CN108961418A - 一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统和方法，该系统包括知识空间建构模块、知识热点编辑模块、知识空间漫游模块等。知识空间建构模块用于导入空间模型，在空间模型中插入知识热点生成并发布知识空间；知识热点编辑模块用于对热点实体、知识内容、显示方式进行编辑，包括选择显示方式、更换热点实体、编辑或上传知识内容，调整知识热点的空间姿态等；知识空间漫游模块用于进入知识空间进行三维漫游，并触发知识热点显示知识内容；本发明有助于个人和组织更好地利用人脑的视觉和空间认知能力，降低学习过程中的认知负担，提升个人和组织的学习效率，加强对知识流的有效管理，为学习型社会和创新型组织的建设提供充分的技术条件。

Description

一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统和方法

技术领域

本发明涉及学习与教育信息化技术，尤其涉及一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统和方法。

背景技术

随着知识社会的兴起，知识体量的爆炸性增长和知识价值的快速衰减使个人和组织在知识管理中面临着巨大的挑战。认知科学和学习科学领域的大量研究表明，人脑具有超强的视觉和空间加工能力。知识可视化就是一种基于人脑的视觉和空间加工能力，大量使用图像和空间来传递和加工思想的知识管理方法。如何有效运用虚拟现实技术提升我们对复杂知识体系的可视化表征能力是当前知识管理界面临的重要挑战之一。

随着虚拟现实技术的不断发展，人们开始将其运用到知识的管理和传播中。但现有的技术应用重在对现实场景和体验的模拟，而非专门针对复杂知识体系的可视化建构，更没有形成集成性较好的解决方案，并且总体上存在开发成本高、交互性能差、设备要求高、使用不方便、跨平台能力弱等诸多问题。

发明内容

针对当前人们对知识有效管理的强烈需求，以及虚拟现实技术在知识可视化表征领域中应用开发不足的问题，本发明提出一种基于虚拟现实技术，集成隐喻计算和云存储技术的知识可视化界面系统和方法，从而提升个人和组织的学习效率，加强对知识流的有效管理。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统，该系统包括知识空间建构模块、知识热点编辑模块和知识空间漫游模块。

(1)知识空间建构模块。该模块用于导入、建构、保存、漫游、展示和分享各种知识空间。进入知识空间建构模式后，用户可以导入不同类型的空间模型，并通过插入由热点实体、显示方式和知识内容组成的知识热点，启动知识热点编辑模块，进行相关的知识热点编辑。

空间模型可以有以下不同的来源，但不限于此：全景照片、3D场景模型、通过增强现实技术采集的真实场景；所述全景照片和3D场景模型为现有素材，或根据用户输入的关键词或图片信息自动生成；模型均可设置标签供检索。

进一步地，编辑完成后，用户可以将知识空间保存到云存储中。用户可以进入预览模式，以第一人称进入所制作的知识空间，沉浸式查看知识空间的演示效果；也可以将所加工的知识空间发布出去，用户将得到该空间的二维码和URL，从而使知识空间可以在其他终端设备，如电脑、手机和平板电脑等中浏览。用户可开启浏览器的VR功能，借助手机VR设备以沉浸方式体验知识空间，也可以在专业的VR设备中进行漫游体验。此外，知识空间建构模块还支持多人在线同时编辑，实现多名用户在线合作，同时建构一个共同的知识空间。

(2)知识热点编辑模块。知识热点是知识的载体，包括热点实体、显示方式和知识内容。热点实体是布置到知识空间中的物体，热点实体以文字、表格、图片、视频、三维模型中的一种或多种组合形式展示在知识空间中，但不限于此；知识内容不在知识空间中直接展示，仅通过热点实体的触发展示。其中图片包括动图，三维模型包括带动画的模型。显示方式包括装饰、位置、放大、多媒体和超链接。装饰型的知识热点的知识内容为空，热点实体仅对知识空间起到静态或动态装饰作用，通常设置为知识热点默认的显示方式；放大型的知识热点在被触发时会放大热点实体，使得用户可以看到实体的细节；位置型的知识热点在被触发时会将用户移动到热点实体所处的位置，让用户在没有输入设备时仍然可以在知识空间中移动；多媒体型的知识热点在被触发时会弹出知识内容；超链接型的知识热点在被触发时会打开超链接，如果该超链接指向另一个知识空间，则加载该知识空间，实现用户在不同知识空间中的跳转，如果该超链接指向上传的文件，则打开该文件。

在知识空间建构模式下，用户可以通过选中知识热点，对知识热点的热点实体、显示方式和知识内容进行编辑。用户可以对热点实体中文字的字体、颜色、粗细等样式设置。热点实体中的图片、模型可以通过将热点实体中的文本作为检索条件检索云端数据库得到，也可以用户自行上传。当本地和云端都没有满足需求的素材时，用户还可以用内置的小工具直接绘制图标或绘制三维模型。知识内容包括文字、图片、视频、音频等多媒体内容，可以由用户自行上传。用户可以对热点实体进行移动、旋转、缩放等基本空间变换，可以复制、删除，也可以锁定以防止误操作，还可以进行加密，只有输入正确密码才能触发该知识热点。

