張春明，楊天鴻，姜紹飛

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110006；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350002）

1 問(wèn)題的提出

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，足不出戶便可做各種實(shí)驗(yàn)，不但可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的體驗(yàn)，而且可以規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作可能帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，還可以打破時(shí)空限制，例如進(jìn)入礦井、巷道，甚至礦體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間才能觀察到的變化過(guò)程，如蠕變，也可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)可以營(yíng)造自主學(xué)習(xí)的氛圍，由傳統(tǒng)以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式代之以學(xué)生通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)獲得知識(shí)和技能的新型學(xué)習(xí)方式?？傊摂M實(shí)驗(yàn)可以在保證教學(xué)效果的前提下極大地節(jié)省成本，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生可以全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。

經(jīng)過(guò)多年不懈的努力，東北大學(xué)建成了全國(guó)唯一的一個(gè)國(guó)家級(jí)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開(kāi)采虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心（以下簡(jiǎn)稱本中心）。眾所周知，金屬礦山無(wú)論是采礦方法還是硬巖巖石力學(xué)特性明顯不同于非金屬礦山，如煤礦等，因此，建立適合金屬礦山的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心對(duì)于學(xué)生認(rèn)知金屬礦山復(fù)雜的采礦工藝和巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要的意義，也是對(duì)我校礦業(yè)工程國(guó)家一級(jí)學(xué)科建設(shè)的重要補(bǔ)充。

本中心主教室占地約90平方米，其中東西向長(zhǎng)15000mm，南北寬5900mm。一塊正投弧形投影幕（35度弧，弧長(zhǎng)：5520mm，含邊框弧長(zhǎng):5720mm；顯示高度：2500mm，含邊框高度2700mm，其中邊框上沿距棚頂100mm，邊框下沿離地300mm）將整個(gè)教室劃分為幕正后方的設(shè)備機(jī)房區(qū)域以及幕正前方的投影演示區(qū)兩個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 改造前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心布置示意圖（側(cè)視圖）

本中心的大型弧幕主動(dòng)立體激光高清投影系統(tǒng)是在弧形硬幕的基礎(chǔ)上構(gòu)建的沉浸式主動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，支持單屏、跨屏、多窗口顯示模式以及全屏立體及平面顯示模式，可實(shí)現(xiàn)多路動(dòng)/靜態(tài)信號(hào)窗口的縮放、移動(dòng)、漫游等功能，且支持多種不同的分辨率。其中投影機(jī)為Christie（科視）公司生產(chǎn)的采用激光光源技術(shù)的D13WU-HS主動(dòng)立體高清激光投影機(jī)，亮度13500流明，使用壽命20000小時(shí)，最大分辨率1920×1200，靜態(tài)對(duì)比度1200:1,支持120Hz主動(dòng)立體顯示，鏡頭采用0.84-1.02:1短焦鏡頭，距屏幕中心點(diǎn)3840mm。投影機(jī)采用正投吊頂安裝，具有節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)支持主動(dòng)立體融合，融合帶寬度可調(diào)，像素級(jí)別幾何校正，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，無(wú)任何卡頓現(xiàn)象。此外，還支持5臺(tái)圖形工作站及30臺(tái)學(xué)生電腦視頻輸出信號(hào)的上屏顯示，最多支持4路信號(hào)以開(kāi)窗口方式同時(shí)上屏，且支持有線和無(wú)線兩種連接方式。

雖然上述系統(tǒng)完全可以滿足日常的課堂教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求，但由于仍沿用大課堂教學(xué)模式，故而使身臨其境的效果有所減弱。具體地說(shuō)，對(duì)于大屏幕播放的立體教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生必須通過(guò)配戴主動(dòng)立體眼鏡方能觀看到立體效果，并且學(xué)生的沉浸感體驗(yàn)隨距離的增加而減弱。另外，穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備可克服上述缺點(diǎn)，極大地增強(qiáng)交互性和用戶的沉浸感，令用戶感受更為逼真。當(dāng)然，萬(wàn)事有利必有弊。穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也有自身的缺點(diǎn)，如一套設(shè)備同時(shí)只能供一人使用，也即是受眾面變小了，35名學(xué)生必須依次排隊(duì)等候才行；再比如，若需要穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備四處走動(dòng)，則必須提供足夠的活動(dòng)空間。

