项目立论

项目立论

1．项目研究目的和意义

   一方面，目前的VR技术已十分成熟，可以保证仿真环境的沉浸性与互动性，同学们将如身临其境般真实访问3区，体验其中的每一间实验室，每一台设备；另一方面，考虑到同学们无法进行一般实践性的操作，我们联想到使用VR进行实践教学，可以帮助普通同学开始熟悉应用，克服恐惧感，而又可以避免因为不具有正确的操作习惯造成意外伤害。通过VR技术可实现教师对学生的远程教学，包括对设备的分部讲解及演示。VR教学在研究中具有重大意义。

   基于VR技术成熟的时代背景与虚拟仿真亟需的现实状况，研发一款基于VR虚拟现实的新型教学及展示系统是极其必要的。该系统将分为两部分。一部分为展示环境的仿真模拟，目前体现为山东大学软件学院3区，通过该仿真建筑，VR设备使用者将感受到一个完全沉浸式的游览体验；另一部分为教学演示，通过对各实验室的模拟并添加UI与交互元素，既方便了教师对设备的讲解与演示，也使学生完全参与到设备的观察与学习中，可以轻松学习到设备的构成与操作。因此，本项目提出了基于VR新型教学及展示系统，在充分保证VR环境仿真的条件下，提供沉浸式的游览体验、强互动性与游戏性的UI系统、可辨识的工程设备、机械元件展示等功能，植入引导系统，使学生完全沉浸于VR环境带来的强烈体验与互动感，在虚拟环境中游览3区和学习设备组成与操作而培养动手能力与科研兴趣。

   同时，本项目有很好的可移植性与替代性，基于VR的新型教学及展示系统将作为VR主流的阶段中广泛采用的展示性项目，可移植到有需求的建筑或地域中去，既可保证现实建筑的仿真性，又能应用教学系统达到远程教学或虚拟教学的目的，因此可推广至广大教育性组织，如学校、研究院、企业、实验室等。

2．国内外研究现状

（1）、国内研究现状

　　我国虚拟现实技术研究起步较晚，与发达国家还有一定的差距。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的告诉发展，虚拟现实已得到国家有关部门和科学家们的高度重视，引起我过各界人士的关注，研究与应用。

　　根据我国的国情，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划已将虚拟现实技术的研究列为重点研究项目。国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实技术的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。目前，我过虚拟现实技术在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、因特网、勘探测绘、生产制造和局势航天等数十个重要的行业得到广泛的应用。

　　北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR研究、最具权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室继承了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行换训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示和处理；在虚拟现实中的诗句结构反面开发出部分硬件，并提出相关算法及实现方法等。

　　清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”采用了QuickTime技术，实现大全景VR系统。

　　浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

　　哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。

　　武汉理工大学智能制造与控制研究所主要研究使用虚拟现实技术进行机械虚拟制造，包括虚拟布局、虚拟装配和产品原型快速生成等。

　　西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的立体显示技术这一关键技术进行了研究。在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准来压缩编码新的方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。

　　中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像的算法回显及软件接口。在硬件的开发上已经完成LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。

　　另外，北京工业大学CAD研究中心、北京邮电大学自动化学院、西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

 

　　除了高等学府对此的研究外，我国在最近几年涌现出许多从事虚拟现实技术的公司。

　　中视典数字科技有限公司是从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开发的专业机构，是国际领先的虚拟现实技术整体解决方案供应商和相关服务提供商，2006年入选中国软件自主创新100强企业行列，提供的产品有虚拟现实编辑器（VRP-Builder）、数字城市仿真平台（VRP-Digicity）、物理模拟系统（VRP-Physics）、三维网络平台（VRPIE）、工业仿真平台（VRP-Indusim）、旅游网络互动教学创新平台系统（VRP-Travel），三维仿真系统开发包（VRP-SDK）以及多通道环幕立体投影解决方案等，能够满足不同领域不同层次的客户对虚拟现实的需求。目前是国内市场占有率最高的一款国产虚拟现实平台软件，已有超过300所重点理工和建筑类院校采购了VRP虚拟现实平台及其相关硬件产品，例如清华大学电机系、上海同济大学见着学院、中国传媒大学动画学院、天津大学水利工程学院、青岛海洋大学、武汉理工大学和山东理工大学等，在教学和科研中发挥了重要的作用。

　　北京阳光中图数字科技有限公司以计算机三维图形技术为核心，业务范围涵盖图形仿真、地质学工程三维仿真、地理三维可视化城市信息统计应用、地理资源三维建模与资源管理、虚拟现实、三维动画及多媒体信息产业等应用领域。

　　北京优联威迅科技发展有限责任公司是以清华大学工业系仿真实验室雄厚的技术开发实例为基础，以开发和制作适合中国虚拟仿真市场的方恒系统解决方案和适于推广的可视化平台为主要方向，立志创造中国虚拟仿真软硬件的旗帜品牌。公司现已独立研发了包括数据手套、虚拟环境的力反馈等系统，并成功实现了中国第一套动作捕捉系统，填补了国内空白，成绩丰硕，已成为用户在中国仿真界中首选的理想合作企业。

