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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日第 1 页目 录目 录1一、 建设背景31.1 相关政策导向31.2 虚拟现实系统简介5二、 虚拟现实系统方案总体设计72.1 系统总体框架72.2 终端应用层92.2.1 大型沉浸式终端92.2.2 小型桌面级终端112.2.3 移动终端152.3 资源共享层152.3.1 编辑端162.3.1.1 数据导入整合162.3.1.2 场景编辑制作182.3.2 渲染端212.3.2.1 可视化管理212.3.2.2 实时交互242.3.2.3 视频录制292.3.3 资源集
2、中管理及共享平台3D Store302.4 数据接口层32三、 XXX技术学院虚拟现实系统建设343.1 建设目标343.2 建设原则343.3 本期项目建设规划353.3.1 虚拟仿真实验教室建设353.3.1.1 实验教室总体规划353.3.1.2 虚拟现实Cave系统373.3.1.3 桌面虚拟现实交互式教学系统433.3.2 VR虚拟教学/实训资源建设453.3.2.1 概述453.3.2.2 建设内容453.3.2.2.1 发动机拆装463.3.2.2.2 底盘的拆装543.3.2.2.3 手动变速器拆装613.3.2.3 系统建设743.3.2.3.1 软件设计743.3.2.3.
3、2 场景设计773.3.2.3.3 应用描述813.3.2.3.4 软件开发8343一、 建设背景1.1 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
4、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，以全面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。
5、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
6、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。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
7、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。1.2 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、
8、交互作用的多维信息空间”。VR技术利用计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
9、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、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
10、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2.1 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；数据接口层
11、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。2.2 终端应用层为满
12、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。2.2.1 大型沉浸式终端大型沉浸式终端，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
