沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺的構(gòu)建和應(yīng)用研究

葉 雯 劉崇進 吳應(yīng)良 張云霏

1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 511483 2.華南理工大學(xué) 廣東廣州 510006

VR是Virtual Reality的簡稱，即虛擬現(xiàn)實。隨著計算機和VR技術(shù)的發(fā)展，原來的非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(non-immersive VR)發(fā)展到了沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(immersive VR)。非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)是借助于計算機和其鼠標、鍵盤、話筒等外圍設(shè)備，通過三維制圖軟件在屏幕生成的虛擬環(huán)境，或者通過攝影技術(shù)獲得的實際圖像加上計算機處理生成的虛擬環(huán)境[1]。給用戶生成一個窗口式的虛擬空間，該虛擬環(huán)境一般由三維視頻(3D電影)組成，通過鼠標或鍵盤與計算機交互作用，調(diào)用三維視頻，不足之處是能感覺到腳和手不在虛擬空間里。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(immersive VR)是由美國VPL公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier在20世紀80年代末提出的，主要是利用圖形系統(tǒng)和各種控制接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)，也就是利用計算機模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，給使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬。因此，Jaron Lanier被稱為“虛擬空間之父”[2]，在2010年被美國《時代》雜志評為100個最有影響的人物之一。

沉浸式VR模擬的虛擬空間猶如身臨其境，感受到三維空間的大小、周圍材料的質(zhì)感和聲音的回響。用戶在虛擬空間具有與虛擬物體實時交互的優(yōu)點，可以根據(jù)自己的思路探索整個虛擬環(huán)境，選擇自己想體驗的內(nèi)容。另外，用戶在虛擬空間觀看VR作品的時間不受限制，可以隨時播放或暫停，切換到其他的VR作品，也可以從不同角度長時間瀏覽虛擬作品，而且操作簡單快捷。因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近幾年發(fā)展很快，已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計、房地產(chǎn)銷售、旅游推廣、教學(xué)培訓(xùn)和軍事訓(xùn)練等眾多領(lǐng)域，成為21世紀的關(guān)鍵技術(shù)之一。

沉浸式VR應(yīng)用于教育領(lǐng)域，能模擬成三維學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生等有關(guān)人員在這個模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)或培訓(xùn)。Delucia A等人把這個學(xué)習(xí)環(huán)境稱為“Second Life”，即“第二人生”，是模擬真實社會在線角色扮演的平臺，構(gòu)建一種沉浸式、游戲般趣味性的學(xué)習(xí)環(huán)境[3]，這個學(xué)習(xí)環(huán)境遠比坐在屏幕前觀看二維圖像和動畫要真實、方便和有趣得多。現(xiàn)在，沉浸式VR已經(jīng)在教育和培訓(xùn)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[4]。

開發(fā)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是為學(xué)習(xí)建筑知識的、學(xué)生的模擬軟件和裝置，這個系統(tǒng)就稱為沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺。目前，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(immersive VR)一般簡稱VR，有的公司把沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺稱為VR建筑實訓(xùn)室，或叫VR建材實訓(xùn)中心。

1 沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺的構(gòu)建

美國Oculus Rift公司在2010年推出了VR套裝(VR頭盔和數(shù)據(jù)手套)，沉浸式虛擬裝置的價格下降了很多，沉浸式VR也獲得了很大的發(fā)展和推廣，在2013年開始應(yīng)用于美國的教育界[5]。在2015年2月，臺灣公司HTC和美國Valve游戲公司合作，推出了HTC Vive套裝(如圖1所示)，A是VR頭盔，B是紅外激光定位燈塔，C是手柄控制器。HTC Vive VR套裝與Oculus Rift相比，主要不同之處就是在工作設(shè)定區(qū)域具有用戶的位置和姿態(tài)的空間定位能力，這是通過紅外激光定位燈塔、手柄控制器與VR頭盔聯(lián)合工作而實現(xiàn)的。使用HTC Vive VR套裝瀏覽虛擬作品更真實，其交互性更好，而且操作簡單。因此，到2016年，沉浸式VR在我國教育界獲得了廣泛推廣，一些國內(nèi)公司也推出了VR教育產(chǎn)品。杭州萬霆科技公司是其中推出VR教育產(chǎn)品的公司之一，比較有名的產(chǎn)品就是VR建筑實訓(xùn)平臺，也叫VR建筑實訓(xùn)中心。

圖1 HTC Vive VR套裝

2016年初，我校和杭州萬霆科技公司進行了校企合作，在建筑工程學(xué)院實訓(xùn)中心構(gòu)建了VR建筑實訓(xùn)中心。圖2是VR建筑實訓(xùn)中心的工作場地，長、寬和高分別為7米、6.2米和2.8米，其中主要有主機、交互設(shè)備、屏幕、投影儀和HTC Vive VR套裝，主機里裝有基于BIM的虛擬建筑模擬軟件。VR建筑實訓(xùn)中心的關(guān)鍵組件是主機和HTC Vive VR套裝，主機的運行速度要非常快，機內(nèi)安裝的模擬軟件要與主機的運行速度相適應(yīng)。手柄控制器上有2個按鈕，一個是圓形的按鈕，控制向前漫游的速度；另一個是桿式按鈕，具有在虛擬空間交互作用的功能，如在虛擬空間切換不同的學(xué)習(xí)實訓(xùn)模塊等。用戶戴上HTC Vive VR頭盔，操縱兩個手柄控制器，才能進入三維虛擬世界，在三維虛擬世界漫游、學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。

