汪洋，吳世勇，楊睿，王艷麗

（1.合肥學(xué)院城建學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥學(xué)院建管處，安徽 合肥 230601）

1 引言

基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的V-Learning可望帶來(lái)教育界的革命，VR使學(xué)習(xí)過(guò)程充滿了趣味性，彌補(bǔ)了其它教學(xué)手段的不足，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式的創(chuàng)新[1]。

本文以《土木工程材料》課程為例，嘗試有針對(duì)性地構(gòu)建富有特色的虛擬現(xiàn)實(shí)資源，將桌面式/沉浸式虛擬技術(shù)融入現(xiàn)代課堂和課后實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)媒體和方法進(jìn)行補(bǔ)充，為學(xué)生提供更加個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源和空間。主要討論如何圍繞核心任務(wù)，用真實(shí)的、動(dòng)態(tài)的三維虛擬影像再現(xiàn)教材內(nèi)容，讓學(xué)生沉浸式地參與其中，以強(qiáng)烈的感官體驗(yàn)達(dá)到最佳學(xué)習(xí)效果。通過(guò)虛擬教學(xué)資源的構(gòu)建，突破傳統(tǒng)的教學(xué)中一元性的思維模式，打破認(rèn)識(shí)的空間局限性，讓學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)情景中獲得更加豐富的工程體驗(yàn)[2]。

2 需求分析

根據(jù)教學(xué)要求需要設(shè)置核心任務(wù)，選擇了任務(wù)模塊“普通混凝土配合比設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用”，通過(guò)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，可以實(shí)現(xiàn)“課堂-實(shí)驗(yàn)-實(shí)踐-自主學(xué)習(xí)”的無(wú)縫結(jié)合。

此任務(wù)把理論課上核算的混凝土配合比應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)室中調(diào)整，得到施工配合比虛擬配置，在模擬施工現(xiàn)場(chǎng)做塌落度實(shí)驗(yàn)，并模擬施工過(guò)程和產(chǎn)生的缺陷和由此帶來(lái)的工程事故虛擬展示（圖1），從而實(shí)現(xiàn)了理論課和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的銜接性和連續(xù)性。

圖1 模塊任務(wù)流程圖

系統(tǒng)交互功能需求設(shè)計(jì)，可通過(guò)先在混凝土攪拌站的配合比設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)配合比調(diào)整環(huán)節(jié)中水膠比增加和減小的幅度和范圍，獲得不同水膠比的塑形或干硬性混凝土，對(duì)應(yīng)不同的施工條件。當(dāng)場(chǎng)景自動(dòng)漫游到現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工時(shí)，可實(shí)現(xiàn)漫游切換，提供混凝土澆筑、振動(dòng)密實(shí)、混凝土養(yǎng)護(hù)、大體積混凝土施工等副場(chǎng)景所產(chǎn)生的表面缺陷、內(nèi)部缺陷和混凝土裂縫等工程事故展示以及由此帶來(lái)的后果。

3 選擇工具軟件

主要軟件：選用常規(guī)的三維建模軟件3Ds Max，三維引擎軟件Quest3D，便于使用第三方服務(wù)。本系統(tǒng)的前期三維制作主要使用3DS MAX，Quest3d支持?jǐn)?shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤器、三維鼠標(biāo)、模擬駕駛器等VR外設(shè)，支持多層次貼圖，擁有對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景的渲染能力，支持高效的碰撞檢測(cè)、GUI界面、場(chǎng)景導(dǎo)航等功能，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。這些優(yōu)勢(shì)，為本任務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。

輔助軟件：圖像處理軟件Fireworks和 Photoshop，動(dòng)畫(huà)制作軟件 Flash，WEB開(kāi)發(fā)腳本語(yǔ)言C#和Javascript，數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，矢量繪圖軟件AutoCAD，三維建模軟件 3D Coat，建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)建模軟件Tekla Structures，同時(shí)用到建筑物和結(jié)構(gòu)構(gòu)件專業(yè)三維建模BIM技術(shù)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任務(wù)實(shí)現(xiàn)的核心要點(diǎn)主要集中在資源素材、場(chǎng)景內(nèi)容及場(chǎng)景切換、用戶交互性的實(shí)現(xiàn)邏輯、虛擬場(chǎng)景的真實(shí)體現(xiàn)等方面。

