面向設計類專業的G—magic虛擬現實實驗室建設探索與實踐

葉俊男　楊超翔　徐子尚

摘要：隨著國家越來越重視教育信息化，教育部提出了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設。將虛擬現實技術應用到設計類專業教學領域，能夠較好地展現藝術與技術相結合的設計作品，通過虛擬環境的體驗與交流，有效地傳達設計作品所表達的設計理念，并對作品進行有效的設計評價。目前越來越多的擁有設計類專業的高校進行虛擬現實實驗室建設，然而各高校虛擬現實實驗室建設往往集中在特定的專業領域，如工業設計、環境設計、景觀設計、數字媒體藝術等，缺少符合設計類專業高校需求的綜合性多功能虛擬現實實驗室建設的經驗，本文將通過華東理工大學藝術設計與傳媒學院G-magic虛擬現實實驗室建設，來對面向設計類專業的綜合性多功能虛擬現實實驗室建設進行探索與實踐。

關鍵詞：虛擬現實 實驗室建設 設計專業

中圖分類號：TU-8 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）04-0146-02

一、引言

美國VPL Research公司在20世紀80年代初提出了虛擬現實（virtualReality簡稱VR）概念。虛擬現實技術是通過計算機仿真技術、人機交互技術、傳感技術等先進的技術手段來提供一種逼真的感知虛擬環境，用戶可以通過各種交互設備，如數據手套、控制器等交互設備來跟虛擬環境進行信息交互交流。虛擬技術具有沉浸性、交互性和想象性三大特點。目前已廣泛應用在工業產品研發、應急演練、城市規劃、醫學、教育培訓、娛樂、游戲、旅游、文化藝術等眾多領域。

藝術學已經在國務院學位委員會新修訂的《學位授予和人才培養學科目錄（2011年》上成為第13個學科門類，設計學正式成為一級學科，涉及8個基本專業：藝術設計學、視覺傳達設計、環境設計、產品設計、服裝與服飾設計、公共藝術、工藝美術、數字媒體藝術，1個特色專業：藝術與科技。

教育信息化隨著當代信息化技術的不斷發展與深入開始受到了國家相關部門的高度重視，教育部在建設國家級實驗教學示范中心加強實驗教學基礎上，進一步提出了建設國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，此項工作順應了高等教育的發展趨勢，是高等學校實驗教學信息化的最新舉措，必將對我國高等教育質量的提高產生積極重要的作用。虛擬仿真實驗教學便是利用虛擬現實、人機交互、數據庫、多媒體和網絡通訊等技術來構建逼真的虛擬現實實驗環境和對象，學生可在該環境中開展自主、高效、安全和經濟的交互實驗。同時，虛擬仿真實驗可在高危或極端環境下進行不可及或不可逆的操作，也可代替成本高、消耗大的大型或綜合性實驗，相比傳統真實實驗而言具有較大的優勢，將對傳統實驗教學產生深遠的影響。

將虛擬現實技術應用到設計類專業教學領域，能夠較好地展現藝術與技術相結合的設計作品，通過虛擬環境的體驗與交流，有效地傳達設計作品所表達的設計理念，并對作品進行有效的設計評價。目前已經有越來越多的擁有設計類專業的高校響應國家相關政策，結合自身專業發展需要，花費幾百萬乃至上千萬來進行虛擬現實實驗室建設。然而目前各高校虛擬現實實驗室建設往往集中在特定的專業領域，如工業設計、環境設計、景觀設計、數字媒體藝術等，缺少符合設計類專業高校需求的綜合性多功能虛擬現實實驗室建設的經驗，本文將通過華東理工大學藝術設計與傳媒學院G-magic虛擬現實實驗室建設，來對面向設計類專業的綜合性多功能虛擬現實實驗室建設進行探索與實踐。

二、G-magic虛擬現實實驗室建設目標和設計原則

華東理工大學藝術設計與傳媒學院設有工業設計、產品設計、視覺傳達設計、環境設計、風景園林、數字媒體藝術等本科專業，設有設計學、景觀規劃設計碩士點，有工業設計工程、藝術專業碩士點及工業設計博士點。學院將依托實驗室建立以虛擬技術為支撐的設計評價與可用性分析平臺，通過該平臺對各專業教學和研究提供有力的支撐。各個專業對虛擬現實實驗室有以下方面需求：1）工業設計和產品設計方向，在產品的設計階段就實時地模擬出產品的形狀和工作狀況、制造過程、檢查產品的可制造性和人機合理性、預測其制造周期和使用性能，以便及時修改設計，更有效地靈活組織設計，縮短產品研發周期，獲得最佳的產品質量和效益。2）環境設計和風景園林方向，在設計規劃階段，通過三維建模和場景搭建，實時模擬出環境設計和景觀規劃設計場景，設計者和評估者可在虛擬環境中漫游，檢查設計的可行性，對設計中建筑尺度、功能布局、景觀搭配、公共設施、材料運用等設計內容進行及時調整，更加真實地展現和體驗目標設計的等比例虛擬環境，更加有效地進行設計評估和評審。3）視覺傳達設計和數字媒體藝術設計方向，可以通過虛擬現實系統有限展現設計者在藝術設計中造型、顏色、視覺思維等方面內容，模擬展現藝術設計中的客觀世界，讓用戶在環境中獲得“角色感”的沉浸式體驗。

