一、教材的基本信息
1.适用对象
本教材适用于数字艺术相关专业的高校学生以及希望学习和掌握虚拟现实技术的读者。
2.需要具备的知识和能力基础
本教材讲授虚拟现实技术的基础理论知识,并提供大量生动的实际案例。教材适用于虚拟现实技术的初学者及希望了解此专业的初级设计师,并期望改进设计流程或增强设计能力的相关人员。使用本教材的学生,需具备计算机基础操作能力,掌握Unity软件,并具备一定的编程能力,具有熟练运用与整合相关学科知识的能力。
通过本课程的学习,使学生理解并掌握虚拟现实技术基础知识和相关行业规范,设计出符合行业标准的交互性作品。学生熟练运用相关专业知识提出问题、分析问题、解决问题,运用相关工具制作虚拟现实作品。培养学生全方位思维能力和系统宏观思考能力及实际动手操作能力。同时,培养学生严谨的学习态度。
3.教学总体目标
通过学习本门课程,将为《虚拟现实开发实训》《数字媒体技术综合实训》等后续课程奠定学习基础,掌握不同平台、不同内容的交互应用与创新,并且培养学生达成3个方面的TOPCARES能力指标,分别为个人素质、理论知识和专业技能方面:
从个人素质方面,要求学生具备实事求是、诚实守信的学习态度和行为习惯。
从理论知识方面,培养学生掌握专业基础知识和交叉学科相关基础知识,并将其合理运用的能力。
从专业技能方面,使学生掌握行业规范及设计流程。培养学生全方位思考的能力和分析、解决问题的能力,最终设计出实现设定目标的项目作品。
4.教材编写团队
本教材由数字媒体技术系专业教师和企业工程师共同编写,其中本教材内容的编写及统稿是由姜涛老师负责,刚家林老师负责教材的总体规划及逻辑梳理,陈彦廷老师和李国庆高级工程师负责VRTK部分和项目实践部分内容的编写,李国庆为我系校企合作单位大连斗牛科技有限公司高级工程师,与专业教师一起负责企业项目引进和转化。王进成老师负责项目里的程序调试,张丽榕老师、姚一博老师负责项目里的场景模型制作。
该教材的编写团队在教学和实践过程中不断总结与创新,结合TOPCARES相关理念,明确以实际项目为出发点,以企业工作流程为依据,严格控制项目质量及制作规范,这样才能使编写的教材与行业标准相接轨,培养的人才与企业需求相对接。
二、教材的基本结构与内容组织
1.教材的基本结构
本教材以TOPCARES教学理念为指导,通过实际案例教学,使学生了解理论知识的运用和行业发展。教材以虚拟现实的开发方法为讲授内容,以设计虚拟现实产品为目标导向,通过实际项目教学,使学生掌握虚拟现实产品的设计开发流程,更好地设计有实际应用价值的产品。
本教材分为以下7个部分:
第1章虚拟现实技术概述,介绍了虚拟现实技术的起源、基本概念和相关的软、硬件知识,同时介绍相关交叉学科的知识理论。
第2章HTC Vive详解,主要介绍HTC Vive的基础理论、安装步骤及使用方法。
第3章SteamVR详解,主要介绍SteamVR和Vive Input的相关理论知识及使用方法。
第4章VRTK基础,主要介绍VRTK的基础概念、基本组件及使用方法。
第5章VRTK进阶,主要介绍VRTK高级组件及使用方法。
第6章VRTK范例项目,主要介绍VRTK各种组件和技术在案例项目中的运用。
第7章虚拟房产项目,主要介绍制作虚拟现实项目的流程、要点和方法。
附录:常用工具基础,介绍案例中的工具,即Unity的基本使用方法。
2.教材的内容组织
本教材从技术的原理出发,同时关注技术的具体应用,以示例、实例和项目的形式对各知识点详细讲解,并致力于将知识点融入实际项目的开发中。本教材采用虚拟房产项目,作为整本教材的牵引,分成不同章节讲解虚拟现实技术项目开发所需的各种工具和技术。通过贯穿项目以点连线、多线成面,使读者能够快速理解并掌握各项重点知识,全面提高分析问题、解决问题及动手编码的能力。
第1章虚拟现实技术概述1
1.1虚拟现实技术概念及其发展史1
1.2制作虚拟现实项目的软件3
