浅谈虚拟仿真实验教学中心引入无线穿戴式虚拟现实设备的经验体会

张春明，杨天鸿，姜绍飞

（1.东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110006；2.福州大学土木工程学院，福州 350002）

1 问题的提出

在实验教学中应用虚拟现实技术，足不出户便可做各种实验，不但可以获得与真实实验相同的体验，而且可以规避真实实验或操作可能带来的各种危险，还可以打破时空限制，例如进入矿井、巷道，甚至矿体的内部进行观察。对于需要长时间才能观察到的变化过程，如蠕变，也可以通过虚拟现实技术在短时间内呈现给学生。此外，利用虚拟现实技术进行虚拟实验可以营造自主学习的氛围，由传统以教促学的学习方式代之以学生通过自身与信息环境的相互作用来获得知识和技能的新型学习方式。总之，虚拟实验可以在保证教学效果的前提下极大地节省成本，具有传统实验室难以比拟的优势。学生可以全身心地投入到学习环境中去，非常有利于学生的技能训练。

经过多年不懈的努力，东北大学建成了全国唯一的一个国家级金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心（以下简称本中心）。众所周知，金属矿山无论是采矿方法还是硬岩岩石力学特性明显不同于非金属矿山，如煤矿等，因此，建立适合金属矿山的虚拟仿真教学实验中心对于学生认知金属矿山复杂的采矿工艺和岩石力学性质具有重要的意义，也是对我校矿业工程国家一级学科建设的重要补充。

本中心主教室占地约90平方米，其中东西向长15000mm，南北宽5900mm。一块正投弧形投影幕（35度弧，弧长：5520mm，含边框弧长:5720mm；显示高度：2500mm，含边框高度2700mm，其中边框上沿距棚顶100mm，边框下沿离地300mm）将整个教室划分为幕正后方的设备机房区域以及幕正前方的投影演示区两个部分，如图1所示。

图1 改造前虚拟仿真实验教学中心布置示意图（侧视图）

本中心的大型弧幕主动立体激光高清投影系统是在弧形硬幕的基础上构建的沉浸式主动立体虚拟现实环境，支持单屏、跨屏、多窗口显示模式以及全屏立体及平面显示模式，可实现多路动/静态信号窗口的缩放、移动、漫游等功能，且支持多种不同的分辨率。其中投影机为Christie（科视）公司生产的采用激光光源技术的D13WU-HS主动立体高清激光投影机，亮度13500流明，使用寿命20000小时，最大分辨率1920×1200，静态对比度1200:1,支持120Hz主动立体显示，镜头采用0.84-1.02:1短焦镜头，距屏幕中心点3840mm。投影机采用正投吊顶安装，具有节省空间的优点。系统支持主动立体融合，融合带宽度可调，像素级别几何校正，系统运行流畅，无任何卡顿现象。此外，还支持5台图形工作站及30台学生电脑视频输出信号的上屏显示，最多支持4路信号以开窗口方式同时上屏，且支持有线和无线两种连接方式。

虽然上述系统完全可以满足日常的课堂教学和虚拟仿真实验要求，但由于仍沿用大课堂教学模式，故而使身临其境的效果有所减弱。具体地说，对于大屏幕播放的立体教学内容，学生必须通过配戴主动立体眼镜方能观看到立体效果，并且学生的沉浸感体验随距离的增加而减弱。另外，穿戴式虚拟现实设备可克服上述缺点，极大地增强交互性和用户的沉浸感，令用户感受更为逼真。当然，万事有利必有弊。穿戴式虚拟现实设备也有自身的缺点，如一套设备同时只能供一人使用，也即是受众面变小了，35名学生必须依次排队等候才行；再比如，若需要穿戴虚拟现实设备四处走动，则必须提供足够的活动空间。

如果本中心能够再引入穿戴式虚拟现实设备，特别是无线穿戴式虚拟现实设备，并将这两种虚拟现实技术完美地结合在一起，取长补短，势必会大幅提升教学质量，取得事半功倍的效果。

