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1、基于虚拟现实的培训系统一、培训与教育一、培训与教育1.1.师传徒受师传徒受n在师傅的指导下，通在师傅的指导下，通过具体实践掌握技能过具体实践掌握技能n能利用已有的设备和能利用已有的设备和技术，培训效果好技术，培训效果好n偏重技术操作方面偏重技术操作方面的训练，在理论学的训练，在理论学习上显得不足习上显得不足2.2.传统的课堂式培训传统的课堂式培训n培训者讲，学员听培训者讲，学员听n培训成本低，培训培训成本低，培训效率高效率高n脱情境，迁移性差脱情境，迁移性差3.3.计算机辅助的课堂式培训计算机辅助的课堂式培训n培训者讲，学员听培训者讲，学员听n部分地呈现多媒体部分地呈现多媒体信息信息4.4.基
2、于计算机的培训基于计算机的培训n学员利用计算机呈学员利用计算机呈现的培训内容进行现的培训内容进行学习学习n培训内容通过培训内容通过CD-ROM传递传递n学员自定学习进度学员自定学习进度n培训内容具有媒体丰培训内容具有媒体丰富性和交互性富性和交互性n培训内容不易更新培训内容不易更新n学员具有孤独感学员具有孤独感5.5.基于网络的培训基于网络的培训n学员利用网络进行学员利用网络进行学习学习n学习内容易更新学习内容易更新n以自我导向的学习以自我导向的学习为主为主n存在着多向互动存在着多向互动6.6.虚拟培训虚拟培训n虚拟培训是指学员通过多虚拟培训是指学员通过多种交互设备来驾驭种交互设备来驾驭VRVR
3、环境环境和操作各种对象，从而掌和操作各种对象，从而掌握各种知识或技能握各种知识或技能n虚拟培训能使学员在培训虚拟培训能使学员在培训中获得感性知识和实际经中获得感性知识和实际经验验三、虚拟现实：强大的培训工具三、虚拟现实：强大的培训工具1.1.何谓何谓VRVRn技术观 VR通常是高级计算机技术部件和设备集成的HCI系统，例如计算机、可视化设备、动作感知数据手套、跟踪系统等。n功能观 VR是用户与计算机实时交互的工具，通过计算机图形的动态显示，用户能与VR环境中的虚拟对象和信息交互。n实验心理观 VR是用户体验远程临场（tele-presence）的工具，远程临场是指个体在计算机环境和物理环境中感
4、受到自己存在的程度。1.1.何谓何谓VRVR VRVR作为允许用户与计算机集成环境交互的技术，基本思作为允许用户与计算机集成环境交互的技术，基本思想是计算机能从数值化数据中产生三维图形环境。这种环境想是计算机能从数值化数据中产生三维图形环境。这种环境可以是真实的，也可以是构造的。可以是真实的，也可以是构造的。利用视觉和听觉设备，人们能体验堪比真实环境的世界。利用视觉和听觉设备，人们能体验堪比真实环境的世界。计算机产生的这种世界，可以是真实世界对象的模型，也可计算机产生的这种世界，可以是真实世界对象的模型，也可以是人类可以理解的、非真实感的抽象世界，还可以是完全以是人类可以理解的、非真实感的抽象
5、世界，还可以是完全想象的科幻世界。想象的科幻世界。2.VR2.VR的系统结构的系统结构2.VR2.VR的连续统一体的连续统一体3.AR3.AR AR是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者感官效果真实的新环境。n虚拟对象与真实场景混合虚拟对象与真实场景混合n实时、交互、实时、交互、3D3Dn跟踪跟踪+渲染渲染+显示显示3.AR3.AR3.AR3.AR：系统构成：系统构成4.4.虚拟现实设备虚拟现实设备5.5.VRVR培训的优势培训的优势5.5.VRVR培训的优势：节
6、省时间培训的优势：节省时间5.5.VRVR培训的优势：学员地理上分布培训的优势：学员地理上分布5.5.VRVR培训的优势：提高培训质量培训的优势：提高培训质量5.5.VRVR培训的优势：超越危险环境的实践培训的优势：超越危险环境的实践5.5.实例：计算机安装虚拟培训实例：计算机安装虚拟培训6.6.实例：实例：BMWBMW的的ARAR型培训型培训 使用AR，技师会接收到他正在维修的发动机的三维信息，例如帮助技师诊断和解决故障。除了真实的环境外，通过装有耳机的数据眼镜，技师能看到虚拟的动画部件，需要使用的工具和听到每个工作步骤的指令。四、虚拟培训系统的教学设计四、虚拟培训系统的教学设计1.4C/I
