沉浸式VR建筑实训平台的构建和应用研究

叶 雯 刘崇进 吴应良 张云霏

1.广州番禺职业技术学院 广东广州 511483 2.华南理工大学 广东广州 510006

VR是Virtual Reality的简称，即虚拟现实。随着计算机和VR技术的发展，原来的非沉浸式虚拟现实技术(non-immersive VR)发展到了沉浸式虚拟现实技术(immersive VR)。非沉浸式虚拟现实技术是借助于计算机和其鼠标、键盘、话筒等外围设备，通过三维制图软件在屏幕生成的虚拟环境，或者通过摄影技术获得的实际图像加上计算机处理生成的虚拟环境[1]。给用户生成一个窗口式的虚拟空间，该虚拟环境一般由三维视频(3D电影)组成，通过鼠标或键盘与计算机交互作用，调用三维视频，不足之处是能感觉到脚和手不在虚拟空间里。沉浸式虚拟现实技术(immersive VR)是由美国VPL公司的创始人Jaron Lanier在20世纪80年代末提出的，主要是利用图形系统和各种控制接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术，也就是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，给使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟。因此，Jaron Lanier被称为“虚拟空间之父”[2]，在2010年被美国《时代》杂志评为100个最有影响的人物之一。

沉浸式VR模拟的虚拟空间犹如身临其境，感受到三维空间的大小、周围材料的质感和声音的回响。用户在虚拟空间具有与虚拟物体实时交互的优点，可以根据自己的思路探索整个虚拟环境，选择自己想体验的内容。另外，用户在虚拟空间观看VR作品的时间不受限制，可以随时播放或暂停，切换到其他的VR作品，也可以从不同角度长时间浏览虚拟作品，而且操作简单快捷。因此，沉浸式虚拟现实技术在近几年发展很快，已广泛应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游推广、教学培训和军事训练等众多领域，成为21世纪的关键技术之一。

沉浸式VR应用于教育领域，能模拟成三维学习环境，学生等有关人员在这个模拟环境中学习或培训。Delucia A等人把这个学习环境称为“Second Life”，即“第二人生”，是模拟真实社会在线角色扮演的平台，构建一种沉浸式、游戏般趣味性的学习环境[3]，这个学习环境远比坐在屏幕前观看二维图像和动画要真实、方便和有趣得多。现在，沉浸式VR已经在教育和培训领域获得了广泛的应用[4]。

开发沉浸式虚拟现实系统是为学习建筑知识的、学生的模拟软件和装置，这个系统就称为沉浸式VR建筑实训平台。目前，沉浸式虚拟现实技术(immersive VR)一般简称VR，有的公司把沉浸式VR建筑实训平台称为VR建筑实训室，或叫VR建材实训中心。

1 沉浸式VR建筑实训平台的构建

美国Oculus Rift公司在2010年推出了VR套装(VR头盔和数据手套)，沉浸式虚拟装置的价格下降了很多，沉浸式VR也获得了很大的发展和推广，在2013年开始应用于美国的教育界[5]。在2015年2月，台湾公司HTC和美国Valve游戏公司合作，推出了HTC Vive套装(如图1所示)，A是VR头盔，B是红外激光定位灯塔，C是手柄控制器。HTC Vive VR套装与Oculus Rift相比，主要不同之处就是在工作设定区域具有用户的位置和姿态的空间定位能力，这是通过红外激光定位灯塔、手柄控制器与VR头盔联合工作而实现的。使用HTC Vive VR套装浏览虚拟作品更真实，其交互性更好，而且操作简单。因此，到2016年，沉浸式VR在我国教育界获得了广泛推广，一些国内公司也推出了VR教育产品。杭州万霆科技公司是其中推出VR教育产品的公司之一，比较有名的产品就是VR建筑实训平台，也叫VR建筑实训中心。

