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1、3D互动慕课流体力学虚拟全景MOOCs课程设计北京信息职业技术学院委托开发流体力学虚拟仿真实验室|目录一、必要性一、必要性二、技术和产品二、技术和产品三、学科应用三、学科应用四、系统组成四、系统组成五、实验室运营模式五、实验室运营模式流体力学虚拟仿真实验室第一章第一章 必要性必要性02流体力学虚拟仿真实验室|意义实验教学是工科教学中必不可少的组成部分，为了增强学生实践能力，工科院校必须进行实验教学，提高学生的创造力。问题：流体力学实验形式、内容、要求高，实验设备、器材、场地、经费相对滞后。流体力学是土建类、动力类、机械类、环境类专业的主要基础课，致关重要，理论体系强，具有很强的实验性教学需求，
2、实验教学是教学中的重中之重。02流体力学虚拟仿真实验室|痛点课程实验设备复杂、成本高。很多实验甚至无法通过真实实验教学。大部分实验停留在演示和理论层面，不利于学生创新能力培训，制约课程建设水平。流体力学虚拟仿真实验室：突破空间和时间的限制。02流体力学虚拟仿真实验室|设计思想以先进的3D虚拟引擎和优质的一流应用资源为基础进行设计开发。互联+3D虚拟现实：实现基于互联网和3D虚拟仿真为基础的实验教学管理、学生管理、虚拟实验教学、虚拟实验辅导、虚拟实验考核等功能一体的流体力学虚拟实验系统。02流体力学虚拟仿真实验室|建设目标建设目标：突破教学实验的空间和时间的限制，建设符合互联网和移动互联网时代的
3、新型3D虚拟仿真实验室，实现线下实验和3D慕课一体化的教学方案，结合虚拟仿真教学实验和互联网慕课，使学生能完成流体力学的大部分标准化实验和网络化复习、考核，同时，具有开放式的开发和生态系统，可以自主进行试验配置和设计，不断丰富流体力学虚拟仿真教学实验，创新开发与时俱进的流体力学虚拟仿真实验室。流体力学虚拟仿真实验室第二章第二章 技术和产品技术和产品02流体力学虚拟仿真实验室|重要伙伴及核心资源新加坡南洋理工大学：3D引擎开发合作美国A&M大学：眼球跟踪系统开发、光源模块开发合作深圳中视典科技有限公司：产品EMI营销合作、集成开发合作、交互软件战略合作德国奔驰汽车机器人生产线研发实验室：实验流程
4、和机控教学02流体力学虚拟仿真实验室|睿泽13产品&技术|第二章技术创新点综述l渲染引擎工具和图形创作工具：后续教师方便容易制作3D教材。l环境光源自适应技术：光效逼真，跨平台效果逼真。l人体工学视力照明和高动态范围渲染照明技术：对人体视力跟踪引擎效率提高60%14产品&技术|第二章技术创新点综述lXVIEW工具XVIEW用于3D教材交互制作。1、让教学数据三维引擎生成可视化交互效果。2、虚拟手臂工具，此工具可以使开发者如同在电影拍摄现场那样任意操控教学对象。3、通过XVIEW工具，开发团队将首次将真人演绎的动作融入到现场教学中去。l视频和3D混合渲染引擎首次应用于教学领域中，更是教育软件领域
5、中的一项重要突破。1.领先性：目前，本技术世界发达国家也属于领先的数字科技应用。它通过强大的在线生成能力，实时将视频和3D高质量图形进行动作结合和高精度位置测算，转化成相应的指令传达给电脑，借此实现真正意义上的人机对话。2.同时通过跟踪系统智能感应技术对系统做了相应的摄像机数据跟踪和多次计算，让视频处理技术现实程度更高。l摄像机数据拾取系统全景教材设计人员将能够轻松的创建、自定义全景环境中使用的摄像机。该软件是一种跟踪摄像机数据的快速方便的工具。并实现动画参数、摄像机参数的即时对应关系调整15产品&技术|第二章核心技术与传统技术对比：Unreal&Unity3D对于教育产品和行业专业产品支持能
6、力差Unreal&Unity 3D我们的我们的3D引擎引擎创新意义创新意义视频和3D结合开发：原生引擎无视频处理结合点GALAXY引擎：结合了视频处理技术、结合了数据采集跟踪同步技术。使3D引擎和视频处理融合后，丰富了3D教材的产品性能。渲染输出方式：采用的是单引擎单输出技术GALAXY引擎：采用的是单引擎多输出技术。大大节省服务器的硬件投入成本。1台普通PC机就能提供多学科的3D教材同时输出。产品实用性大大提升。开发方面：与操作系统结合紧密的功能，使用起来比较麻烦，比如各种支付系统，广告平台，数据统计插件等等，大部分使用java或者obc等原生代码编的，要用的话，就得用unity的插件功能，
