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建筑施工动画虚拟现实系统的设计与实现

文章出处:责任编辑::人气:-发表时间:2019-05-14 11:23:48【
论文分析、总结了虚拟现实技术(VR)的基础理论,以及虚拟现实技术在教学实践中的应用与技术发展现状。结合四川建筑职业技术学院的教学和工程训练需求,设计实现了基于虚拟现实技术的建筑施工实训虚拟系统。
 
论文应用虚拟现实技术,主要以施工文本、施工图片、施工动画、施工视频为素材资源,以现实施工过程为依据,构建一.个源于真实环境而高于真实环境的虚拟平台,包括相应的施工组织设计、施工平面布置、材料准备、材料抽样检测、现场加工制作、施工工艺、抄平放线、质量验收、安全管理、成本控制等。完成的建筑施工实训虚拟系统可人机互动的实现建筑施工素材资源的调用、达到整个建筑施工过程的虚拟再现,方便、快捷、高效地帮助学生提高对各种施工过程知识点、技能点的深入学习和掌握。应用实际情况证明该系统的学习和训练效果等价于甚至优于在现有真实环境条件中所取得的成效。
 
论文依托校企合作科研项目开展研究,具体研究内容和成果总结如下:
 
1.根据现有的建筑工程技术专业人才培养规范和要求,完成了建筑施工虚拟实训系统的总体结构设计,完成了开发工具选型及系统运行环境的构建。
2.完成了体系统设计实施方案可行性论证。
3.完成了建筑施工系统中的分部分项工程模块。
4.完成了建筑施工的关键技术的深入研究和实现。
5.通过模拟系统运行环境,对系统进行功能测试。



四川建筑职业技术学院建筑施工实训虚拟系统的研发实现了建筑工程施工工艺和质量检测操作过程在计算机上的真实再现,拓展了实践教学形式,实现了优质教学资源共享,节约了教育成本,提高了建筑工程技术专业人才的职业能力。
本章针对四川建筑职业技术学院建筑施工实训虚拟系统项目的研究,对项目主要涉及到的虚拟现实系统技术进行了研究和总结。
 
2.1虚拟现实 系统基本概念
虚拟现实技术是计算机研究的一个新领域,近年来逐渐为各界关注,并在应用领域得到了进一步的发展。
 
2.1.1 虚拟现实技术
VR虚拟现实技术(Virtual Reality), 作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,已经涉及众多研究和应用领域,被认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。虚拟现实技术一种先进的计算机用户接口,汇集了计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术、传感器技术等交叉技术,通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知的交互手段,实现特殊的目的。Burdea G和Coiffet在1994年出版的虚拟现实技术一书中描述了虚拟现实的三个基本特征,“沉浸感”、 “交互性”、“构想性”。这三个”反映了虚拟现实系统的关键特性,强调人在虚拟现实环境中的主导作用。
 
1.沉浸感(Immersion),又称临场感,是指观察者对虚拟世界的情感反映。
第二章虚拟现实系统基础理论
用户全身心地融入到这个虚拟世界中,就像在真实的客观世界中人与自然交互一样,给人一种身临其境的感觉。
2.交互性(Interaction),虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,人们可以利用一些传感设备如键盘、鼠标、数据手套等与虚拟环境中的物体进行操作从而得到反馈信息。
3.构想性(Imagination), 虚拟现实技术具有广阔的可想像空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想任何客观环境。用户沉浸在虚拟环境中并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而使用户深化概念和萌发新的联想!7]。
 
2.1.2虚拟现实系统
虚拟现实系统是指计算机系统中利用虚拟现实技术构建系统的逻辑结构模型,基于模块化和层次化设计思想,实现的各种虚拟的实训环境,用户通过鼠标的点击或拖动、键盘的操作进行虚拟仪器的操纵和数据处理,如同在真实的实训环境中一样完成各种预定的实训项目。
 
虚拟现实系统主要以现实实训环境为依据营造一个接近或优于真实环境的虚拟场景,包括相应的实训室环境、有关的实训仪器设备、实训对象及实训信息资源等,实训过程主要是对虚拟物的操作完成各种预定的实训项目,所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
 