(3)知识空间漫游模块。用于进入知识空间进行三维漫游，并触发知识热点显示知识内容。知识空间加工完毕后，用户可以以第一人称的方式在空间中进行漫游。在电脑端漫游时，用户可以通过移动鼠标来切换视角；在手机端漫游时，用户可以通过虚拟手柄控制。屏幕的中心可以设置一个准星。准星对准某个知识热点一定时间，就可以触发该知识热点。如果知识空间是三维空间，用户可以通过键盘或虚拟手柄进行移动，也可以直接对准位置热点，进行定点传送。

用户可以用手机、Pad等移动设备中的浏览器或其他app扫描二维码直接打开知识空间进入漫游。通过响应移动设备自身的旋转或用户的触屏滑动，观察知识空间的视角也同步旋转，从而实现自由查看知识空间，并通过准星实现触发功能。如果知识空间是在手机中打开，除了具有Pad一样的使用功能外，还可以切换为双屏渲染模式。用户将手机放入VR眼镜，就可以体验沉浸式的VR漫游；VR设备打开后可以直接进入VR漫游。实现双屏渲染的终端包括手机、VR眼镜、VR一体机等。

所有浏览模式下，用户都可以打开语音输入，用户通过语音命令进行自由移动或直接移动到热点实体位置前，从而提高空间移动和漫游的效率。

本发明知识可视化界面系统除了知识空间建构模块、知识热点编辑模块和知识空间漫游模块，还可以包括以下模块：

(4)知识空间管理模块。该模块对不同类型的知识空间模型进行组织和管理。用户可以在三种不同类型的管理界面中自由切换。第一种是列表式界面，逐条显示知识空间的名称、建立时间、类型、建构者等信息。第二种是地图式界面，用户可以在地图上检索和查找事先布局在不同位置上的知识空间。第三种是三维空间式界面，用户可以将不同知识空间的缩略图布局到三维空间中，利用人脑的空间记忆能力高效管理诸多空间模型；用户可以在知识空间中直接寻找嵌套在该知识空间中的其他知识空间。用户可以通过功能按钮和菜单，对不同类型的虚拟空间进行位置排列、分类、加标签等。此外，用户可以通过空间检索而快速找到知识空间。

对具体知识空间的操作包括新建、建构、删除、复制、漫游、推送、发布。用户还可以对知识空间进行权限设置，访问权限包括完全公开、团队公开、指定用户可浏览和完全私有，编辑权限包括仅浏览、协同编辑和副本编辑。用户可以组建工作团队，离线协同编辑同一个知识空间，并能够进行版本管理。用户还可以建立房间，邀请其他人进入某个知识空间，同时在线编辑该知识空间。

(5)思维导图模块。该模块用于在知识空间中制作三维思维导图。与现有的平面型思维导图不同，三维思维导图可以在三维空间中承载更多信息，又能让用户通过空间关系把握复杂知识体系之间的关系。

三维思维导图由节点和分支连接线组成。节点即为知识热点，因此具有非常丰富的表现形式和触发功能。用户可以在选中知识热点时通过浮动按钮从该热点派生出一个新的知识热点，新热点和原热点之间会自动建立一条分支连接线。用户也可以将两个知识热点用连线连接起来。通过以上方法可以构造出复杂的三维思维导图，这种制图上的灵活性可以大大增加用户在学习和创造性活动中的知识表征能力。

三维思维导图可以优选采用以下形式：以核心热点为中心，一个分支一种颜色，分支由粗到细，逐级递减。用户可以更改连线的材质和形态，使其具有更强的区分度。触发状态下的某个连线分支，将呈现动态光圈，从导图中心的一级分支像末端分支闪烁移动。

(6)三维空间搭建模块。用户可以在知识空间建构模式下开启三维空间搭建模块，搭建自己的3D场景模型作为空间模型，可以采用单个方块搭建方式、批量搭建方式或自动搭建方式；所述单个方块搭建方式为手动指定每个方块的位置和材质，搭建成完整3D场景；所述批量搭建方式为用户一步搭建出一排、一片或一堆方块，并批量赋予材质，搭建成完整3D场景；所述自动搭建方式为通过输入图片自动生成方块及材质，搭建成完整3D场景；一种具体的实现方式如下，但不限于此：

三维空间以小立方块为基本建构方式。鼠标左键点击空间中的某个位置，就可以在该位置添加一个小立方块，重复操作就可以堆叠出三维空间结构。如果右击相应的方块，就可以清除该方块。如果双击左键，可以选定方块，打开选择框，更换方块的材质。

除了单个方块的搭建，系统还提供批量搭建方法，用户可以通过拖拉等操作一步搭建出一排、一片或一堆方块。

除了手动搭建之外，用户还可以直接手绘草图或导入图片，通过系统的自动搭建功能从草图搭建出大致的方块群，随后用户可以对其进行精细的修改。

系统还提供方块和网格模型互相转化的接口。通过连接和合并各方块相邻顶点，可以自动将搭建的方块模型转化为低多边形网格模型，也可以将网格模型离散化处理为方块堆叠模型。用户可以将《我的世界》等游戏中的方块场景导入，也可以通过转化接口将常规的三维模型导入系统并转化为方块模型。

