VR教育應(yīng)用硬件解決方案
一、方案背景
傳統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室都是建立在機(jī)房上的，通過(guò)PC機(jī)操作各種虛擬仿真軟件，缺乏沉浸感，特別是對(duì)某些需要臨場(chǎng)感學(xué)科（如機(jī)械、心理學(xué)、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)等）的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，而這些學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)通常存在實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材昂貴、實(shí)驗(yàn)受時(shí)空限制等因素影響。緊跟時(shí)下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合高校、職業(yè)院校、中小學(xué)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)需求和企業(yè)培訓(xùn)需求，打造沉浸感更強(qiáng)、交互更為豐富，同時(shí)兼具單人、多人、分角色實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)考核、軟硬件環(huán)境于一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境迫在眉睫！
二、建設(shè)思路
VR教育應(yīng)用硬件系列產(chǎn)品整合了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、大數(shù)據(jù)（DB）、人工智能（AI）、互聯(lián)網(wǎng)+等行業(yè)尖端技術(shù)，采用音視頻處理、仿真交互、圖形圖像處理等配套硬件設(shè)備，提供全方位的、服務(wù)于實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究與形象展示的”124“立體化虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用解決方案，即一個(gè)中心、兩個(gè)基地、四個(gè)實(shí)驗(yàn)室。讓使用者從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)高度沉浸在虛擬實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通過(guò)在三維虛擬環(huán)境進(jìn)行操作交互來(lái)模擬、還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，并通過(guò)大尺寸屏幕顯示設(shè)備提供資源展示平臺(tái)，可以提升實(shí)驗(yàn)中心的整體形象及激發(fā)使用者的學(xué)習(xí)興趣。為客戶(hù)在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造集教學(xué)、科研、實(shí)驗(yàn)多功能一體化平臺(tái)。
具體建設(shè)內(nèi)容包括虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、全息教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、沉浸式VR實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新課程研發(fā)實(shí)驗(yàn)室四大虛擬現(xiàn)實(shí)專(zhuān)業(yè)教室，由LED小間距3D顯示系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、桌面級(jí)VR交互系統(tǒng)、MR互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、AR互動(dòng)教學(xué)展示系統(tǒng)等十大部分構(gòu)成。
.png)
圖1 “124”立體化虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用硬件解決方案
三、解決方案
1.虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室
.jpg)
圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室效果圖
虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)大視野的立體化教學(xué)環(huán)境，通過(guò)數(shù)字建模技術(shù)還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，教師采用VR交互設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)，學(xué)生佩戴眼鏡觀(guān)看，如同置身于真實(shí)的操作環(huán)境中，具有直觀(guān)、立體、生動(dòng)、體驗(yàn)式教學(xué)的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)室可用于公共安全災(zāi)害應(yīng)急展示、大型工程施工現(xiàn)場(chǎng)的工況運(yùn)作模擬、復(fù)雜設(shè)備內(nèi)部立體顯示、虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)等。
2.全息教學(xué)實(shí)驗(yàn)室
.jpg)
圖3 全息教學(xué)實(shí)驗(yàn)室效果圖
全息教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要由多套桌面級(jí)VR交互系統(tǒng)組成，全息成像技術(shù)能將抽象、晦澀難懂的知識(shí)以更生動(dòng)、直觀(guān)、立體的方式呈現(xiàn)在受眾眼前，并實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，系統(tǒng)適合應(yīng)用于大型、貴重設(shè)備儀器的展示、加強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀(guān)世界原理的認(rèn)知，學(xué)習(xí)方式新穎有趣，加深學(xué)習(xí)者的印象與學(xué)習(xí)理解。
3.沉浸式VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)室
.jpg)
圖4 沉浸式VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)室效果圖
沉浸式VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要由VR頭戴設(shè)備和圖形工作站組成，能夠給學(xué)習(xí)者提供一個(gè)完全虛擬的世界，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等全方位環(huán)境的營(yíng)造，給學(xué)習(xí)者帶來(lái)一種身臨其境的現(xiàn)場(chǎng)感，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)帶入感和學(xué)習(xí)專(zhuān)注度，大幅提升學(xué)習(xí)興趣和效果！
4.創(chuàng)新課程研發(fā)實(shí)驗(yàn)室
.jpg)
圖5 創(chuàng)新課程研發(fā)實(shí)驗(yàn)室效果圖
