CN114141084A - 一种水利水电工程虚拟现实教学装置及其教学方法 - Google Patents
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Abstract
一种水利水电工程虚拟现实教学装置及其教学方法，涉及虚拟现实技术领域，沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置，包括第一沉浸单元、第二沉浸单元和第三沉浸单元；第一沉浸单元，用于搭建水利水电工程的三维场景；第二沉浸单元，根据第一沉浸单元，用于沉浸式漫游水利水电工程三维场景；第三沉浸单元，根据第一沉浸单元，用于沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景，能够完全虚拟展示的水利水电工程，构建良好的水利水电工程泄洪、发电虚拟交互体验，实现了完全沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种水利水电工程虚拟现实教学装置及其教学方法。
背景技术
水利水电工程大多地处偏远，地下、隐蔽工程多，结构复杂，建造工期长，对于现代教育教学的人才培养方案需求、现场教学需要难以实现。虽然部分水利职业技术学院已建有数字流域与水利枢纽动态仿真实训平台，水利工程施工情境模型实训室、校内水利工程技术实训基地等，但仍然难以满足现代高职教育现场教学。进一步，随着在校生规模的扩大和专业结构的调整，原有实训条件的训练岗位数量不足、资源量匮乏，难以满足实践培训锻炼需求。因此，建设应用现代信息与媒体技术相结合的功能完善的虚实结合、学生体验和学习的教学系统是水利类专业建设发展必不可少的内容。
中国专利申请CN103093663A公开了水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统及其实施方法，针对发电设备中大量零部件建立模型进行动画设计、虚拟现实场景大小的控制，对培训中涉及到的各种模型能够实现方便调用，并不能带来真正意义上的沉浸式的漫游虚拟交互体验和沉浸式的水电站泄洪、机组发电等虚拟交互体验。
因此，很有必要提供一种沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置及其教学方法，而且该沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置的建成和实施可进一步作为面向社会的水利科普的教育与宣传，社会培训和院校师资培训。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种水利水电工程虚拟现实教学装置及其教学方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种水利水电工程虚拟现实教学装置，包括第一沉浸单元、第二沉浸单元和第三沉浸单元；
第一沉浸单元，用于搭建水利水电工程的三维场景；
第二沉浸单元，根据第一沉浸单元，用于沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
第三沉浸单元，根据第一沉浸单元，用于沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景。
进一步地，所述第一沉浸单元包括：三维模型获取模块、三维模型调整模块、三维场景搭建模块、场景美化模块，三维获取模块输出连接三维模型场景调整模块，三维模型调整模块的输出连接三维场景搭建模块，三维场景搭建模块的输出连接场景美化模块。
进一步地，所述三维模型调整模块，包括减面部、拓扑部、优化部和烘焙部，用于根据形成的所述水利水电工程三维模型，用于对水利水电工程三维模型进行减面、拓扑、优化、烘焙操作中一个或多个；所述优化部，用于对水利水电工程三维模型进行拆分、删除、简化、合并、重构操作中一个多个。
进一步地，所述场景美化模块，调整获取的所述水利水电工程三维场景的自然环境光照、三维场景中水利水电工程三维模型的物理属性，真实比例还原现实的水利水电工程。
进一步地，所述第二沉浸单元包括：漫游基础设定模块、漫游角色控制模块、人物视角设计模块和漫游模式模块；用户在任意时刻选定水利水电工程的漫游场景，计算出虚拟人物从当前位置到达选定的场景的最短或最佳路径，并发出指令让虚拟人物按照所述路径走到所选定的漫游场景。
进一步地，所述漫游角色控制模块，构建虚拟人物模型及材质，设计虚拟人物的走、跑、站立、爬楼梯、推门动作，设置W、S、A、D这四个键分别控制虚拟人物前景、后退、左转、右转，并设置相应的碰撞属性，在前进、后退、站立的时候分别播放虚拟人物向前走、后退、站立等待的动画
进一步地，所述漫游模式模块，所述漫游模式分为固定路径模式和/或自由浏览模式，所述的漫游场景包括：水利枢纽场景和/或水利大坝的虚拟场景和/或水电站厂房场景。
