Transcript lecture1-网络虚拟环境概述-概念、应用与典型系统 .ppt

Networked Virtual Environment and Computer Application
网络虚拟环境与计算机应用
网络虚拟环境概述
deeper
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NVE and Computer Application
课程内容组织
网络虚拟环境概述



NVE的概念、特征，以及内涵
在各个领域里面的应用
发展历史，以及经典的网络虚拟环境实例
构建NVE的支撑技术
互联网技术
网络基础知识
互联网发展历程，重要技术和应用
Web技术，历程与应用（web2.0&3.0)
网络虚拟环境中的计算机科学问题
结合NVE介绍密切相关的计算机学科和
方向的结合应用
 智能技术：经典人工智能、机
器学习、人工生命、群体智慧
 社交网络与大数据、数据挖掘
 情感计算
构建NVE的经典算法和问题如局时钟、
运动预测算法，Chatbot等
学术型经典NVE和一个NVE实例构建
虚拟现实技术
VR概述，发展历史，应用
人机交互与虚拟现实设备
三维建模与编程（Web3D技术）
网络虚拟环境中的人文问题
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NVE的相关影视文学探讨
相关心理学问题
生理学问题
NVE中的社会化问题
哲学问题
虚拟经济
法律问题
NVE与政治民主
NVE and Computer Application
课程内容组织
网络虚拟环境概述



概念，特征，以及相关知识
在各个领域里面的应用实例
几个典型的网络虚拟环境介绍
网络,Internet,Web
虚拟现实技术
网络以及Internet基础知识
Web以及发展
网络虚拟环境中的科学问题和关键技术
概述，应用
网络虚拟现实技术VRML
网络虚拟环境中的人文问题
人工智能
心理学问题如如网瘾
群体智慧
生理学问题
社交网络与数据挖掘
哲学问题
情感计算
虚拟经济
同步问题如全局时钟、运动预测算法等
法律问题
Chatbot
…
其他典型问题的算法
…
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网络虚拟环境概述



NVE的概念、特征，以及内涵
在各个领域里面的应用
发展历史，以及经典的网络虚拟环境实例
互联网技术
网络基础知识
互联网发展历程，重要技术和应用
Web技术，历程与应用（web2.0&3.0)
网络虚拟环境中的计算机科学问题
结合NVE介绍密切相关的计算机学科和
方向的结合应用
 智能技术：经典人工智能、机
器学习、人工生命、群体智慧
 社交网络与大数据、数据挖掘
 情感计算
构建NVE的经典算法和问题如局时钟、
运动预测算法，Chatbot等
学术型经典NVE和一个NVE实例构建
虚拟现实技术
VR概述，发展历史，应用
人机交互与虚拟现实设备
三维建模与编程（Web3D技术）
网络虚拟环境中的人文问题
NVE的相关影视文学探讨
相关心理学问题
生理学问题
NVE中的社会化问题
哲学问题
虚拟经济
法律问题
NVE与政治民主
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网络虚拟环境概述



NVE的概念、特征，以及内涵
在各个领域里面的应用
发展历史，以及经典的网络虚拟环境实例
互联网技术
网络基础知识
互联网发展历程，重要技术和应用
Web技术，历程与应用（web2.0&3.0)
网络虚拟环境中的计算机科学问题
结合NVE介绍密切相关的计算机方向
 智能技术：经典人工智能、机
器学习、人工生命、群体智慧
 社交网络与大数据、数据挖掘
 情感计算
构建NVE的经典算法和问题如局时钟、
运动预测算法等
学术型经典NVE和一个NVE实例构建
虚拟现实技术
VR概述，发展历史，应用
人机交互与虚拟现实设备
三维建模与编程（Web3D技术）
网络虚拟环境中的人文问题
NVE的相关影视文学探讨
相关心理学问题
生理学问题
NVE中的社会化问题
哲学问题
虚拟经济
法律问题
NVE与政治民主
NVE and Computer Application
NVE概述
-
网络虚拟环境（Networked Virtual Environment)
 狭义：利用计算机构造的一个真实世界的模拟，地理上分布的用户可以通
过网络共享该环境，并与周围的环境以及在相互之间进行交互。
 广义： 一个通过人的认知、想象、思维等仿真和映射真实社会以及其中
人的身份、思想等内容的空间。甚至可以和真实世界进行相互影响。
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NVE概述
 网络虚拟环境（狭义）必须具有以下功能：
-
能很好的可视模拟真实世界：三维模拟构造真实世界；支持多媒
体内容；通过硬件给用户触觉等真实感受。
 漫游（walkthrough）
在虚拟校园里漫游
-
数据共享： 该环境中的数据可以在一定规则下被进入的用户共享。
用户应该看到的是一个统一的视图。因为用户使用的系统可能是异构
的，所以该系统应该具有平台独立性。
 DVE系统必须支持系统中多个用户、信息对象（实体）之间通过消
息传递实现的交互
 每个加入虚拟环境的计算机上都有一些“实体”，即虚拟环境的人
或物，“实体”通过发送“更新消息”交换彼此的瞬间状态。
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NVE概述
 网络虚拟环境必须具有以下功能：
-
交互性：用户能通过一定的输入设备与环境和其他用户进行交互。
 利用新型的虚拟现实设备
 每个用户在计算机环境中都以替身(Avatar)形式出现
 用户之间除可以交互说话外，还可以和其他计算机仿真的虚拟生物
及对象进行交互，对象还可以做出反应
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NVE概述
 NVE的特点
-
多感知性（Multi-Sensory）
浸没感（Immersion）
交互性（Interactivity）
 用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、