2 方案设计

实现上述设想有两种切实可行的方案。一种是单独开设一间实训室，专供穿戴式虚拟现实设备使用。但在当前教学用房非常紧张的形势下，暂不考虑这种方案。另一种是利用本中心现有用房，通过精心规划和科学设计将穿戴式虚拟现实设备有机融入大型弧幕主动立体虚拟现实系统中，实现空间共享。受到现有空间和布局的限制，设备机房区域是无法改作它用的，能改造的区域只有投影演示区（即机房区域以外、弧幕前方的空间）。

根据穿戴式虚拟现实设备的特点，需增加研发区、测试区和演示区。其中演示区可利用弧幕正前方的空地；前排的5台电脑为高档图形工作站ThinkStation P410（CPU为Xeon E5 4核）配置，可用作研发使用；实验室大门入口正对的通道可用作穿戴式虚拟现实设备测试场地。

按照上述思路重新划分原虚拟仿真实验教学中心的投影演示区（不含机房区域），具体地说，将之从前到后依次划分为演示区、研发区、测试区和学生电脑区，如图2所示。这种布局的设计较为合理，可以最大程度地利用有限的空间，并兼顾两种虚拟现实系统各自的特点。

图2 改造后虚拟仿真实验教学中心功能划分示意图（俯视图）

首先，尽管原有空间被划分为多个功能区域，但没有改变实验室空间的连续性和连通性，因此，对大型弧幕主动立体激光高清投影系统的原有功能没有丝毫影响。30台学生用联想启天M4600电脑和桌椅的布置也无需做任何改变。

其次，实验室前排的5台图形工作站因配置较高，尤其是图形处理能力较强，可专供穿戴式虚拟现实设备使用，用于沉浸式虚拟现实应用的研发、测试和演示。为此，我们购置了5套HTC Vive沉浸式头戴式显示器（HUD，也称头盔显示器、头盔或头显）作为穿戴式虚拟现实设备与之配套使用，如图3所示。HTC Vive头戴式虚拟现实系统通过一个头戴式显示器、两个单手持控制器或称无线操作手柄和一个能于空间内同时追踪头戴式显示器与控制器的Lighthouse定位系统（由一对激光定位器组成，简称定位器）来为使用者提供沉浸式体验。头戴式显示器内配有双AMOLED屏幕，视场角110度，单眼有效分辨率为1080×1200，双眼合并分辨率为2160×1200，极大降低了画面的颗粒感，近视眼师生也不必取下佩戴的眼镜而是直接戴上头戴式显示器便可清楚地看到画面的细节。画面刷新率为90Hz，数据显示延迟为22ms，几乎体验不到延迟。由于采用双眼舒压设计，因此不会感觉恶心和眩晕。由于空间定位追踪系统不需要借助摄像头，而是靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置，因此，允许用户在一定范围内走动。当然，空间定位追踪系统亦对站姿/坐姿提供了完全支持。

