一种教学空间中多虚拟化身的选位方法技术

本发明专利技术属于信息技术的教学应用领域，提供一种教学空间中多虚拟化身的选位方法，包括以下步骤：（1）虚拟教学空间的场景组织；（2）虚拟化身的选位；（3）虚拟化身的群体选位。本发明专利技术虚拟教学空间中多虚拟化身的选位方法，有助于增强师生在虚拟教学空间交互中的智能性，使师生在虚拟环境中获得良好的交互体验。在虚拟环境中获得良好的交互体验。在虚拟环境中获得良好的交互体验。

【技术实现步骤摘要】
一种教学空间中多虚拟化身的选位方法


[0001]本专利技术属于信息技术的教学应用领域，更具体地，涉及一种教学空间中多虚拟化身的选位方法。

技术介绍

[0002]随着5G网络建设的快速推进，制约VR普及的高带宽、低时延问题正得到解决，将进一步推动VR与教学的深度融合。借助VR技术创设的虚实融合教学情境，师生可以不受物理教室空间的限制，开展不同形式的群组学习活动，为师生提供特别地沉浸式体验。但是，这类环境存在的无边界、虚拟性特点，开展分组教学、讨论活动时，师生虚拟化身移动过程中会出现穿越、碰撞现象，选座时师生、生生之间虚拟化身沟通、交流也会产生视觉的困扰。通过个性化的场景组织，定制化选位策略和群体选位，赋予虚拟教学环境中师生虚拟化身更强的智能性，增强教学活动中师生的参与度，能够提升新型教学环境的自然交互能力。
[0003]但当前沉浸式虚拟环境中多化身选位还存在诸多的问题：（1）以A*算法为代表的寻径算法虽能实现二维游戏场景中角色化身的寻路，若扩展到三维虚拟教学空间，需要克服更多的条件限制，实现起来较为复杂；（2）在虚拟化身的选位过程中，执行群体聚焦和分散时，传统的漫游式或交互式化身系统难以解决所需的即时路线规划和障碍判断能力；（3）虚拟化身移动过程中，需要基于逆运动学的控制，才能实现化身模型的自然旋转、移动方向判断和路径光滑处理。这些缺陷限制了虚拟教学环境中师生交互性的获取。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种教学空间中多虚拟化身的选位方法，为虚拟教学环境中师生化身交互智能性的增强提供一种新的、快速生成的途径和方式。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术措施实现的。
[0006]一种教学空间中多虚拟化身的选位方法，包括以下步骤：（1）虚拟教学空间的场景组织。构建虚拟教学空间，调整教学场景的尺度令其适配教学空间，在空间中添加虚拟对象的锚点；采用八叉树划分虚拟教学空间，使用正六边形剖分地面，计算各对象所占的网格区域，采用缩略图的形式生成导航网格图。
[0007]（2）虚拟化身的选位。虚拟化身以多种移动方式选位，结合六边形网格拓扑关系及其属性，生成移动路径；依据教学活动中用户的身份，采取对应的选位策略，开启化身模型的路径规划线程，优化化身的移动路径，控制虚拟化身的移动及其骨骼模型的旋转。
[0008]（3）虚拟化身的群体选位。提供多样化的座位布设方案，依据活动主题，布设教学环境，支持教师指定小组的活动区域；学习者根据分组信息结成群组关系，实现群组的聚焦和分散；采用局部回避算法，避免化身之间以及与其他对象的碰撞，为特定参与者保留座位。
[0009]本专利技术的有益效果在于：
构建虚拟教学空间，调整教学场景的尺度令其适配教学空间，在空间中添加虚拟对象的锚点；采用八叉树划分虚拟教学空间，使用正六边形剖分地面，计算各对象所占的网格区域，采用缩略图的形式生成导航网格图。虚拟化身以多种移动方式选位，结合六边形网格拓扑关系及其属性，生成移动路径；依据教学活动中用户的身份，采取对应的选位策略，开启化身模型的路径规划线程，优化化身的移动路径，控制虚拟化身的移动及其骨骼模型的旋转。提供多样化的座位布设方案，依据活动主题，布设教学环境，支持教师指定小组的活动区域；学习者根据分组信息结成群组关系，实现群组的聚焦和分散；采用局部回避算法，避免化身之间以及与其他对象的碰撞，为特定参与者保留座位。随着5G网络环境大规模的铺开，虚拟空间将在各层级教育中得到广泛应用，增强师生在虚拟教学空间交互中的智能性需求日益迫切。本专利技术提供一种虚拟教学空间中多虚拟化身的选位方法，有助于师生在虚拟环境中获得良好的交互体验。
附图说明
[0010]图1是本专利技术教学空间中多虚拟化身的选位方法流程图。
[0011]图2是本专利技术实施例中虚拟教学空间的场景示意图。
[0012]图3是本专利技术实施例中虚拟教学空间中部分区域的导航网格示意图。
[0013]图4是本专利技术实施例中化身移动路径示意图。其中，A为化身，B为目标座位。
[0014]图5是本专利技术实施例中化身遇到障碍调整路径示意图。其中，C为化身，D、E、F为其他化身，G为目标座位。
[0015]图6是本专利技术实施例中化身足迹平滑优化示意图。其中，R为化身，S为目标座位。
[0016]图7是本专利技术实施例中多样条分层曲线控制化身运动示意图。其中，T为化身，Y为目标座位，U、V、W、X为其他化身。
[0017]图8是本专利技术实施例中虚拟教学空间中座位布局示意图。其中，8