如果本中心能夠再引入穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，特別是無(wú)線穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，并將這兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完美地結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，勢(shì)必會(huì)大幅提升教學(xué)質(zhì)量，取得事半功倍的效果。

2 方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想有兩種切實(shí)可行的方案。一種是單獨(dú)開(kāi)設(shè)一間實(shí)訓(xùn)室，專供穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備使用。但在當(dāng)前教學(xué)用房非常緊張的形勢(shì)下，暫不考慮這種方案。另一種是利用本中心現(xiàn)有用房，通過(guò)精心規(guī)劃和科學(xué)設(shè)計(jì)將穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備有機(jī)融入大型弧幕主動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)空間共享。受到現(xiàn)有空間和布局的限制，設(shè)備機(jī)房區(qū)域是無(wú)法改作它用的，能改造的區(qū)域只有投影演示區(qū)（即機(jī)房區(qū)域以外、弧幕前方的空間）。

根據(jù)穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的特點(diǎn)，需增加研發(fā)區(qū)、測(cè)試區(qū)和演示區(qū)。其中演示區(qū)可利用弧幕正前方的空地；前排的5臺(tái)電腦為高檔圖形工作站ThinkStation P410（CPU為Xeon E5 4核）配置，可用作研發(fā)使用；實(shí)驗(yàn)室大門入口正對(duì)的通道可用作穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備測(cè)試場(chǎng)地。

按照上述思路重新劃分原虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的投影演示區(qū)（不含機(jī)房區(qū)域），具體地說(shuō)，將之從前到后依次劃分為演示區(qū)、研發(fā)區(qū)、測(cè)試區(qū)和學(xué)生電腦區(qū)，如圖2所示。這種布局的設(shè)計(jì)較為合理，可以最大程度地利用有限的空間，并兼顧兩種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)各自的特點(diǎn)。

圖2 改造后虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心功能劃分示意圖（俯視圖）

首先，盡管原有空間被劃分為多個(gè)功能區(qū)域，但沒(méi)有改變實(shí)驗(yàn)室空間的連續(xù)性和連通性，因此，對(duì)大型弧幕主動(dòng)立體激光高清投影系統(tǒng)的原有功能沒(méi)有絲毫影響。30臺(tái)學(xué)生用聯(lián)想啟天M4600電腦和桌椅的布置也無(wú)需做任何改變。

其次，實(shí)驗(yàn)室前排的5臺(tái)圖形工作站因配置較高，尤其是圖形處理能力較強(qiáng)，可專供穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備使用，用于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的研發(fā)、測(cè)試和演示。為此，我們購(gòu)置了5套HTC Vive沉浸式頭戴式顯示器（HUD，也稱頭盔顯示器、頭盔或頭顯）作為穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與之配套使用，如圖3所示。HTC Vive頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)頭戴式顯示器、兩個(gè)單手持控制器或稱無(wú)線操作手柄和一個(gè)能于空間內(nèi)同時(shí)追蹤頭戴式顯示器與控制器的Lighthouse定位系統(tǒng)（由一對(duì)激光定位器組成，簡(jiǎn)稱定位器）來(lái)為使用者提供沉浸式體驗(yàn)。頭戴式顯示器內(nèi)配有雙AMOLED屏幕，視場(chǎng)角110度，單眼有效分辨率為1080×1200，雙眼合并分辨率為2160×1200，極大降低了畫面的顆粒感，近視眼師生也不必取下佩戴的眼鏡而是直接戴上頭戴式顯示器便可清楚地看到畫面的細(xì)節(jié)。畫面刷新率為90Hz，數(shù)據(jù)顯示延遲為22ms，幾乎體驗(yàn)不到延遲。由于采用雙眼舒壓設(shè)計(jì)，因此不會(huì)感覺(jué)惡心和眩暈。由于空間定位追蹤系統(tǒng)不需要借助攝像頭，而是靠激光和光敏傳感器來(lái)確定運(yùn)動(dòng)物體的位置，因此，允許用戶在一定范圍內(nèi)走動(dòng)。當(dāng)然，空間定位追蹤系統(tǒng)亦對(duì)站姿/坐姿提供了完全支持。