图1 HTC Vive VR套装

2016年初，我校和杭州万霆科技公司进行了校企合作，在建筑工程学院实训中心构建了VR建筑实训中心。图2是VR建筑实训中心的工作场地，长、宽和高分别为7米、6.2米和2.8米，其中主要有主机、交互设备、屏幕、投影仪和HTC Vive VR套装，主机里装有基于BIM的虚拟建筑模拟软件。VR建筑实训中心的关键组件是主机和HTC Vive VR套装，主机的运行速度要非常快，机内安装的模拟软件要与主机的运行速度相适应。手柄控制器上有2个按钮，一个是圆形的按钮，控制向前漫游的速度；另一个是杆式按钮，具有在虚拟空间交互作用的功能，如在虚拟空间切换不同的学习实训模块等。用户戴上HTC Vive VR头盔，操纵两个手柄控制器，才能进入三维虚拟世界，在三维虚拟世界漫游、学习和培训。

图2 VR建筑实训中心的工作场地

2 沉浸式VR建筑实训平台的使用方法

沉浸式VR建筑实训平台构建后，启动主机和系统，戴上VR头盔，两手握住手柄控制器，就可以使用该平台了。主要的使用方法和规则如下。

(1)开机启动系统，运行建筑虚拟模拟软件。

(2)戴上头盔，手握手柄控制器，进入虚拟空间和漫游，当按压圆形按钮不能再漫游时，要转动头盔，改变方向，才能继续漫游。

(3)在漫游的过程中，看到虚拟作品，用手指按压手柄控制器上的杆式按钮，与该作品交互作用。例如，当漫游看到梁柱施工和安全知识的模块时，按压杆式按钮，进入该模块，进行学习培训；退出该模块后，漫游看到玻璃幕墙安装模块，再按压杆式按钮，切换到这一学习培训模块。

(4)头部移动的范围要在工作设定区域内才能在虚拟空间漫游。头部移动范围比较小，如果超过了这个工作设定区域，眼前就是一片漆黑，不能漫游了；要转动头盔，改变方向，才能继续漫游。

图3是用户在虚拟建筑空间的漫游图，用户通过转动身体和头部，操纵在手柄控制器的两个按钮，在虚拟建筑空间漫游，与虚拟空间物体交互作用，操作非常简单。图4是用户戴上头盔后看到的虚拟建筑场景，转动身体和头部，操纵在手柄控制器的两个按钮，漫游在虚拟建筑的场景中，还可进入其房间漫游，仔细地观察该建筑物的空间大小、天花板的高度、地板材质等建筑特点。

图3 用户在虚拟建筑空间的漫游

图4 用户戴上头盔后看到的虚拟建筑场景

VR头盔里有显示器和立体声扬声器，能把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟感觉，并使用手柄控制器把用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感，与此同时，头、手、眼均有相应的头部、手部和眼睛视向等跟踪器的追踪，使整个虚拟系统的相互作用达到尽可能的实时性。因此，用户具有与虚拟空间物体交互作用的感觉，完全沉浸在虚拟三维物体组成的空间中，外界的干扰不大。用户在虚拟空间漫游的过程中，可以在虚拟建筑场景中四处走动，上下楼、在不同空间里迅速切换，与虚拟建筑环境互动，近距离地查看每一个设计和施工细节，体会到身临其境的沉浸感、交互性和构想性。

由此可知，VR建筑实训平台构建了一种沉浸式、游戏般趣味性的学习环境，这个学习环境与VR建筑模拟软件相结合，给学习建筑知识的学生创设一个虚拟空间的学习情境。学生通过操纵手柄控制器的2个按钮，可以在虚拟建筑的环境中进行建筑工程施工、安装等技能学习和训练，并可以反复练习，发现自己存在的问题，掌握解决问题的正确方法等。学生在教师的指导下确定学习内容和任务，当进行学习训练时，完全沉浸在虚拟三维物体组成的虚拟空间里，现实外界的干扰不大，可以集中精力学习，完成学习任务。

