勢，系列趨勢的比較。3）餅狀圖餅圖廣泛用于各個領(lǐng)域，以表示不同類別的比例，并通過弧線比較各種類別。餅形圖不適用于多個數(shù)據(jù)系列，因為隨著數(shù)據(jù)系列的增加，每個切片將變得更小，最后大小區(qū)別也不明顯。4）散點圖散點圖在直角坐標(biāo)系上以點的形式顯示了兩個變量。點的位置由變量的值確定。通過觀察數(shù)據(jù)點的分布，我們可以推斷出變量之間的相關(guān)性。制作散點圖需要大量數(shù)據(jù)，否則相關(guān)性不明顯。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1）數(shù)組使用場景：數(shù)據(jù)量較小、數(shù)據(jù)規(guī)模已知、隨機訪問修改元素值。若優(yōu)先考慮插入速度，則使用無需數(shù)組；如果查找速度很重要，選擇有序數(shù)組進(jìn)行二分查找。缺點：需要預(yù)先知道數(shù)據(jù)規(guī)模、插入效率低需要移動大量元素。2）鏈表使用場景：數(shù)據(jù)量較小、不需要預(yù)知數(shù)據(jù)規(guī)模、適用于頻繁的插入工作。缺點：有序數(shù)組可以通過二分查找的方式具有很高的查找小喇叭（o（logn）），而鏈表只能使用順序查找，效率低下（o（n））。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素3）二叉查找樹使用場景：數(shù)據(jù)是隨機分布的、數(shù)據(jù)量較大、頻繁的查找和插入操作。缺點：如果處理的數(shù)據(jù)是有序的（升序/降序），那么構(gòu)造的二叉查找樹就會只有左子樹（或右子樹），也就是退化為鏈表，查找效率低下(O(logn))。4）平衡樹如果處理的數(shù)據(jù)是有序的（升序/降序），那么構(gòu)造的二叉查找樹就會只有左子樹（或右子樹），也就是退化為鏈表，查找效率低下(O(logn))。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素5.邏輯交互（1）UnityUnity3D是由UnityTechnologies開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director，Blendergameengine，Virtools

或

TorqueGameBuilder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件。其編輯器運行在Windows和MacOSX下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL（需要HTML5）、Windowsphone8和Android平臺。也可以利用Unitywebplayer插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。它的網(wǎng)頁播放器也被Macwidgets所支持。Unity使用的是C#語言，C#在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)方面成績很優(yōu)秀，速度很快，運行更加高效。比簡單的腳本語言強大，比c++更簡單易用。支持平臺包括手機、平板電腦、PC、游戲主機、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實設(shè)備等。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素（2）虛幻引擎虛幻引擎4是由游戲開發(fā)者制作并供游戲開發(fā)者使用的一整套游戲開發(fā)工具。從二維的移動平臺游戲到主機平臺的大作，虛幻引擎

4

賦予您啟動項目、發(fā)布項目、不斷成長完善并脫穎而出所需的一切功能。虛幻引擎可用于現(xiàn)在和未來的移動設(shè)備。無論是簡單的二維游戲，還是令人驚訝的高端視覺效果，虛幻引擎4都讓您能夠針對