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1为电影院模式，8
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2为论坛模式，8
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3为会议厅模式，8
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4为宴会桌模式，8
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5为咖啡馆模式，8
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6为培训室模式。
[0018]图9是本专利技术实施例中游客避让化身示意图。其中，H为化身，I为游客，J、K为其他化身，L为目标座位，当化身H与游客I相遇，游客I避让。
[0019]图10是本专利技术实施例中化身遇到其他化身时等待示意图。其中，M为化身，N、O、P为其他化身，Q为目标座位，当化身M与化身N相遇，化身M暂停移动。
具体实施方式
[0020]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021]如图1所示，本实施例提供一种教学空间中多虚拟化身的选位方法，包括如下步骤：（1）虚拟教学空间的场景组织。构建虚拟教学空间，调整教学场景的尺度令其适配教学空间，在空间中添加虚拟对象的锚点；采用八叉树划分虚拟教学空间，使用正六边形剖
分地面，计算各对象所占的网格区域，采用缩略图的形式生成导航网格图。
[0022]（1
‑
1）虚拟教学空间的构建。按照校园
‑
教学楼
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教室层次，构建虚拟教学空间，布设学科虚拟场景；结合虚拟教学空间的范围，调整虚拟教学资源的尺度，实现虚拟对象到教学空间的映射；采用最小外接框作为对象包围盒，确定虚拟对象的范围。
[0023]（1
‑1‑
1）虚拟教学空间的构建。按照校园
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教学楼
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教室层次，构建虚拟教学空间，依据教学活动所属学科及其分支，将教学资源的虚拟场景布设在教学空间中，支持师生以虚拟化身的方式参与教学空间中活动。图2为虚拟教学空间效果示意图。
[0024]（1
‑1‑
2）虚拟对象的映射。依照教学对象的气态、液态或固态形态，及其依赖的容器、实验台或其他物体，结合虚拟教学空间的范围，调整虚拟教学资源的位置和尺度，将其映射到虚拟教学空间及其对应的虚拟对象上。
[0025]（1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（1）虚拟教学空间的场景组织，构建虚拟教学空间，调整教学场景的尺度令其适配教学空间，在空间中添加虚拟对象的锚点；采用八叉树划分虚拟教学空间，使用正六边形剖分地面，计算各对象所占的网格区域，采用缩略图的形式生成导航网格图；（2）虚拟化身的选位，虚拟化身以多种移动方式选位，结合六边形网格拓扑关系及其属性，生成移动路径；依据教学活动中用户的身份，采取对应的选位策略，开启化身模型的路径规划线程，优化化身的移动路径，控制虚拟化身的移动及其骨骼模型的旋转；（3）虚拟化身的群体选位，提供多样化的座位布设方案，依据活动主题，布设教学环境，支持教师指定小组的活动区域；学习者根据分组信息结成群组关系，实现群组的聚焦和分散；采用局部回避算法，避免化身之间以及与其他对象的碰撞，为特定参与者保留座位。2.根据权利要求1所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（1）中所述虚拟教学空间的场景组织包括以下步骤：（1
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1）虚拟教学空间的构建，按照校园
‑
教学楼
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教室层次，构建虚拟教学空间，布设学科虚拟场景；结合虚拟教学空间的范围，调整虚拟教学资源的尺度，实现虚拟对象到教学空间的映射；采用最小外接框作为对象包围盒，确定虚拟对象的范围；（1
‑
2）虚拟场景的组织，在虚拟教学空间中布设资源，为虚拟对象添加空间锚点；采用八叉树划分虚拟教学空间；根据虚拟对象所对应真实物体的物理性质、化学性质，在八叉树中使用不同颜色标注其影响的范围；（1
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3）导航网格的生成，使用正六边形剖分虚拟教学空间的地面，结合拓扑关系计算各对象所占的网格区域；为各网格添加可通过、不可通过的类型属性；采用缩略图的形式生成导航网格图，并颜色和扇形标注网格属性和化身观察范围。3.根据权利要求2所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（1
