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1.1 VR技术简介

VR(Virtual Reality,即虚拟现实),是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中,计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境(Virtual Environment,简称VE)。虚拟现实技术实现的载体是虚拟现实仿真平台(Virtual Reality Platform,简称VRP)

VR系统的组成:VR系统主要由计算机软、硬件系统(包括VR软件和VR环境数据库)和VR输入、输出设备等组成。

VR系统的组成

VR技术具有交互性,指用户对虚拟环境中对象的可操作,并可以从虚拟环境中得到自然反馈。

主要借助于各种专用设备,如头盔显示器、数据手套等,使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能,如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。

VR技术的沉浸感,又称临场感,是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。是VR技术最主要的特征。

影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息,画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。

1.2 VR技术在教育行业的应用

目前在发达国家,VR在教育领域已得到了广泛的应用。早在1985年,美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究,并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学;1992年,马克·英格里伯格和洛宾·比得迪提合作创建了一个虚拟物理实验室,其目标是使它成为具有高度可操作性的实验环境,以便学生们能够在此进行基础物理研究;德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室;西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台;意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室;新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验;1995年,在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”虚拟实验,“实验者”在网络上互相交流、发表自己的见解,甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖,用虚拟手术刀一层层地分离青蛙,观察它的肌肉和骨骼组织,与真正的解剖实验几乎一样,浏览者还能任意调整观察角度、缩放图像。

目前,在我国,虚拟现实技术的开发和研究与发达国家相比还有很大一段距离,但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。随着计算机系统工程、计算机图形学等技术的高速发展,虚拟现实技术已经引起我国各界人士的兴趣和重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内的一些重点院校,已积极开展了这个领域的研究工作。

1.3 本项目的应用背景

随着VR技术及设备的不断进步,其在影视、游戏等领域的应用已经逐步扩大和普及。在教育领域,目前关于VR+教育的构想已实现,高盛曾作出预测,截至2025年,VR教育产值有望达到7亿美元,并将覆盖K-12(基础教育)和教学软件领域,VR和教育的结合被认为在未来有着巨大的市场。

在环境工程专业的教学领域,教学培养的目标通常包括:胜任污染控制工程的设计及运营管理、以及新工艺和设备的研究和开发等工作。

作为环境工程专业的毕业生,仅仅通过理论学习就进行图纸设计或方案制作,难免有“纸上谈兵”之嫌,而缺乏实际现场感官上的认识,也自然无法具有设计符合实际的工程的底气和信心。

为对实际工程现场有深入的了解,目前大多数院校都是以现场参观的形式,到已经建成并稳定运行的工厂进行参观。但是,在正常运行的工厂中,通常有多重限制,学生往往局限在工程的表象,无法深入构筑物内部,无法从多方位观察设备,也无法深入到危险场景中。

VR技术本身具备真实、有趣的特性,让枯燥、抽象的图纸转化为丰富、立体的真实环境,成功的打破了空间和时间的限制,并节约了时间和设备成本,提高了教学的品质和效率。

本项目以某真实城市自来水厂为基础,搭建三维虚拟环境,并配套虚拟现实设备(三维眼镜、手套、头盔等),利用虚拟现实的交互性,为学生再现一个真实、丰富、可交互的自来水厂。

二、       虚拟自来水厂

2.1 虚拟自来水厂的工艺架构

虚拟自来水厂的工艺架构

其他可选单元:臭氧消毒,活性炭吸附、电渗析、反渗透等。

 

2.2 可选功能描述

2.2.1自来水厂基础模型

自来水厂基础模型,是整个水厂的综合体现。也是VR系统的最基础配置。其内容为:

根据用户所选择的工艺单元,将每一个工艺单元的外形轮廓按实际工厂项目搭建起来,形成三维空间,可供用户虚拟参观。

每个工艺单元,分别包含:

构筑物/建筑物:内部填料、挡墙、泥斗、出水堰、布水槽;

工艺设备:泵、搅拌机、风机、药剂箱、脱水机、污泥输送机等;

监测仪器:流量计、液位计、压力表、pH计、浊度计等;

附属:爬梯护栏、标示牌、工艺管道(阀门井、阀门、软接头、法兰、管廊)等。

2.2.2自来水厂动态模拟

1)基础模型中,加入相关联的动作,让学习者借助“手套”,对各个设备进行“操作”,并同时启动相关联的设备,液态及气态的流动模拟等。具体包括:

工艺设备的启停:水泵、风机、搅拌电机、输送机、加氯机等设备的启停;

阀门的启闭:蝶阀、闸阀等的启闭;

流体的控制:与相关的设备启动后,自然呈现水的流动、水位的升高降低、气体的曝气效果、搅拌的漩涡效果等

2.3 硬件配置方案

2.3.1手机VR方案

设备:主流手机、VR手机眼镜;

优点:硬件费用低,操作简单;

缺点:软件费用高,开发周期长;

操作方式:将手机置于VR手机眼镜内部,通过头部运动来操作眼镜内部视点,视点到达触发点来实现交互。

暴风魔镜

暴风魔镜

 

三星Gear

三星Gear

 

 

2.3.2大范围定位方案

设备:相应配置电脑、VR头盔、大范围定位系统

优点:空间利用率高

缺点:设备费用高

操作方式:将VR头盔和电脑连接,通过日常肢体动作来完成操作。

 

定位方案

 

定位方案2

2.3.3其他可选硬件配置

1)、设备:高配置电脑、Oculus

优点:空间利用率高,运行稳定

缺点:设备费用高,操作不便

操作方式:将相关设备连接电脑,在规定范围内,通过日常肢体动作来完成操作。

 

Oculus

 

2)、设备:高配置电脑、HTCvive

优点:主流设备,运行稳定

缺点:空间利用率低,设备费用高

操作方式:将相关设备连接电脑,在规定范围内,通过日常肢体动作来完成操作。

HTCvive

实际案例:

实际案例

实际案例

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