13、课体验。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
14、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。2.2.2 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
15、交互一体机、虚拟现实头盔、虚拟工作台/全息台。 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
16、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HoloStation全息台。 关于三类桌面级终端设备的对比，详见下表。桌面级交互一体机虚拟现实头盔虚拟工作台/全息台显示效果显示屏幕略小，只适用于小型的机械部件虚拟交互，沉浸效果一般，且不方便多人同时观摩头盔能为操作者提供最佳的沉浸感，并可配套大屏显示输出，能清晰地观摩操作者所看到的画面以及其做出的操作显示面积较大，使用一块或两块5
17、5英寸以上液晶屏显示，形成较好的立体效果，能方便多人同时观摩交互性专用触笔，与一体机有线/无线连接，交互范围较小头盔专用无线控制手柄，通过自带的定位器追踪手柄空间位置集成自带光学式动作捕捉设备配套的无线控制手柄，按钮可控自定义，操作灵活方便，配合光学动捕相机，追踪交互范围最广软件兼容性内容通过各厂商自有平台引擎进行开发支持Unity3D等主流虚拟现实平台 支持Unity3D等主流虚拟现实平台和各厂商自有平台，可直接调用资源库中的内容2.2.3 移动终端移动终端以智能手机、智能平台、笔记本电脑为主，方便学生随时随地可以访问到资源库中的虚拟现实内容。目前仅支持在移动终端打开录制的VR视频。对跨平台
18、的支持后续可支持发布在安卓、iOS、Web等平台，学生通过移动终端设备直接打开，并进行简单的交互操作，满足课前预习和课后复习的要求。2.3 资源共享层虚拟现实教学资源由三维模型素材库、VR工程文件库、VR视频库组成，均依托虚拟现实软件平台作为载体，支持在不同的终端应用层调用。虚拟现实软件平台可以直接实时获取多种三维模型数据，自由地搭建教学所需要的3D虚拟场景，输出VR工程文件到沉浸式终端和桌面级终端进行交互操作，同时可将操作的过程录制成VR视频，在移动终端播放。2.3.1 编辑端2.3.1.1 数据导入整合计算机图形技术为各行业带来新的技术表现手段，在数字化设计、规划、评审、培训、教学科研等方
19、面，首先需要解决的是三维数据来源。对使用CAD的客户群体和没有数据的客户，虚拟现实软件平台提供了完美的解决方案。（1）支持导入常用VR三维数据格式，如fbx、obj、3ds、dae等（2）协同设计，高效数据整合快速获取不同建模软件的设计成果，整合多个设计软件的设计成果到同一个三维场景，无需格式转换，避免数据损坏或丢失。数据整合直观、高效；提高跨部门、跨专业的协同工作效率，提交沟通效率，减少设计错误。（3）直接导入CAD设计数据，提高设计效率除了支持fbx、obj、3ds、dae等众多常用三维模型数据，还支持直接导入Catia、ProE、UG、SolidWorks等众多三维建模程序的三维模型数据
20、，保留完整数据结构、图形信息、几何信息、PMI信息，无需数据转换，与用户三维建模程序无缝结合，避免格式转换过程中的数据丢失或损坏；千万级数据量优化，根据视觉显示效果调整优化比重，提高系统承载能力和实时运行效率。2.3.1.2 场景编辑制作在三维模型导入之后，虚拟现实软件平台提供了一系列的模块化编辑功能，方便用户便捷的搭建出效果出色的三维视景场景，编辑制作所需的虚拟现实交互应用内容。并支持快速发布到网页进行浏览，或是发布到沉浸环境（即渲染端）进行交互体验。（1）三维视景快速搭建丰富的预设场景（沙漠、海洋、山体、工厂等）可以快速应用搭建出各种配景环境，衬托设计模型的展示效果；支持快速地形编辑实现山