(7)数据可视化模块。将需要可视化的数据与热点实体进行关联，通过数据驱动热点实体的几何参数变化，从而通过热点实体的几何形状展示数据。一种具体的实现方式如下，但不限于此：

在知识空间建构模式下，编辑数据类型的知识热点时用户将导入需要可视化的数据。数据的可视化处理分为两种类型，一种是在图标型的热点实体上进行可视化，此时后台将数据解析和绘制为传统的统计图，用户可以选择插入图表类型如二维图标，包括柱状图、饼状图、折线图等等，统计图将自动作为图标的贴图；

另一种数据可视化方式是在三维模型类型的热点实体上进行可视化。后台将通过解析数据标签，查找对应的三维的模型，如山、树、鱼、花、蘑菇等，作为知识热点的三维模型，进而解析通过隐喻计算分析，将数据对应到三维物体的位置、高度、大小、数量、颜色、运动速度等特征上，从而将抽象的数据转化成为空间中形象的实体，使用户通过具体的图形来理解数据及数据的动态变化。

与可视化图标相关联的数据，可以是导入的静态数据值，也可以直接关联到第三方数据库，实时反应数据的动态变化。

本系统具有多种实现形式，包括应用程序和操作系统界面。应用程序包括Web网页、微信小程序、电脑端应用程序、移动端应用。操作系统界面为现有的操作系统以三维界面形式呈现的ROM包，将程序与文档管理全部纳入到三维界面中，实现终端包括电脑、平板电脑、手机、VR一体机等。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统，其中知识空间建构模块用于导入不同类型的虚拟空间模型、将知识热点插入空间制作并发布知识空间；知识热点编辑模块用于对分布在知识空间中的知识热点进行编辑，包括选择显示方式、更换热点实体、编辑或上传知识内容，及调整知识热点的空间姿态；知识空间漫游模块让用户使用不同的设备在知识空间中自由活动，并触发知识热点以学习知识内容；知识空间管理模块提供了列表、地图和空间的形式供用户管理所建构的知识空间，设置知识空间的访问权限和编辑权限，并支持团队协作与版本管理；三维空间搭建模块用于支持用户自主搭建各种三维空间，是虚拟空间的来源之一；思维导图模块用于在三维空间中制作各种类型的思维导图并和二维思维导图互相转化；数据可视化模块将数据与知识热点的热点实体建立关联，用实体的几何特征展示抽象数据，帮助用户更好地理解和把握数据及其动态变化。本发明有助于个人和组织更好地利用人脑的视觉和空间认知能力，降低学习过程中的认知负担，提升个人和组织的学习效率，加强对知识流的有效管理，为学习型社会和创新型组织的建设提供充分的技术条件。

附图说明

图1是本发明中的知识空间建构模块的示意图。

图2是本发明中的知识热点编辑模块的示意图。

图3是本发明提出的三维知识可视化界面系统及应用。

图4为知识热点触发多媒体资源示意图；

图5为思维导图的多叉树结构示意图；

图6为三维空间搭建模块中方块的线、面、体的构建示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供的一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统，包括知识空间建构模块、知识热点编辑模块、知识空间漫游模块。各模块的具体技术实现如下：

知识空间建构模块

新建空间时，数据库会生成一条与该空间相关的数据，并在服务器上用户的目录下生成新的文件夹，用以存放空间相关的文件。编辑空间时，系统会将空间信息导入到编辑页面。

在编辑页面进行“导入场景”、“添加知识点”等操作时，空间使用到的场景文件、图片文件、声音文件等文件在服务器上的路径信息及在空间场景的位置、大小等信息都会被记录到一个json文件中，保存在该空间的文件夹下。系统会默认自动保存用户的每一步操作。使用多种文件加载器支持多种格式的空间模型文件。

发布空间时，系统会在后台程序中取得该空间的路径、用户ID和空间ID等信息，生成网络链接地址，并调用一个二维码生成方法，将链接地址转成二维码图片，然后将二维码图片和链接地址都显示在在弹出的页面上，供手机或Pad上扫码使用。

编辑状态下，用户对场景的感知有2种方法，分别是第三人称视角相机和第一人称视角相机。在第三人称视角下，用户可以对场景有整体的把握，并对场景进行平移、旋转、缩放，从多方位观看和编辑场景；在第一人称视角下，用户使用键盘或其他输入设备控制相机移动旋转，以最直观的方式感知场景和编辑内容。

在向场景中添加热点时，热点的定位通过依附在场景物体表面实现。对于鼠标位置射线碰撞点，获取该点世界坐标系下的法向量，结合初始向量(0,0,1)设置热点的四元数旋转，并在Z轴进行适量偏移，以免面重合。对于依附在竖直面上的热点，不需要进行进一步的调整。对于依附在水平面上的热点，需要进一步调整其空间变换矩阵，使热点的-Y轴指向相机在依附面上的竖直投影；对于依附在倾斜面上的热点，需要保证热点X轴始终在水平面内，同时使-Y轴指向斜向下。以上操作保证热点相对于相机处于最适合的观看姿态。