进一步地，所述第三沉浸单元包括：水利水电工程的泄洪虚拟场景模块和/或发电动态虚拟场景模块；所述水利水电工程的泄洪虚拟场景模块，用于水利水电工程的泄洪水流和雾化模拟，包括：泄洪水流模拟部和泄洪水流雾化模拟部；所述泄洪水流模拟部利用粒子与水利建筑物的碰撞方式计算粒子的运动轨迹和/或定义粒子的运动路径并通过设置粒子的路径跟随来模拟所述水利水电工程泄洪时的高速水流；所述泄洪水流雾化模部采用发散的粒子模拟所述水利水电工程泄洪时水流的雾化。
一种实现沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学的方法，包括以下步骤；
步骤S100，搭建水利水电工程的三维场景；
步骤S200，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
步骤S300，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S400，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学。
一种使用沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置进行教学的方法，采用上述沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置，包括以下步骤；
步骤S1，用户沉浸式漫游的水利水电工程三维场景；
步骤S2，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S3，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学培训。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)基于完整的水利水电工程的三维场景，能够完全虚拟展示的水利水电工程，培训教学中方便查看水利水电工程的地形、交通、挡水建筑物、溢流、航运概况、水利枢纽的布置、水利水电工程建筑物结构及厂房内部等结构；
(2)构建飞行和第一人称、第三人称、全景视角沉浸式的漫游虚拟交互体验，构建良好的水电站泄洪、发电等虚拟交互体验，二者相互配合，共同实现了完全沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学，极大提高了水利水电工程虚拟现实教学效果，解决现有水利水电工程教学资源单一、匮乏的技术问题。
附图说明
图1是一种沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置的组成示意图；
图2是第一沉浸单元的组成示意图；
图3是第二沉浸单元的组成示意图；
图4是第三沉浸单元的组成示意图；
图5是一种实现沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学方法的流程图；
图6是一种使用沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置进行教学的方法的流程图；
附图标号说明：第一沉浸单元-100、第二沉浸单元-200和第三沉浸单元-300、三维模型获取模块-101、三维模型调整模块-102、三维场景搭建模块-103、场景美化模块-104；漫游基础设定模块-201、漫游角色控制模块-202、人物视角设计模块-203、漫游模式模块-204；水利水电工程的泄洪虚拟场景模块-301，发电动态虚拟场景模块-302。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
如图1所示，是一种沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置的组成示意图。
一种沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置，包括第一沉浸单元100、第二沉浸单元200和第三沉浸单元300；第一沉浸单元100，用于搭建水利水电工程的三维场景；第二沉浸单元200，根据第一沉浸单元100，用于沉浸式漫游的水利水电工程三维场景；第三沉浸单元300，根据第一沉浸单元100，用于沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景。
在本实施例中，如图2所示，是第一沉浸单元100的组成示意图。第一沉浸单元100包括：三维模型获取模块101、三维模型调整模块102、三维场景搭建模块103、场景美化模块104，三维获取模块101输出连接三维模型场景调整模块102，三维模型调整模块102的输出连接三维场景搭建模块103，三维场景搭建模块103的输出连接场景美化模块104。