眼动、手势等其他人体的动作
-
构想性 （Imagination）
 借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以
全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信 息
向左转，向右转
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虚拟与真实
缸中的大脑
这个实验的核心思想是让人们质疑自身经历的本
质，并思考作为一个人的真正意义是什么
《Meditations on the First Philosophy》
提出了能否证明他所有的感官体验都是他
自己的，而不是由某个“邪恶的魔鬼”产
生的这样的疑问
我思故我在
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虚拟与真实
弯曲的鱼缸
托勒密的宇宙模型图
霍金：“我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在
图像？……金鱼的实在图像与我们的不同，然而我们能
肯定它比我们的更不真实吗？”
不存在与图像或者理论无关的实在概念。
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虚拟与真实
拉普拉斯的科学决定论
薛定锷的猫
量子力学的观点，宇宙也遵守严格准确的数学形
式演化，不过那形式所决定的只是未来发生的几
率-而不是说未来一定会发生什么。
与机器的自然图景相联系的、关于宇宙的过程可
以在一个简单的数学方程式中表现出来的理论。
宇宙像时钟那样运行，某一时刻宇宙的完整信息
能够决定它在未来和过去任意时刻的状态。
我永远不相信上帝在掷骰子
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NVE概述
 新一代人机界面的需求
-
人机界面的发展历程
 命令行界面 （Command Line Interface, CLI）
 图 形 用 户 界 面 (GUI) WIMP 界 面 范 式 ， 即 以 窗 口 （ Window ） 、 图 标
（Icon）、菜单（Menu）和鼠标等指点装置（Pointing Device）为基础
的用户界面设计技术
如同人们现在已经几乎抛弃了纯文
本界面一样,什么时候人们也将厌
恶了去学习如何操作电脑
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NVE概述
-
人机界面发展趋势（分布式智能虚拟环境所具有的内涵 ）
 网络化用户界面：NUI（网络用户界面）
- 全球范围内容量为T级的资源共享
- 远程访问和操作
- 方便了用户之间的通讯
 人机界面的人性化与智能化
- 信息的智能搜索
- 人机界面的拟人化
 多通道交互与虚拟现实技术
- 三维空间取代二维屏幕，避免了窗口层叠，解决了“小屏幕”缺陷
- 将比特空间和原子空间的相似度模拟为最大
- 极其自然的交互方式：用户可以采用日常生活中自直接、最习惯的方式
来操纵物体 ；同时，用户可以得到逼真的多通道的信息反馈
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NVE概述
 更好的人机界面
 虚拟现实（三维）操作系统
3DNA
Desktop
微软的智能触控桌面: Microsoft Surface
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NVE概述
 更好的人机界面
-
平板电脑&电子书阅读器
亚马逊kindle
Apple IPad
Google chrome
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NVE概述
 更好的人机界面
智能手表
google glass
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NVE概述
 未来我们将如何表达和交互
自然方式人机交互
增强虚拟现实
电子书与报纸
物联网
生物特征识别
RFID
基于地理位置的系统
设备间无缝连接
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NVE的应用
 NVE的应用
-
军事航空
SIMNET&DIS
 提高军队训练质量
1988年，美国国防部的先进研究计划署（ARRPA）就备
 缩短武器装备的研制周期
Simnet ，这是一个连机网络，它将分布在世界各地的200
 提高指挥决策能力
多个模拟舱连接在一个实时的虚拟环境中。它可以连接
各种各样的飞行器和车辆模拟器，Simnet被称为近战战
术训练器（CCTT）。分布式交互标准（DIS）支持近战
战术训练器技术，它是为了通过网络将虚拟现实数据传
送给各种类型的模拟器而建立的一种协议,使得模拟坦克、
装甲车、直升飞机、喷气式飞机的各种都可以共用同一
个虚拟空间。可以用于单兵模拟训练与评判、各军种联
合虚拟演习、指挥员训练。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
军事航空
1995年8-9月，当北约部队对波黑塞军进行大规模空中打击时，
美军就利用先进的计算机技术，将高分辨率卫星图像与波黑战
场数字地图相结合，产生出一种逼真的战场模拟环境。这种具
有虚拟现实功能的航空兵作战模拟系统使美国空军只需出动原
定飞行架次的50%就可以摧毁预定目标。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
军事航空
美国航天局NASA（National Aeronautics and
space Administration）在“哈勃太空望远镜
修复和维护”计划的仿真训练中就使用了
VR技术。在训练中，宇航员坐在一个模拟
“载人操纵飞行器”功能 并带有传感装置
的椅子上航员头戴立体头盔显示器，用于
显示望远镜、航天飞机以及太空的模型，
并用数据手套通过虚拟手接触黄色的操纵
杆来抓住需要更换的“模块更换仪”