知识空间建构模块一种具体的显示界面如图1所示，但不限于此；其中，①-“导入”功能按钮；②-“保存”功能按钮；③-“漫游”功能按钮；④-“发布”功能按钮；⑤-“添加知识点”功能按钮；⑥-“添加位置点”功能按钮。

知识热点编辑模块

知识热点包括热点实体、显示方式和知识内容。热点实体是在知识空间中直接显示的物体，其纹理贴图使用带有透明通道的图片。热点实体中的文本、图片和视频通过canvas绘制后作为贴图渲染到一个4顶点2三角面的单法线平面矩形几何体上。系统提供canvas绘图工具，支持用户直接涂鸦绘制图片；提供若干套文字配色方案，支持用户自行对字体、大小、对齐、颜色等进行设置。热点实体中的三维模型来源广泛，支持从数据库导入、用户上传，还内置基于膨胀算法的建模工具，用户可以通过绘制封闭草图快速方便地构造三维模型。热点实体除了上述常规材质外，还有动态高亮Shader材质，并在额外的pass中进行渲染，以便和场景中其他非热点物体区分开来。

显示方式以一组单选选项实现，包括装饰、位置、放大、多媒体和超链接。知识内容的具体形式由用户所选择的的显示方式决定。装饰型、位置型和放大型没有知识内容，多媒体型则允许用户输入或上传多媒体素材如文本、图片、视频作为知识内容，系统将各多媒体素材整合到canvas上绘制和更新，并转化为贴图渲染到平面矩形几何体上。该矩形面默认隐藏，只有在触发时才会在场景中显示。音频类的多媒体素材通过在线录音或用户上传获取，基于WebAudio API整合到知识内容中。

除了上述内容的编辑外，还需要支持对热点实体放置在知识空间中的位置、姿态的编辑。使用gizmos对象构造基本空间变换(平移、旋转、缩放)的控制柄，用户通过拖动控制柄调整热点实体在知识空间中的位置和姿态。此gizmos对象需要在另一个场景管理器中进行管理，并根据热点实体的选择和修改进行动态创建、销毁和更新。

知识热点编辑模块一种具体的显示界面如图2所示，但不限于此；其中，①-“移动”功能按钮；②-“旋转”功能按钮；③-“缩放”功能按钮；④-“知识热点图标”框；⑤-“图标名称输入”框；⑥-“文本弹框内容输入”框；⑦-“存储与链接”选项；⑧-“语音添加与试听”栏；⑨-“思维导图模块”功能按钮；⑩-“知识热点连接”按钮；-“知识热点图标”；-“知识热点删除”按钮；-“知识热点编辑功能锁定”按钮。

用户通过在线知识空间的编辑，将视频、文本、图片和音乐等材料编辑到特定的知识空间中，同时上传到云空间。如图3所示，用户可以分享给其他用户，也可以通过投影仪、大尺寸液晶屏、手机、PAD、VR/AR等各种不同的互动终端展示、浏览和编辑知识空间。

知识空间漫游模块

漫游采用发布/订阅模式的消息机制实现触发时各模块与物体的通信。漫游时以第一人称相机准星为光标向前进行射线碰撞。根据碰撞到的热点类型，更新准星图案以指示即将触发的热点类型，并结合倒计时对准星进行颜色填充。倒计时结束时准星填满归位，触发热点。离开热点时停止倒计时或触发。知识热点的显示方式为放大时，相机旋转速度降低，相机fov进行调整：

其中h是知识热点在过中心与视平面平行的平面上投影的轴向平行包围矩形的高，R＝w/h是包围矩形的宽高比，a是相机视场的宽高比，d是相机与知识热点的水平距离，r是放大比率，一般取2。

触发多媒体类型的知识热点时，根据弹出内容，在相机前或热点旁弹出一个平面渲染知识内容中的多媒体资源(如图4)；触发超链接型知识热点时，如果链接到另一个知识空间，则会在客户端清空当前空间，请求链接所对应的新空间的数据，加载新空间，使用户跃迁到新空间继续漫游，如果是普通链接或指向用户上传的文件，则在新窗口打开链接或文件。触发位置类知识热点时第一人称相机会移动到热点实体的位置，同时该位置类热点隐藏，其他位置类热点显示。

用户在知识空间漫游时有多种控制方法：当用户在移动端漫游时，通过屏幕上的虚拟键盘控制；当用户在电脑端漫游时，通过鼠标键盘进行控制；当用户在VR一体机上漫游时，通过配套的手柄进行控制。用户还可以通过开启语音控制平移、旋转和定点移动。当系统检测到用户说了动作和方位词时，进行相应方向的平移或旋转；当检测到用户说了某个知识热点实体中的文本时，则移动到该热点前方。基于WEBVR API，实现双屏渲染与VR漫游。