1.2.1Unity3D3
1.2.2虚幻引擎44
1.3制作虚拟现实项目的硬件5
1.3.1Oculus Rift5
1.3.2HTC Vive6
1.3.3Gear VR7
1.3.4Project Morpheus7
1.3.5TOS+7
1.3.6暴风魔镜8
1.4虚拟现实体验的四个要素8
1.4.1虚拟世界8
1.4.2沉浸9
1.4.3触觉反馈9
1.4.4交互性10
1.5虚拟现实的核心技术10
1.5.1实时三维计算机技术10
1.5.2立体显示技术12
1.5.3跟踪技术12
1.5.4触觉反馈技术13
1.5.5立体声技术15
1.5.6语音输入输出16
1.6虚拟现实的应用18
1.6.1游戏18
1.6.2医学19
1.6.3军事训练21
1.6.4室内设计22
1.6.5教育23
1.6.6影视24
1.7虚拟现实的五大障碍25
课后习题26
1.8项目扩展27
第2章HTC Vive详解28
2.1HTC Vive硬件28
2.1.1HTC Vive头盔本体29
2.1.2HTC Vive的控制杆33
2.1.3HTC Vive的红外激光灯塔34
2.2HTC Vive的Lighthouse工作原理35
2.3HTC Vive的安装与调试38
2.3.1下载安装驱动38
2.3.2安装HTC Vive40
2.3.3HTC Vive设备状态说明44
2.4视景技术44
2.4.1视景生成与三维建模基础45
2.4.2从三维空间到二维平面45
2.4.3坐标系统46
2.4.4三维建模基本内容47
2.4.5纹理映射技术49
2.4.6模型对象实例化50
2.4.7LOD技术50
课后习题52
2.5项目扩展53
第3章SteamVR详解54
3.1SteamVR Plugin概述54
3.1.1SteamVR Plugin介绍54
3.1.2SteamVR Plugin主要脚本介绍56
3.2Vive Input概述58
3.2.1Vive Input介绍58
3.2.2API详解61
3.3基础类虚拟现实项目设计案例162
3.3.1手柄输入输出项目简介63
3.3.2手柄输入输出项目构思63
3.3.3手柄输入输出项目设计63
3.3.4手柄输入输出项目实施64
3.3.5手柄输入输出项目运行66
3.4基础类虚拟现实项目设计案例266
3.4.1摄像机移动项目简介66
3.4.2摄像机移动项目构思67
3.4.3摄像机移动项目设计67
3.4.4摄像机移动项目实施67
3.4.5摄像机移动项目运行69
3.5交互类虚拟现实项目设计案例169
3.5.1UI交互项目简介70
3.5.2UI交互项目构思70
3.5.3UI交互项目设计70
3.5.4UI交互项目实施71
3.5.5UI交互项目运行74
3.6交互类虚拟现实项目设计案例274
3.6.1拖拽物体项目简介74
3.6.2拖拽物体项目构思75
3.6.3拖拽物体项目设计75
3.6.4拖拽物体项目实施75
3.6.5拖拽物体项目运行76
3.7交互类虚拟现实项目设计案例377
3.7.1瞬间移动项目简介77
3.7.2瞬间移动项目构思77
3.7.3瞬间移动项目设计78
3.7.4瞬间移动项目实施78
3.7.5瞬间移动项目运行81
3.8交互类虚拟现实项目设计案例482
3.8.1拾取和碰触项目简介82
3.8.2拾取和碰触项目构思82
3.8.3拾取和碰触项目设计82
3.8.4拾取和碰触项目实施82
3.8.5拾取和碰触项目运行85
课后习题85
3.9项目扩展85
第4章VRTK基础89
4.1VRTK插件介绍与安装配置89
4.1.1VRTK插件简介89
4.1.2VRTK插件的安装和配置90
4.2VRTK基础交互93
4.2.1主摄像机的建立93
4.2.2调节模拟主摄像机移动速度95
4.2.3输入动作的介绍97