圖2 VR建筑實訓(xùn)中心的工作場地

2 沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺的使用方法

沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺構(gòu)建后，啟動主機和系統(tǒng)，戴上VR頭盔，兩手握住手柄控制器，就可以使用該平臺了。主要的使用方法和規(guī)則如下。

(1)開機啟動系統(tǒng)，運行建筑虛擬模擬軟件。

(2)戴上頭盔，手握手柄控制器，進入虛擬空間和漫游，當按壓圓形按鈕不能再漫游時，要轉(zhuǎn)動頭盔，改變方向，才能繼續(xù)漫游。

(3)在漫游的過程中，看到虛擬作品，用手指按壓手柄控制器上的桿式按鈕，與該作品交互作用。例如，當漫游看到梁柱施工和安全知識的模塊時，按壓桿式按鈕，進入該模塊，進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)；退出該模塊后，漫游看到玻璃幕墻安裝模塊，再按壓桿式按鈕，切換到這一學(xué)習(xí)培訓(xùn)模塊。

(4)頭部移動的范圍要在工作設(shè)定區(qū)域內(nèi)才能在虛擬空間漫游。頭部移動范圍比較小，如果超過了這個工作設(shè)定區(qū)域，眼前就是一片漆黑，不能漫游了；要轉(zhuǎn)動頭盔，改變方向，才能繼續(xù)漫游。

圖3是用戶在虛擬建筑空間的漫游圖，用戶通過轉(zhuǎn)動身體和頭部，操縱在手柄控制器的兩個按鈕，在虛擬建筑空間漫游，與虛擬空間物體交互作用，操作非常簡單。圖4是用戶戴上頭盔后看到的虛擬建筑場景，轉(zhuǎn)動身體和頭部，操縱在手柄控制器的兩個按鈕，漫游在虛擬建筑的場景中，還可進入其房間漫游，仔細地觀察該建筑物的空間大小、天花板的高度、地板材質(zhì)等建筑特點。

圖3 用戶在虛擬建筑空間的漫游

圖4 用戶戴上頭盔后看到的虛擬建筑場景

VR頭盔里有顯示器和立體聲揚聲器，能把用戶的視覺、聽覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬感覺，并使用手柄控制器把用戶的手感通道封閉起來，產(chǎn)生虛擬觸動感，與此同時，頭、手、眼均有相應(yīng)的頭部、手部和眼睛視向等跟蹤器的追蹤，使整個虛擬系統(tǒng)的相互作用達到盡可能的實時性。因此，用戶具有與虛擬空間物體交互作用的感覺，完全沉浸在虛擬三維物體組成的空間中，外界的干擾不大。用戶在虛擬空間漫游的過程中，可以在虛擬建筑場景中四處走動，上下樓、在不同空間里迅速切換，與虛擬建筑環(huán)境互動，近距離地查看每一個設(shè)計和施工細節(jié)，體會到身臨其境的沉浸感、交互性和構(gòu)想性。

由此可知，VR建筑實訓(xùn)平臺構(gòu)建了一種沉浸式、游戲般趣味性的學(xué)習(xí)環(huán)境，這個學(xué)習(xí)環(huán)境與VR建筑模擬軟件相結(jié)合，給學(xué)習(xí)建筑知識的學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個虛擬空間的學(xué)習(xí)情境。學(xué)生通過操縱手柄控制器的2個按鈕，可以在虛擬建筑的環(huán)境中進行建筑工程施工、安裝等技能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，并可以反復(fù)練習(xí)，發(fā)現(xiàn)自己存在的問題，掌握解決問題的正確方法等。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)，當進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練時，完全沉浸在虛擬三維物體組成的虛擬空間里，現(xiàn)實外界的干擾不大，可以集中精力學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3 沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺的應(yīng)用研究

學(xué)生要在沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，首先要介紹VR建筑實訓(xùn)平臺和學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。介紹VR建筑實訓(xùn)平臺時，可以讓學(xué)生參觀VR建筑實訓(xùn)中心(如圖2所示)，簡述其中主要組成部分，如主機、交互設(shè)備、屏幕、投影儀和HTC Vive VR套裝，主機里裝有基于BIM的虛擬建筑模擬軟件。當學(xué)生戴上VR頭盔，操縱2個手柄控制器時，就能進入洞穴狀自動虛擬環(huán)境(CAVE，the Cave Automatic Virtual Environments)[5]，在這個虛擬環(huán)境中，感覺到四面有墻壁和地板，好像浮在虛擬空間里，可以與虛擬空間的物體交互作用，進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。在洞穴狀自動虛擬環(huán)境學(xué)習(xí)培訓(xùn)，遠比坐在屏幕前觀看二維圖像和動畫要真實、方便和有趣得多。要特別介紹VR建筑實訓(xùn)平臺的工作設(shè)定區(qū)域比較小，如果在設(shè)定區(qū)域之外，就不能進入洞穴狀自動虛擬環(huán)境，就不能在虛擬空間進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。所以，目前還不能大規(guī)模讓學(xué)生在這個平臺上進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