本发明知识可视化界面系统除了知识空间建构模块、知识热点编辑模块和知识空间漫游模块，还可以优选包括以下模块中的一个或多个：知识空间管理模块、思维导图模块、三维空间搭建模块、数据可视化模块。各模块的具体技术实现如下：

知识空间管理模块

本模块通过数据库和管理界面对知识空间所需的各类组件和加工过的知识空间进行管理。每个知识空间包括场景类(空间模型文件)和组件类(图片、声音、视频等文件)文件，每个文件在数据库内都存有相对应的数据，包含物理文件名、文件显示名、文件存放路径、文件所属分类及标签等信息。用户在打造知识空间时，通过输入检索条件，可以很方便的查找自己所需的空间场景及组件。

对于创建完毕的知识空间，用户可对其进行编辑、复制、删除、预览、发布推送等操作，知识空间以列表呈现在个人管理界面中，如果管理的知识空间数量多时，用户同样可输入检索条件查找自己所需的知识空间；用户可以切换到二维地图界面，在地图上放置知识空间，方便用户定位知识空间、并借用地图建立多个知识空间的关联；系统还会提供一个“元空间”作为三维界面，用户可以将构造的知识空间作为知识热点嵌套在“元空间”内，直接在三维空间中进行各知识空间的管理。

系统采用管理员、用户分类与实名制、人工审核与内容自动识别技术对用户权限和内容合法性进行限制，防止不健康或违法信息的传播。基于websocket协议，用户可以将一个空间作为开放的房间，其他用户可以加入其中，多人在线对知识空间进行编辑。系统还具有组织、离线协同和关注功能。用户可将自己的空间链接推送给粉丝或组织，被推送对象在自己的管理界面上会看到该空间的数据信息。用户可对该数据进行“预览”和“复制”操作，点“预览”会进入空间体验，如点“复制”，则会将推送方的空间文件复制到自己的文件夹下，并在数据库中新生成一条数据信息，实现对空间的再编辑。

思维导图模块

思维导图由知识热点和导图分支构成。导图分支为连接知识热点的连线，其三维模型采用粗细渐变管状体构成，根据始末点坐标自动构建三维样条曲线作为管状体路径，并具有动态流光Shader。分支的形式化定义如下：

branch＝(p_prev,p_next)

分支的前驱p_prev和后继p_next有两种形式：知识热点或位置坐标。当前驱和后继为知识热点时，始末点为热点中心。分支连线模型的两个知识热点。每个知识热点都可以连接至多1个入分支、任意多个出分支，形成图5所示的多叉树结构。

当选中一个知识热点进行编辑时，可以从该热点派生出新知识热点，新派生出的热点随鼠标移动依附在场景物体表面，并且与父热点之间自动连接一条分支；除了派生热点外，也支持直接从热点引出一条分支，该分支没有后继，末端随鼠标移动。当移动到没有入分支的知识热点时，会依附在其上，此时继续移动鼠标，离开热点时分支末端也离开热点，继续跟随鼠标移动。如果在依附时按下鼠标，则会将该知识热点与父知识热点连接，分支末端不再跟随鼠标，实现对已有两个知识热点的连接。

三维空间搭建模块

该模式使用网格平面初始化场景，将带网格的平面作为鼠标位置射线碰撞的初始目标。对于鼠标位置的射线碰撞，设碰撞到的物体的碰撞点坐标为p_i，该点处法向量为n_i，方块边长为a，则添加方块的位置p_v通过以下公式进行计算：

在添加过程中，方块位置根据以上公式跟随鼠标移动，方块材质使用半透明以表示浮动；方块添加后，方块材质替换为实体材质并不再跟随鼠标移动。添加的方块也会作为鼠标位置的射线碰撞目标。在电脑及网页端，使用鼠标左键添加方块、右键删除方块，双击选择方块，或由具体输入设备决定。选择方块后可以对方块进行编辑，包括替换材质和批量添加。其中，批量添加会提供各方向的gizmos箭头，通过拖拽箭头，可以将方块进行沿箭头方向复制添加到场景中，实现方块构成的线、面、体的快速构建，如图6所示。

从图片生成方块模型时，使用规则排件算法拟合图片，根据灰度颜色决定各方块在y方向上的堆叠数量。模型转化时，基于八叉树编码最外层方块或常规三维模型的网格顶点，可以构造数据转换的中间格式。方块模型转化为低多边形模型时，使用梯度采样构造低多边形的顶点；常规网格模型转方块模型时，使用曲率驱动的自适应顶点采样获得各个方块坐标。

数据可视化模块

从后台调用统计数据，基于jschart、d3.js等可视化图形库，绘制数据统计图。将统计图绘制到canvas，并作为贴图贴到知识空间中的平面上，即可展示统计图。当后台统计数据发生变化时，发送请求，更新统计图并刷新贴图。

