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1、 智慧校园建设方案 VR 智慧教室与汽车虚拟拆装仿真系统 建 设 方 案 联系人：XXX 联系方式：XXX 日期：2018 年 5 月 13 日 1 目 录 目 录1 一、 建设背景 3 1.1 相关政策导向.3 1.2 虚拟现实系统简介.5 二、 虚拟现实系统方案总体设计.7 2.1 系统总体框架.7 2.2 终端应用层.9 2.2.1 大型沉浸式终端9 2.2.2 小型桌面级终端11 2.2.3 移动终端15 2.3 资源共享层.15 2.3.1 编辑端16 2.3.1.1 数据导入整合16 2.3.1.2 场景编辑制作18 2.3.2 渲染端21 2.3.2.1 可视化管理21 2.3.
2、2.2 实时交互24 2.3.2.3 视频录制29 2.3.3 资源集中管理及共享平台3D Store .30 2.4 数据接口层.32 2 三、 XXX 技术学院虚拟现实系统建设34 3.1 建设目标 34 3.2 建设原则 34 3.3 本期项目建设规划.35 3.3.1 虚拟仿真实验教室建设35 3.3.1.1 实验教室总体规划35 3.3.1.2 虚拟现实 Cave 系统37 3.3.1.3 桌面虚拟现实交互式教学系统43 3.3.2 VR虚拟教学/实训资源建设.45 3.3.2.1 概述45 3.3.2.2 建设内容45 3.3.2.2.1 发动机拆装.46 3.3.2.2.2 底盘
3、的拆装.54 3.3.2.2.3 手动变速器拆装.61 3.3.2.3 系统建设74 3.3.2.3.1 软件设计.74 3.3.2.3.2 场景设计.77 3.3.2.3.3 应用描述.81 3.3.2.3.4 软件开发.83 3 一、 建设背景 1.11.1 相关政策导向 近年来，党中央、国务院高度重视教育信息化工作。 国家中长 期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年） 指出， “信息技术对 教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视” ，并把“加快教育信 息化进程”单独作为一部分进行了专门的阐述。在全国教育信息化 工作电视电话会议上，进一步全面深刻地阐述了教育信息化的重要 性，指
4、出教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促进教 育公平、提高质量的有效手段，是建设学习型社会的必由之路。国 家发改委、工信部等部门在“宽带中国 2013 年专项行动计划” 、 “信息惠民工程”等一系列国家重大工程中，都把教育信息化列为 重点建设内容。 其中比较有代表性的政策条款有： 1、 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知 （教高司函201394 号）中的：虚拟仿真实验教学是高等教育信息 化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技 术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学中心建设工作坚持“科学规 划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以 4 全面
5、提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教 学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，分年度建设一 批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教 学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。 虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库 和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学 生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。 虚拟仿真实验教学中心建设任务是实现真实实验不具备或难以 完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操 作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全 和经济的实验项目。虚拟仿真实