（Modular Replacement Instruments：MRI）。
经过该VR系统的训练，宇航员成功地完成
了将哈勃太空望远镜上损坏的MRI用从航天
飞机中 取出的备件进行更换这一极其复杂
而又费时的任务。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
军事航空
美国爱荷华州立大学的“C6”是一个美国空军最新开发的虚拟现实
项目，不但首次提供了六方沉浸体验，还开创性地达到了1亿像素
级别显示效果。C6系统事实上就是一个10×10×10英尺的房间，
由一套惠普计算机集丛提供动力，其内部装有96块NVIDIA
Quadro专业显卡、24部索尼SRX-S105 SXRD数字投影仪、8声道
音频系统，并支持超音速动作捕获技术。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
-
军事训练
DVENET
 863计划的资助 , 1996 ->2000
 可支持一定规模武器平台级的多兵种战术训练和演练
 北京航空航天大学计算机系
国防科技大学
装甲兵工程学院
中科院软件所
浙江大学
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NVE的应用
-
NVE的应用
 教育与培训（虚拟教师交互式学习）
INVITE: Intelligent Distributed Virtual Training
Environment project
其他类似项目：pedagogical agent Steve; JackMOO
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NVE的应用
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NVE的应用
 教育与培训（协同式远程学习，Distance e-Leaning)
IBM第2人生培训中心
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NVE的应用
-
NVE的应用
 教育与培训（虚拟实验)
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NVE的应用
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NVE的应用
 教育与培训 (直观演示)
Sun elearning
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NVE的应用
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NVE的应用
 教育与培训 (残疾人辅助)
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NVE的应用
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NVE的应用
 教育与培训（情景式学习）
乌龙学院
唯智学园
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NVE的应用
 NVE的应用
-
在医学中的应用
 虚拟外科手术训练与预演
•CS Tseng 等开发的基于微机的具有力反馈功能的腹部手术模拟器：
•S. Cotin等开发的介入式心脏外科手术训练系统；
•C.Baur等人的基于虚拟现实和力反馈的内窥手术模拟器
•M.Downes等人的用于训练腹部 手术关键技术的虚拟环境；
•A.D. McCarthy等人用于膝关节手术训练的虚拟环境等。
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•…
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NVE的应用
 NVE的应用
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在医学中的应用
 在手术过程中提供操作和信息上的辅助
用于医学方面的虚拟现实应用程序可以将由CAT（计算机轴向
层析X射线摄影）或MRI（磁共振成像）生成的二维图像与体
视图像组合起来，然后用立体眼镜观察，医生可以用这种技术
进行诊断，而不必进行一些侵入性的医疗步骤。
 复杂手术过程的规划
虚拟现实技术可用病人的实际数据产生虚拟图像，在计算
机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行
手术预演，以合理、定量制的制定手术方案。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
在医学中的应用
 新型药物的研制
虚拟仿真器允许研究人员测试各种新药物的特性，北卡罗来那
大学使用的Grope III 虚拟仿真器，它可以使研究人员看到或感
受到一种药物分子是如何与其他生物化学物质相互作用的，这
些先进的仪器和技术大大加速了用于各种疾病的药物开发过程。
 模拟预测手术结果（整形外科领域）
 模拟环境治疗幽闭恐怖症等
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 NVE的应用
-
在医学中的应用
 远距离遥控外科手术
美国辛辛那提大学(UC)正领导着一支包括军方人员、无线电通信专家和外
科手术专家的研究小组，尝试利用一架无人机和先进通信工具，使"远程
外科手术"(Telesurgery)成为现实，即外科医生在异地通过视频图像和控制
台，利用机器人为病人进行外科手术。主任医师蒂莫西·布罗德里克
(Timothy Broderick)。他在2005年3月领导实施了美国首次远程外科手术，
当时他在俄亥俄州而病人在加州，所使用的外科手术机器人名为"达·芬奇
"(da Vinci)。
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NVE的应用
 NVE的应用
-
在医学中的应用
http://www.anatronica.com/index.html