除了传统二维统计图，还有高级二维统计图。该统计图的图像元素为从隐喻数据库中检索得到，以具象的图形表现数据，而不再是传统的条形、扇形、折线等元素。

除了二维可视化，还支持数据的三维可视化。数据可以形式化表示为D＝<C,L_d,V>，其中D是数据，C是数据的名称，L_d是数据的标签集合，V是数据的具体数值。三维可视化将数据转化为热点实体的三维模型。此种三维模型是参数化模型，其形式化定义为M＝{F|F＝<L_f,p>}，其中M是三维模型，其被表征为几何特征F的集合。几何特征F有标签集L_f和参数列p。隐喻计算为建立数据名称和标签到几何特征标签的映射Γ({C,L_d})→{L_f}，进而相应地建立数值和模型的具体几何特征参数的映射γ(V)→p，从而以三维模型表现数据情况。三维模型的参数由源数据驱动，随数据变动随时更新。

多平台应用及系统界面

本系统具有多种实现形式。在网页端，基于WebGL开发网页应用，可以在各种平台上运行；在电脑端，基于OpenGL技术构造window等平台下的应用程序；在移动端，结合OpenGLES、ARKit等内嵌VR/AR工具包开发Android/IOS原生App。

以系统界面实现时，基于Android、Linux等开源操作系统，对GUI部分源码进行二次开发，定制三维交互界面的ROM包，发挥超链接显示类型的知识热点的功能，使知识热点成为打开文件和其他应用程序的快捷方式，直接作为手机、电脑及VR一体机的操作系统进行使用。

常规使用

本实施例提供的一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统。一般的使用流程如下，但不限于此：

第一步，用户登陆网站主页或打开APP，凭账户和密码进入“知识空间管理界面”。用户可以通过“添加项目”，输入项目名称，新建一个知识空间，也可以点击“编辑”按钮，打开一个之前编辑过的知识空间。

第二步，进入“知识空间建构界面”。点击左侧工具栏中的“导入”按钮(图1-①)，弹出空间场景选择窗口。用户可以直接从列表中选择现成的空间，也可以自主建构。完成空间的选择或建构后，即可开始知识空间的编辑工作。

第三步，在“知识空间建构界面”中，点击页面上端的“添加知识点”按钮(图1-⑤)，就可以在空间中的任何位置添加知识热点。环绕着知识热点，会出现功能按钮组合。通过知识热点图标上端的一排功能按钮(见图2-①②③)，用户可以移动、旋转、缩放知识热点图标。

第四步，用户可以通过屏幕右侧的工具栏更换热点图标(图2-④)，增加名称(图2-⑤)，选择放大、文本、图片、超链接、语音等不同的触发内容。如果导入的是3D模型，用户还可以通过位置热点(图1-⑥)在3D空间的不同位置增加位置热点，以方便VR浏览模式下的空间位置移动。

第五步，用户可以点击知识热点功能键组合中的“思维导图”功能按钮(图2-⑨)，进入知识空间中的思维导图绘制模式。

第六步，在知识空间的编辑工作完成后，用户可以点击左侧工具栏中的漫游按钮(图1-③)进入漫游模式，以演示和检查内容的设计效果。

第七步，点击左侧工具栏中的发布按钮(图1-④)，生成二维码和链接。移动端扫描二维码后，就可以显示相应的知识空间。

第八步，用户可以返回到项目管理界面，将加工过的知识空间分享给其他用户。

第九步，用户可以打开移动端APP完成上述相同操作，实现跨平台的应用。

本发明作为一种通用型的可视化界面系统，可以运用到各种涉及知识传播的场景中，具体应用实例如下：

虚拟三维空间知识可视化界面系统第一实施例

——语言词汇学习(单词小镇)

对于语言学习者来说，现场体验是一种非常重要的学习方式。语言教育者通过本发明可快速建立各种不同类型的学习空间，如客厅、教室、餐厅、超市等等，让学习者沉浸在这些空间中进行语言的学习。教学实施者在设计外语学习环境时，可以直接将一个个热点直接加到空间中的各个物体上，然后将与该物体对应的声音和文字做到触发内容里面，从而让学习者在浏览模式下，光标放到哪里，哪里就会弹出相应的文字和语音。学习者也可以通过VR模式，直接进入特定的空间，进行沉浸式的学习。

除了空间中原有的物品之外，设计者还可以通过增加并更改知识热点图标来提高空间中各种物件的丰富性和多样行，从而大大提高单个空间的知识密度。设计者还可以基于本发明的思维导图功能，将结构相似或语义相近的词语连接起来以提升学习效率。学习者在编辑模式下，结合自己的知识积累，通过增加知识热点、思维导图延伸或超链接，同样可以对单词涉及的具体内容进行建构式扩展。

通过本发明中的超链接功能，设计者可以将不同的单词空间连接成一个庞大的单词小镇。学习者可以在小镇中自由穿梭，分阶段分场景开展学习活动。该模式是适合英语、汉语、方言、少数民族语言或其他小语种单词学习体系的建构。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第二实施例

——在线三维展示平台(博物馆-画廊-展会)

本发明可以帮助不同类型的机构快速搭建在线的三维展示平台。该平台可用于博物馆的可视化传播。用户可以通过添加知识热点的方式，将平面或立体的虚拟展品添加到空间中的特点位置。虚拟展品的文字说明、视频演示、语音讲解可以通过添加触发内容加以设置。本发明中的思维导图功能和链接功能，可以进一步丰富对展品的有效说明。