21、体绘制，并且可以在场景中添加天气系统、动态植被、动态水体、3D场景音效等，提高设计效果。预设材质库中支持60个以上的材质球，对设计模型进行材质添加，实现金属、玻璃、皮革、凹凸、反射等效果，写实效果模拟。为模型创建标注，并可修改、删除。在沉浸式环境中进行人机交互触发控制，加强方案评审或虚拟培训时对于特殊信息的显示需求。（2）动画编辑及装配逻辑设定动画编辑功能，可以自定义包括模型部件的装配路径、漫游相机的路径、可以控制部件的材质效果切换、控制部件节点及其标注信息是否隐藏等。同时支持爆炸动画功能，能够快速生成爆炸动画。虚拟装配编辑功能，可在三维场景中，选中任意多个模型节点进行装配逻辑顺序的编辑，通过
22、图形化的界面，采用连线的方式，直观易懂。编辑完成的装配预案，可在沉浸式环境中进行调用，从而进行虚拟装配的交互训练。2.3.2 渲染端2.3.2.1 可视化管理基于PC设计的数据原型的三维模型桌面级可视化，视觉感官受限；无法实时直观输出沉浸式立体画面，需借助中间软件进行数据转换，操作繁琐；并且CAD的设计成果显示效果单调，功能局限；无法逼真、精准的了解项目开发成果，难以做出准确判断。虚拟现实软件平台通过编辑器端进行场景编辑、效果调整之后，可以一键发送到渲染端，渲染端的立体显示可视管理功能，让设计成果以高质量画面、超强沉浸式的体验效果呈现出来。（1）立体展示可视化支持三维模型及数据在虚拟现实硬件系
23、统中1:1沉浸式立体展示，体验者需要佩戴立体眼镜进行观看，同时使用虚拟现实外设与立体环境进行交互操作，为可视化管理提供逼真的立体展示环境。（2）支持大型沉浸式终端渲染端支持分布式集群渲染，可由多个渲染端程序同时运行，通过硬件显示终端设备拼接成多通道的沉浸式显示环境，例如虚拟现实Cave系统。（3）支持桌面级终端支持与HTC Vive等虚拟现实头盔显示器对接，实现将渲染端的显示内容同步显示到头盔显示器中。支持与虚拟现实工作台全息台对接，带来的最佳的桌面级立体显示效果，以及流畅的交互操作体验。2.3.2.2 实时交互在沉浸式立体环境中，通过传统的鼠标键盘方式无法很好满足数字内容的交互操作；通过交互
24、外设实现复杂人机交互，仿真模拟真实的各种操作。（1）多元外设即装即用支持VRPN虚拟外设接口，兼容多元化追踪系统，能够追踪用户当前视角和各种外设，无需定制开发，简单的参数配置后即可使用。（2）漫游功能包含两种漫游模式：自由漫游是指通过外设自由控制视角移动；重力漫游则是在自由漫游的基础上模拟带重力效果的视角移动。（3）测量功能对带有几何结构的三维模型进行空间距离测量，先设定一个主测量节点，再设定多个其它测量节点进行测量。执行测量后，可以选择显示主测量节点到所有其它测量节点的距离，也可以选择显示所有距离当中的最大距离或最小距离，同时可支持隐藏或显示场景中未被选中的节点。（4）剖切功能能够准确的查看
25、模型的内部结构，可以使用摇杆和按键来进行剖切，并支持剖切面的自动修复。（5）多视角功能多视角功能方便用户在大场景中漫游切换所在位置。可以在若干用户方便的位置保存摄像机位置，然后通过轮询的方式切换摄像机到已保存的位置。（6）虚拟拆装功能能够选择和移动3D模型中的任何一块零部件，根据预先编辑的装配逻辑顺序进行拆装。精确的几何结构的干涉检查，实时基于网格的方式实现模型部件之间的物理碰撞，能模拟真实世界中的重力、阻力、弹力等作用效果。能够依据模型的几何信息精确的测出模型之间的碰撞情况，支持动态干涉和静态干涉。动态干涉：用于检测物体在运动中是否与其他物体发生干涉；静态干涉：用于检测静止物体之间的干涉情况