从组成角度来分析,虚拟现实系统包括主机系统、场景显示系统、VR接口设备[191。从功能角度来分析,虚拟现实系统则是一个创造和引导模拟实训的交互环境,它由实训所依赖的模拟程序、实训单元、工具和参考资料组成,用户可以通过增加新的物休、建立新的实训并把他们转化成超文本文件来扩充实训室。
 
行动体( active agents )
 
几何模型  观察  用户 交互
2.2虚拟现实 系统特点
虚拟现实系统在科研应用和教育应用中都有比较好的效果,虚拟现实系主要有以下特点。
1.经济性。与传统实训相比较,虚拟实训节省了购置昂贵设备的资金,也不会对设备造成损坏,并且便于维护、容易扩充,因此实训成本低。
2.开放性。虚拟现实系统是一 一个开放的实训空间,实训者处于主体的地位,有助于实训者积极主动的发挥,能够满足多种需求。
3.实践性。虚拟实训虽然不能像真实实训那样直接提供未知的事实,但在人们获取对事物的一些新的认识,完善已有的知识结构,或者在实践中消除不定因素、提高实践能力具有重要的作用,因而其具有明显的实践特征。
4.扩展性。在当今信息时代里,知识更新、技术进步的速度十分迅速,因此虚拟实训的软件要随时升级,仪器也需及时更新换代,服务功能也要逐步加强。虚拟实训的结构特征决定着它具有软硬件及服务功能的扩展性。
5.透明性。虚拟实训的软件、硬件、数据库、甚至人员集成于一个系统,使用标准的统一.命令实现功能服务,这种透明的结构决定了虚拟实训的透明特征。
6.安全性。安全性使一 一些可能对自然、社会造成很大影响的实训(如环保实训、生态实训等)得以在虛拟实训中实现。安全性不仅是对于实训操作人员而言的,它也包括实训对象、实训环境等。用户可以非常放心的在虚拟实训室中做实训,对实训现象或过程很好地仿真而又不用担心发生事故。
7.共享性。在统一查询标准的检索系统、应用软件库、数据库、甚至电子图书馆等工具的支持下,用户可以共享信息、软件、仪器及设备等相关资源,这个特性不仅能够减少重要投资,节约成本,而且能够方便用户提高效率。
8.互动性。远程用户可以操作中心实训环境,同时用户之间也可以交流相关信息。互动性需要有一系列软硬件的支持,它们都是虚拟实训的组成部分。
9.自主性。用户可以定制自己使用虚拟仪器的方式,还可以采取必要的措施
 



2.3虚拟现实 系统在实训教学中的意义
从教育发展变革的过程来看,纸和印刷术的出现、广播和电视技术的发展、计算机和网络技术多媒体技术的普及,都曾引起教育的飞跃。虚拟现实与教育相结合,也一定会引起教育的革命。
 
1.突破了传统的实训教学概念
虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力,要求教师必须改变实训教学观念,要求教师善于运用实训教学策略,把教学中的抽象概念原理、真实的实训过程等形象生动地表现出来,鼓励学生将自主设计、自主探索与协作实训研究相结合。情境式教学模式,能更好的帮助学生获取知识,达到由培养经验型人才向培养创造型人才的转变。
 
2.弥补远程教学条件的不足
在远程教学中,往往会因为实训设备、实训场地、教学经费等方面的原因,使一些应该开设的教学实训无法进行。利用虚拟现实系统,可以弥补这些方面的不足,学生足不出户便可以作各种各样的实训,获得与真实实训一样的体会,从而丰富感性认识,加深对教学内容的理解。
 
3.节省了教育投资成本
通过虚拟仪器、虚拟环境和虚拟操作,可以不必购置大量昂贵的仪器设备费用,虚拟实训又可避免实训仪器的损坏、材料的消耗等问题,从而有效节约教育成本。
 
4.避免真实实训或操作所带来的各种危险
以往对于危险的或对于人体健康有危害的实训,一般采用电视录像的方式来取代实训,学生无法直接参与实训,从而无法获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实训,则可以避免这种顾虑。
 