Show case of anatronica software
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NVE的应用
 NVE的应用
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在医学中的应用
 精神控制来了!美华盛顿大学实现人类首次精神控制

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NVE的应用
 NVE的应用
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电子商务
VR commerce of IBM
 更加直观
- 可视化三维表达，可以定制
 更具有个性化
- 丰富的购买行为可以更好的表达用户的购买习惯
 更具交互性
- 顾客： 共同商量购买一个商品，和其他顾客交流。
从商家获得及时咨询，帮助立刻确定购买行为
- 商家： 及时对顾客咨询帮助其确定购买行为；
得到顾客的反馈信息，调整商业策略
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 NVE的应用
-
电子商务
 在线交易
(a)
(b)
The screen snapshot of the web page for customizing a beach vehicle
(d)
《Three-dimensional
Online Customization-Centered(c) Ordering System 》
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NVE的应用
 NVE的应用
-
电子商务
 产品展示
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NVE的应用
 NVE的应用
-
电子商务
 产品展示
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 NVE的应用
-
电子商务
 虚拟在线购物
kinset
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 NVE的应用
-
计算机支持下的协同工作(CSCW)
 基于网络的虚拟产品开发
 虚拟制造技术
Research on Distributed Cooperation Environment Based on VR and MAS
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 NVE的应用
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计算机支持下的协同工作(CSCW)
Trigger menu Item
《Research on DFx Evaluation System for Distributed Design Based on Multi-Agent》
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screen snapshot of distributed design and evaluation
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 NVE的应用
-
计算机支持下的协同工作(CSCW)
 虚拟评审和虚拟装配
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 NVE的应用
-
计算机支持下的协同工作(CSCW)
 虚拟评审和虚拟装配
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 NVE的应用
-
3D printing
3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字
模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层
打印的方式来构造物体的技术。
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 NVE的应用
-
4D printing
在美国加州举办的TED大会上，MIT建筑学院自动化实验室
创始人Skylar Tibbits介绍了他们的新技术——4D打印,变
形材料（记忆合金）是核心技术之一。
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 NVE的应用
-
历史古迹重现与虚拟旅游
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 NVE的应用
-
历史古迹重现与虚拟旅游
谷歌地球（Google Earth）三维图象服务部门已推出一项名为“古罗马城重生”
的工程。该项目模拟了古罗马城在公元320年兴盛时期的各种景观，用户可获
得“身临其境”般的游览体验
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 NVE的应用
-
历史古迹重现与虚拟旅游
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 NVE的应用
-
历史古迹重现与虚拟旅游
 梵蒂冈图书馆、永恒的埃及、美国非洲裔历史与文化国家博物馆、冬宫
beyondspaceandtime.org
“虚拟紫禁城”是故宫博物院与IBM合作历时
3年开发的虚拟游览软件，用户利用它就可以
足不出户地游览故宫博物院。
“虚拟紫禁城”将占地面积达数平方千米的故
宫博物院以高清晰3D建模的形式复制出来，用
户只要点击鼠标，就能深入了解故宫所有建筑
物及其特征，以及故宫珍贵馆藏；访客还可以
自己设计游览线路，在网上体验下围棋等昔日
的宫廷游戏。同时，游客相互之间还可以对话
交流。
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 NVE的应用