26、，并将干涉区域的形状、体积等信息表现出来。支持吸附装配，将待装配部件移动到正确装配位置附近一定微小距离时，会以动画的方式将部件自动吸附到规定位置，先进行位置吸附，调整角度后再进行角度吸附。支持装配录制，在装配进行的同时，将装配的过程录制并输出，生成tracker文件。（7）动画播放功能支持控制播放在编辑器端设置的关键帧动画，实现各种动态流程的可视化及工艺原理的模拟。（8）标注功能渲染端触发标注功能后，画面上就会显示事先在编辑器端已经设置好的标注信息。2.3.2.3 视频录制视频录制提供了视频录制和设置的功能通过视频录制功能，能够将在渲染端的操作过程录制输出VR视频，从而让更多的用户通过播放这些
27、VR视频就能了解到整个虚拟交互操作的流程。在录制设置中，可以选择录制2D或者3D的视频，同时可选择是否录入音频（录制音频需要连接好耳麦等输入设备）。录制的3D视频保存为左右眼格式，可以使用第三方立体播放器（比如StereoPlayer）进行播放。2.3.3 资源集中管理及共享平台3D Store在虚拟现实软件平台软件平台中，以插件的形式嵌入资源管理及共享平台3D Store，3D Store包含三维模型库、VR工程文件库、VR视频库，这些资源亦可以通过网页浏览器的形式直接访问3D Store的网址。（1）三维模型库用户可通过3D Store账号直接下载调用模型素材库中的三维模型，实现快速搭建3
28、D场景。提供众多行业（包括建筑、家居、电子产品、车辆、武器、工业、科学等）的模型下载，减少重复建模的工作量。目前，该三维模型库中已包含多种行业共20万个三维模型素材。（2）VR工程文件库VR工程文件即为通过DVS3D编辑端制作的场景内容，每一个实验项目可单独制作成一个VR工程文件，这些VR工程文件按学科专业分类管理，并设置访问权限，学生通过自己3D Store账号只能访问到各自专业的实验课程项目，并通过桌面级终端打开这些VR工程文件后，进行交互操作。当每个实验操作完成之后，系统会记录并输出每个学生的操作流程等客观测试结果，并由服务器端的考核打分工具完成成绩的打分评判，输出成绩分数。（3）VR视
29、频库老师在DVS3D渲染端录制的交互操作视频，可上传到3D Store平台进行集中管理，同样按照学科专业进行分类，学生通过移动终端设备进行访问并播放，直观了解到每个实验交互操作内容的整个过程，这些VR视频主要用于课前预习和课后复习，让学生即使没有虚拟现实相应的硬件设备在身边，也能进行虚拟现实教学资源的学习。2.4 数据接口层通过数据接口层，可以将虚拟现实系统与学校现有教务管理平台、实验室管理平台等结合起来，统一整合到虚拟仿真实验教学中心的门户网站中。老师可通过网站的后台管理端，对实验教学的课程进行分类，每个分类下都包含了各自的虚拟现实教学资源（VR工程文件、VR视频等）。同时，通过网站能够访问
30、到每个学生在不同教学资源内容中的操作记录、成绩结果，便于老师直观了解到学生的学习情况。该平台的目标就是高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台要实现将学校目前已有的虚拟现实教学资源统一接入和学生在平台下统一调用打开资源并进行实验的目的，通过系统间的无缝连接，使之达到一个整体的实验效果。三、 XXX技术学院虚拟现实系统建设3.1 建设目标通过建设一个强大兼容性的虚拟现实教学/实验平台，来满足机械、建筑、电子、测绘等各类专业的虚拟仿真实践教学和科研项目，满足学校优势专业的教学创新，争取成为建设虚拟仿真类实验