在线三维展示平台也可用于企业产品的宣传。用户通过添加知识热点的方式，将各类产品的平面图或立体图添加到特定空间位置中进行展示。除了各种类型的说明之外，用户可以将各种客户体验问卷、购买意向调查甚至是购买订单，通过链接或弹框的方式直接打开。

在线三维展示平台还可以用于绘画作品或设计类作品的展览。本发明的自主搭建功能可以为用户搭建高度自由的展览空间。作品的摆放、说明和讲解都可以通过在空间中添加知识热点来完成。上述在线三维展示平台可以通过大屏幕展示，由讲解人员现场讲解相关知识。也可以由学习者通过移动端浏览，还可以通过VR设备进行沉浸式学习。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第三实施例

——未来教室(混合空间学习系统)

本发明通过将虚拟知识空间有机结合到现实教学空间中，从而建构起有效促进教与学的混合空间学习系统，进而突破现实教学空间的种种限制。具体应用如下：

①教师利用本发明将教学内容和流程加工到具有高度集成性的知识空间中。教师可以根据不同的课程内容和知识结构，灵活地通过链接打开不同的知识空间。如讲到故宫，就可以在知识热点中，把故宫的360度知识空间链接进来，而且可以事先对学习和观察的重点对象进行标注和说明。同样，如果学习外太空、热带雨林、生态系统、微观世界等主题时，教师也可以把相关的知识空间链接进来直接进行沉浸式的讲解。学生可以通过移动端浏览或编辑知识空间，也通过开启VR/AR/MR模式打开知识空间进行沉浸式学习。

②教师和学生可以在协同共建模式下，共同规划和建构知识空间，包括共同建构三维空间模型，对空间的功能划分，制定学习路径，添加知识热点和知识网络，链接关联知识素材，存放班级活动照片、学生奖状等等。教师可以利用数据可视化模块，将学生的学习进度和学习表现隐喻化为空间中的各种具体物件，如道路、树、玉米、金币、财宝等等。随着学习的推进，车子在道路上移动，各种作物在生长，财宝在增加。这种具象的呈现方式可以让学习更有乐趣和激励效果。

③教师和学生可以将特定知识空间的海报和二维码布局到真实的教室中，让真实的教室成为一个知识管理的界面。学生可以通过这些知识空间海报，回忆相关的知识内容，也可以通过移动端扫描二维码进入知识空间。学生也可以将知识空间的二维码粘贴到课本、笔记本或自己家中，将学习延伸到更广阔的领域。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第四实施例

——组织知识管理

随着知识经济的兴起，组织的发展越来越依赖对知识的管理。如何将组织和个人的暗默知识转化为形式知识已成为影响组织创造力、判断力和执行力的重要问题。本发明可以以一种全新的可视化方式，帮助组织系统地梳理形式知识，深度挖掘暗默知识。具体应用在如下：

①举办视觉会议。越来越多的组织开始采用视觉会议开展各类决策和分析活动。本发明可以为视觉会议提供无限多的表征空间、各种类型的视觉分析框架和丰富庞大的图标库，用于表征决策所需的各类知识。用户可以根据特定的认知框架和分析范式，将不同的空间用于不同的分析任务，利用视觉和图像促进团队协作，激发创造性思维，提高决策的质量。

②加强资料管理。组织内容存在大量的文档资料。本发明可以在立体思维导图功能的协助下，将组织内部的知识网络化到空间中，然后将不同的知识内容链接到这些重要的知识节点上，从而为组织内部知识的寻找和提取提供方便快捷的方式。

③改造内训方式。内部培训将基于本发明提供的知识可视化管理界面对培训内容进行视觉化改造。主讲人在知识空间中讲解相关内容，学习者在会后直接得到该知识空间，并进行个人加工和编辑。培训者也可以结合远程会议系统的同屏功能，对被培训者进行远程培训。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第五实施例

——个人信息管理

终身学习将成为个人发展的重要任务。面对信息的爆炸性增长和碎片化存在，学习者可以使用本发明帮助自己有序组织和建构知识体系，加快特定领域知识的学习速度。三维空间提供的承载力和立体思维导图功能使得将多个知识体系同时展示并构造联结、激发跨领域灵感更加轻松和便捷。

除了知识管理，用户的相册、视频、文件等内容都可以通过构造知识空间的方式上传到云端进行存储，和传统的云笔记、云盘系统相比，在空间中存储和浏览相关内容，用户可以更清楚的记住存放位置，更容易找到相关的文件，并且场景化的空间环境具有强大的概念整合作用，将碎片化的记录组成一个在认知上连续的整体。团队协作和分享等功能更是方便恋人、家庭构造共同的云端相簿、回忆录等。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第六实施例

——布展装修管理

诸多涉及空间场地的活动在实施中需要在不同的时空条件下合理有效地安排各种资源、分配任务、明确要求和进度。本发明可以让活动的组织者及相关人员在虚拟场景中，便捷地对各种资源和流程安排进行设计和协调，同时快速传递给团队所有人员。

