基于虚拟现实的VR仿真培训平台

基于虚拟现实的VR仿真培训平台

陈菲,蒋庆阳,田淇勋,李腾,任雯灵 

重庆交通大学 重庆市4000074

摘要：针对高危、工业、医疗等各领域实操训练中人力物力能源损耗的问题，基于虚拟现实的VR仿真培训平台由此诞生。该平台利用3D技术、开发全景场景、3D交互等，通过学、练、考三种模式，在培训中让学员能够在沉浸式的环境中。通过网络管理技术满足平台数据的实时传输以及师生互动功能；使用硬件设备进行人机交互实时反馈培训数据，监测培训效果。平台运行结果表明，平台具有优秀的跨领域运用的条件以及良好的教学效果，能够有效的将虚拟现实技术与行业进行有机融合，大幅降低实际行业中的成本与能耗。

关键词：虚拟现实；VR；沉浸式教学；数据实时传输；系统开发

1项目背景

1.1 背景导向

虚拟现实近10年来，随着计算机技术的快速发展，其行业应用愈来愈清晰而备受社会各行业关注。目前在发达国家中, 虚拟现实培训技术在教育领域的应用，其表现之亮丽，令人震惊。如美国很多学生已经开始使用 zSpace STEM实验室。学生们已经探索了虚拟火山和构建了先进电路板。这个系统为学生提供了真实的学习环境和个性化学习体验，且符合美国新世纪科学标准（NGSS）、基础课和各州标准。虚拟全像图像可以从屏幕中“取出来”并使用触笔去操控。一些应用则提供多感官反馈。比如，学生在和一个虚拟心脏互动时，可以看到、听到并感觉到它在跳动。

1.2 政策支持

2022年11月1日五部门印发：虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026

李腾，2002年8月，男，学生，本科生，重庆交通大学计算机科学与技术专业大三学生，重庆市南岸区学府大道66号，400000，15290654216，teng2002823@outlook.com

年）文件提出：以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的二十大精神，

立足新发展阶段，完整、准确、全面贯彻新发展理念，构建新发展格局，顺应新一轮科技产业革命和数字经济发展趋势，以高质量发展为主题，供给侧结构性改革为主线，以虚拟现实核心软硬件突破提升产业链韧性，以虚拟现实行业应用融合创新构建生态发展新局面，以虚拟现实新业态推动文化经济新消费，为制造强国、网络强国、文化强国和数字中国建设提供有力支撑，不断满足人民群众对美好生活的需要。

图1.1  政策部分内容

2项目概要

2.1应用层次

虚拟现实的应用层次主要包括以下方面：

1. 初级应用：桌面虚拟现实系统---非沉浸式体验系统，计算机+软件即可实现。
2. 中级应用：桌面虚拟现实系统---沉浸式虚拟现实系统，计算机+软件+数据头盔+数据手套。
3. 高级应用：分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基础上。
4. 高级应用+增强现实：于虚拟现实的基础上加入真实的物具（现实中的，非建模的），实现虚拟世界与真实世界的交互。

2.2解决方案

基于虚拟现实技术的培训解决方案主要包括以下方面：

1. 初高中实验类课程方案，涉及化学、物理（仿真实验室，物体与规则重建）。
2. 初高中认知类课程方案，涉及自然（地理、生物）、历史（事件重建）。
3. 高中水平类课程方案，涉及外语（事件重建）、语文（意境重建）、数学(几何规则与逻辑重建)。
4. 职业学校技能培训方案，如装配、修理、维护。
5. 各大高校的实验实训培训方案，如机电实验，船舶实验，铁路仿真等。
6. 高耗材、高能耗、高成本的行业，如华为5G塔的安装实训，刑事侦查实操考核等。

图2.1  华为5G塔安装培训

3 项目特色与创新点

3.1 技术优势

(1)3D可视化技术：用三维高精度模型还原教学环境及相关场景利用先进的3D数字化技术，直观真实的表现，实现无死角浏览教学内容。

(2)强大的系统管理模块，VR仿真培训平台可以实现对用户管理、机构管理、课程管理、实验管理、资源管理、题库管理等多方面的统一管理。

(3)利用网络先进技术实现远程学习、课程资源共享，提高学习效率。

(4)智能管理：平台系统记录学习课程内容、学习时长、学习进度、成绩管理、为导师和学员提供教学与学习的优化参考。

图5.1  相关技术优势

3.2 产品优势

（1）实现沉浸式教学，导师学员互动，实战演练

通过3D可视化技术搭建虚拟场景，使学员能够沉浸到虚拟场景中，通过系统的交互系统能使导师参与教学内容，达到师生互动的效果，通过系统平台的实际考核，检验实战演练教学情况。

（2）多模式、多平台、分布式部署

系统能在多种系统的终端上运行。PC端可通过流行的网络浏览器进入系统，也可下载专用的客户端应用软件运行进入系统；移动端（包括手机、平板电脑）下载专用的客户端应用软件运行进入系统；支持Windows、IOS、Linux、android等流行的系统软件。部署方式可分为电子商务网站模式、APP应用程序模式、互动触摸屏模式。

4意义

虚拟现实技术被普遍认为是继计算机技术、网络技术后，在21世纪最有潜力的技术。虚拟现实技术具有的沉浸、交互、构想三大特征使得虚拟现实技术在教育领域应用有其独特而明显的优势。

随着资本对虚拟现实的持续关注、硬件成本降低、设备的普及以及互联网信息技术对教育融合的深入，迫切需要虚拟现实技术改造传统教育模式，甚至是刚刚开始流行的基于互联网的教育模式（如MOOC）。基于互联网的教育模式虽然解决了传统教育的大部分“痛点”(如不能跨时空共享优质教育资源，互动性差等)，但是学习者的体验没有得到实质的提升，缺乏虚拟现实技术（如沉浸式虚拟现实技术）带来的强烈的体验感、逼真的现在感与強大的可交互性。

参考文献

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[4] 虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究[J].郑亚文.施工技术.2009(12)

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