31、教学系统平台的重点学习和标杆单位。3.2 建设原则（1）技术先进原则：在系统的设计和建设过程中采用先进成熟的技术，保证先进性。（2）规范化原则：系统设计和数据库设计要标准化、规范化，遵循国家相关标准，并制定相应的数据采集规范、数据制作规范、数据库结构规范和质量标准。（3）扩展性原则：系统基于功能模块化思想设计开发，保障系统的可扩展性，便于以后训练模块、作业场景等功能的添加与修改，便于系统更新。（4）功能实用原则：各项功能设计要方便实用，操作简单，便于修改，容易定制，满足个性化要求。（5）安全性、可靠性原则：系统设计有安全保障机制，确保系统和数据安全，完整。3.3 本期项目建设规划3.3.1 虚
32、拟仿真实验教室建设根据需求调研了解，本期虚拟仿真实验室建设主要实现虚拟现实仿真教学和虚拟现实实训训练两大应用定位，以虚拟现实仿真教学为主。其中虚拟现实仿真教学主要使用一套虚拟现实Cave系统实现，虚拟现实实训使用两套桌面VR虚拟现实交互式教学系统实现。3.3.1.1 实验教室总体规划根据实地调研，对本期建设实验室总体布局规划如下图所示：沉浸式Cave系统区域：4通道立体投影虚拟现实Cave系统，用作教师虚拟现实仿真教学学生听课座位区域，40个座椅位置设计桌面型VR实训区域：2套桌面虚拟现实交互式教学系统，用作学生虚拟现实实训训练机房设备区域：用于放置虚拟现实系统配套机柜、图形工作站和网络等相关
33、设备VR教室规划布局示意图3.3.1.2 虚拟现实Cave系统系统是由4个面投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，用户可以在被投影墙包围的系统近距离接触虚拟三维物体，可与逼真的虚拟环境进行实时人机交互。CAVE系统是应用于高标准的虚拟现仿真需求的高沉浸感显示及交互系统。学生走入Cave空间，即完全沉浸在这个立体投影画面包围的虚拟仿真环境中，带上3D眼镜，4面显示屏融合为一体，投影面几乎覆盖了学生的所有视野，学生可以左右转身观看，视角宽度达180和实际视角宽度一致，给学生带来一种真实“穿越感”；同时，在Cave空间内配合光学追踪系统，学生可手拿操控手柄对眼前的场景进行交互，操控手柄
34、提供了简洁的交互方式，如行走操控旋钮、打开、关闭功能等，移动旋钮的6个自由度方向，控制虚拟场景中行走方向，“穿越”到建筑施工现场或者单个建筑带来的超凡感受，或者实现在虚拟场景中的物体构件的活动，以达到在现实环境中人机互动效果。虚拟现实Cave系统主要由以下几部分构成：（1）Cave框架结构设计与构建结合学校实际教室场地空间进行Cave箱体式结构定制设计和构建，最终成型Cave箱体大小约为5.5m2.5m2m（长宽高）。Cave结构示意图：（2）立体投影显示系统Cave显示系统主要由4屏幕6通道立体投影系统+3D立体眼镜系统构成。Cave立体投影布局示意图：顶视图正视图Cave立体投影主要包括：
35、设备说明投影幕4面：1正幕、2侧幕、1地幕主动立体投影机6台：2个侧幕投影各使用1台，正幕投影使用2台（融合拼接），地幕投影使用2台（融合拼接）3D主动立体眼镜用于教师和学生配带后观看立体显示效果，根据实际需求数量配置3D立体信号发射器配合立体投影向3D主动立体眼镜发射立体信号控制3D主动立体眼镜切换镜片开关（3）光学追踪交互系统光学追踪系统使用红外追踪相机配合光学追踪标记体等相关设备和软件组成。光学追踪系统示意图：光学追踪系统主要包括：设备说明追踪相机高度准确的6自由度姿态（位置、方向）追踪，位置追踪精度0.2mm，角度追踪精度0.2，根据Cave空间大小（即追踪范围大小）选择相机的个数，结
36、合本次Cave空间大小，设计使用8台追踪相机追踪辅助配件（1）同步盒：单个同步盒支持12路同步处理，并可级联扩展，同步延迟可调；（2）追踪标记体：与立体眼镜、交互手柄等配合实现交互追踪（标记追踪支持多款立体眼镜marker，支持数据手套marker，支持定制自定义的追踪marker）；（3）交互手柄：共包含6个按钮和1个旋钮，蓝牙数据信号通信；（4）校准套件：校准wand，用于校准多台相机的相对位置；L型尺，精确定位追踪范围的空间坐标轴；追踪计算处理软件灵活方便的进行场地校准和相机校准；支持简捷快速自定义跟踪目标，最多支持20组body数据生成；支持追踪数据记录与回放，直观的2D/3D数据显示