4.2.4通过VRTK实现移动102
4.2.5通过VRTK实现瞬移106
4.3通过VRTK插件实现与物体互动114
4.3.1实现抓握与投掷物体114
4.3.2实现双手抓握物体119
课后习题123
4.4项目扩展123
第5章VRTK进阶124
5.1VRTK关节124
5.1.1通过关节实现开门交互124
5.1.2通过关节实现抽屉交互126
5.1.3实现使用物体128
5.1.4其他互动介绍133
5.1.5VRTK UI133
课后习题139
5.2项目扩展139
第6章VRTK范例项目140
6.1VRTK范例工程简介140
6.2实现手枪的互动146
6.3实现霰弹枪的互动156
6.4实现开关仓库门162
6.5实现弓箭166
6.6苹果树和吃苹果效果171
课后习题178
6.7项目扩展178
第7章虚拟房产项目179
7.1虚拟现实项目开发流程179
7.1.1虚拟现实项目制作所需资料180
7.1.2虚拟现实项目制作时间节点表180
7.1.3虚拟现实模型制作规范181
7.2虚拟房产项目简介183
7.3虚拟房产——瞬移184
7.4虚拟房产——开关门186
7.5虚拟房产——替换家具外观187
课后习题191
7.6项目扩展191
附录AUnity3D快速入门193
A.1基础知识193
A.1.1Unity工具栏194
A.1.2Unity菜单栏195
附录B学习知识要点及能力要点213
B.1教材的知识要点及掌握程度213
B.2教材的能力要点及重要程度214
参考文献215
2016年6月,中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员,这是中国工程教育国际化进程的重要里程碑。“回归工程”、培养学生的“大工程观”是当今国际工程教育的主流理念。《华盛顿协议》对毕业生提出的12条素质要求中,不仅要求工程知识、工程能力,还强调通用能力和品德伦理;在实践上,以学生为中心,以产出为导向,注重对目标达成的支撑及持续改进,与CDIO工程教育实质等效。
CDIO工程教育是近年来国际工程教育改革的最新成果,以“预期学习结果”集合来驱动课程内容、教学方法、教育文化的设计,重视营造工程教育文化,其注重工程能力培养和基于工程项目全生命周期的一体化设计思想,对于国内工程类和相关专业的建设具有重要的实施价值。
作为承载了教学改革思想的载体,融入CDIO工程教育理念的高品质教材,东软CDIO工程教育教材在注重理实结合的同时,也注重对学生八大能力的培养,即:技术知识与推理能力,开放式思维与创新,个人职业能力,沟通表达与团队合作,态度与习惯,责任,价值观,实践构思、设计、实现和运行对社会的贡献。
CDIO工程教育教材是 CDIO教育教学改革在教学实施过程中的集中体现,它不仅承载着课程和项目的教学内容,而且贯穿和体现了CDIO工程教育的理念、思想与方法,是在系统化理论的指导下,将知识、能力、素质培养进行一体化设计,有机融合在教材体系中。教材的编写以能力培养为主线,以案例教学为引导,以项目为载体,充分体现“做中学”和“学中做”的思想,具有以下优势:
(1)以能力培养为主线,培养学生专业知识学习能力和工程实践能力。
(2)以案例为驱动,在做案例的过程中学习新知识,充分体现了“做中学”。
(3)以项目为载体,基于工程化教育方法,按照分析、设计、实施、运行展开项目及知识点的讲解。
(4)围绕专业知识结构和能力体系设计教材,实现同一专业下不同教材紧密的关联性。
(5)内容编排循序渐进,符合人的认知规律。
(6)适应柔性化教学变革,构建一体化、立体化教学资源。
CDIO工程教育教材可供以应用型人才为培养目标的高等院校以及职业培训机构作为教材使用。
目前,CDIO工程教育教材的建设还处于探索阶段,是一项创造性的工作,尚需要通过改革的实践不断加以深化和持续改进,任重而道远。