因此，在規劃設計初期對實驗室虛擬現實系統建設提出了以下六大設計原則。

（一）實用性

本系統能夠符合各專業功能需求，為專業教學、研究提供有力支撐，使各專業在課程教學，課題研究方面便捷有效地使用系統。

（二）可靠性

未來學院師生將會頻繁實驗該系統進行教學、科研等工作，因此便要求系統的軟硬件性能需要可靠、兼容和穩定。

（三）先進性

系統設備在滿足項目預算和實際需求的基礎上，盡可能采用較先進的軟硬件設備，從而使得實驗室的功能與性能達到國內外先進水平。

（四）經濟性

實驗室建設重要目標便是控制系統建設成本，達到效益的最大化。華理便是通過與企業的產學研合作，用較小的建設成本完成滿足功能需求的實驗室建設。

（五）易操作性

系統在使用過程中需要有友好的交互界面，簡單便捷的操作流程，從而便于教學、科研及培訓使用。

（六）可擴展性

系統要具有一定的前瞻性和科學性，實驗室可根據建設規劃和使用需求的增加對系統進行調整和擴充，endprint

三、G-magic虛擬現實實驗室硬件系統的構建

（一）實驗室3D立體投影技術應用

目前主流的增強虛擬現實立體顯示系統主要有以下幾種：洞穴式（Computcr Automatic vitual Environment，CAVE）立體顯示系統、頭盔式立體顯示系統、響應式工作臺（Responsiveworkbench，RWB）、多通道同步立體投影系統以及用于桌面虛擬現實系統的立體顯示裝置。而G-Magic主要由洞穴式立體顯示系統和多通道同步立體投影系統結合。

在投影機選擇方面，主要有被動立體投影機和主動立體投影機兩種。被動立體需要兩臺投影機，分別投影對應左右眼的畫面，然后通過眼鏡過濾，使得左眼的畫面到達左眼，右眼的畫面到達右眼，從而實現立體畫面。主動立體只需要1臺投影機，投出120HZ畫面，其中包含左眼和右眼圖像，通過投影機與眼鏡快門開閉的通過，使左右眼觀察到相應的圖像，形成立體畫面。兩者優勢對比（如表1）。

（二）實驗室主要硬件設備組成

G-magic虛擬現實實驗室是由華東理工大學藝術設計與傳媒學院和上海曼恒數字技術股份有限公司共建，學院為公司虛擬現實產品應用和研發提供支持，曼恒數字則為學院提供硬件和軟件支持，較好地實現了實驗室的產學研合作。

實驗室虛擬現實系統采用曼恒數字核心產品G-magic六通道全能型虛擬現實仿真系統，該系統硬件主要由6臺主動立體投影機，7臺圖形圖像工作站，6塊3D投影屏幕，融合機，分屏器，中央控制系統，操控手柄等互動設備組成，通過內置的進口電機控制實現一鍵式變形操作，可根據教學、科研等使用需要較快地調整出不同的使用狀態（如：由G-Cube系統轉變為G-Discover、G-Float、G-Powerwall系統）（如圖1）。

四、G-magic虛擬現實實驗室軟件系統的構建

實驗室軟件系統采用曼恒數字自主研發的DVS3D虛擬現實軟件平臺。該平臺通過網絡進行數據傳輸和同步，較好支撐了六通道立體顯示，在系統進行物理結構變形時，DVS3D軟件可以進行自適應的分布式多通道畫面同步，同時實時定位眼部位置，結合3D立體沉浸式投影系統和交互設備，快速地為使用者帶來完整的虛擬視窗和沉浸式立體體驗。

DVS3D由Editor和client兩部分組成。Editor是操作編輯部分，它既可讀取常用三維模型模型格式（fbx、obj、dae、3ds等），也可實時截取常用三維軟件中的三維圖形數據，然后在編輯環境中進行場景搭建和數據編輯；Client是虛擬展示輸出部分，通過外設的VRPN標準接口實現1：1多通道的沉浸式立體顯示，實現對設計方案的虛擬展示與交互操作。DVS3D可通過內嵌在線的模型素材庫快速查詢和下載所需模型進行場景搭建和交互操作。具體使用流程（如圖2）。

五、實驗室管理體系建設

（一）組織保障

實驗室依托華東理工大學學科和科研基礎優勢，成立中心工作建設領導小組，由校分管校長、學院院長及相關專業負責人、實驗室負責人組成，配合其他相關專業教師、財務人員組成實驗室工作委員會，負責實驗室建設規劃、日常管理等工作。

（二）制度保障

為進一步實現實驗室規范化管理，以創建國家級虛擬仿真實驗教學中心為目標，制定了《G-MAGIC虛擬現實實驗室管理制度》《G-MAGIC虛擬現實實驗室開放制度》《G-MAGIC虛擬現實實驗室緊急事故處理預案》等一系列規則制度。

總結

近年來，國家級虛擬仿真實驗中心建設工作已經全面展開，設計相關專業的虛擬仿真實驗室建設也迫在眉睫。本文在總結華東理工大學藝術設計與傳媒學院相關設計專業對虛擬現實實驗室建設需求的基礎上，對相關設計專業如何進行綜合性多功能虛擬現實實驗室建設進行了有效的探索與實踐，為相關設計類院校如何進行虛擬現實實驗室建設提供了必要經驗與示范。endprint