VR建筑實訓室建設方案

VR-建筑工程實訓室建設方案項目負責人：壽胡濱聯(lián)系電話：目錄一、項目背景 2（一）、政策背景 2（二）、行業(yè)背景 2二、項目實施意義 4（一）、教育意義 5（二）實習實訓意義 6（三）社會效益和經(jīng)濟效益 7三、建設內(nèi)容 8（一）、VR實訓室原理 8（二）、VR實驗室的組成部分 101、VR應用系統(tǒng) 102、沉浸式虛擬三維顯示系統(tǒng) 113、沉浸式虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng) 12（三）VR實訓室建設 18四、項目建設目標 19一、項目背景（一）、政策背景我國《教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）提出，“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，重點建設一批國家級實驗教學示范中心、國家大學生校外實踐教育基地、高職實訓基地。加強實踐教學管理，提高實驗、實習實訓、實踐和畢業(yè)設計（論文）質(zhì)量?！钡葟娀瘜嵺`育人環(huán)節(jié)的措施?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》也指出，“建設仿真實訓基地等信息化教學設施，建設實習實訓等關鍵業(yè)務領域的管理信息系統(tǒng)，建成支撐學生、教師和員工自主學習和科學管理的數(shù)字化環(huán)境。《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年（2016-2020年）規(guī)劃綱要》也提出要大力推進虛擬現(xiàn)實等新興前沿領域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。（二）、行業(yè)背景從上世紀90年代開始,虛擬現(xiàn)實技術被廣泛地應用于實體模型制作、信息交流和管理、藝術及娛樂等領域,同時也受到了建筑師們的青睬。(1)作為理解的工具虛擬現(xiàn)實技術帶給我們的是具有真實感的序列立體圖象,這樣就大大方便了我們對于對象的認識和理解。例如作出傳統(tǒng)中國木建筑的虛擬模型,建筑專業(yè)學生便可用此模型了解中國木建筑的營建過程。又如,作出紅樓夢中的建筑群的復原虛擬模型,綜合成一個單獨的虛擬境界。利用它,一般人可很快理解小說中人物的生活場景。在歐洲、日本和美國,虛擬現(xiàn)實日益廣泛地被家具商和房地產(chǎn)商們用作展示方式和促銷手段。(2)作為設計和體驗的工具為了確保生產(chǎn)出來的產(chǎn)品符合不同用戶的需求,有必要讓用戶在產(chǎn)品的設計階段就能體驗產(chǎn)品的性能,以便隨時修改設計方案。利用虛擬現(xiàn)實技術讓用戶在虛擬空間中,對系統(tǒng)進行性能評價和模擬體驗。例如虛擬廚房體驗,設計者先根據(jù)用戶的要求設計廚房的大致框架,據(jù)此用CAD系統(tǒng)劃出平面圖、立面圖籌,并列出費用清單。然后讓用戶在模擬體驗系統(tǒng)中體驗廚房的方便程度?？梢泽w驗與廚房設計所對應的虛擬空間中各部分的配置,空間的高度感、前后的延伸感等。體驗廚房門的開閉、水龍頭的操作以及在壁柜內(nèi)放置物品的情況等。有了這種虛擬廚房,可以使用戶在廚房制造前檢驗設計的合理性,然后根據(jù)用戶確定的設計啟動計算機集成制造生產(chǎn)線,其加工精度為毫米。這就是虛擬現(xiàn)實技術作為設計和體驗的工具的應用。(3)技術論證在實際工程項目中,因施工技術問題而導致原設計失敗的例子屢見不鮮,因此,對于許多大型的建設項目而言,進行施工技術可行性的論證非常有必要。虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為我們解決了這一難題。利用虛擬現(xiàn)實技術不僅僅可以作視覺方面仿真,還能對動力學、運動學等方面進行仿真。例如,通過模擬建筑施工中大型構件運輸、裝配過程,可以檢驗此過程中是否存在物件的碰撞、干涉,是否因構件形變導致結構破壞等,經(jīng)過虛擬工建造過程,可以檢查施工計劃和技術的合理性和有效性。面對競爭日益激烈的人才市場，擔負著教育責任的工程建設類院校，不可能像基礎教育一樣只關注對學生基本素質(zhì)的培養(yǎng)，院校也面臨著畢業(yè)生無一技之長難以就業(yè)的困局。缺乏專業(yè)的實驗實訓室及配套的軟件，建筑類院校建設類專業(yè)的實驗及實訓課程基本以老師理論講授、案例教學為引導，學生進行校外實習和方案設計為主的教學模式。注重土木類的教學，缺少針對施工技術和管理類的實訓。實際教學與實際工作流程存在一定的差距。側重基礎知識和技能教學，實際工程案例缺乏，缺少對建筑、水利、市政等施工企業(yè)崗位實戰(zhàn)認識實訓和崗位性綜合實訓，缺少項目全生命周期綜合案例實訓。建設類專業(yè)職業(yè)發(fā)展所需的應用技能：堅實的專業(yè)知識及基本的操作技能；對行業(yè)工作流程的把握及管理工作的融會貫通；建設類專業(yè)由于其特殊性，一般建筑企業(yè)不愿意接受學生實習，安全因素是一個比較大的難題。但本專業(yè)又具有突出的實踐性和應用性特點，使得在教學過程中必須通過實習和實訓，才能使學生將所學知識和技能掌握。缺少必要的實訓軟件和仿真實訓平臺，將嚴重影響教學質(zhì)量和學生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。二、項目實施意義利用虛擬現(xiàn)實技術，以數(shù)字化信息為基礎，對學校的教學、科研、管理和生活服務等所有信息資源進行全面的數(shù)字化，最終實現(xiàn)教育的信息化，提高學校的辦學水平和管理水平。