图3 HTC Vive头戴式显示器套件

HTC Vive本质上属于有线（带线缆）设备，但自带的线缆长度有限，使其活动范围受限，而且活动范围明显小于我们划分出的演示区域，因此，并不适合直接在演示区内使用，况且多套HTC Vive设备之间还存在线缆相互干扰的问题。由此可见，最理想的方式莫过于采用不受线缆束缚的无线方式。鉴于HTC Vive本身并不支持无线方式，我们必须另辟蹊径解决这一棘手问题。经过调研发现，传送科技公司生产的TPCAST头盔无线套件正好能够满足我们的需求。通过在现有HTC Vive设备基础上增加无线模块，不但可以实现从有线到无线的飞跃，而且还可避免现有投资的浪费。综合考虑实际环境和性价比等各方面因素，中心最终决定增购两套无线套件，这便形成了我们的2+3模式，即2套无线头戴式显示器和3套有线头戴式显示器。其中2套无线头戴式显示器分别与前排图形工作站中南侧2台电脑配套使用，余下的3套有线头戴式显示器分别与前排图形工作站中北侧3台电脑配套使用，这样布局主要是为了方便有线头戴式显示器的线缆连接，确保每台图形工作站能够独立使用一套设备，且互不干扰。由于3台有线头戴式显示器紧邻配套的图形工作站摆放，身后即是测试区，因此，无论采用坐姿还是站姿，调试起来均非常方便，且不存在物理线缆相互缠扰的问题。即便在测试时某个应用需要在小范围走动，仍然可以轻松实现。对于需要较大活动范围的应用，可以考虑在2套无线头戴式显示器对应的图形工作站上进行开发，并在演示区内进行测试和演示。当然也可以先在任一台有线头戴式显示器对应的图形工作站上开发，然后将开发的应用程序复制到无线头戴式显示器对应的图形工作站上，再在演示区内进行测试和演示。也即是说，大活动范围测试可以在演示区进行，小活动范围测试可以在测试区进行，亦可以演示区进行。

3 方案实施

依照上述思路完成虚拟仿真实验教学中心的改造。

3.1 激光定位器的安装

激光定位器应安装在高于人体头部的对角位置(理想高度为距地面2米以上)。为了能准确追踪，应确保两个定位器之间的距离不超过5米。可将定位器安装到三脚架、吊杆或其他稳固的支架上，但切勿将定位器放置于可能会被碰撞或移动的位置。

我们从一开始就将采用三脚架安装定位器的方案排除在外，这是因为室内人员的走动不可避免地会碰及三脚架，可能无意中造成定位器移位，进而令整个定位系统失效。再者，由于实验室的宽度已超过两个定位器对角线距离不能超过5米的限制，因此，在两侧墙体安装定位器的方案也不可行。最终我们采用了吊顶安装方案。

我们需要分别在演示区和测试区安装两对相互独立的定位器。每对定位器均安装在在顶棚上的对角位置，且定位器之间的距离保持在5米范围以内。

演示区的一对定位器主要供无线头戴式显示器使用，而测试区的一对定位器则主要供有线头戴式显示器使用。与演示区不同，测试区的一对定位器之间由于中间隔着一台激光投影仪，部分光路受到遮挡，因此需要在顶棚上加装延长吊杆，然后在延长杆末端安装定位器。由于与两套无线头戴式显示器配套使用的、位于前排南侧的2台图形工作站使用的是弧幕正前方演示区内的一对定位器，而不是测试区内的一对定位器进行演示或测试，因此，测试区的一对定位器可以跨过激光投影仪，即直接安装在激光投影仪与大门入口之间的顶棚上，而不必使用延长吊杆。这个区域正对着前排北侧的3台图形工作站，因此，将这一对定位器吊装在这个位置，对3台有线头戴式显示器的使用无任何不良影响。

安装定位器之前，要标好安装定位器支架的位置，然后旋紧螺丝将支架装好。转动定位器，将其旋入螺纹球形接头，并正确调整朝向，使其朝向活动区，确保与另一个定位器之间视线不受阻挡，然后将翼形螺母旋入定位器固定其位置。每个定位器的视场为120度，应当将其向下倾斜30-45度。最后，拧紧夹紧环以固定定位器的角度。给定位器通电，从定位器正面可以看到其频道号。确保其中一个定位器为b频道，另一个定位器为c频道。按定位器背面的频道按钮进行频道切换。

笔者通过实验发现，定位器只要成对使用即可，但不需要与头戴式显示器或无线操作手柄（控制器）配对使用，即一对定位器可支持任何一套头戴式显示系统。

3.2 头戴式显示器实现从有线到无线的改造

Vive串流盒是HTC Vive头戴式显示器与电脑之间起承上启下作用的连接设备，还可为头戴式显示器提供额外的功率和安装Vive蓝牙控制器。其工作过程如下：首先将电脑端的HDMI或DP信号接入串流盒，再通过三合一延长线将信号从Vive串流盒输出至头戴式显示器。