4.1 數(shù)字化模型的素材準(zhǔn)備

首要任務(wù)是需要詳盡的素材收集，通常需要收集的素材包括：設(shè)計(jì)圖紙或測(cè)繪圖紙、參考照片、紋理照片、視頻資料等。施工工地可進(jìn)行視頻或全景拍攝，并進(jìn)行視頻剪輯或全景圖拼接，及后期處理輸出全景視頻或全景圖。資源素材數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)包括：現(xiàn)行的建筑法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程案例等文本素材；混凝土施工工藝、養(yǎng)護(hù)模式和手段、大體積混凝土施工措施等音頻視頻素材和動(dòng)畫(huà)素材；攪拌站和施工工地現(xiàn)場(chǎng)全景圖；等等。

4.2 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建與渲染

構(gòu)建虛擬場(chǎng)景總體任務(wù)，首先要對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的布局安排進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著畫(huà)出指導(dǎo)建模的草圖并建立出初步模型，然后給建模出的物體賦上材質(zhì)和貼圖，再將這部分模型整合到主體建筑的場(chǎng)景中，最后給場(chǎng)景布置燈光，從而完成整個(gè)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。模塊中設(shè)置主場(chǎng)景的施工工地和結(jié)構(gòu)模型（圖2）。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入和場(chǎng)景渲染。模型建立后，由于三維建筑CAD軟件和BIM等所建立的模型通常是用特征數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)的，在導(dǎo)出格式文件時(shí)，為了更好的支持Quest 3D，要對(duì)模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換成.dae格式文件。模型格式轉(zhuǎn)換可以通過(guò)DE實(shí)現(xiàn)。

將在3Ds Max中制作的裝飾材料三維模型導(dǎo)入到Quest3D中，可通過(guò)第三方插件將在3Ds Max中建立的裝飾材料三維模型導(dǎo)出為.X格式的文件后再導(dǎo)入Quest3D，這是最可靠的數(shù)據(jù)交換方式[3]。

本虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的起始元件Start Channel設(shè)置為Start3DScene以及 Channel Caller，Start 3D Scene 通道的作用是初始3D環(huán)境、設(shè)置屏幕分辨率、背景顏色及關(guān)閉程序按鈕等，使用Set New Start Channel來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換功能。

圖2 施工工地和大體積混凝土基礎(chǔ)主場(chǎng)景

4.3 交互控制邏輯

為了素材的擴(kuò)充和更新功能，數(shù)據(jù)庫(kù)是最好的選擇。Quest3D中可以通過(guò)ODBC創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接，豐富了裝飾材料素材庫(kù)內(nèi)容?？梢詫?shí)現(xiàn)素材數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，My SQL對(duì)應(yīng)的是 DB Driver My SQL模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)連接成功后，DB Query模塊的屬性面板中輸入查詢代碼實(shí)現(xiàn)。

采用基于 Strange Io C的MVCS框架，將項(xiàng)目進(jìn)行模塊化劃分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型（Model）、視圖（View）、邏輯控制（Controller）及服務(wù)（Service）的分離與通信。該框架基于控制反轉(zhuǎn)（Inversion of Control，Io C）原則，將各個(gè)組件之間的依賴關(guān)系提取到程序外部，降低整個(gè)系統(tǒng)的耦合度，提高了項(xiàng)目的可擴(kuò)展性[4]。

若開(kāi)發(fā)結(jié)束后需要更新教學(xué)資源，為方便起見(jiàn)，則需要采用所謂的熱更新方案。本地更新是將想要更新、添加的資源在打包為Asset Bundle，放置到安裝目錄下；網(wǎng)絡(luò)更新，則是將資源打包為Asset Bundle，保存資源生成的MD5，定義更新版號(hào)，然后將Asset Bundle資源上傳到服務(wù)器。當(dāng)本地客戶端啟動(dòng)后，檢查、比較版號(hào)，下載對(duì)應(yīng)的資源，并更新本地的配置文件。

通過(guò)上述幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)使用，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中交互性需求。