6、验教学中心建设应充分体现虚实结 合、相互补充、能实不虚的原则。 2、 教育信息化十年发展规划(2011-2020) （教技20125 号） 中的：以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略 选择。制定和实施规划 ，建设覆盖城乡各级各类学校的教育信息 化体系，促进优质教育资源普及共享，推进信息技术与教育教学深 度融合，实现教育思想、理念、方法和手段全方位创新，对于提高 教育质量、促进教育公平、构建学习型社会和人力资源强国具有重 大意义。 5 各级教育行政部门和各级各类学校要高度重视，把教育信息化 摆在支撑引领教育现代化的战略地位，切实加强对规划实施工 作的组织领导，广泛组织开展学习，深
7、刻理解教育信息化工作的重 大意义和规划确定的指导思想、工作方针、发展目标、发展任 务、重点项目和政策措施，进一步增强加快教育信息化进程的责任 感、紧迫感和使命感。要加强统筹协调，制定政策措施，加大资金 投入，有力、有序推进规划的组织实施。要广泛开展宣传，动 员全社会关心和支持教育信息化工作。要落实工作责任，严格督查 考核，切实把规划提出的各项任务落到实处。 虚拟仿真实验教学是教育信息化建设的重要内容，是学科专业 与信息技术深度融合的产物。在国家的诸多政策导向的影响下，开 始重视“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展” 的指导思想，以全面提高学生实践能力为宗旨，以共享优质实验教 学资
8、源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验 教学信息化建设，推动学校实验教学改革与创新。 1.21.2 虚拟现实系统简介 虚拟现实(Virtual Reality，VR)，是一种可以创建和体验虚拟世 界(Virtual World)的计算机系统，可以形成一种“人能沉浸其中、 超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间” 。VR 技术利用计 6 算机生成的交互式三维环境，不仅使参与者能够感到景物或模型十 分逼真地存在，而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。 虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术，在艺术、建筑、设计、 新媒体、教育等很多领域都得到了广泛的应用。 虚拟现实是高度
9、发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的 结晶和反映，它具有以下主要特征： （1）依托众多专业学科的高度综合化； （2）用户的沉浸感、交互感； （3）系统或环境的大规模集成化； （4）数据表示的多样化和标准化，数据存储的大容量、数据传 输的高速化与数据处理的分布式和并行化； （5）满足众多用户和关键用户的学习、实践和创新。 作为虚拟现实技术的载体，虚拟现实系统具有缜密的组成和较 高的结构复杂度，归结来说，可将其分为两大部分：以数字软件为 基础的虚拟环境生成系统，及以硬件为基础的人机交互系统。 （1）虚拟环境生成系统是虚拟现实技术的主体部分，它依托于 数码工作站式的计算机硬件，主要涵盖虚拟现实图
10、形数据库及三维 数字模型生成软件等，能够根据产品功能或者展示要求产生所需的、 7 具有 6 个自由度的场景和设计实例，通过虚拟现实浏览器可全方位 观看其造型、材质、色彩及结构等。虚拟环境模型的建立既可以通 过三维软件进行数字建模，还可以通过逆向工程（RET）进行环境 的反求。 （2）人机交互技术是虚拟现实系统的显著特征，集中体现在视 觉、听觉、触觉三大方面。人机交互系统使得数据不再是单方向强 制性地传递给用户，用户可以借助外延设备实现与虚拟环境的双向 信息交流，并将用户的口令或者所做修改以实时的方式显示出来。 虚拟现实中的人机交互系统依靠显示设备、位置追踪设备、操作控 制设备等，使处于虚拟环境