三维模型获取模块101，按照水利水电工程建造设计方案的二维图纸，利用软件获取水利水电工程的三维模型。三维模型的范围通常至少包括水利水电工程地形、挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、发电系统等，以及厂房内部设备等三维模型。
三维模型调整模块102，包括减面部、拓扑部、优化部和烘焙部，用于根据形成的所述水利水电工程三维模型，用于对水利水电工程三维模型进行减面、拓扑、优化、烘焙操作中一个或多个。减面是指保留三维模型结构的前提下减少三维模型面数，拓扑指将高分辨率的三维模型转换成低分辨率的三维模型，优化是指三维模型在满足场景应用的前提下优化其数据量、烘培是指把光照信息渲染成贴图再贴回到三维模型上。
水电工程通常修建在深山峡谷地区，其枢纽总布置范围少则几个平方公里，多则几十、甚至上百平方公里，如果采用常规的三维建模方法对地形进行建模，数据量将非常之大；另外，水电工程复杂的水工建筑物及机电设备模型，也是虚拟现实仿真的难点。因此，为降低系统对硬件设备的要求，减少传输数据量，进而节省系统投资、提升用户体验，对水电工程枢纽模型及数据进行优化是十分必要的。优化的方法主要有拆分、删除、简化、合并、重构等。所述优化部，用于对水利水电工程三维模型进行拆分、删除、简化、合并、重构操作中一个多个。
三维场景搭建模块103，根据所述水利水电工程三维模型，按照水利水电工程建造设计方案，并结合水利水电工程的现场照片和/或水利水电工程的视频，搭建水利水电工程的三维场景，细化防碰撞布局水利水电工程的空间尺度和几何关系，分区域优化设计获取水利水电工程的三维场景。
场景美化模块104，调整获取的所述水利水电工程三维场景的自然环境光照、三维场景中水利水电工程三维模型的物理属性，例如结构尺寸和/或材质等，真实比例还原现实的水利水电工程。
在本实施例中，如图3所示，是第二沉浸单元200的组成示意图。第二沉浸单元200包括：包括漫游基础设定模块201、漫游角色控制模块202、人物视角设计模块203和漫游模式模块204，用户在任意时刻选定水利水电工程的漫游场景，计算出虚拟人物从当前位置到达选定的场景的最短或最佳路径，并发出指令让虚拟人物按照所述路径走到所选定的漫游场景。
漫游基础设定模块201包括漫游光照调节部、漫游渲染部、漫游夜景部，用于形成沉浸式漫游的水利水电工程三维场景的基础。漫游夜景部，用于日景和夜景的切换。漫游光照调节部，用于根据当日景或夜景切换完成后的日景或夜景不同的时间点人工调节成的不同光照强度，例如日景是早上7点到下午7点，夜景是下午7点到第二天早上7点，日景或夜景中不同的时间点，光照的强度也对应不同。当漫游光照调节部调节的光照强度确定后时，漫游渲染部自动跟随并同时通过软件实时渲染技术真实还原该时间点的光照强度对应的水利水电工程的三维场景。
漫游角色控制模块202，构建虚拟人物模型及材质，设计虚拟人物的走、跑、站立、爬楼梯、推门动作，设置W、S、A、D这四个键分别控制虚拟人物前进、后退、左转、右转，并设置相应的碰撞属性，碰撞属性能够用于虚拟人物在前进、后退、左转、右转过程中与水利水电工程的发生的正常物理运动交互，例如碰撞属性包括虚拟人物在前进、后退、左转、右转过程中不能穿过水利水电工程的实体，在前进、后退、站立的时候分别播放虚拟人物向前走、后退、站立等待的动画。
人物视角设计模块203，包括：第一人称视角、第三人称视角、飞行视角和全景视角；所述第一人称视角是指：摄像机放置在虚拟人物的头部并随着虚拟人物运动，所述第三人称视角是指：摄像机则跟随在虚拟人物的轴并以虚拟人物为焦点，所述飞行视角是指：摄像机放置在一定的高度，设置摄像机可运动的高度范围，高度范围根据具体三维场景来调节设置。
所述漫游模式模块204，所述漫游模式分为固定路径模式和/或自由浏览模式，所述的漫游场景包括：水利枢纽场景和/或水利大坝的虚拟场景和/或水电站厂房场景。水利枢纽虚拟场景包括：水库大坝的虚拟场景、水电站厂房虚拟场景。发电机层场景包括：水轮发电机组、调速器、安装间、装卸场、起重机等。
沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置主要使用软件平台包括：CATIA、Revit、Cinema 4D、3dsmax、Photoshop、Unfold3D、TopoGun、SubstancePainter、Unreal Engine4、Adobe Illustrator等。
在本实施例中，如图4所示，是第三沉浸单元300的组成示意图。第三沉浸单元300包括：水利水电工程的泄洪虚拟场景模块301和/或发电动态虚拟场景模块302。
水利水电工程的泄洪虚拟场景模块301，用于水利水电工程的泄洪水流和雾化模拟，包括：泄洪水流模拟部和泄洪水流雾化模拟部。泄洪水流模拟部利用粒子与水利建筑物的碰撞方式计算粒子的运动轨迹来模拟所述水利水电工程泄洪时的高速水流(第一种方式)和/或定义粒子的运动路径并通过设置粒子的路径跟随来模拟所述水利水电工程泄洪时的高速水流(第二种方式)；第一种方式更接近实际情况，但粒子的碰撞计算量大，运行效率低；第二种方式虽然与工程实际有差别，但粒子的运算量小，运行效率高，可以根据实际需要选择的合理方式使用；泄洪水流雾化模部采用发散的粒子模拟所述水利水电工程泄洪时水流的雾化。