圖3 HTC Vive頭戴式顯示器套件

HTC Vive本質(zhì)上屬于有線（帶線纜）設(shè)備，但自帶的線纜長(zhǎng)度有限，使其活動(dòng)范圍受限，而且活動(dòng)范圍明顯小于我們劃分出的演示區(qū)域，因此，并不適合直接在演示區(qū)內(nèi)使用，況且多套HTC Vive設(shè)備之間還存在線纜相互干擾的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，最理想的方式莫過(guò)于采用不受線纜束縛的無(wú)線方式。鑒于HTC Vive本身并不支持無(wú)線方式，我們必須另辟蹊徑解決這一棘手問(wèn)題。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳送科技公司生產(chǎn)的TPCAST頭盔無(wú)線套件正好能夠滿足我們的需求。通過(guò)在現(xiàn)有HTC Vive設(shè)備基礎(chǔ)上增加無(wú)線模塊，不但可以實(shí)現(xiàn)從有線到無(wú)線的飛躍，而且還可避免現(xiàn)有投資的浪費(fèi)。綜合考慮實(shí)際環(huán)境和性價(jià)比等各方面因素，中心最終決定增購(gòu)兩套無(wú)線套件，這便形成了我們的2+3模式，即2套無(wú)線頭戴式顯示器和3套有線頭戴式顯示器。其中2套無(wú)線頭戴式顯示器分別與前排圖形工作站中南側(cè)2臺(tái)電腦配套使用，余下的3套有線頭戴式顯示器分別與前排圖形工作站中北側(cè)3臺(tái)電腦配套使用，這樣布局主要是為了方便有線頭戴式顯示器的線纜連接，確保每臺(tái)圖形工作站能夠獨(dú)立使用一套設(shè)備，且互不干擾。由于3臺(tái)有線頭戴式顯示器緊鄰配套的圖形工作站擺放，身后即是測(cè)試區(qū)，因此，無(wú)論采用坐姿還是站姿，調(diào)試起來(lái)均非常方便，且不存在物理線纜相互纏擾的問(wèn)題。即便在測(cè)試時(shí)某個(gè)應(yīng)用需要在小范圍走動(dòng)，仍然可以輕松實(shí)現(xiàn)。對(duì)于需要較大活動(dòng)范圍的應(yīng)用，可以考慮在2套無(wú)線頭戴式顯示器對(duì)應(yīng)的圖形工作站上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并在演示區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試和演示。當(dāng)然也可以先在任一臺(tái)有線頭戴式顯示器對(duì)應(yīng)的圖形工作站上開(kāi)發(fā)，然后將開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序復(fù)制到無(wú)線頭戴式顯示器對(duì)應(yīng)的圖形工作站上，再在演示區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試和演示。也即是說(shuō)，大活動(dòng)范圍測(cè)試可以在演示區(qū)進(jìn)行，小活動(dòng)范圍測(cè)試可以在測(cè)試區(qū)進(jìn)行，亦可以演示區(qū)進(jìn)行。

3 方案實(shí)施

依照上述思路完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的改造。

3.1 激光定位器的安裝

激光定位器應(yīng)安裝在高于人體頭部的對(duì)角位置(理想高度為距地面2米以上)。為了能準(zhǔn)確追蹤，應(yīng)確保兩個(gè)定位器之間的距離不超過(guò)5米?？蓪⒍ㄎ黄靼惭b到三腳架、吊桿或其他穩(wěn)固的支架上，但切勿將定位器放置于可能會(huì)被碰撞或移動(dòng)的位置。