一般來說，根據(jù)設(shè)計的學(xué)習(xí)培訓(xùn)目的，選擇那些非常感興趣的學(xué)生參加教學(xué)實踐。我們選取大二和大三的小部分學(xué)生，他們具備了一些建筑相關(guān)的知識技能，其成績屬于一般，確定的學(xué)習(xí)培訓(xùn)目的就是自己進入虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境后，查漏補缺，提高自己的學(xué)習(xí)成績。學(xué)生主要的學(xué)習(xí)過程和步驟如圖5所示，稱為學(xué)生在VR建筑實訓(xùn)平臺上的學(xué)習(xí)流程圖。為方便敘述，我們把沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺簡稱為VR實訓(xùn)平臺，下面分別進行說明。

圖5 學(xué)生在沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺上的學(xué)習(xí)流程圖

學(xué)生根據(jù)自己的實際情況，檢查沒有掌握的或忘記的知識技能，制定學(xué)習(xí)任務(wù)，確定在平臺上學(xué)習(xí)實訓(xùn)的時間和進程，教師相應(yīng)地給予學(xué)生彈性的時間安排；然后學(xué)習(xí)掌握VR建筑實訓(xùn)平臺的使用方法。掌握好該平臺的使用方法，就可以進入VR實訓(xùn)平臺了。戴上HTC Vive VR頭盔，操縱2個手柄控制器，進入洞穴狀自動虛擬環(huán)境，進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

學(xué)生在虛擬空間漫游的過程中，看到與預(yù)定的學(xué)習(xí)任務(wù)有關(guān)的功能模塊，就打開該功能模塊，進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。教學(xué)實踐表明，絕大多數(shù)學(xué)生進入虛擬學(xué)習(xí)空間后，像玩游戲那樣熱情高漲，完全沉浸在虛擬三維物體組成的虛擬空間里，集中精力學(xué)習(xí)實訓(xùn)，努力完成學(xué)習(xí)任務(wù)。VR實訓(xùn)平臺給學(xué)生提供了一個全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)積極性和主動性。學(xué)生在學(xué)習(xí)培訓(xùn)時，總是要求延長時間，有時進行反復(fù)學(xué)習(xí)，使自己的學(xué)業(yè)精益求精，起到了比較好的查漏補缺的學(xué)習(xí)效果，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和工匠精神。

學(xué)生退出VR實訓(xùn)平臺后，要求每個學(xué)生總結(jié)在虛擬世界的學(xué)習(xí)實訓(xùn)體會，匯報自己在漫游學(xué)習(xí)時遇到的困惑和解決問題的方法。不少學(xué)生完成該學(xué)習(xí)實訓(xùn)后，希望多給機會，再次在該平臺上進行學(xué)習(xí)實訓(xùn)。通過梳理與匯總學(xué)生遇到的主要問題和解決問題的方法，檢測學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)的情況，可以肯定地說，學(xué)生通過該平臺的學(xué)習(xí)實訓(xùn)，很好地完成了預(yù)定的學(xué)習(xí)任務(wù)，發(fā)展了分析問題和解決問題的能力，對培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和工匠精神起了積極的作用。

4 結(jié)語

在建筑工程學(xué)院實訓(xùn)中心構(gòu)建的沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺主要由主機、交互設(shè)備、屏幕、投影儀和HTC Vive VR套裝等組成，主機里裝有基于BIM的虛擬建筑模擬軟件。啟動平臺后，學(xué)生戴上頭盔，操縱兩個手柄控制器，就進入洞穴狀自動虛擬環(huán)境學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

沉浸式VR建筑實訓(xùn)平臺是一種沉浸式、游戲般趣味性的虛擬學(xué)習(xí)培訓(xùn)環(huán)境，這個環(huán)境與VR建筑模擬軟件相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)了一個學(xué)習(xí)建筑知識的虛擬空間。學(xué)生完全沉浸在虛擬三維物體組成的空間里學(xué)習(xí)訓(xùn)練，現(xiàn)實外界的干擾不大，能集中精力學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

教師與學(xué)生一起設(shè)計教學(xué)方案和內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)自己的實際情況確定學(xué)習(xí)任務(wù)、在平臺上學(xué)習(xí)的時間和進程，能比較好地發(fā)揮學(xué)生的個體特長。

在VR實訓(xùn)平臺中學(xué)習(xí)培訓(xùn)，遠比坐在屏幕前觀看二維圖像和動畫要真實、方便和有趣得多，激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)積極性和主動性，有的學(xué)生要求延長時間，有的學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)實訓(xùn)，對自己的學(xué)業(yè)精益求精，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和工匠精神。