-
历史古迹重现与虚拟旅游
网上世博会-未来之城
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NVE的应用
 NVE的应用
-
建筑规划与室内设计
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NVE的应用
 NVE的应用
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建筑规划与室内设计
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NVE的应用
 NVE的应用
-
建筑规划与室内设计
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NVE的应用
 NVE的应用
-
建筑规划与室内设计
英国巴斯（Bath）大学先进建筑研究中心（Centre for Advanced Studies in
Architecture (CASA)）采用立体数字化仪和航拍技术构建了具有相当精确度的
城市中心的模型，之后进而利用转化为Virtual Reality Modelling Language
(VRML)以应用于web和非沉浸式外设
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英国Bath大学建立的VRML模型
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 NVE的应用
-
地理信息系统
Google earth
http://hz.edushi.com/
NASA World Wind地球放大镜
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 NVE的应用
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虚拟设计
http://www.arlive.de/afconline_engl/
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NVE的应用
 NVE的应用
-
科学可视化
只要在Google的搜索框中输入一个二元方程，就能将这个方程显示在三维空
间中，需要支持WebGL的浏览器
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 NVE的应用
-
科学可视化
google webgl globe:WebGL Globe可以用3D的方
式表现出我们这个星球上的数据，例如世界人口、
地震分布和某个关键词的搜索量。
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 NVE的应用
-
网络会议与远程协作
 Sony公司基于DIVE的一个系统
 Project Wonderland
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 NVE的应用
-
3D&4D影视
由詹姆斯・卡梅隆携手300计算机
专家，投资1800万美元，耗时60周
制作的3D版《泰坦尼克号》今日
在北美地区公映。据了解，3D版
《泰坦尼克号》没有经过任何重新
剪辑，镜头100%完全忠于1997版。
该片在300位计算机工程师的努力
下，花了一年多的时间，终于将片
中每一个镜头都变成了3D的视觉
效果
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 NVE的应用
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3D&4D影视
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 NVE的应用
-
3D&4D影视
电影《网瘾战争》
英国天空广播公司第一个三维电视频道, 将
在这个3D频道提供广泛的内容选择,包括电影、
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娱乐和体育。
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3D&4D影视
dynamic
seat
•stereoscopic visual effects
•smoke, water, wind, rain, smell ……
•shaking, falling down, swinging,
lifting, pitching
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 NVE的应用
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娱乐和虚拟社区
 MMORPG (Massively Multiplayer Online Role Playing Game，大型在线
角色扮演类游戏)
-
石器时代
传奇
天堂
魔兽世界
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 NVE的应用
-
娱乐和虚拟社区
 2D&3D社交网络
Facebook
Twitter
Linkedin
Myspace
Google+
tumblr
Pinterest
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 NVE的应用
-
娱乐和虚拟社区
 2D&3D社交网络
微软推出windowslive虚拟游戏社区
The 3D Social Network based on Google
Earth
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NVE的兴起 & 支撑技术
 网络虚拟环境的设想
科幻小说比如Neal Stephense的《雪崩》表现了对数
字虚幻世界长期以来的渴望：有一天，人类可以进
入一个模拟世界的电子网络世界，在那里人们都有