有线头戴式显示器改成无线头戴式显示器的思路是将Vive串流盒与头戴式显示器之间的通讯方式从有线通讯方式改为无线通讯方式，即：要实现无线传输，必须以无线方式取代串流盒至头戴式显示器之间信号的有线传输。我们使用传送科技公司的TPCAST头盔无线套件来实现这一功能。该无线套件由头盔接收端、PC发射端、电源盒、移动电源（20000mAh）、路由器和配套线缆组成。

首先，将原Vive头戴式显示器上的有线部分去除。具体地说，就是将三合一连接线从Vive头戴式显示器舱盖中拆卸下来。然后，增加无线通讯设备，以取代原三合一连接线所承载的信号传输功能。具体地说，就是在头戴式显示器一端加装TPCAST无线接收器（即TPCAST头盔无线套件中的头盔接收端），再在Vive串流盒的输出端加装TPCAST无线发射器（即TP⁃CAST头盔无线套件中的PC发射端）。发射器与接收器之间采用Wi-Fi无线通讯方式，通过将串流盒输出的信号经发射器发送给接收器来实现信号的无线传输。

TPCAST头盔无线套件中的无线专用路由器不需要任何设置，直接使用出厂设置（包括Wi-Fi网络名称，如tpcast5803，默认网关地址，如192.168.144.88，以及默认密码等）即可。

最后，使用Vive无线套件连接助手，依次经过路由检测、电源盒检测和系统加载步骤，直至连接成功，开始无线信号传输。

3.3 有线头戴式显示器和无线头戴式显示器的设置

有线头戴式显示器受到线缆长度的约束，活动范围有限，因此适合设置为Stand模式（站姿/坐姿），且无最小空间限制，可以直接使用后方的测试区或原地进行虚拟应用程序测试和演示。

无线头戴式显示器由于不受线缆长度的约束，可以设置为房间规模模式，最小为2米×1.5米，最大为定位器对角线距离（但不超过5米），然后按照软件提示设定最大活动范围的边界。

4 结语

本中心现有的大型弧幕主动立体激光高清投影系统支持最多35名学生同时进行虚拟仿真实验，完全能够满足日常高效的课堂教学和虚拟仿真实验要求，但由于采用大课堂教学模式，沉浸感体验将随着与弧幕距离的增加而减弱，座位靠后的学生更是深有体会。而穿戴式虚拟现实设备则可以克服这个缺点，让每个学生都能感受到完全相同的逼真效果，沉浸感和交互性体验得到极大增强。但穿戴式虚拟现实设备也有自身的缺点，如一套设备同时只能供一人使用，也即是受众面变小了，35名学生必须依次排队等候才行；再比如，若需要穿戴虚拟现实设备四处走动，则必须提供足够的活动空间。由于两种虚拟现实技术各有所长，因此，将这两种虚拟现实技术完美地结合在一起，取长补短，势必会大幅提升教学质量，取得事半功倍的效果。为此，本中心引入了穿戴式虚拟现实设备，即5套沉浸式虚拟现实头盔。考虑到实验室现有环境条件，要求穿戴式虚拟现实设备同时支持有线和无线两种通讯方式，并且互不干扰。我们按照上述要求对实验室进行了系统改造，充分利用每一寸空间，将穿戴式虚拟现实设备与大型弧幕主动立体激光高清投影系统完美地结合，使中心成为用最新虚拟现实技术武装起来的虚拟实训基地，教学内容可以根据自身需要不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。此外，使用Unity 3D等虚拟现实软件开发工具开发的虚拟现实应用可同时支持弧幕系统和穿戴式虚拟现实设备，极大地提高了开发效率。