（一）、教育意義虛擬仿真實驗教學是中高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實驗教學建設工作堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想，以全面提高中高等院校學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬現(xiàn)實技術實驗教學中心，持續(xù)推進實驗教學信息化建設，推動中高等院校實驗教學改革與創(chuàng)新。職業(yè)教育，尤其是我們所處的建設領域，職業(yè)化學校肩負著培養(yǎng)職業(yè)技能型人才的任務，是社會經(jīng)濟發(fā)展非常重要的組成部分。但我們可以看到，目前的教學模式單一而落后，教學過程中以書本為主，理論化的教學模式依然是主流，而建設領域的技術發(fā)展和創(chuàng)新日星月異，教材的老化和脫節(jié)嚴重影響到了行業(yè)發(fā)展，同時加劇了就業(yè)壓力和專業(yè)人才缺口的擴大。在傳統(tǒng)教學中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內(nèi)容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形成一些規(guī)定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復雜的場景，以傳遞大量的信息。但這一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結構及理解能力的影響，交流起來非常困難。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展為我們克服這一困難提供了極其有效的手段。用虛擬現(xiàn)實既能表示真實的世界，也可以表示虛擬的世界。表示真實世界時，可以突破物理空間和時間的約束，做到能“超越現(xiàn)實”；在表示虛擬世界時，又能使其中的虛擬物體表示出三維逼真感，以達到身臨其境的感受，最后形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的三維信息空間”。VR技術為用戶提供了一種新型的人機接口，它利用計算機生成交互式三維環(huán)境，不僅使參與者能夠感受到景物或模型的逼真存在，并且對參與者的運動和操作做出實時準確的響應。引入職教一體化VR實訓室建設，將其沉浸性、交互性、自主性、多感知性等特性融入教學過程中，以實訓室為依托，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的手段實現(xiàn)教學模式創(chuàng)新、教學方法創(chuàng)新、教學內(nèi)容與實際同步。（二）實習實訓意義職教一體化VR實訓室建設將極大程度上解決本校學生的實習實訓，課堂教學以實際相互銜接，培養(yǎng)學生的基礎知識與專業(yè)職業(yè)技能的融合。同時一體化的思路引入，將使得教學的深度、系統(tǒng)化更強，培養(yǎng)職業(yè)管理型人才及綜合素質(zhì)較高的專業(yè)技術人才的目標將更加有利。虛擬現(xiàn)實技術實驗是為本科教學而設計和實現(xiàn)的。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。虛擬仿真實驗教學中心建設任務是實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目。虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現(xiàn)虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。（三）社會效益和經(jīng)濟效益職教一體化VR實訓室相對于傳統(tǒng)的等比例建筑專業(yè)情景模型基地更加省錢、省場地、省人工。職教一體化VR實訓室的建設，可以有效解決本校學生實習實訓的同時，使得常規(guī)的外出實習實訓的安全風險得以規(guī)避，安全管理的壓力和風險得以控制。建設完成后，可以吸納地方兄弟院校和相關培訓單位，將本校的一體化實訓基地有條件的進行開放，以低于市場平均價格的實習實訓費用，服務于其他院校，提升地方職業(yè)化教育的水平。大量的施工企業(yè)也存在亟待解決的安全教育、入職培訓、技能培訓問題，施工企業(yè)可以將一體化實訓基地作為企業(yè)培訓和教育的窗口和平臺。同時，基地也可以聘請有豐富經(jīng)驗的一線技術管理人員參與日常的工作中來，通過技術融合、管理融合等思路不斷提升實訓基地的水平。三、建設內(nèi)容（一）、VR實訓室原理虛擬現(xiàn)實（VR-VirtualReality）,也稱虛擬實境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術。與傳統(tǒng)的模擬技術相比，虛擬現(xiàn)實技術的主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動，進行交流。通過參與者與虛擬仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。沉浸/臨場感和實時交互性是虛擬現(xiàn)實的實質(zhì)性特征，對時空環(huán)境的現(xiàn)實構想（即啟發(fā)思維，獲取信息的過程）是虛擬現(xiàn)實的最終目的。虛擬現(xiàn)實技術的先進特性使得該項技術應用于各行各業(yè)的模擬仿真研究中，并切實有效地指導了生產(chǎn)實踐。自從虛擬現(xiàn)實技術誕生以來，它已經(jīng)在城市建設規(guī)劃、軍事模擬、先進制造、地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學生物等領域中發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟、軍事和社會效益。