7、还需要对原生代码有所了解，插件开发的稳定性会大打折扣，另外对开发人才的需求层资偏高。开发方面：我们的引擎开发采用的是双SDK开发模式，独立开发了DISCO开发系统，标准化了引擎的输出和代码，使目前引擎底层复用率提高了60%。开发效率提高近1倍。降低了3D教材的开发门槛，消除了后续发展的人才资源瓶颈。同时降低了现在的人力成本。资源算法：资源算法：占用内存大，对电脑或平板配置要求高资源算法：资源算法：使用高级内存管理和虚拟内存双算法，对物理内存的压力低。使用低成本的PC机取代了原来的大型服务器。为产品小型化打下基础。16产品&技术|第二章核心技术3D图形技术：基于Unreal和Unity3D做了双
8、引擎优化开发，并自主开发了8项知识产权。对在线渲染和视频处理技术做了深度整合。银河知识产权全景课堂知识产权16产品&技术|第二章具有照片级真实感的次世代实时渲染引擎16产品&技术|第二章基于真实物理属性模拟的物理引擎16产品&技术|第二章自主知识产权的虚拟现实引擎，虚拟仿真实验教学开发平台16产品&技术|第二章流体模拟16产品&技术|第二章刚体模拟16产品&技术|第二章约束连接模拟16产品&技术|第二章虚拟仿真系统利用物理系统在短时间内，针对具体问题设定相应条件参数，多次重复进行模拟实验，将实验结果进行逼真再现。网络教学互动实验平台通过教学MOOC平台，使学生通过互联网进行网络虚拟实验。04产
9、品与技术|第二章3D全景流体力学虚拟仿真实验。定义：通过3D虚拟现实教材做为入口，实现互联教学。解决问题：传统教材实验不直观生动带来的教学和学习问题。微观标准化宏观标准化抽象具象化内部结构解剖l关键词：大3D时代、工业4.0时代、教育信息化05产品&技术|第三章产品：空气流动力学在城市建设规划中的应用06产品&技术|第三章产品和技术：以3D技术生动、直观、形象的特点为主要切入点，开发大量配套3D教材。使学习和应用紧密直观化，场景化。达到消除难于讲解，难于表现，难于理解的知识点的目的。使学生的理解、记忆变成简单的“回忆”要点一：L型二次3D成像全景台，360度全景出屏3D实训。要点二：为讯飞开发
10、的雏形期产品和合作提案。07产品&技术|第三章09产品&技术|第三章要点四：3D互联MOOC虚拟仿真实验教学、教师和教具融合成3D慕课系统的效果，本图为地理3D全景慕课的电脑效果截图老师在3D欧洲全景主题内，使用3D教具地球仪在线进行授课。流体力学虚拟仿真实验室第三章第三章 学科应用学科应用02应用应用1 1：水动力学应用 模拟水在管道、渠道、江河中的运动，分析液体本身的特性。通过对模型添加物理属性模拟约束液体运动的特性，如水利工程，环境工程等。还可以模拟船舶在水中运动时所遇到的各种阻力，船舶稳定性以及船体和推进器在水中引起的空化现象等。02应用应用2 2：气动力学应用模拟飞行器在各种飞行条件
11、下流场中气体的速度、温度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的升力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。02应用应用3 3：渗流力学应用模拟流体在多孔或缝隙介质中的运动，包含地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等。模拟结果对石油、天然气开采，地下水利用，防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程等提供依据。02应用应用4 4：物理化学 流体动力学应用模拟燃烧所产生的热能，热能推动机械或其他用途。模拟爆炸瞬间能量变化及传递所产生的破坏等。02应用应用5 5：多相流体力学应用模拟沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输