37、；集成VRPN接口，可以完美结合系统选用的虚拟设计协同工作平台；用户追踪界面与系统算法处理器可分离，利于部署。追踪系统服务器用于部署支撑追踪计算处理软件（4）图形服务器计算资源（实时计算渲染）图形服务器用于部署虚拟现实仿真软件平台，以及进行多通道画面实时渲染计算支撑。根据本次所建设Cave空间需求，图形工作证需要配置5台，分别用作虚拟现实仿真软件平台服务支撑和4画面实时渲染计算服务。3.3.1.3 桌面虚拟现实交互式教学系统桌面型虚拟现实交互式教学训练系统本期共配置2套，选用ZSpace300，用于学生虚拟现实实训训练。桌面虚拟现实交互式教学系统构成如下：设备要求桌面VR虚拟现实交互式教学系统
38、ZSpace300虚拟现实交互教学系统（一体机）：系统为一体化设计，设备可自由调整使用角度；系统包括：24寸高清立体显示器、跟踪眼镜1副，非跟踪眼镜1副、定位笔1支、电源适配器1个、AC连接线1根；主机配置：（1）支持Windows 7及以上操作系统；（2）硬盘：500G；（3）内存：8G；（4）显卡：AMD FirePro W5170M，支持四缓冲立体成像技术SsF；系统功能：（1）具有虚拟现实显示方式与普通显示方式自动切换功能，当跟踪眼镜出现在屏幕传感器捕捉范围内，显示方式由普通显示屏方式自动切换成3D显示方式，当跟踪眼镜在屏幕传感器之外，显示方式自动切换至普通显示方式。（2）设备具备头部
39、跟踪功能，且能实时将操作者的虚拟现实交互场景展示至大屏幕及其他演示设备。（3）定位笔：支持对对象进行3个自由度坐标轴移动及3个自由度坐标轴的转动；触控笔与主机采用有线方式连接以保证信号稳定性，触控笔无需电池供电；通过触控笔功能按键来实现对象选择、菜单调用等操作；触控笔内置震动器，可以通过震动的方式回馈用户的操作。（4）3D跟踪眼镜：眼镜无需电池及连接线，具有多个与显示器上的跟踪器配合使用的反光点来实现头部跟踪功能，系统能准确判断眼镜所在位置，从而根据眼镜视角的不同来转换不同视角下的显示内容。（5）非跟踪转换眼镜：供旁观者使用，透过该眼镜用户可以观察到无重影的影像，并且不影响主操作者的头部跟踪交
40、互。3.3.2 VR虚拟教学/实训资源建设本期配套建设课件内容为：汽车虚拟拆装实训应用系统3.3.2.1 概述运用虚拟现实技术开发一套汽车虚拟拆装实训应用系统，结合虚拟现实Cave系统和桌面式虚拟现实操作平台等硬件，营造逼真的沉浸式学习环境，通过视觉、听觉的感官刺激，让学生“身临其境”，在虚拟现实场景中对汽车各大组成系统部件进行虚拟实时拆装，通过虚拟现实特有的交互性、沉浸性、创造性特点，让学生快速掌握汽修拆装知识，增强学习效果。3.3.2.2 建设内容运用虚拟现实技术实现汽车各大系统部件虚拟拆装实训应用，相关知识点主要包括：3.3.2.2.1 发动机拆装序号项目内容1活塞连杆组拆装（1）用六角
41、套筒棘轮扳手拧松1缸连杆螺母（2）用六角套筒棘轮扳手拆下1缸连杆螺母（3）用手拆下1缸连杆轴承盖总成（4）用手转动曲轴（5）用铁锤和木把拆下1缸活塞连杆总成（6）进入组件拆装区继续分解1缸连杆轴承盖总成（7）用手拆下1缸连杆轴承下轴瓦（8）用手拆下1缸连杆轴承盖（9）进一步分解1缸活塞连杆总成（10）用手拆下1缸连杆轴承上轴瓦（11）用手拆下1缸连杆螺栓（12）用活塞环拆装钳拆下1缸第一道气环（13）用活塞环拆装钳拆下1缸第二道气环（14）用手拆下1缸油环（15）用一字螺丝刀拆下1缸活塞销卡环（16）用手拆下1缸活塞销（17）用手拆下1缸活塞（18）用手拆下1缸连杆（19）用手装上1缸活塞（2