虚拟三维空间知识可视化界面系统第六实施例

——刑侦线索管理

在刑侦中，受现有技术手段限制，往往只能拍摄案发现场关键线索的照片，离开现场后办案人员在黑板等平面媒介上用照片、笔、图钉、线等工具对线索进行梳理。使用本系统，将案发现场的全景图作为知识空间，既可以防止遗漏线索，又能够直接在其上进行线索标注。基于立体思维导图的功能，线索之间的连接和修改更加方便，任何发现和灵感都可以用知识热点添加到空间中。团队协作功能允许办案小组同时分析线索，并可以对空间进行版本管理，明确办案进度和各环节责任人，解决了传统刑侦过程中信息记录有限、版本管理复杂、线索梳理困难等问题。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于虚拟三维空间的知识可视化界面系统，其特征在于，该系统包括知识空间建构模块、知识热点编辑模块和知识空间漫游模块；

知识空间建构模块：用于导入不同类型的空间模型，并在空间模型中插入知识热点生成并发布知识空间，所述知识热点包括布置在知识空间中的热点实体、与热点实体绑定的知识内容、显示方式；

知识热点编辑模块：对热点实体、知识内容、显示方式进行编辑；

知识空间漫游模块：用于进入知识空间进行三维漫游，并触发知识热点显示知识内容。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间模型来自全景照片、3D场景模型、通过增强现实技术采集的真实场景，所述全景照片和3D场景模型为现有素材，或根据用户输入的关键词或图片信息自动生成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热点实体以文字、表格、图片、视频、三维模型中的一种或多种组合形式展示在知识空间中；所述知识内容不在知识空间中直接展示，仅通过热点实体的触发展示。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示方式包括：

装饰：知识内容为空，热点实体仅对知识空间起到静态或动态装饰作用；

位置：当触发热点实体时，用户移动到热点实体所在的位置；

放大：当触发热点实体时，放大热点实体；

多媒体：当触发热点实体时，弹出知识内容；

超链接：当触发热点实体时，打开超链接，如果该超链接指向另一个知识空间，则加载该知识空间，实现用户在不同知识空间中的跳转，如果该超链接指向上传的文件，则打开该文件。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述知识热点编辑模块中，对热点实体的编辑包括：移动、旋转、缩放、复制、删除、锁定、加密；根据用户需求，检索相应的图片、视频或三维模型，并添加到热点实体。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述知识空间漫游模块中，在三维漫游时，用户通过语音命令进行自由移动或直接移动到热点实体位置前，从而提高空间移动和漫游的效率；使用双屏渲染实现VR漫游，实现终端包括手机、VR眼镜、VR一体机。

7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括知识空间管理模块，该模块采用列表式、地图式或三维空间式界面对知识空间进行管理，并可以进行不同界面的切换；列表式界面：逐条显示知识空间的相关信息；地图式界面：用户可以在地图上检索和查找事先布局在不同位置上的知识空间；三维空间式界面：用户可以在知识空间中直接寻找嵌套在该知识空间中的其他知识空间。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述知识空间管理模块对知识空间进行权限设置，访问权限包括完全公开、团队公开、指定用户可浏览和完全私有，编辑权限包括仅浏览、协同编辑和副本编辑；多个用户可以协同编辑同一个知识空间，并能够进行版本管理。

9.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括思维导图模块，该模块用于在知识空间中制作三维思维导图，所述三维思维导图的节点为知识热点。

10.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，还系统还包括三维空间搭建模块，用于用户搭建自己的3D场景模型作为空间模型，采用单个方块搭建方式、批量搭建方式或自动搭建方式；

所述单个方块搭建方式为手动指定每个方块的位置和材质，搭建成完整3D场景；

所述批量搭建方式为用户一步搭建出一排、一片或一堆方块，并批量赋予材质，搭建成完整3D场景；

所述自动搭建方式为通过输入图片自动生成方块及材质，搭建成完整3D场景；

11.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括数据可视化模块，将需要可视化的数据与热点实体进行关联，通过数据驱动热点实体的几何参数变化，从而通过热点实体的几何形状展示数据。

12.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，该系统可以跨平台实现，实现方式包括应用程序和操作系统界面；

应用程序：包括Web网页、微信小程序、电脑端应用程序、移动端应用；

操作系统界面：在现有的操作系统基础上建立三维界面，将应用程序、文档全部纳入到该三维界面中进行编辑和管理，实现终端包括电脑、平板电脑、手机、VR一体机。

13.一种基于虚拟三维空间的知识可视化方法，其特征在于，该方法包括：

获取空间模型，并在空间模型中插入知识热点生成知识空间；所述知识热点包括布置在知识空间中的热点实体、与热点实体绑定的知识内容、显示方式；所述热点实体以文字、表格、图片、视频、三维模型中的一种或多种组合形式展示在知识空间中；所述知识内容不在知识空间中直接展示，仅通过热点实体的触发展示；

对热点实体、知识内容、显示方式进行编辑；

用户进入知识空间进行三维漫游，并触发知识热点显示知识内容，实现知识可视化。