‑
1）中所述虚拟教学空间的构建包括以下步骤：（1
‑1‑
1）虚拟教学空间的构建，按照校园
‑
教学楼
‑
教室层次，构建虚拟教学空间，依据教学活动所属学科及其分支，将教学资源的虚拟场景布设在教学空间中，支持师生以虚拟化身的方式参与教学空间中活动；（1
‑1‑
2）虚拟对象的映射，依照教学对象的气态、液态或固态形态，及其依赖的容器、实验台或其他物体，结合虚拟教学空间的范围，调整虚拟教学资源的位置和尺度，将其映射到虚拟教学空间及其对应的虚拟对象上；（1
‑1‑
3）对象范围的确定，依据虚拟教学资源中对象的生成方式，由三角形面片构建的虚拟仪器、教具和学具，采用最小外接框作为其包围盒；实时计算由物理引擎生成的粒子系统范围，依据函数方程，计算由曲面、曲线生成对象的最小包围盒。4.根据权利要求2所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（1
‑
2）中所述虚拟场景的组织包括以下步骤：（1
‑2‑
1）虚拟教学场景的布设，在实验操作台、黑板和屏幕上展示虚拟教学资源，将虚拟教学资源布设到教学空间的相应位置，依据虚拟教学资源的重心，或者主要对象的包围盒角点，添加空间锚点；（1
‑2‑
2）虚拟场景的组织，利用BSP树组织虚拟教学空间中的对象，依据虚拟教学空间中各对象的分布，通过设置格网尺寸、化身半径和碰撞器细节参数，采用八叉树将虚拟教学
空间分割成众多的节点，组织虚拟教学空间的对象；（1
‑2‑
3）虚拟场景的对象标注，依据教学场景中对象的物理、化学性质，根据对象的不可接触、不可穿过、会爆炸和会腐蚀的危险程度，确定其在虚拟教学空间中的影响范围，并在八叉树中采用不同颜色标记该范围。5.根据权利要求2所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（1
‑
3）中所述导航网格的生成包括以下步骤：（1
‑3‑
1）地面网格生成，使用正六边形剖分虚拟教学空间的地面，依据其相邻与连接情况，构建正六边形网的拓扑关系，将八叉树组织的所有虚拟对象投影到地面，依据对象的外接框，计算其所占据的六边形网格面积；（1
‑3‑
2）地面网格中对象范围属性设置，根据八叉树中标注的虚拟对象的范围及其影响区域，在六边形网中为各正六边形网格添加可通过、不可通过的类型属性，作为判断虚拟化身在地面上可否移动的依据；（1
‑3‑
3）导航网格图的生成，基于地面六边形网格，采用缩略图的形式生成虚拟教学空间的导航网格图，使用不同颜色标记相应属性的虚拟对象所占据的空间，将当前用户化身的扇形视场范围角内的场景范围标注在导航图上。6.根据权利要求1所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（2）中所述虚拟化身的选位包括以下步骤：（2
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1）设定虚拟化身的移动机制，支持虚拟化身以自由漫游、沿固定路径行走或在空中俯视方式运动；为虚拟化身添加阻塞器组件，发出阻塞消息，接受虚拟空间阻塞管理器的处理指令；结合六边形网格的拓扑关系和网格的属性，生成可通行的移动路径；（2
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2）虚拟化身的选位，依据教学活动中用户的游客、参与者和主持人身份，分别赋予相应的选位权限；采取浏览、自选和保留的选位策略；根据虚拟化身和目标座位在地面网格中的位置，规划移动路径；（2
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3）虚拟化身模型的控制，开启化身模型的路径规划线程，依据前方的情形，执行和调整当前路径；使用FABRIK算法构建虚拟化身移动规划器，优化化身在虚拟教学中移动路径；使用B样条曲线控制虚拟化身的移动，采用时间线更新化身骨骼模型的旋转。7.根据权利要求6所述的教学空间中多虚拟化身的选位方法，其特征在于步骤（2
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1）中所述设定虚拟化身的移动机制包括以下步骤：（2
‑1‑
1）移动规则设定，在虚拟教学环境中，支持虚拟化身以自由漫游、沿固定路径行走或在空中俯视方式运动，化身移动过程中需配以协调的摆臂、迈步和转身动作，化身模型的动作不能违背人体构造规律；（2
‑1‑
2）移动过程中的阻塞处理，当虚拟化身进入虚拟教学空间，为其添加阻塞器组件，在其前进方向遇有阻塞情形时，依据虚拟对象的性质或...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟正，吴砥，徐建，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：