4.4 交互對(duì)象碰撞檢測(cè)和平移操作

實(shí)現(xiàn)交互操作的關(guān)鍵技術(shù)是碰撞檢測(cè)，Quest3D內(nèi)置的物理引擎可以高效、逼真地模擬出剛體碰撞、重力及摩擦等物理效果，根據(jù)本系統(tǒng)關(guān)于施工工藝的虛擬仿真，采用適用于車輪與地面或其它對(duì)象之間的碰撞器Wheel Collider[5]。

從攪拌站到施工現(xiàn)場(chǎng)、不同的施工工序、室內(nèi)裝飾空間移步等，需要位移矩陣在鍵盤的作用下實(shí)現(xiàn)變化，進(jìn)而形成平移動(dòng)作，平移矩陣為四維變換矩陣，是以矩陣相加的方式實(shí)現(xiàn)的[5]。

設(shè)模型空間的齊次坐標(biāo)為[x0，y0，z0，1]，坐標(biāo)平移變換后的空間坐標(biāo)[x1，y1，z1，1]，各坐標(biāo)軸的平移量 vx,vy,vz,可得平移算法的變量計(jì)算表達(dá)式（公式1）。

4.5 腳本語(yǔ)言功能開(kāi)發(fā)

Quest3D支持 C#、javascript或Lua等腳本語(yǔ)言的功能開(kāi)發(fā)，本系統(tǒng)相關(guān)需求通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，如場(chǎng)景連接，施工工藝動(dòng)畫(huà)演示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件鼠標(biāo)拖動(dòng)等，舉例如下。

①設(shè)置背景聲音（混凝土攪拌、混凝土澆筑、震動(dòng)密實(shí)、結(jié)構(gòu)破壞等）。

②施工場(chǎng)景切換（可通過(guò)點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)功能實(shí)現(xiàn)，也可用public聲明一個(gè)Button按鈕點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)）。

5 系統(tǒng)實(shí)施

5.1 應(yīng)用階段程序整合發(fā)布

系統(tǒng)調(diào)試通過(guò)后，需要將虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行打包發(fā)布，在客戶端安裝使用，以方便眾多學(xué)生應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與自主學(xué)習(xí)。使用形式多樣，教師可以在課堂上或?qū)嶒?yàn)室播放PPT形式（圖3），可以在機(jī)房臺(tái)式機(jī)上播放，學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室做沉浸式體驗(yàn)。

圖3 GUI二級(jí)界面和PPT課件播放

將虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)布到Windows平臺(tái)，系統(tǒng)將內(nèi)嵌到校園網(wǎng)上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)，有效鏈接是http://www.hfuu.edu.cn/jgx/hnt.html，實(shí)現(xiàn)嵌入的腳本語(yǔ)言如下。

5.2 系統(tǒng)實(shí)施效果分析

本文研究一種土木工程材料和施工方面虛擬仿真教學(xué)資源的自我建設(shè)開(kāi)發(fā)思路，開(kāi)發(fā)出來(lái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，具有很強(qiáng)的針對(duì)性、靈活性、交互性，同時(shí)開(kāi)發(fā)成本低，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

這種先進(jìn)的虛擬教學(xué)資源可以提高課堂教學(xué)效果。它可替代傳統(tǒng)PPT課件的教學(xué)素材，將教材上的文字描述轉(zhuǎn)化成立體的施工環(huán)境，提供多種感知體驗(yàn)，從而強(qiáng)化了參與感，使學(xué)習(xí)內(nèi)容留下深刻印象，獲得傳統(tǒng)教學(xué)方法很難提供真實(shí)的、先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)景。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以突破有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)制約，更高效集中地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐[6]。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所涉及到的內(nèi)容，在常規(guī)的土木工程材料實(shí)驗(yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源有效彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的不足。

Quest3D和3Ds Max等都是經(jīng)典的游戲引擎，如果引入專業(yè)第三方服務(wù)，可望獲得更加滿意的制作效果。

6 結(jié)論

①以Quest3D作為主要工具軟件，可以實(shí)現(xiàn)混凝土配制施工的虛擬仿真教學(xué)資源的有效構(gòu)建?？捎糜谡n堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

②構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用仿真效果，為建筑工程教學(xué)手段的創(chuàng)新提供了全新的途徑。