11、之中的使用者产生立体式“沉浸感” ，使 用户的动作和操作更加真实与自然，体现出人机交互系统的多通道 属性。 二、 虚拟现实系统方案总体设计 2.12.1 系统总体框架 整个虚拟现实系统分为三个层级。其中，终端应用层为用户提 供了应用于各种教学场所的虚拟现实硬件设备，是虚拟现实教学资 源最终得以交互操作的载体；资源共享层为用户提供了针对各种形 式的虚拟现实教学资源的管理平台，方便用户集中调用；数据接口 8 层将虚拟现实系统与学校的教学平台结合起来，通过接口开发，实 现教学资源、课程管理、学生成绩等信息的互通。如下图所示： 整个虚拟现实系统具有以下特点： （1）终端应用层中不同体量的虚拟现实硬件设
12、备，均有成熟的 标准化产品，硬件性能稳定，实施风险较小。 （2）资源共享层中的各种形式的虚拟现实教学资源，均能由虚 拟仿真设计软件平台制作并调用，数据标准统一，同时能与终端应 用层的硬件设备无缝兼容，直接运行。 （3）整体架构体系考虑到了后期的硬件升级以及软件内容的扩 9 充，具有很强的可延展性。 （4）该系统广泛应用于全国众多高校的虚拟仿真类实验教学中， 覆盖率较高，有利于学校间的虚拟现实教学资源成果的共享。 2.22.2 终端应用层 为满足不同场合不同功能的应用，终端应用层共分为三种形式， 分别是：大型沉浸式终端、小型桌面级终端、以及移动终端。 2.2.12.2.1大型沉浸式终端 大型沉浸
13、式终端，主要由多台工程级主动立体投影机，或小间 距主动立体显示屏，组成多通道的沉浸式虚拟现实环境。大型沉浸 式终端，可安装在面积较大的阶梯教室，满足在课堂教学中对较大 虚拟场景的交互体验的应用需求，例如机械类专业中的大型涡轮发 动机、建筑类专业的楼板墙板搭建施工等等。老师在讲台运用交互 手柄，对沉浸式终端中的三维场景进行漫游、拆装、标注等操作， 通过这种全新的演示手段来辅助自己的课堂讲解；学生佩戴立体眼 镜，紧跟着老师的讲解思路，沉浸在虚拟的教学场景中，达到前所 未有的上课体验。 10 大型沉浸式终端主要由以下几部分组成： （1）立体显示子系统：作为整个虚拟现实大型沉浸式终端的显 示部分，显示
14、系统效果的好坏对整个系统表现的影响非常大。采用 多台工程级的主动立体投影机，提供高分辨率、高亮度的投影显示， 提供稳定优质的可视化效果。 （2）图形图像处理子系统：由于虚拟现实系统所采用的软件为 实时渲染的方式，占用较大空间资源，因此对计算机硬件的要求随 11 之提高，当前虚拟系统中的计算机硬件以高性能图形工作站为主流， 特别是针对多通道的虚拟现实系统，由多台图形工作站组成一个分 布式渲染系统，确保流畅的实时渲染效果。工作站中安装虚拟现实 软件平台，可直接打开调用资源库中的虚拟现实工程文件。 （3）交互子系统：大型沉浸式终端中的人机交互设备包括动作 捕捉系统、操作手柄等，可以使设计者和观察者实
15、时地对多通道显 示屏幕上的内容进行综合操控（如 360 度全方位漫游、测距、剖切、 标注等） ，实现用户与三维模型的浏览漫游和交互操作。 （4）结构子系统：大型沉浸式终端的整体机械框架决定了该系 统的沉浸体验形式，洞穴式的框架无疑是沉浸感最强的。设计良好 的机械结构，不仅能方便投影设备、动作捕捉设备等的安装调试， 更要考虑到后期的维护、搬迁、扩充升级等因素。 2.2.22.2.2小型桌面级终端 桌面级虚拟现实设备，用于在实验实训课程中，让学生进行自 主的交互操作，完成实验实训内容。现阶段规划的小型桌面级终端 主要有三类设备可供选择，分别是桌面交互一体机、虚拟现实头盔、 虚拟工作台/全息台。 1
16、2 桌面交互一体机 桌面交互一体机整合了高保真的立体显示屏、低延迟的追踪系 统和软件系统，可通过 6 自由度的触笔进行自然的人机交互。例如 国内中视典公司的桌面版全息台、国外 Infinite Z 公司的 Z Space 虚拟现实交互一体机。 虚拟现实头盔 虚拟现实头盔，也称 VR 头显，是一种虚拟现实头戴式显示设 13 备。它一般通过以下三个部分致力于给使用者提供沉浸式体验：一 个头戴式显示器、一套手持控制器、一个能于空间内同时追踪显示 器与控制器的定位系统。例如 Oculus Rift、HTC VIVE 和索尼 PlayStation VR。 虚拟现实工作台/全息台 虚拟工作台（也有称全息台）也是一种轻量级的虚拟现实工作 终端，它也集成了立体显示屏、小型光学式动作捕捉设备，适用于 工业产品、机械设备的虚拟结构设计、装配、检修等操作，使用户 拥有置身于真实工作台般的完美操作体验，是一种实用又高科技的 移动虚拟工作台。例如国内曼恒数字的 G-Bench、中视典的 Holo