5.实训教学手段多样化
教师可以采取灵活的教学方法,实行个性化教学。通过分布式虚拟实训教学,学生可以灵活控制学习时间,不受实训室关闭和开放的影响,不受书本的约束,自主地选择自己所需的实训内容。利用虚拟实训远程系统,将实训设备、教学内容(包括理论教学)、教师辅导和学习者的思考、实训操作等融为一体,克服了实训教学长期受到课堂、课时限制的因素。学生可通过上网接受教师指导,完成各项实训内容,提交实训报告。
 
6.更利于培养学习兴趣与能力
由于虚拟实训利用多媒体技术来模拟真实实训环境,能够提供和展示各种趋于现实的学习情境,把抽象的学习与现实融合起来,从而诱导学生即席思考,激发学生的形象思维1241,有利于培养学生的科学意识和创新精神。
 


2.4虚拟现实系统分类
开发虚拟教学软件已成为面向21世纪高等教育改革的一项重要内容。根据虚拟场景给用户提供的沉浸感和用户与虚拟场景的交互方式的不同,可以把虚拟现实技术划分为以下四大类:
 
1.沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统是指用户运用计算机对复杂数据进行可视化操作与交互。用户可以通过使用各种特殊装置,利用头盔式显示器( Head Mounted DisplaysHMD)、数据手套等类似设备,将自己“投射”到这个虚拟的感觉空间,产生一种身临其境的感觉,并漫游、操作、控制环境,实现特殊的目的。目前比较典型的研究有宇航员的模拟飞行、驾驶员的模拟驾驶、建筑场景的三维漫游、三维网络游戏等。虽然这种系统的沉浸效果较好,但是用于该系统的设备价格昂贵,所以一时难以普及推及。
 
2.分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统,即“通过公共网络,将处于不同地域的大型科学仪器资源集中起来形成虚拟仪器中心,借助远程控制和远程协同技术,通过中心的安排,使在全世界不同地域的多名科学家能通过Internet公共网络控制虚拟中心的任何一台仪器,并可有更多的科学家实时观察整个实训和分析过程并加入讨论。虛拟中心还可提供仪器分析实训过程的回放技术”。它是对沉浸式虚拟现实系统的发展,相当于把分布于不同地方的沉浸式虚拟现实系统通过网络连接起来1261。在分布式虚拟现实系统中,多个用户利用远程网络进行交互的系统,他们同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,从而达到共同协作的目的。
 
3.增强现实型虚拟系统
增强现实型虚拟系统是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统,部分真实环境由虛拟环境取代,是对真实世界的补充,不但可减少构成复杂真实环境的开销,又可对实际物体进行操作,利用它来增强参与者对真实环境的感受,而不是完全替代真实世界。
 
第二章虚拟现实 系统基础理论
4.桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统DVR (Desktop Virtual Reality)是利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个主要窗口,用户可以使用鼠标、键盘等输入设备与之进行交互操作,操纵虚拟环境中的事物,并且通过计算机屏幕来观察事物的状态和变化。它是一种初级的虚拟状态,并没有使用头盔显示器等设备那样强烈的沉浸感,操作者很容易受到外界事物的干扰,但由于其成本相对比较低,因而在各个领域的应用较为广泛[28]。
 
2.5虚拟现实系统构建技术
视点对周围环境的360度视图,用户可在360度范围内任意切换视线,也可在一个视线上改变视角来获得距离远近的视觉效果,并且可在很多全景图像和对象电影中漫游。QTVR技术可以使用照片、录像或数字图像来创建虚拟环境,它与多媒体技术、传统虚拟现实技术相比有着更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细节特征ES。
 


3. Java3D 技术
Java3D是SUN公司于1999年3月推出的一种跨平台、适合于分布式计算环境的、面向Internet的交互式三维图象的程序设计语言。它是一种新的三维构建技术,是Java语言在三维领域的延伸。Java3D继承了Java良好的面向对象性、安全特性和网络传输特性。因此一诞生,便成为功能强大的构建三维网络虚拟世界的编程工具。
 