7、D1.4C/ID教学设计模型教学设计模型复杂性技能存在着层级结构，由简单到复杂复杂性技能存在着层级结构，由简单到复杂复杂性技能由若干个子技能构成复杂性技能由若干个子技能构成相互关联的技能形成一个技能簇（相互关联的技能形成一个技能簇（skill cluster）4C/ID模型比较适用于复杂性技能领域的教模型比较适用于复杂性技能领域的教学设计。学设计。van Merrinboer（2002）认为：）认为：复杂性技能包括重用性技能和非重用性技能复杂性技能包括重用性技能和非重用性技能1.4C/ID1.4C/ID教学设计模型教学设计模型4C/ID4C/ID模型的要素：学习任务模型的要素：学习任务n具体的
8、、真实的、整体性的任务经验具体的、真实的、整体性的任务经验n按照从简单到复杂的任务类别来组织按照从简单到复杂的任务类别来组织n对同类别的第对同类别的第1 1个学习任务提供较多的学习支持，个学习任务提供较多的学习支持，并逐渐减少该类别其他学习任务的学习支持并逐渐减少该类别其他学习任务的学习支持n同一类别的学习任务具有一定的变化性同一类别的学习任务具有一定的变化性4C/ID4C/ID模型的要素：支持性信息模型的要素：支持性信息n主要由智力模式、认知策略和认知反馈组成主要由智力模式、认知策略和认知反馈组成n学习者随时可以利用学习者随时可以利用n指向具体的任务类别指向具体的任务类别 支持性信息说明了某
9、个任务领域是如何组织的，并支持性信息说明了某个任务领域是如何组织的，并对任务的行为提供认知反馈对任务的行为提供认知反馈n支持非重复性技能的学习支持非重复性技能的学习4C/ID4C/ID模型的要素：程序性信息模型的要素：程序性信息n是重复性技能或实践性项目学习的必备条件是重复性技能或实践性项目学习的必备条件n由信息呈现、技能演示、实例和纠正性反馈组成由信息呈现、技能演示、实例和纠正性反馈组成n当学习者需要时呈现，在获得了专家型经验时迅速当学习者需要时呈现，在获得了专家型经验时迅速消失消失n指向具体的重复性技能指向具体的重复性技能程序性信息提供了完成任务的步骤说明程序性信息提供了完成任务的步骤说明
10、4C/ID4C/ID模型的要素：分任务练习模型的要素：分任务练习n为了达到所需的熟练水平，对重复性技能提供额外为了达到所需的熟练水平，对重复性技能提供额外的实践的实践n按一个个分任务来组织实践按一个个分任务来组织实践n基本的规则可以支持多种情境的实践项目基本的规则可以支持多种情境的实践项目n复杂的规则集可采用滚雪球的方式来组织复杂的规则集可采用滚雪球的方式来组织2.4C/ID2.4C/ID教学设计模型的实施步骤教学设计模型的实施步骤五、虚拟培训系统的结构五、虚拟培训系统的结构1.1.软件结构软件结构1.1.软件结构软件结构nOSG（Open Scene Graph）是一款开源的高性能）是一款开
11、源的高性能3D图图形开发库，它使用标准的形开发库，它使用标准的C+和和OpenGL编写而成，广编写而成，广泛应用于可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研发泛应用于可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研发以及建模等领域。以及建模等领域。nOpenGL（Open Graphics Library）是一个开放的三维图是一个开放的三维图形软件包，独立于操作系统，以它为基础开发的应用程序形软件包，独立于操作系统，以它为基础开发的应用程序可以方便地移植到各种平台。主要功能包括建模、变换、可以方便地移植到各种平台。主要功能包括建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射。颜色模式设置、光照和材质设置、
12、纹理映射。nOpenAL（Open Audio Library）是开源的跨平台音效是开源的跨平台音效API。1.1.软件结构软件结构nBullet Physics是一款开源的实时物理引擎，也是世界是一款开源的实时物理引擎，也是世界上三大物理模拟引擎之一（另外两种是上三大物理模拟引擎之一（另外两种是Havok和和PhysX）。物理引擎根据牛顿力学定律，计算）。物理引擎根据牛顿力学定律，计算VR环环境中物体的合理的物理位置，并将计算结果提供给渲境中物体的合理的物理位置，并将计算结果提供给渲染引擎，从而向使用者展示出真实性的渲染效果。染引擎，从而向使用者展示出真实性的渲染效果。nLib3ds是一个开