42、0）用手装上1缸连杆（21）用手安装1缸活塞销（22）用手安装1缸活塞销卡环（23）用手安装1缸连杆轴承上轴瓦（24）用手装上1缸连杆螺栓（25）用手装上1缸油环（26）用活塞环拆装钳安装1缸第二道气环（27）用手调整第二道气环（28）用活塞环拆装钳安装1缸第一道气环（29）用手调整第一道气环（30）返回主拆装区（31）用装配环装上活塞连杆总成（32）进入组件拆装区（33）用手装上1缸连杆轴承盖（34）用手装上1缸连杆轴承下轴瓦（35）返回主拆装区（36）用手调整转回曲轴（37）用手安装1缸连杆轴承盖总成（38）用手装上1缸连杆螺母（39）用六角套筒可调扭力扳手以30Nm的力矩拧紧1缸连杆螺母
43、（40）用六角套筒棘轮扳手对连杆螺母再次拧紧9021缸连杆轴承盖总成拆装（1）用手拆下1缸连杆轴承下轴瓦（2）用手拆下1缸连杆轴承盖（3）用手装上1缸连杆轴承盖（4）用手装上1缸连杆轴承下轴瓦31缸活塞连杆总成拆装（1）用手拆下1缸连杆轴承上轴瓦（2）用手拆下1缸连杆螺栓（3）用活塞环拆装钳拆下1缸第一道气环（4）用活塞环拆装钳拆下1缸第二道气环（5）用手拆下1缸油环（6）用一字螺丝刀拆下1缸活塞销卡环（7）用手拆下1缸活塞销（8）用手拆下1缸活塞（9）用手拆下1缸连杆（10）用手装上1缸活塞（11）用手装上1缸连杆（12）用手安装1缸活塞销（13）用手安装1缸活塞销卡环（14）用手安装1缸连
44、杆轴承上轴瓦（15）用手装上1缸连杆螺栓（16）用手装上1缸油环（17）用活塞环拆装钳安装1缸第二道气环（18）用手调整第二道气环（19）用活塞环拆装钳安装1缸第一道气环（20）用手调整第一道气环4气缸盖拆装（1）用六角套筒棘轮扳手拧松气门罩盖紧固螺母（2）用六角套筒棘轮扳手拆下气门罩盖紧固螺母（3）用手拆下凸轮轴正时齿带轮护板 （4）用手拆下气门罩盖压条（5）用手拆下气门罩盖（6）用手拆下气门罩盖密封衬垫（7）用手拆下上防溅板（8）用六角旋具套筒棘轮扳手对角拧松汽缸盖紧固螺栓（9）用六角旋具套筒棘轮扳手拆下汽缸盖紧固螺栓（10）用手拆下发动机汽缸盖（11）用手拆下汽缸垫（12）用手装上新汽缸
45、垫（13）用手装上发动机汽缸盖（14）用手装上汽缸盖紧固螺栓（15）用六角旋具套筒可调扭力扳手分别以40Nm的力矩分两次对角拧紧汽缸盖紧固螺栓（16）用手装上上防溅板（17）用手装上气门罩盖密封衬垫（18）用手装上气门罩盖（19）用手装上气门罩盖压条（20）用手装上凸轮轴正时齿带轮护板（21）用手装上气门罩盖紧固螺母（22）用六角套筒可调扭力扳手以12Nm的力矩拧紧气门罩盖紧固螺母5正时皮带拆装（1）用一字螺丝刀断开弹簧夹子（2）用手拆下正时齿带上护罩及弹簧夹子（3）用六角套筒棘轮扳手拧松正时齿带中护罩紧固螺栓（4）用六角套筒棘轮扳手拆下正时齿带中护罩紧固螺栓（5）用手拆下正时齿带中护罩（6）
46、用手转动曲轴使一缸至上止点位置（7）用六角套筒棘轮扳手拧松张紧轮紧固螺母（8）用内六角扳手拧松曲轴波纹形带轮紧固螺栓（需固定曲轴正时带轮紧固螺栓）（9）用内六角扳手拆下曲轴波纹形带轮紧固螺栓（10）用手拆下曲轴波纹形带轮（11）用六角套筒棘轮扳手拆下正时齿带下护罩紧固螺栓（12）用手拆下正时齿带下护罩（13）用手拆下正时齿带（14）用六角套筒棘轮扳手拆下张紧轮紧固螺母（15）用手拆下张紧轮（16）用手装上正时齿带（17）用手装上张紧轮（18）用手装上张紧轮紧固螺母（19）用六角套筒可调扭力扳手以15Nm的力矩拧紧张紧轮紧固螺母（需要逆时针转动张紧轮）（20）用手装上正时齿带下护罩（21）用手装上正时齿带下护罩紧固螺栓（22）用六角套筒可调扭力扳手以10Nm的力矩拧紧正时齿带下护罩紧固螺栓（23）用手装上曲轴波纹形带轮（24）用手装上曲轴波纹形带轮紧固螺栓（25）用六角旋具可调扭力扳手以25Nm的力矩拧紧曲轴波纹形带轮紧固螺栓（26）用手单击曲轴波纹形带轮转动两周（27）用手装上正时齿带中护罩（28）用手装上