我們從一開(kāi)始就將采用三腳架安裝定位器的方案排除在外，這是因?yàn)槭覂?nèi)人員的走動(dòng)不可避免地會(huì)碰及三腳架，可能無(wú)意中造成定位器移位，進(jìn)而令整個(gè)定位系統(tǒng)失效。再者，由于實(shí)驗(yàn)室的寬度已超過(guò)兩個(gè)定位器對(duì)角線距離不能超過(guò)5米的限制，因此，在兩側(cè)墻體安裝定位器的方案也不可行。最終我們采用了吊頂安裝方案。

我們需要分別在演示區(qū)和測(cè)試區(qū)安裝兩對(duì)相互獨(dú)立的定位器。每對(duì)定位器均安裝在在頂棚上的對(duì)角位置，且定位器之間的距離保持在5米范圍以內(nèi)。

演示區(qū)的一對(duì)定位器主要供無(wú)線頭戴式顯示器使用，而測(cè)試區(qū)的一對(duì)定位器則主要供有線頭戴式顯示器使用。與演示區(qū)不同，測(cè)試區(qū)的一對(duì)定位器之間由于中間隔著一臺(tái)激光投影儀，部分光路受到遮擋，因此需要在頂棚上加裝延長(zhǎng)吊桿，然后在延長(zhǎng)桿末端安裝定位器。由于與兩套無(wú)線頭戴式顯示器配套使用的、位于前排南側(cè)的2臺(tái)圖形工作站使用的是弧幕正前方演示區(qū)內(nèi)的一對(duì)定位器，而不是測(cè)試區(qū)內(nèi)的一對(duì)定位器進(jìn)行演示或測(cè)試，因此，測(cè)試區(qū)的一對(duì)定位器可以跨過(guò)激光投影儀，即直接安裝在激光投影儀與大門入口之間的頂棚上，而不必使用延長(zhǎng)吊桿。這個(gè)區(qū)域正對(duì)著前排北側(cè)的3臺(tái)圖形工作站，因此，將這一對(duì)定位器吊裝在這個(gè)位置，對(duì)3臺(tái)有線頭戴式顯示器的使用無(wú)任何不良影響。

安裝定位器之前，要標(biāo)好安裝定位器支架的位置，然后旋緊螺絲將支架裝好。轉(zhuǎn)動(dòng)定位器，將其旋入螺紋球形接頭，并正確調(diào)整朝向，使其朝向活動(dòng)區(qū)，確保與另一個(gè)定位器之間視線不受阻擋，然后將翼形螺母旋入定位器固定其位置。每個(gè)定位器的視場(chǎng)為120度，應(yīng)當(dāng)將其向下傾斜30-45度。最后，擰緊夾緊環(huán)以固定定位器的角度。給定位器通電，從定位器正面可以看到其頻道號(hào)。確保其中一個(gè)定位器為b頻道，另一個(gè)定位器為c頻道。按定位器背面的頻道按鈕進(jìn)行頻道切換。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定位器只要成對(duì)使用即可，但不需要與頭戴式顯示器或無(wú)線操作手柄（控制器）配對(duì)使用，即一對(duì)定位器可支持任何一套頭戴式顯示系統(tǒng)。

3.2 頭戴式顯示器實(shí)現(xiàn)從有線到無(wú)線的改造

Vive串流盒是HTC Vive頭戴式顯示器與電腦之間起承上啟下作用的連接設(shè)備，還可為頭戴式顯示器提供額外的功率和安裝Vive藍(lán)牙控制器。其工作過(guò)程如下：首先將電腦端的HDMI或DP信號(hào)接入串流盒，再通過(guò)三合一延長(zhǎng)線將信號(hào)從Vive串流盒輸出至頭戴式顯示器。

有線頭戴式顯示器改成無(wú)線頭戴式顯示器的思路是將Vive串流盒與頭戴式顯示器之間的通訊方式從有線通訊方式改為無(wú)線通訊方式，即：要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，必須以無(wú)線方式取代串流盒至頭戴式顯示器之間信號(hào)的有線傳輸。我們使用傳送科技公司的TPCAST頭盔無(wú)線套件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。該無(wú)線套件由頭盔接收端、PC發(fā)射端、電源盒、移動(dòng)電源（20000mAh）、路由器和配套線纜組成。