13、源的、用于读取是一个开源的、用于读取3ds格式三维模型的格式三维模型的标准类库。标准类库。2.2.功能结构功能结构2.2.功能结构功能结构n任务规划模块：依据学员特征和培训绩效产生合适的培任务规划模块：依据学员特征和培训绩效产生合适的培训任务方案训任务方案n绩效评价模块：自动监控和收集数据。它使用任务规划绩效评价模块：自动监控和收集数据。它使用任务规划模块的任务信息识别培训情境和更新学员模型。这个模模块的任务信息识别培训情境和更新学员模型。这个模块依据任务规划代理的请求产生培训任务，为教学模块块依据任务规划代理的请求产生培训任务，为教学模块提供建议或警告信息提供建议或警告信息n界面模块：理解和
14、整合学员不同模态的动作。界面模块界面模块：理解和整合学员不同模态的动作。界面模块包括语音和手势识别、文本处理等，负责接收和分析传包括语音和手势识别、文本处理等，负责接收和分析传感数据感数据2.2.功能结构功能结构n教学模块教学模块:从以上三个模块中持续地接收信息，提供从以上三个模块中持续地接收信息，提供即时的教学、提示和建议即时的教学、提示和建议u绩效评价模块的信息被用于与学员相关的建议或警告绩效评价模块的信息被用于与学员相关的建议或警告u任务规划模块的信息被用于识别培训过程的情境任务规划模块的信息被用于识别培训过程的情境u界面模块的信息被用于纠正学员的动作界面模块的信息被用于纠正学员的动作n
15、模拟模块：产生培训模拟模块：产生培训 在虚拟环境中，学员利用计算机产生的虚拟手操作在虚拟环境中，学员利用计算机产生的虚拟手操作图形对象和与之交互图形对象和与之交互六、国外典型的六、国外典型的虚拟培训系统开发案例虚拟培训系统开发案例1.1.超精密加工虚拟培训系统：功能超精密加工虚拟培训系统：功能1.1.超精密加工虚拟培训系统：框架结构超精密加工虚拟培训系统：框架结构1.1.超精密加工虚拟培训系统：控制面板超精密加工虚拟培训系统：控制面板 控制面板是用户与控制面板是用户与虚拟环境进行交互的界虚拟环境进行交互的界面，有按下按钮、选择面，有按下按钮、选择旋钮、屏幕显示区等。旋钮、屏幕显示区等。在培训过
16、程中，用在培训过程中，用户可以调整和控制这些户可以调整和控制这些按钮，进行虚拟加工活按钮，进行虚拟加工活动。数控编程、刀具和动。数控编程、刀具和工件的设置，也可以通工件的设置，也可以通过此控制面板完成。过此控制面板完成。数控机床的轴位和数控机床的轴位和设置状态可反馈到控制设置状态可反馈到控制面板。面板。1.1.超精密加工虚拟培训系统：信息模块超精密加工虚拟培训系统：信息模块该模块包括数据缓冲区和内部数据库两个子模块：该模块包括数据缓冲区和内部数据库两个子模块：n数据缓冲区是一个动态数据库，主要包括虚拟设备动数据缓冲区是一个动态数据库，主要包括虚拟设备动作场景的实时更新数据作场景的实时更新数据n
17、内部数据库由刀具信息库、机器特征、工件信息、材内部数据库由刀具信息库、机器特征、工件信息、材料、机器安装参数等组成料、机器安装参数等组成1.1.超精密加工虚拟培训系统：事件处理模块超精密加工虚拟培训系统：事件处理模块 事件处理模块用于处理用户对控制面板的的操作，用事件处理模块用于处理用户对控制面板的的操作，用户对控制面板上的每个操作，都可以作为一个事件来处理。户对控制面板上的每个操作，都可以作为一个事件来处理。1.1.超精密加工虚拟培训系统：虚拟对象及建超精密加工虚拟培训系统：虚拟对象及建模模n虚拟对象包括虚拟对象包括虚拟超精密设虚拟超精密设备和表面测量备和表面测量虚拟检测设备虚拟检测设备n虚
18、拟对象的建虚拟对象的建模，可以按照模，可以按照真实设备的规真实设备的规格，例如结构格，例如结构和几何尺寸来和几何尺寸来进行进行1.1.超精密加工虚拟培训系统：虚拟对象及建超精密加工虚拟培训系统：虚拟对象及建模模nSTEPSTEP（STandard Exchange of Product data modelSTandard Exchange of Product data model，产品数据模型交换标准产品数据模型交换标准）是国际标准化组织制定的描述是国际标准化组织制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准。整个产品生命周期内产品信息的标准。数据模型包括通用集成资源、应用集成资源、应用协议数