伟景行科技集团（Gvitech Technologies）是业界领先的三维可视化和专业显示技术开发及服务机构，由伟景行数字城市科技有限公司（GDC）、伟景行数字科技有限公司（GDT）以及清华规划院数字城市研究所（DCRC）三大机构组成，他们各自的主要研究领域分别为数字城市可视化、虚拟仿真模拟和专业大屏幕显示。

（2）、国外研究现状

   美国是虚拟现实技术研究的发源地,虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而,随着冷战后美国军费的削减,这些技术逐步转为民用.目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。上世纪80年代,美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统,空间站VR训练系统,并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究,并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计,利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟的模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,从而简化加工过程。图形图像处理技术和传感器技术是以上VR项目的主要技术。就目前看,空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最主要焦点。

   在欧洲,英国在VR开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面,在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现,VR应用的交点应集中在整体综合技术上,他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验,主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境,是一个基于Unix的,不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统,通过改进人机界面来改善现有模拟系统,以使用户完全介入模拟环境。德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面,一是用于产品设计、降低成本,避免新产品开发的风险;二是产品演示,吸引客户争取定单;三是用于培训,在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。2008年10月27-29日在法国举行的ACMSymposi-umonVirtualRealitySoftwareandTechnoogy大会,整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。

   日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位,它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面,称为SpmAR;NEC公司开发了一种虚拟现实系统,用代用手来处理CAD中的三维形体模型,通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来;日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置;东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面,他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统;东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统,用于克服当前显示和交互作用技术的局限性;日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器,只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻,装置就会在鼻尖处放出水果的香味,这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。

3．项目研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

          本项目致力于在基于VR虚拟现实的基础上通过对山东大学软件学院3区进行3D建模及VR输出以实现跨空间的虚拟巡览及仿真教学。

   本套基于VR虚拟现实的新型教学及展示系统的设计分为四部分：3D建模、实验室仿真、游戏化研发、设备适配。

          3D建模方面，对山东大学软件学院3区进行结构剖析、测绘后由美术设计使用3DS MAX三维建模软件进行对建筑的仿真建模，根据建筑的结构、数据、外形构造、内部分配进行建筑的虚拟还原，保证用户体验到与现实中相差无二的3区基地。

   实验室仿真方面，由游戏化研发、美术设计的同学三部分协作，通过对各领域操作的熟悉，在VR环境中进行建模并实现操作模拟，用户可以通过手柄输入进行对实验室的观测与认知，同时结合教师的讲解与UI展示进行系统的学习。

          游戏化研发方面，通过游戏策划的游戏化研发，使本身不具互动性的游览体验与设备操控具有交互性与可玩性，从而大大提升项目的吸引力与可持续性，也增强了教学与展示系统的可移植性与教育功能。

   设备适配方面，在其他设计完成后，将进行HTC vive设备与Unity引擎的连接适配，三维建模导入引擎后场景即搭建完毕，此时就需要将设备的输入与显示与引擎相连接，达到使本身在PC上交互显示的项目可以完美移植到VR设备中，并进行大量测试以保证舒适、符合设计理念的交互与显示。

4、可行性分析：

（1）、理论分析方面：本项目由来自软件专业的同学组成。软件专业的同学熟悉编程专业知识，熟练掌握Unity3D，Java，C语言等软件开发知识，积累了一定虚拟现实技术、项目理论基础及研发经验，具有可保证虚拟现实系统开发所需要的基本软硬件条件和理论基础。

（2）、产品设计方面：本项目初步完成了基于VR虚拟现实的新型教学及展示系统的设计，其中包括3D建模、实验室仿真、游戏化研发及设备适配四部分，经过不断改进，对最终设备各方面性能进行分析计算后可知，研发高舒适度、高质量系统是可行的。

（3）、市场应用方面：VR技术有很好的可移植性与替代性，可广泛的应用于城市规划、旅游教学、水利电力、教育培训等众多领域，实现传统教学研究不能替代的仿真性，为各类问题其提供切实可行的解决方案。

（4）、试验研究方面：团队成员来自多个专业，其中大部分为计算机及软件工程专业学生，掌握本专业课程知识的同时，精通于虚拟现实技术及项目研发。成员具有丰富的参赛经验，团队内人员分工明确、同时相互配合、统筹兼顾，组员各有所长，团队凝聚力高，执行力强。因此，项目在试验研究方面可行。

5、本项目的创新之处

（1）、使用业界领先的VR设备HTC vive研发，具有很高的舒适性与可操控性。

（2）、完全虚拟仿真的建筑，及移步换景的位置追踪系统。

（3）、可交互、可教学、可实习的教学平台。

（4）、兼具可玩性与实用性的实验室。

6、项目预期成果

用户将HTC vive连接至电脑并打开SteamVR后即可戴上VR头盔进入项目，同时双手各持一件手柄以进行操控。进入后用户将出现在山东大学软件学院3区的入口处，转动头部可以观察四周，一览壮观景象。用户在现实中的走动将通过HTC vive的两台基站传至项目中，使视角跟随用户移动，即让用户感受到是在现实中行走观赏。进入3区后用户将观览到其内部结构，包括大量的展台、设备等，及各个用于实习与研发的实验室。在实验室中，用户可以看到用于远程教学及实习所用到的设备，通过头部的转动与手柄的配合来查看设备的构造及各部分简介。实验所用到的操作将由用户通过移动与控制手柄完成。