第二沉浸单元200和第三沉浸单元300相互配合，共同实现了完全沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学，极大提高了水利水电工程虚拟现实教学效果。
实施例二
如图5所示，是一种实现沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学方法的流程图。
在实施例一的基础上，一种实现沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学的方法，包括以下步骤：
步骤S100，搭建水利水电工程的三维场景；
步骤S200，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
步骤S300，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S400，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学。
具体地，所述步骤S100，搭建水利水电工程的三维场景具体包括：
S101：按照水利水电工程建造设计方案的二维图纸，利用软件获取水利水电工程的三维模型；
S102：根据形成的所述水利水电工程三维模型，对水利水电工程三维模型进行减面、拓扑、优化、烘焙操作中一个或多个；所述优化操作包括用于对水利水电工程三维模型进行拆分、删除、简化、合并、重构中一个多个；
S103：根据所述水利水电工程三维模型，按照水利水电工程建造设计方案，并结合水利水电工程的现场照片和/或水利水电工程的视频，搭建水利水电工程的三维场景，细化防碰撞布局水利水电工程的空间尺度和几何关系，分区域优化设计获取水利水电工程的三维场景；
S104：调整获取的所述水利水电工程三维场景的自然环境光照、三维场景中水利水电工程三维模型的物理属性，真实比例还原现实的水利水电工程。
具体地，所述步骤S200，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式漫游的水利水电工程三维场景，具体包括：
步骤S201：设定漫游光照、漫游渲染、漫游夜景中一个或多个，用于形成沉浸式漫游的水利水电工程三维场景的基础；
步骤S202：构建虚拟人物模型及材质，设计虚拟人物的走、跑、站立、爬楼梯、推门动作，设置W、S、A、D这四个键分别控制虚拟人物前景、后退、左转、右转，并设置相应的碰撞属性，碰撞属性能够用于虚拟人物在前进、后退、左转、右转过程中与水利水电工程的发生的正常物理运动交互，例如碰撞属性包括虚拟人物在前进、后退、左转、右转过程中不能穿过水利水电工程的实体，在前进、后退、站立的时候分别播放虚拟人物向前走、后退、站立等待的动画；
步骤S203：设定虚拟人物的第一人称视角、第三人称视角、飞行视角和全景视角；所述第一人称视角是指：摄像机放置在虚拟人物的头部并随着虚拟人物运动，所述第三人称视角是指：摄像机则跟随在虚拟人物的轴并以虚拟人物为焦点，所述飞行视角是指：摄像机放置在一定的高度，设置摄像机可运动的高度范围，高度范围根据具体三维场景来调节设置。
步骤S204：设定漫游模式，包括：固定路径模式和/或自由浏览模式；
步骤S205：用户在任意时刻选定水利水电工程的漫游场景模式和视角，所述漫游场景包括：水利枢纽场景和/或水利大坝的虚拟场景和/或水电站厂房场景，计算出从当前位置到达选定的漫游场景的最短或最佳路径，并发出指令让虚拟人物按照所述路径走到所选定的漫游场景，完成用户沉浸式漫游的水利水电工程三维场景。
具体地，所述步骤S300，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景，具体包括
步骤S301：利用定义粒子的运动路径并通过设置粒子的路径跟随来模拟所述水利水电工程泄洪时的高速水流；利用发散的粒子模拟所述水利水电工程泄洪时水流的雾化，进而实现水利水电工程泄洪的模拟，并体验水利水电工程的泄洪的动态虚拟场景；
步骤S302：模拟并体验机组发电的动态虚拟场景。
实施例三
在实施例一和/或实施例二的基础上，图6是一种使用沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置进行教学的方法的流程图。
一种使用沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置进行教学的方法，其采用上述沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学装置，包括以下步骤；
步骤S1，用户沉浸式漫游的水利水电工程三维场景；