12、送、化工流态化床中气体催化剂的运动等。涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等。02应用应用6 6：环境流体力学应用模拟风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀等。02应用应用7 7：生物流变学应用模拟血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。此外，还模拟鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动等。流体力学虚拟仿真实验室第四章第四章 系统组成：硬件、软件、网络平台系统组成：硬件、软件、网络平台02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统多通道3D高清背投沉浸式交互系统 该系统采用国际上最先进的虚拟仿真系统解决方
13、案，是一种基于投影技术和动作捕捉技术的虚拟现实系统，它由围绕观察者的四个面组成，四个投影面组成一个洞穴式沉浸虚拟现实空间，四个面均采用背投方式。观察者可以通过佩戴主动立体眼镜和六自由度的头部位置跟踪设备，以便观察者的视点位置实时反馈到计算机，使体验者感受到身临其境的感觉，操作者沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备（如操作手柄、力反馈等装置、位置跟踪器等）对虚拟现实内容进行交互操作。02立体眼镜交互手柄光学跟踪摄像头 力反馈器背投投影幕主动立体投影机02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统系统优势1）虚拟现实沉浸交互系统，具有高度的沉浸感外更兼具接近真实的自然交
14、互手段；2）多维度感官交互，可以融合视觉、触觉、声音等；3）高精度深度动作捕捉，可跟踪头部和手势的6个自由度的运动，支持使用虚拟工具进行操作的精细交互。定制开发三维虚拟仿真教学内容，完成流体力学的教学研究，通过虚拟仿真交互式教学实训系统解决方案，解决实际教学中对流体力学知识的系统研究。流体力学应用02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统L型2次3D高清沉浸式全景交互台 不同于传统的3D立体视觉仅仅提供三维画面的景深感（如前后距离），更提供上下左右的360度视角（左右），光学位置跟踪系统提供的运动视差绑定带给用户的是更真实自然的视觉体验，即用户不仅仅可以看到三维场景的景深，还可以看到所观察对象的各个
15、面，为人眼视觉呈现自然感知效果，这种视觉体验有很强的冲击力，用户观测到的模型近乎以全景全息的效果呈现在眼前的空气中。用户手持加装光学位置跟踪装置的交互设备（可定制多种样式的操作手柄），系统可以捕捉到用户手部在空间中的位置信息，用户通过交互设备与眼前的全息虚拟对象进行交互，手持交互设备可以提供模拟真实的便捷的交互方式。02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统L型2次3D高清沉浸式全景交互台产品优势 1）通过全新的光学头部跟踪模式，系统可以自动匹配用户视角来让用户多角度自主观看立体模型。2）创新型二次3D垂直双屏二次聚集成像立体融合显示技术，显示出360度全景视觉效果。3）实时图形渲染，提供真实或更接
16、近真实1:1尺寸模型全息显示。4）空间立体操作界面，体验超逼真的视觉效果及舒适的操控。5）通过手持交互设备在空中直接与虚拟模型进行真实自然交互。02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统一次3D增强现实感知交互台该系统是依托睿泽世创最新的银河引擎GALAXY编辑器，采用图形识别技术研制而成的可控制虚拟场景交互硬件。用户在下方交互屏上面移动贴有识别图形的卡片或棋子进行交互，即可在正面显示屏观看到虚拟现实场景的响应，实现具体应用需求。该系统采用图形图像识别技术、虚拟现实技术和增强现实技术、二维码交互技术，用户只需移动贴有相应图形的卡片、棋子模型等标识物，即可与虚拟现实内容进行实时互动。02流体力学虚拟仿真实验室|硬件系统一次3D增强现实感知交互台产品优势 1）通过先进的图形图像识别技术将平面交互屏与正面虚拟场景显示屏相结合。2）利用卡片或棋子模型进行识别。3）实时图形渲染，提供真实的模拟展示效果。4）提供自定义、创新设计的丰富交互方式。5）通过移动卡片或棋子模型直接与虚拟模型进行真实自然交互。02流体力学虚拟仿真实验室|软件系统一、银河GALAXY引擎系统-系统8个模块。原始知识产权二、流体力学