3 沉浸式VR建筑实训平台的应用研究

学生要在沉浸式VR建筑实训平台进行学习训练，首先要介绍VR建筑实训平台和学习情境，激发学生主动学习的兴趣。介绍VR建筑实训平台时，可以让学生参观VR建筑实训中心(如图2所示)，简述其中主要组成部分，如主机、交互设备、屏幕、投影仪和HTC Vive VR套装，主机里装有基于BIM的虚拟建筑模拟软件。当学生戴上VR头盔，操纵2个手柄控制器时，就能进入洞穴状自动虚拟环境(CAVE，the Cave Automatic Virtual Environments)[5]，在这个虚拟环境中，感觉到四面有墙壁和地板，好像浮在虚拟空间里，可以与虚拟空间的物体交互作用，进行学习培训。在洞穴状自动虚拟环境学习培训，远比坐在屏幕前观看二维图像和动画要真实、方便和有趣得多。要特别介绍VR建筑实训平台的工作设定区域比较小，如果在设定区域之外，就不能进入洞穴状自动虚拟环境，就不能在虚拟空间进行学习培训。所以，目前还不能大规模让学生在这个平台上进行学习培训。

一般来说，根据设计的学习培训目的，选择那些非常感兴趣的学生参加教学实践。我们选取大二和大三的小部分学生，他们具备了一些建筑相关的知识技能，其成绩属于一般，确定的学习培训目的就是自己进入虚拟学习环境后，查漏补缺，提高自己的学习成绩。学生主要的学习过程和步骤如图5所示，称为学生在VR建筑实训平台上的学习流程图。为方便叙述，我们把沉浸式VR建筑实训平台简称为VR实训平台，下面分别进行说明。

图5 学生在沉浸式VR建筑实训平台上的学习流程图

学生根据自己的实际情况，检查没有掌握的或忘记的知识技能，制定学习任务，确定在平台上学习实训的时间和进程，教师相应地给予学生弹性的时间安排；然后学习掌握VR建筑实训平台的使用方法。掌握好该平台的使用方法，就可以进入VR实训平台了。戴上HTC Vive VR头盔，操纵2个手柄控制器，进入洞穴状自动虚拟环境，进行学习培训。

学生在虚拟空间漫游的过程中，看到与预定的学习任务有关的功能模块，就打开该功能模块，进行学习培训。教学实践表明，绝大多数学生进入虚拟学习空间后，像玩游戏那样热情高涨，完全沉浸在虚拟三维物体组成的虚拟空间里，集中精力学习实训，努力完成学习任务。VR实训平台给学生提供了一个全新的学习环境，激发了学生浓厚的学习积极性和主动性。学生在学习培训时，总是要求延长时间，有时进行反复学习，使自己的学业精益求精，起到了比较好的查漏补缺的学习效果，有效地培养了学生的自学能力和工匠精神。

学生退出VR实训平台后，要求每个学生总结在虚拟世界的学习实训体会，汇报自己在漫游学习时遇到的困惑和解决问题的方法。不少学生完成该学习实训后，希望多给机会，再次在该平台上进行学习实训。通过梳理与汇总学生遇到的主要问题和解决问题的方法，检测学生完成学习任务的情况，可以肯定地说，学生通过该平台的学习实训，很好地完成了预定的学习任务，发展了分析问题和解决问题的能力，对培养学生的自学能力和工匠精神起了积极的作用。

4 结语

在建筑工程学院实训中心构建的沉浸式VR建筑实训平台主要由主机、交互设备、屏幕、投影仪和HTC Vive VR套装等组成，主机里装有基于BIM的虚拟建筑模拟软件。启动平台后，学生戴上头盔，操纵两个手柄控制器，就进入洞穴状自动虚拟环境学习培训。

沉浸式VR建筑实训平台是一种沉浸式、游戏般趣味性的虚拟学习培训环境，这个环境与VR建筑模拟软件相结合，创设了一个学习建筑知识的虚拟空间。学生完全沉浸在虚拟三维物体组成的空间里学习训练，现实外界的干扰不大，能集中精力学习，完成学习任务。

教师与学生一起设计教学方案和内容，学生根据自己的实际情况确定学习任务、在平台上学习的时间和进程，能比较好地发挥学生的个体特长。

在VR实训平台中学习培训，远比坐在屏幕前观看二维图像和动画要真实、方便和有趣得多，激发了学生浓厚的学习积极性和主动性，有的学生要求延长时间，有的学生反复学习实训，对自己的学业精益求精，有效地培养了学生的自学能力和工匠精神。