iOS

和

Android

設(shè)備上的游戲進(jìn)行開發(fā)和無縫部署。虛幻引擎4使用C++語言進(jìn)行開發(fā)，除了C++語言之外，還可以使用UnrealScript語言來開發(fā)虛幻引擎4應(yīng)用程序。UnrealScript語言是一門專門為虛幻引擎而設(shè)計的腳本語言，它能夠很好地表示出游戲邏輯。相對于C++來說，UnrealScript語言學(xué)習(xí)起來要容易得多，所以如果你對C++不是很感興趣或者對圖形學(xué)不是很了解的話，可以考慮使用UnrealScript來開發(fā)你的應(yīng)用程序。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素除了C++的編程方式外，虛幻4還支持藍(lán)圖來進(jìn)行邏輯功能的開發(fā)。虛幻引擎中的藍(lán)圖可視化腳本系統(tǒng)是一類完整的游戲性腳本系統(tǒng)，此系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念是使用基于副本的界面在虛幻編輯器中創(chuàng)建游戲性元素的。于引擎中的對象驅(qū)動（OO）類或?qū)ο?。使用UE4后便知，使用藍(lán)圖所定義的對象通常被直接稱為“藍(lán)圖”。藍(lán)圖的底層其實還是c++，一個子類繼承父類，獲得父類所有的功能.虛幻4藍(lán)圖線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素（3）CryEngineCryEngine游戲引擎（簡稱CE3）是由德國Crytek公司研發(fā)，旗下工作室“GMBH”優(yōu)化、深度研究的游戲引擎。在某種方面也可以說是CEinline的進(jìn)化體系。CE3具有許多繪圖、物理和動畫的技術(shù)以及游戲部分的加強。是世界游戲業(yè)內(nèi)認(rèn)為堪比虛幻3引擎的游戲引擎，目前CE3已經(jīng)應(yīng)用在各大游戲之中。Lua是一種輕量級跨平臺的腳本語言，由于語法簡單，它在游戲行業(yè)中越來越受歡迎。Lua是Giderosmobile、CoronaSDK和CryEngine等游戲引擎所使用的主要編程語言。《柯南時代》、《憤怒的小鳥》、《Aquaria》和《AmericanGirl》都是由Lua編寫的最受歡迎的游戲項目。（4）OpenVR

OpenVR是由Valve公司開發(fā)的一套VR

設(shè)備通用

API

，換而言之，不管是Oculus

Rift或

HTC

Vive甚至是其他

VR

設(shè)備，都不再需要使用產(chǎn)商提供的

SDK

就可以進(jìn)行開發(fā)，有種打算一統(tǒng)天下的范兒，使用新的OpenVR

SDK將不必關(guān)注硬件設(shè)備本身設(shè)備造成的差異。線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素（5）VRC-EditorVRC-Editor采用可視化編程的方式進(jìn)行邏輯交互的開發(fā)，區(qū)別于藍(lán)圖，VRC-Editor面向的開發(fā)人員不需要有很深的編程基礎(chǔ)即可進(jìn)行邏輯交互的開發(fā)工作。結(jié)合虛擬現(xiàn)實開發(fā)過程用到的高頻功能，從開發(fā)者使用便捷的角度進(jìn)行了封裝優(yōu)化，集成了上百種功能塊；考慮到功能的普適性，結(jié)合常用的開發(fā)API，集成了多組別的邏輯塊。而且VRC-Editor所獨特具有的一鍵發(fā)布多終端的特色功能，使開發(fā)者不用掌握復(fù)雜的多平臺開發(fā)的技術(shù)點即可一次開發(fā)，多平臺發(fā)布（支持移動端、移動VR、PCVR以及移動VR等）VRC-Editor邏輯編輯界面線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素6.終端設(shè)備目前國內(nèi)VR硬件投資市場以輸出設(shè)備為主，市場上主要產(chǎn)品可以分為移動端VR、PC端VR和一體機。（1）移動端VR在中國VR設(shè)備市場，基于智能手機的發(fā)展軌跡以及龐大的用戶規(guī)模，移動VR被很多人認(rèn)為是未來的主流VR設(shè)備。另外由于移動VR設(shè)備想對來說技術(shù)含量較低、成本不高，使得移動VR設(shè)備推廣更為迅速。移動VR設(shè)備線下課中演練前情回顧任務(wù)驅(qū)動演示講解鞏固小結(jié)鞏固小結(jié)典型工作環(huán)節(jié)2虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的構(gòu)成要素（2）PC端VR雖然PC端VR頭盔相對于移動VR存在操作繁瑣、價格昂貴、攜帶不便等困難，但其絕佳的體驗感讓消費者體驗到VR技術(shù)真正的魅力。以O(shè)culusRift為例，相比于GreaVR，Rift有定位追蹤功能、更深層次的游戲體驗和高保真環(huán)境。目前PC端VR還存在許多問題。我們使用PC端VR需要一定的空間以及多項設(shè)備