虛擬現(xiàn)實技術在不遠的將來就會像當年的計算機一樣應用于社會生產(chǎn)實踐的各個領域，它與網(wǎng)絡、多媒體將并稱為21世紀最具應用前景的三大技術。隨著虛擬現(xiàn)實技術的成熟，人們開始認識到虛擬現(xiàn)實在教育領域的應用價值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實訓體驗教學方面也具有利用率高，易維護等諸多優(yōu)點。近年來，國內(nèi)的許多重點高校都根據(jù)自身科研和教學的需求建立了虛擬現(xiàn)實技術實驗室。（二）、VR實驗室的組成部分1、VR應用系統(tǒng)以建筑模型應用系統(tǒng)為例：傳統(tǒng)的等比例實體模型，雖然節(jié)點資源豐富，滿足日常教學的“觀賞性”學習，但是作為靜態(tài)的模型節(jié)點，學生只能觀察“節(jié)點”外形特征，知其然，而不知其所以然，學生無法更加深入的了解“節(jié)點”的細部構造，施工要求、質(zhì)量要求等具體的內(nèi)容。萬霆虛擬等比例實體模型引入了配套的資源云平臺，將實體“節(jié)點”與相關資源鏈接，使得靜態(tài)的模型插上“資源”的翅膀，變的更加的豐富多彩。節(jié)點模型三維仿真化：將傳統(tǒng)的等比例實體模型，通過計算機技術，采用Untiy3D技術復原，在每個節(jié)點上，賦予知識熱點，用戶可通過三維模型的剖切和漫游，點擊知識點，了解該構件的配套資源信息。資源包括：電子科技（ppt）、施工視頻（仿真、實拍）、微課資源、題庫等。以框架柱為例，用戶通過賬戶進入，化身虛擬人物在三維模型中漫游，點擊每個知識熱點，系統(tǒng)會自動顯示該節(jié)點配套的專業(yè)知識。2、沉浸式虛擬三維顯示系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)中，通常有多種顯示系統(tǒng)或設備，比如：大屏幕監(jiān)視器、頭盔顯示器、立體顯示器和虛擬三維投影顯示系統(tǒng)，而虛擬三維投影顯示系統(tǒng)則是目前應用最為廣泛的系統(tǒng)，因為虛擬現(xiàn)實技術要求應用系統(tǒng)具備沉浸性，而在這些所有的顯示系統(tǒng)或設備中，虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是最能滿足這項功能要求的系統(tǒng)，因此，該種系統(tǒng)也最受廣大專業(yè)仿真用戶的歡迎。虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是目前國際上普遍采用的虛擬現(xiàn)實和視景仿真實現(xiàn)手段和方式，也是一種最典型、最實用、最高級別的投入型虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)。這些高度逼真三維顯示系統(tǒng)的高度臨場感和高度參與性最終使參與者真正實現(xiàn)與虛擬空間的信息交流與現(xiàn)實構想。3、沉浸式虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)多自由度實時交互是虛擬現(xiàn)實技術最本質(zhì)的特征和要求之一，也是虛擬現(xiàn)實技術的精髓，離開實時交互，虛擬現(xiàn)實應用將失去其存在的價值和意義，這也是虛擬現(xiàn)實技術與三維動畫和多媒體應用的最根本的區(qū)別。在虛擬現(xiàn)實交互應用中通常會借助于一些面向特定應用的特殊虛擬外設，它們主要是6自由度虛擬交互系統(tǒng)，比如：力或觸覺反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手柄、位置跟蹤器或交互控制器等等。ＶＲ技術的核心是通過計算機產(chǎn)生一種如同“身臨其境”的具有動態(tài)、聲像功能的三維空間環(huán)境，而且使操作者能夠進入該環(huán)境，直接觀測和參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。因此，將ＶＲ技術應用于建筑工程仿真研究，不但可以使得該領域內(nèi)的計算機仿真方法得到完善與發(fā)展，而且也將大大提高設計與施工的逼真性、實效性和經(jīng)濟性。建筑施工是復雜的大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設鋼筋、砌筑、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著施工的進程。模擬施工過程是為了通過虛擬仿真手段，去發(fā)現(xiàn)實際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題，這就需要對實際施工進行模擬。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現(xiàn)對施工過程的模擬?，F(xiàn)有的模擬只是對進度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用。基于以上原因，需對施工過程建立合適的模型，設計對應實際施工操作的交互，以達到模擬仿真的效果。VR技術的發(fā)展，實現(xiàn)了在虛擬場景里支模、砌筑、鋼筋綁扎、澆筑、振搗、粉刷等等多種施工工藝的實際操作。設備名稱參考圖片設備參數(shù)用途電腦cpuI76700k主要用于展示相關VR產(chǎn)品的運行環(huán)境。顯卡gtx1080主板z170內(nèi)存DDR4240016G顯示屏2k24寸顯示器機箱大號機箱電源550W以上硬盤SSD256g(固態(tài)硬盤)鼠標、鍵盤USB接口HTCVIVE虛擬頭盔1、配有激光定位傳感器；