19、据模型包括通用集成资源、应用集成资源、应用协议工具包括描述方法、实现方法、一致性测试方法和抽象工具包括描述方法、实现方法、一致性测试方法和抽象测试套件测试套件nSTEP STEP 标准划分为两部分：标准划分为两部分：STEPSTEP标准的数据模型和工具。标准的数据模型和工具。1.1.超精密加工虚拟培训系统：开发技术超精密加工虚拟培训系统：开发技术 采用采用Visual C、ProE和和OpenGL开发开发nOpenGL可处理动画序列创建、实体模型对象连接、场可处理动画序列创建、实体模型对象连接、场景的虚拟对象交互等。景的虚拟对象交互等。OpenGL相关的图形支持库用于相关的图形支持库用于创作对
20、象的层次结构、细节，为对象添加色彩、材质和创作对象的层次结构、细节，为对象添加色彩、材质和纹理。纹理。n在一台计算机上采用双显示器，一个显示控制面板，在一台计算机上采用双显示器，一个显示控制面板，一个做模拟用。一个做模拟用。2.2.危险环境的虚拟培训系统：石化领域危险环境的虚拟培训系统：石化领域n场景模拟：在图形工作站上运行，并为用户建立整场景模拟：在图形工作站上运行，并为用户建立整个培训场景。它也处理学员与场景对象之间的交互，个培训场景。它也处理学员与场景对象之间的交互，如开关、控制杆、工具等。由于每个头部运动都被如开关、控制杆、工具等。由于每个头部运动都被跟踪，应用程序能根据学员的角度和方
21、向，生成每跟踪，应用程序能根据学员的角度和方向，生成每次移动的新图像，建立身临其境的效果。次移动的新图像，建立身临其境的效果。n培训应用：培训者可以观察整个训练过程，控制场培训应用：培训者可以观察整个训练过程，控制场景的任一部分，对学员的行动做出反应。此外，它景的任一部分，对学员的行动做出反应。此外，它允许管理学员的数据库中的训练进度，从而制定个允许管理学员的数据库中的训练进度，从而制定个性化培训。性化培训。2.2.危险环境的虚拟培训系统：石化领域危险环境的虚拟培训系统：石化领域主要模块主要模块n模拟（学员模块）：应用程序的主要部分，并在图形工作模拟（学员模块）：应用程序的主要部分，并在图形工
22、作站上运行，主要负责视觉显示和用户输入（追踪）站上运行，主要负责视觉显示和用户输入（追踪）n培训者控制中心：在培训者控制中心：在PC上运行的上运行的Java应用程序，可由培训应用程序，可由培训者控制场景，并对者控制场景，并对VR世界中发生的事件做出响应世界中发生的事件做出响应n音效服务器：基于消费者音效服务器：基于消费者3D音效卡的音效卡的DirectX应用程序，应用程序，能根据学员的位置和方向产生能根据学员的位置和方向产生3D音效音效n服务器，它控制液压平台服务器，它控制液压平台2.2.危险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统2.2.危险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统2.2.危
23、险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统创作工具的结构创作工具的结构2.2.危险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统库库存储着场景描述的所有对象，它包含：存储着场景描述的所有对象，它包含：n图形组件：虚拟世界的图形对象图形组件：虚拟世界的图形对象n逻辑组件：如逻辑组件：如AND,OR,NOT，允许不同对象的连接，允许不同对象的连接n数学组件：如开方、求幂等数学组件：如开方、求幂等n触发组件：由事件源产生触发组件：由事件源产生n属性组件：描述对象的行为，如可点击、可移动属性组件：描述对象的行为，如可点击、可移动n复合性组件：由更基本的组件组成复合性组件：由更基本的组件组成2.2.危险环境的
