面向設(shè)計類專業(yè)的G—magic虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)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(xué)中心建設(shè)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計類專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域，能夠較好地展現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計作品，通過虛擬環(huán)境的體驗與交流，有效地傳達(dá)設(shè)計作品所表達(dá)的設(shè)計理念，并對作品進(jìn)行有效的設(shè)計評價。目前越來越多的擁有設(shè)計類專業(yè)的高校進(jìn)行虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)，然而各高校虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)往往集中在特定的專業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、景觀設(shè)計、數(shù)字媒體藝術(shù)等，缺少符合設(shè)計類專業(yè)高校需求的綜合性多功能虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)的經(jīng)驗，本文將通過華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計與傳媒學(xué)院G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)，來對面向設(shè)計類專業(yè)的綜合性多功能虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)進(jìn)行探索與實踐。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 實驗室建設(shè) 設(shè)計專業(yè)

中圖分類號：TU-8 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)80年代初提出了虛擬現(xiàn)實（virtualReality簡稱VR）概念。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過計算機仿真技術(shù)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)手段來提供一種逼真的感知虛擬環(huán)境，用戶可以通過各種交互設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套、控制器等交互設(shè)備來跟虛擬環(huán)境進(jìn)行信息交互交流。虛擬技術(shù)具有沉浸性、交互性和想象性三大特點。目前已廣泛應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、應(yīng)急演練、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、教育培訓(xùn)、娛樂、游戲、旅游、文化藝術(shù)等眾多領(lǐng)域。

藝術(shù)學(xué)已經(jīng)在國務(wù)院學(xué)位委員會新修訂的《學(xué)位授予和人才培養(yǎng)學(xué)科目錄（2011年》上成為第13個學(xué)科門類，設(shè)計學(xué)正式成為一級學(xué)科，涉及8個基本專業(yè)：藝術(shù)設(shè)計學(xué)、視覺傳達(dá)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、服裝與服飾設(shè)計、公共藝術(shù)、工藝美術(shù)、數(shù)字媒體藝術(shù)，1個特色專業(yè)：藝術(shù)與科技。

教育信息化隨著當(dāng)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展與深入開始受到了國家相關(guān)部門的高度重視，教育部在建設(shè)國家級實驗教學(xué)示范中心加強實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，此項工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢，是高等學(xué)校實驗教學(xué)信息化的最新舉措，必將對我國高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極重要的作用。虛擬仿真實驗教學(xué)便是利用虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)來構(gòu)建逼真的虛擬現(xiàn)實實驗環(huán)境和對象，學(xué)生可在該環(huán)境中開展自主、高效、安全和經(jīng)濟的交互實驗。同時，虛擬仿真實驗可在高?；驑O端環(huán)境下進(jìn)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(tǒng)真實實驗而言具有較大的優(yōu)勢，將對傳統(tǒng)實驗教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計類專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域，能夠較好地展現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計作品，通過虛擬環(huán)境的體驗與交流，有效地傳達(dá)設(shè)計作品所表達(dá)的設(shè)計理念，并對作品進(jìn)行有效的設(shè)計評價。目前已經(jīng)有越來越多的擁有設(shè)計類專業(yè)的高校響應(yīng)國家相關(guān)政策，結(jié)合自身專業(yè)發(fā)展需要，花費幾百萬乃至上千萬來進(jìn)行虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)。然而目前各高校虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)往往集中在特定的專業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、景觀設(shè)計、數(shù)字媒體藝術(shù)等，缺少符合設(shè)計類專業(yè)高校需求的綜合性多功能虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)的經(jīng)驗，本文將通過華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計與傳媒學(xué)院G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)，來對面向設(shè)計類專業(yè)的綜合性多功能虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)進(jìn)行探索與實踐。

二、G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)目標(biāo)和設(shè)計原則

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

因此，在規(guī)劃設(shè)計初期對實驗室虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設(shè)提出了以下六大設(shè)計原則。

（一）實用性

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

（二）可靠性

未來學(xué)院師生將會頻繁實驗該系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)、科研等工作，因此便要求系統(tǒng)的軟硬件性能需要可靠、兼容和穩(wěn)定。

（三）先進(jìn)性

系統(tǒng)設(shè)備在滿足項目預(yù)算和實際需求的基礎(chǔ)上，盡可能采用較先進(jìn)的軟硬件設(shè)備，從而使得實驗室的功能與性能達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

（四）經(jīng)濟性

實驗室建設(shè)重要目標(biāo)便是控制系統(tǒng)建設(shè)成本，達(dá)到效益的最大化。華理便是通過與企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作，用較小的建設(shè)成本完成滿足功能需求的實驗室建設(shè)。