Java3D的特点和优点如下:
(1)高性能的面向对象的三维图形描述方法和面向对象的编程方式,开发者能够高效地构建大规模的三维场景,简化了三维程序设计图形模型,只需集中精力于场景图中的对象和组件I36]。
(2) Java3D延续了Java强大的面向对象编程能力。在Java3D的世界中,任何事物都是对象,如基本的立体形体、灯光、材质等137。
(3)封装了3D开发工具OpenGL和DirectX, 实现了速度的最优化,并且使用了视锥体消除法处理技术,使它更适合于开发交互式图形应用程序。
(4)作为网络语言继承了Java 语言的平台无关性并采用了几何形体压缩技术,使它的代码可以自由传输,生成的可视化场景可以方便地从服务器传给客户端,然后在客户端本地运行,从而避免了带宽瓶颈问题。
(5) Java3D既支持编程建模也支持实时装载器,可以用模型载入器导入三维建模软件制作的三维模型。

4. ActiveX技术
ActiveX技术是基于组件对象模型COM和Windows32应用编程接口(Win32API)的一种与具体编程语言无关的技术38],被广泛应用于Web服务器以及客户端的各个方面[39]。ActiveX控件的优势在于它具有动态的可交互性,通过修改控件的属性和调用控件的方法,在控件的事件中加入程序代码,即可创建应用程序。ActiveX技术的另一个好处在于它的代码复用性。如采用ActiveX技术开发虚拟实训室则需要编译成网络发行的文件包,并需要数字签名,才能镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时,需要在注册表中进行注
 
第二章虚拟现实 系统基础理论
这给不熟悉的用户带来了很大的不便。而且ActiveX 控制只能运行于基于MicrosoftWindows的操作系统移植性和通用性比较差[40。
 

5. Flash 技术
Flash是Macromedia公司1996年9月推出的一.个矢量图形编辑和动画创作软件,具有体积小、使用流式传输技术、跨平台输出、易学易用、采用矢量绘图等优点。Flash自问世以来,以其强大的功能和良好的兼容性,深受广大动画制作者的喜爱。
其中Flash 8.0版本中ActionScript通过编程可开发出具有一定功能的交互式网络动画。ActionScript提供了XMLSocket的组件,它支持将对象通过Socket发送出去,并可以从服务器端接收数据,这为客户端直接与服务器通讯提供条件,也为网络实时仿真实训提供了可能[41]。Flash8.0 中的工作组功能极为强大,它包含一套新的工作流程最优化特点,可自动更新Flash网站的数据驱动,从而大大节约了开发者的时间。
 
2.6本章小结
本章主要介绍虚拟现实系统的基本概念、虚拟现实系统基本特征、在教学中的意义、分类,并主要针对虚拟现实系统的构建技术进行了综述。目前虚拟现实系统正朝着协同化、智能化的方向发展。构建虚拟现实系统的方法多种多样,目前国内外比较流行的主要有VRML、QTVR、Java3D、 Flash、ActiveX下面分别对一些关键技术及特点进行讨论。
 
1. VRML技术
VRML(Virtual Reality Modeling Language)虚拟现实三维立体网络程序设计语言开始于20世纪90年代初期,1994年 10月,在芝加哥召开的第二次万维网会议上公布了VRML1.0规范标准[291。VRML源于虚拟现实技术,是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言[30),可创建导航的、超链接的三位仿真现实空间,可以使物体旋转、滚动、改变颜色和大小。
 
VRML以HTML标记文本语言来描述三维场景,它将二维、三维图形和动画、影片、音乐等多种效果结合在一起,创建一个可进入、可参与的虚拟世界。具有对内的树形场景结构和对外的分布式场景结构,提供了可重用的节点和原型,便于建模。用户在场景中可以根据不同的视点巡视,有很大的自由度。但使用VRML技术构建的“硬件”部分在数据处理方面尚有不足,需要利用JavaScript 和JAVA语言对VRML提供扩展交互的支持32331,才可以弥补VRML本身的不足。
 

2. QTVR技术
QTVR (Quick Time Virtual Reality)快速虚拟系统,它是苹果公司的一个重要产品,是新一代的、基于静态图像处理的实景建模的虚拟现实技术,在普通的PC机.上就可以实现虚拟现实的效果。使用QTVR系统软件处理离散的图像,可完成三维空间、三维物体的造型,然后通过操纵普通的鼠标、键盘就可以实现对三维造型的全方位观察。
 
QTVR有三个核心概念:全景图像、对象和场景。全景图像是空间中的一个。


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