24、虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统库管理器库管理器所有的编辑器不直接访问库中的对象，而是通过库管所有的编辑器不直接访问库中的对象，而是通过库管理器来进行，确保对象的统一管理和共享。理器来进行，确保对象的统一管理和共享。2.2.危险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统编辑器编辑器 在建模虚拟世界时，不是一个工具来生成一个虚拟在建模虚拟世界时，不是一个工具来生成一个虚拟的环境，而是五种编辑器相结合：的环境，而是五种编辑器相结合：n场景编辑器：放置对象建立新的场景场景编辑器：放置对象建立新的场景n从属编辑器：定义对象的依赖关系从属编辑器：定义对象的依赖关系n空间编辑器：定义步行和非步行区空间编辑
25、器：定义步行和非步行区n培训者培训者GUI编辑器：创建图形用户界面及功能编辑器：创建图形用户界面及功能n库编辑器：以树形控件的方式可视化复合对象库编辑器：以树形控件的方式可视化复合对象2.2.危险环境的虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统场景描述文件场景描述文件n所有部件的描述都通过所有部件的描述都通过 VRML97定义，帮助用户管理定义，帮助用户管理场景的复杂性场景的复杂性n场景描述文件描述了真实情境的对象及其属性。从这场景描述文件描述了真实情境的对象及其属性。从这些文件开始，我们的系统生成虚拟世界，包括模拟和些文件开始，我们的系统生成虚拟世界，包括模拟和培训者模块培训者模块2.2.危险环境的
26、虚拟培训系统危险环境的虚拟培训系统数据结构数据结构元场景图元场景图图形库场景图图形库场景图niVRML 是一种开发沉浸性体验的通用框架，它采用是一种开发沉浸性体验的通用框架，它采用VRML/X3D标准标准niVRML的主要功能的主要功能3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRMLu根据根据3DOF传感器的输出不断改变视点方向传感器的输出不断改变视点方向u根据根据6DOF传感器和数据手套的输出驱动虚拟手传感器和数据手套的输出驱动虚拟手u检测、响应用户控制的对象与其他场景对象之间的碰撞检测、响应用户控制的对象与其他场景对象之间的碰撞nVRML是一种描述交互式三维图形内容
27、的语言，既是一种描述交互式三维图形内容的语言，既可用于单机环境，也可用于可用于单机环境，也可用于Web3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRML3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRMLn打开打开VRML文件文件n激活并设定激活并设定VR装置装置n连接虚拟现实设备的连接虚拟现实设备的数据到数据到VRML实体（如实体（如3DOF传感器到一个视传感器到一个视点）点）niVRML的特殊功能支的特殊功能支持，如对象到对象的碰持，如对象到对象的碰撞检测，文本到语音，撞检测，文本到语音，定位音频和环境的声音定位音频和环境的声音效果（如混响）效果（
28、如混响）iVRML用户界面用户界面3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRMLLanguage abstract diagram designed to define a tutorial用户学习如何揭掉飞机发动机的金属盖用户学习如何揭掉飞机发动机的金属盖3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRML 拧下螺栓（用拧下螺栓（用“手指螺丝刀手指螺丝刀”）移走绿管：屏幕显示告诉用户移走绿管：屏幕显示告诉用户“把管子移到旁边把管子移到旁边”。3.3.拆装虚拟培训系统：基于拆装虚拟培训系统：基于iVRMLiVRMLThank you for your attention!Thank you for your attention!联系方式联系方式天津市河西区大沽南路 1310号天津职业技术师范大学 信息技术工程学院邮编：300222电话：13920324267 022-88181065Email：此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!