（五）易操作性

系統(tǒng)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(xué)、科研及培訓(xùn)使用。

（六）可擴展性

系統(tǒng)要具有一定的前瞻性和科學(xué)性，實驗室可根據(jù)建設(shè)規(guī)劃和使用需求的增加對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和擴充，endprint

三、G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

（一）實驗室3D立體投影技術(shù)應(yīng)用

目前主流的增強虛擬現(xiàn)實立體顯示系統(tǒng)主要有以下幾種：洞穴式（Computcr Automatic vitual Environment，CAVE）立體顯示系統(tǒng)、頭盔式立體顯示系統(tǒng)、響應(yīng)式工作臺（Responsiveworkbench，RWB）、多通道同步立體投影系統(tǒng)以及用于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的立體顯示裝置。而G-Magic主要由洞穴式立體顯示系統(tǒng)和多通道同步立體投影系統(tǒng)結(jié)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(yīng)左右眼的畫面，然后通過眼鏡過濾，使得左眼的畫面到達(dá)左眼，右眼的畫面到達(dá)右眼，從而實現(xiàn)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(yīng)的圖像，形成立體畫面。兩者優(yōu)勢對比（如表1）。

（二）實驗室主要硬件設(shè)備組成

G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室是由華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計與傳媒學(xué)院和上海曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司共建，學(xué)院為公司虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品應(yīng)用和研發(fā)提供支持，曼恒數(shù)字則為學(xué)院提供硬件和軟件支持，較好地實現(xiàn)了實驗室的產(chǎn)學(xué)研合作。

實驗室虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用曼恒數(shù)字核心產(chǎn)品G-magic六通道全能型虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(tǒng)，操控手柄等互動設(shè)備組成，通過內(nèi)置的進(jìn)口電機控制實現(xiàn)一鍵式變形操作，可根據(jù)教學(xué)、科研等使用需要較快地調(diào)整出不同的使用狀態(tài)（如：由G-Cube系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镚-Discover、G-Float、G-Powerwall系統(tǒng)）（如圖1）。

四、G-magic虛擬現(xiàn)實實驗室軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

實驗室軟件系統(tǒng)采用曼恒數(shù)字自主研發(fā)的DVS3D虛擬現(xiàn)實軟件平臺。該平臺通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和同步，較好支撐了六通道立體顯示，在系統(tǒng)進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)變形時，DVS3D軟件可以進(jìn)行自適應(yīng)的分布式多通道畫面同步，同時實時定位眼部位置，結(jié)合3D立體沉浸式投影系統(tǒng)和交互設(shè)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(shù)據(jù)，然后在編輯環(huán)境中進(jìn)行場景搭建和數(shù)據(jù)編輯；Client是虛擬展示輸出部分，通過外設(shè)的VRPN標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)1：1多通道的沉浸式立體顯示，實現(xiàn)對設(shè)計方案的虛擬展示與交互操作。DVS3D可通過內(nèi)嵌在線的模型素材庫快速查詢和下載所需模型進(jìn)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(shè)

（一）組織保障

實驗室依托華東理工大學(xué)學(xué)科和科研基礎(chǔ)優(yōu)勢，成立中心工作建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，由校分管校長、學(xué)院院長及相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)人、實驗室負(fù)責(zé)人組成，配合其他相關(guān)專業(yè)教師、財務(wù)人員組成實驗室工作委員會，負(fù)責(zé)實驗室建設(shè)規(guī)劃、日常管理等工作。

（二）制度保障

為進(jìn)一步實現(xiàn)實驗室規(guī)范化管理，以創(chuàng)建國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心為目標(biāo)，制定了《G-MAGIC虛擬現(xiàn)實實驗室管理制度》《G-MAGIC虛擬現(xiàn)實實驗室開放制度》《G-MAGIC虛擬現(xiàn)實實驗室緊急事故處理預(yù)案》等一系列規(guī)則制度。

總結(jié)

近年來，國家級虛擬仿真實驗中心建設(shè)工作已經(jīng)全面展開，設(shè)計相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗室建設(shè)也迫在眉睫。本文在總結(jié)華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計與傳媒學(xué)院相關(guān)設(shè)計專業(yè)對虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)需求的基礎(chǔ)上，對相關(guān)設(shè)計專業(yè)如何進(jìn)行綜合性多功能虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)進(jìn)行了有效的探索與實踐，為相關(guān)設(shè)計類院校如何進(jìn)行虛擬現(xiàn)實實驗室建設(shè)提供了必要經(jīng)驗與示范。endprint