自己的电子替身——个化身，通过它们人们可以见
面、探险、娱乐、工作
《雪崩》的伟大之处在于它直接创造了“虚
拟实境” 这一概念，“虚拟实境”并非以
往想象中扁平的互联网，而是和社会高度联
系的三维数字空间，与现实世界平行，在现
实世界中地理位置彼此隔绝的人们可以通过
各自的“化身”，来互相交流娱乐。
威廉·吉布森（William Gibson）在短篇故事“整
垮珂萝米”中创建了赛伯空间(Cyberspace) 一词。
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NVE的兴起 & 支撑技术
 NVE发展的原动力
- 因特网尤其是Web技术的广泛使用: Internet已经成为娱乐、商业等的重
要媒体
-
硬件基础：网络带宽的提高（宽带网的逐渐普及），个人计算机图形处理能
力的增强
-
软件基础： 虚拟现实技术和Web技术的结合
-
日益复杂的数据使得原来的界面不能满足需要，人们希望更加直观的表达
信息，使用更加自然的方式进行人机交互以及通过网络实现人与人之间实时、
形象的交流
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NVE的兴起 & 支撑技术
 多门新兴学科的发展和融合
-
-
-
图形学与虚拟现实技术
网络技术和分布式系统
人工智能
人工生命
心理学和认知科学
…
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NVE系统经典实例
网络泥巴
 MUD（Multi-User Dungeon）
-
-
-
多人参与历险游戏
MUD起源于美国，它的雏形是桌上角色扮演游戏
是一个由计算机控制的环境，多个用户能共享该环境，并在环境中使
用文字相互交流
使用Telnet
MOO是面向对象的MUD，能够增加软件模块来扩充虚拟环境
西游记
天龙八部
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笑傲江湖、
NVE and Computer Application
NVE系统经典实例
 MUD示例
-
西游记
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NVE系统经典实例
 基于web的虚拟环境
-
Web Game
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NVE系统经典实例
 基于web的虚拟环境
 Web Game
http://www.travian.cn/
-
Travian
-
三国风云
http://sanguo.xiaonei.com/
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NVE系统经典实例
 基于web的虚拟环境
-
社交游戏（Social game）运行在SNS社区内
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NVE系统经典实例
 基于web的3D虚拟现实世界
-
cybertown
 www.cybertown.com
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NVE系统经典实例
 网络游戏
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大型多人在线角色扮演游戏
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 Minecraft（我的世界）
 基于java编写的3D沙盘建造游戏
 玩家在游戏中的形象可以在单人或多人模式中通过摧毁或创造方块以创造精
妙绝伦的建筑物和艺术
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 学习编程的Alice虚拟世界
 Alice项目是美国卡耐基梅隆大学的一个学术性的项目，提供了一个3D的虚拟
世界，包含物体和虚拟化身。帮助入门者如何在3D环境下编写面向对象的计
算机程序。
 http://www.alice.org/
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 虚拟现实世界第2人生
 www.secondlife.com
sl技术及历史
secondlife完全指南攻略电子书
官方宣传片
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 虚拟现实世界第2人生
“尼奥，你曾经作过这样的梦吗？你坚信不移
的东西都是真的吗？你能分辨出梦境与现实
世界的区别吗？”-----《黑客帝国》
second life 游记
Second life 用户体验
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 中国的第2人生
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HIPIHI
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由我世界
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阶段性实践和讨论题目
 选择其中之一作为你的讨论题目
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结合所阅读资料，以及影视作品等，谈谈你对真实和虚拟的心得。
选择一个经典的网络虚拟环境进行实践，并提交实践心得文档，建议
录屏（Alice编程学习，由我世界，NASA World Wind地球放大镜）
结合自己的专业，通过思考和查找资料，阐述网络虚拟环境在你专业
领域里面的可能应用场景
1、建议查找英文资料，尤其是一些前沿的大学中的project，以及复旦图书
馆里的论文资源
2、讨论材料提交到公共邮箱
文件名：第*次讨论 -姓名-学号
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