創(chuàng)新課程研發(fā)實(shí)驗(yàn)室提供了一套開(kāi)放式研發(fā)平臺(tái)，并搭建了高端圖形工作站、開(kāi)發(fā)平臺(tái)，頭戴式VR設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備環(huán)境，采用校企合作共建的靈活方式，讓學(xué)生掌握VR課程開(kāi)發(fā)能力，提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力，由使用者跨越式升級(jí)為研發(fā)者。
四、方案特點(diǎn)
1、可靈活定制設(shè)計(jì)：根據(jù)客戶(hù)實(shí)際需求進(jìn)行專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)靈活的軟件硬件搭配來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。
2、開(kāi)放性：整套硬件系統(tǒng)基于開(kāi)放性設(shè)計(jì)，適用于目前各類(lèi)主流虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可滿(mǎn)足不同虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的軟件顯示與操作交互。
3、可擴(kuò)展性：可在現(xiàn)有硬件環(huán)境中添加各類(lèi)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備。
4、整體性：提供軟硬件一體化的VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境解決方案，包括VR硬件和配套軟件資源。
五、成功案例
截至2020年2月，北京潤(rùn)尼爾已與500多所教育類(lèi)客戶(hù)建立深度合作關(guān)系，同時(shí)雙方校企合作建設(shè)50多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，幫助院校、企業(yè)打造軟硬件一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。
1.四川美術(shù)學(xué)院藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心項(xiàng)目
該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要由沉浸式虛擬交互系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬交互系統(tǒng)、桌面式虛擬交互系統(tǒng)、全息投影演示系統(tǒng)、擬音室和拍攝區(qū)六大部分構(gòu)成。建設(shè)完成后，該中心服務(wù)于全校的視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)、數(shù)字媒體藝術(shù)、環(huán)境設(shè)計(jì)、服裝與服飾設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多學(xué)院多專(zhuān)業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，還為全校的專(zhuān)業(yè)課題科研、成果展示提供專(zhuān)業(yè)化的展示孵化平臺(tái)。
.jpg)
圖6 四川美術(shù)學(xué)院藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心效果圖
.jpg)
圖7 沉浸式虛擬仿真交互環(huán)境實(shí)景圖
.jpg)
圖8 沉浸式VR教學(xué)系統(tǒng)實(shí)景圖
2.商丘學(xué)院虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)室
該實(shí)驗(yàn)室主要由沉浸式VR交互系統(tǒng)、LED小間距立體顯示系統(tǒng)、MR互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、全息投影演示環(huán)境、音響系統(tǒng)五大部分構(gòu)成。該實(shí)驗(yàn)室針對(duì)土木專(zhuān)業(yè)、機(jī)電專(zhuān)業(yè)、機(jī)械專(zhuān)業(yè)等多個(gè)學(xué)科提供專(zhuān)業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了全校的課程實(shí)訓(xùn)責(zé)任，提高了學(xué)生實(shí)習(xí)效率。
.jpg)
圖9 商丘學(xué)院虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)室效果圖
.jpg)
圖10 LED小間距立體顯示系統(tǒng)和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)景圖
.jpg)
圖11 多人仿真平臺(tái)實(shí)景圖
3.北海中學(xué)VR實(shí)驗(yàn)室
濱州北海中學(xué)是濱州北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的唯一一所公辦高中。學(xué)校采取與省內(nèi)名校山東省北鎮(zhèn)中學(xué)聯(lián)合辦學(xué)的方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域高中教育優(yōu)質(zhì)發(fā)展，于2019年秋季正式開(kāi)學(xué)。按照新建學(xué)校高標(biāo)準(zhǔn)和高起點(diǎn)要求打造VR創(chuàng)新功能教室。該教室配備16套沉浸式VR交互系統(tǒng)，配有8套六邊形桌椅、VR創(chuàng)新功能教室為中學(xué)生提供了心理拓展訓(xùn)練類(lèi)實(shí)驗(yàn)8個(gè)、創(chuàng)意思維拓展訓(xùn)練類(lèi)實(shí)驗(yàn)5個(gè)。使學(xué)生在學(xué)習(xí)之余增加了課外拓展訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的自信、自理、自學(xué)能力，對(duì)學(xué)生進(jìn)行以心理素質(zhì)教育為主的VR體驗(yàn)訓(xùn)練，磨煉意志、開(kāi)拓視野、增強(qiáng)毅力，為學(xué)生的學(xué)習(xí)生活奠定良好的基礎(chǔ)。
.jpg)
圖12 北海中學(xué)VR實(shí)驗(yàn)室效果圖
.jpg)
圖13 北海中學(xué)VR實(shí)驗(yàn)室實(shí)景圖
4.虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用研究院
虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用研究院在2017年由教育部裝備中心牽頭成立，主要服務(wù)于教育裝備領(lǐng)域發(fā)展，為教育事業(yè)發(fā)展提供支持，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參觀(guān)、體驗(yàn)、交流等形式，讓更多學(xué)校從中便捷的獲取經(jīng)驗(yàn)。
北京潤(rùn)尼爾與虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用研究院聯(lián)合共建了VR綜合展示中心，該展示中心主要由沉浸式虛擬交互系統(tǒng)、桌面式虛擬交互環(huán)境、LED小間距立體顯示系統(tǒng)、AR互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、MR互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、全息教學(xué)系統(tǒng)、音響系統(tǒng)七大部分構(gòu)成。
.jpg)
圖14虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用研究院效果圖
.jpg)
圖15研究院領(lǐng)導(dǎo)VR展廳參觀(guān)合影