基于触觉反馈的沉浸式虚拟仿真资源设计与研究

摘要

随着虚拟仿真技术的不断进步和相关软硬件的逐渐成熟，由虚拟仿真技术所创造的学习资源具有环境、物理和行为的真实感，能突破时空限制、不受场地和设备等客观条件的制约，无限重复操作直至达到理想效果，可有效解决当前实验、实践和实习等教学环节中所面临的众多困难。然而，当前虚拟仿真资源在应用过程中也存在着长时间学习会引起不适、缺乏高维度的交互与信息反馈、学习者缺乏自主探究的主动性等问题。因此，急需探索一种既能构建高沉浸舒适感的仿真环境，又能考虑学习者的行为和感受的解决方案。
　　本文从沉浸舒适感、触觉交互反馈的多样性与真实性以及交互行为分析方面入手，将触觉反馈交互融入到虚拟仿真资源中，设计一种基于触觉反馈的沉浸式虚拟仿真资源的方案，协助学生提高在虚拟仿真环境中的自主探索、高效学习的能力。本文的主要研究内容如下:
　　(1)分析虚拟仿真资源在沉浸感、交互性等方面的不足，结合立体显示与触觉反馈，确定基于触觉反馈的沉浸式虚拟仿真资源的指导理论、设计流程。
　　(2)阐述沉浸式虚拟仿真资源的关键技术，依据感知物体的深度信息定义视差类型，根据最佳立体感舒适区范围完成场景布设;基于振动式触觉再现技术，设计一种触觉交互和反馈模型;为了提高场景渲染与碰撞检测效率，探究交互过程中场景优化的方法。
　　(3)针对仿真资源中触觉交互行为的分类，使用关键事件分割整个交互过程，然后描述触觉交互的类型及交互过程中系统状态变化。通过采集关键交互事件点的交互数据，整理、归纳交互行为分析评价要素，构建评价模型并分析学习者的学习行为、过程与效果，为学习者、指导者和开发者提供较为全面的结果反馈。
　　(4)以《中学生物实验》中“种子萌发实验”为例构建虚拟仿真资源，根据实验需求完成场景搭建、触觉交互设计与开发，使用问卷调查法对实验系统开展评价工作，结果表明将触觉交互设计方法运用到虚拟仿真资源是有效、可行的，能协助学生在虚拟仿真环境中开展自主探索、高效学习。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状综述

1．3 研究内容与主要工作

1．4 论文组织结构

第2章 相关理论和技术基础

2．1 沉浸式虚拟仿真资源

2．1．1 沉浸式虚拟仿真资源的总体设计

2．1．2 沉浸式虚拟仿真环境的生成原理

2．2 触觉反馈

2．2．1 触觉反馈的工作原理

2．2．2 触觉反馈的表现形式

2．3 基于触觉反馈的沉浸式虚拟仿真资源

2．3．1 资源的设计流程

2．3．2 基于触觉反馈的交互行为分析

2．4 本章小结

第3章 沉浸式虚拟仿真资源设计

3．1 沉浸式虚拟仿真环境的设计

3．1．1 视差类型

3．1．2 虚拟场景布设

3．2 触觉交互设计和反馈模型构建

3．2．1 交互形式设计

3．2．2 触觉反馈及力反馈模型

3．3 场景优化

3．3．1 包围盒的生成

3．3．2 动态碰撞模型优化

3．4 本章小结

第4章 触觉交互行为分析

4．1 基于关键事件的触觉交互行为设计

4．1．1 触觉交互行为关键点的设计

4．1．2 触觉交互过程

4．2 触觉交互行为数据采集

4．2．1 行为描述

4．2．2 交互行为数据采集

4．3 触觉交互行为分析

4．3．1 触觉交互行为分析模型

4．3．2 交互行为分析

4．4 本章小结

第5章 虚拟仿真资源的实现—以生物种子萌发实验为例

5．1 生物种子萌发实验的简介

5．1．1 需求分析

5．1．2 功能分析

5．2 实验的设计与实现

5．2．1 总体设计

5．2．2 场景内容设计

5．2．3 场景内容实现

5．3 交互行为分析与讨论

5．3．1 研究样本和数据的预处理

5．3．2 分析与讨论

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间个人成果

致谢