步骤S2，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S3，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学培训。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水利水电工程虚拟现实教学装置，包括第一沉浸单元、第二沉浸单元和第三沉浸单元；其特征在于：
所述第一沉浸单元，用于搭建水利水电工程的三维场景；
所述第二沉浸单元，根据所述第一沉浸单元，用于沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
所述第三沉浸单元，根据所述第一沉浸单元，用于沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景。
2.根据权利要求1所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述第一沉浸单元包括：三维模型获取模块、三维模型调整模块、三维场景搭建模块、场景美化模块；三维获取模块输出连接三维模型场景调整模块，三维模型调整模块的输出连接三维场景搭建模块，三维场景搭建模块的输出连接场景美化模块。
3.根据权利要求2所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述三维模型调整模块，包括减面部、拓扑部、优化部和烘焙部，用于根据形成的所述水利水电工程三维模型，用于对水利水电工程三维模型进行减面、拓扑、优化、烘焙操作中一个或多个；所述优化部，用于对水利水电工程三维模型进行拆分、删除、简化、合并、重构操作中一个多个。
4.根据权利要求2或3所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述场景美化模块，调整获取的所述水利水电工程三维场景的自然环境光照、三维场景中水利水电工程三维模型的物理属性，真实比例还原现实的水利水电工程。
5.根据权利要求4所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述第二沉浸单元包括：漫游基础设定模块、漫游角色控制模块、人物视角设计模块和漫游模式模块；用户在任意时刻选定水利水电工程的漫游场景，计算出虚拟人物从当前位置到达选定的场景的最短或最佳路径，并发出指令让虚拟人物按照所述路径走到所选定的漫游场景。
6.根据权利要求5所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述漫游角色控制模块，构建虚拟人物模型及材质，设计虚拟人物的走、跑、站立、爬楼梯、推门动作，设置W、S、A、D这四个键分别控制虚拟人物前进、后退、左转、右转，并设置相应的碰撞属性，在前进、后退、站立的时候分别播放虚拟人物向前走、后退、站立等待的动画。
7.根据权利要求5或6所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述漫游模式模块，所述漫游模式分为固定路径模式和/或自由浏览模式，所述的漫游场景包括：水利枢纽场景和/或水利大坝的虚拟场景和/或水电站厂房场景。
8.根据权利要求1所述的一种水利水电工程虚拟现实教学装置，其特征在于：所述第三沉浸单元包括：水利水电工程的泄洪虚拟场景模块和/或发电动态虚拟场景模块；所述水利水电工程的泄洪虚拟场景模块，用于水利水电工程的泄洪水流和雾化模拟，包括：泄洪水流模拟部和泄洪水流雾化模拟部；所述泄洪水流模拟部利用粒子与水利建筑物的碰撞方式计算粒子的运动轨迹和/或定义粒子的运动路径并通过设置粒子的路径跟随来模拟所述水利水电工程泄洪时的高速水流；所述泄洪水流雾化模拟部采用发散的粒子模拟所述水利水电工程泄洪时水流的雾化。
9.一种实现沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100，搭建水利水电工程的三维场景；
步骤S200，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
步骤S300，根据搭建水利水电工程的三维场景，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S400，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学。
10.一种使用水利水电工程虚拟现实教学装置进行教学的方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项水利水电工程虚拟现实教学装置，包括以下步骤：
步骤S1，用户沉浸式漫游水利水电工程三维场景；
步骤S2，用户沉浸式体验水利水电工程的泄洪、发电动态虚拟场景；
步骤S3，用户完成沉浸式的水利水电工程虚拟现实教学培训。
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