2、產(chǎn)品類型頭戴式顯示設備；

3、分辨率單眼：1200*1080像素，刷新率：90fps；

4、其他性能位置追蹤的游戲控制器，Steambox主機，內(nèi)置陀螺儀、加速度計和激光定位傳感器，追蹤精度度供一個新的VivePhoneServices的功能，可以接聽回撥電話、傳訊息與看行事歷的功能；

5、其他參數(shù)追蹤位置：*；

6、體感控制器

x2；

7、基站x2；

8、基站支架x2；主要用于相關VR產(chǎn)品的展示；顯示設備選擇-：曲面顯示器1、支持格式（高清）：2160p；

2、連接方式：無線/網(wǎng)線；

3、多屏互動：支持；

4、USB支持音頻格式：MP3；

5、USB支持圖片格式：JPG；

6、底座配置：內(nèi)置底座；

7、可調(diào)節(jié)電視架/貼墻擺臂式多功能掛架；主要用于電腦顯示器的投射，方便觀看；選擇二：曲面投影1、支持格式（高清）：2160p；

2、連接方式：無線/網(wǎng)線；

3、多屏互動：支持；

4、USB支持音頻格式：MP3；

5、USB支持圖片格式：JPG；主要用于電腦顯示器的投射，方便觀看；名稱參考圖片設備參數(shù)用途VR軟件交互系統(tǒng)提供專業(yè)的3D開發(fā)及專業(yè)的培訓，費用根據(jù)學校所選的設備而定，包括軟件開發(fā)所需Unity3D、3DMAX、Photoshop等軟件，保留二次開發(fā)接口。主要用于體驗相關VR產(chǎn)品操作備注：實訓室及VR設備數(shù)量根據(jù)學校教學實際需求而定。（三）VR實訓室建設（1）實訓室設計由于VR技術的特殊性，VR實訓室可以選取一個教室進行改造。也可直接在高端實訓教室中植入VR實訓。▲VR實訓室1.采購優(yōu)質(zhì)的高端品牌電腦、多媒體設備及LED曲面拼接屏（或曲面投影），建立一個多功能的高端實訓教室2.現(xiàn)場根據(jù)教室大小進行布局，可采用傳統(tǒng)條形桌椅、環(huán)島桌椅布局、五（六）邊座椅布局、實現(xiàn)學生的教、學、練；3、教室實現(xiàn)無線網(wǎng)絡全覆蓋，與學校的建筑教學云平臺對接，將仿真軟件介入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)本平臺各