首先，將原Vive頭戴式顯示器上的有線部分去除。具體地說(shuō)，就是將三合一連接線從Vive頭戴式顯示器艙蓋中拆卸下來(lái)。然后，增加無(wú)線通訊設(shè)備，以取代原三合一連接線所承載的信號(hào)傳輸功能。具體地說(shuō)，就是在頭戴式顯示器一端加裝TPCAST無(wú)線接收器（即TPCAST頭盔無(wú)線套件中的頭盔接收端），再在Vive串流盒的輸出端加裝TPCAST無(wú)線發(fā)射器（即TP?CAST頭盔無(wú)線套件中的PC發(fā)射端）。發(fā)射器與接收器之間采用Wi-Fi無(wú)線通訊方式，通過(guò)將串流盒輸出的信號(hào)經(jīng)發(fā)射器發(fā)送給接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸。

TPCAST頭盔無(wú)線套件中的無(wú)線專用路由器不需要任何設(shè)置，直接使用出廠設(shè)置（包括Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)名稱，如tpcast5803，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址，如192.168.144.88，以及默認(rèn)密碼等）即可。

最后，使用Vive無(wú)線套件連接助手，依次經(jīng)過(guò)路由檢測(cè)、電源盒檢測(cè)和系統(tǒng)加載步驟，直至連接成功，開(kāi)始無(wú)線信號(hào)傳輸。

3.3 有線頭戴式顯示器和無(wú)線頭戴式顯示器的設(shè)置

有線頭戴式顯示器受到線纜長(zhǎng)度的約束，活動(dòng)范圍有限，因此適合設(shè)置為Stand模式（站姿/坐姿），且無(wú)最小空間限制，可以直接使用后方的測(cè)試區(qū)或原地進(jìn)行虛擬應(yīng)用程序測(cè)試和演示。

無(wú)線頭戴式顯示器由于不受線纜長(zhǎng)度的約束，可以設(shè)置為房間規(guī)模模式，最小為2米×1.5米，最大為定位器對(duì)角線距離（但不超過(guò)5米），然后按照軟件提示設(shè)定最大活動(dòng)范圍的邊界。

4 結(jié)語(yǔ)

本中心現(xiàn)有的大型弧幕主動(dòng)立體激光高清投影系統(tǒng)支持最多35名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完全能夠滿足日常高效的課堂教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求，但由于采用大課堂教學(xué)模式，沉浸感體驗(yàn)將隨著與弧幕距離的增加而減弱，座位靠后的學(xué)生更是深有體會(huì)。而穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備則可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，讓每個(gè)學(xué)生都能感受到完全相同的逼真效果，沉浸感和交互性體驗(yàn)得到極大增強(qiáng)。但穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也有自身的缺點(diǎn)，如一套設(shè)備同時(shí)只能供一人使用，也即是受眾面變小了，35名學(xué)生必須依次排隊(duì)等候才行；再比如，若需要穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備四處走動(dòng)，則必須提供足夠的活動(dòng)空間。由于兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)各有所長(zhǎng)，因此，將這兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完美地結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，勢(shì)必會(huì)大幅提升教學(xué)質(zhì)量，取得事半功倍的效果。為此，本中心引入了穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，即5套沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔?？紤]到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有環(huán)境條件，要求穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備同時(shí)支持有線和無(wú)線兩種通訊方式，并且互不干擾。我們按照上述要求對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)改造，充分利用每一寸空間，將穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與大型弧幕主動(dòng)立體激光高清投影系統(tǒng)完美地結(jié)合，使中心成為用最新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)武裝起來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，教學(xué)內(nèi)容可以根據(jù)自身需要不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。此外，使用Unity 3D等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可同時(shí)支持弧幕系統(tǒng)和穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。