CN208126674U - 一种基于vr虚拟现实技术的建筑工程教学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，包括教师端、学生端，以及连接教师端、学生端的网络通道，所述学生端包含VR手柄、定位器和可供学生穿戴的VR头盔；VR手柄用于与虚拟现实世界中的对象互动，内置有可被定位器追踪的感应器：定位器内置有激光发生器和光敏传感器，用来确定VR手柄的位置；所述VR头盔包括：输入模块、处理模块、存储模块、显示模块、输出模块。本实用新型所述基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，用VR设备直观地呈现建筑工程全貌，由教师操作教导学生如何正确进行实际建筑管理，带给学生真实感受，提高教学的效率和质量。

Description

一种基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统

技术领域

本实用新型属于仿真教学技术领域，具体涉及一种基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统。

背景技术

由于在建筑工程技术专业的教学中有大量的实验与实训环节，很多高校或培训基地对建筑工程实验、实训条件都有较高的要求。而然，建筑工程实训设备大部分为工程实体，有着造价高、建设周期长、建造难度大等特点，特别是有些项目涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，在传统教育框架下根本无法组织实训，学生无法将自身置于各种复杂、突发环境中去进行针对性训练。

近年来，随着科技的快速发展，建筑工程教学设备由传统的现场教学发展为多样化的电子化教学，比如远程网络教学、智能化计算机辅助教学等等，上述高科技智能化电子设备的应用，在一定程度上满足了学生的需要。但是通过实践环节发现，在教学过程中，特别是一些周期长、建造难度大、危险系数高的项目，学生仍然只能翻阅课本或观看视频录像进行了解，根本无法参与实训，缺少对工程概览、工程建筑、材料运输与管理、漫游检查等环节的专业性训练，教学效果不佳。

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态实景和实体行为的系统仿真，可以让用户进入虚拟的环境，实时感知和操作虚拟世界内的各种对象，从未通过视觉、触觉和听觉等感觉的结合获得身临其境的真实感受。在我国，虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，但随着计算机图形学、计算机工程学等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，研究与应用VR，建立虚拟环境、虚拟场景模型以及分布式VR系统的开发正朝深度和广度发展。

虚拟现实技术已广泛应用于培训教育领域，演变形成了多种多样的虚拟现实教学技术与产品，这些新技术新产品使得理论教学变得更加生动、直观，实验教学更加安全、方便，有利于提高学生的学习兴趣，提高教学效率和质量。例如，中国专利(申请号：201210594609.7)公开了一种用于旅游专业教学的综合电教系统，由虚拟现实导游系统、虚拟现实演示系统和虚拟现实网络系统组成，虚拟现实导游系统，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖国内多个景区的建筑、小品与天地景观，并对建筑室内外布局予以详细刻画，用于辅助教师进行景点漫游、信息查询、资源链接、景点导航、自动讲解、导游考核、事件模拟和课件编辑，虚拟现实演示系统，采用多视窗无缝显示设备，实现融合变形、媒体播放、多路显示、图片背景和网络中控，实现播放DVD、建筑动画和背景音乐功能，显示影像沿左、右两侧分屏显示，面向六通道制作的建筑动画实现铺满全屏的拼接显示。又如，中国专利(申请号201620869952.1)公开了一种基于手势识别的建筑教学用VR头盔，包括虚拟头盔面罩，所述虚拟头盔面罩的前方安装有画面捕捉摄像头、手势识别器、画面释放器和虚拟板释放口，且手势识别器位于画面释放器的上方，画面释放器位于虚拟板释放口的上方，所述虚拟头盔面罩的上方安装有固定带释放口，所述固定带释放口的上方安装有固定带，所述虚拟头盔面罩的一侧安装有松紧带调节卡，所述松紧带调节卡上安装有松紧带，所述虚拟头盔面罩的另一侧安装有连接卡。但在已有的公开文献中，未发现将VR虚拟现实技术系统地应用在建筑工程教学中，不能提供工程概览、工程建筑、材料运输与管理、漫游检查等环节的专业实训。因此，现有建筑工程教学系统很难满足学生对现代建筑工程教学的需求。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有建筑工程教学存在的实训成本高，体验性差，实训内容受限制的问题，提供一种人性化好、效果逼真、内容丰富的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，能够模拟建筑施工真实情境，带给学生真实感受，提高教学的效率和质量。

具体的，本实用新型所述的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，包括教师端、学生端，以及连接教师端、学生端的网络通道，所述学生端包含VR手柄、定位器和可供学生穿戴的VR头盔；VR手柄用于与虚拟现实世界中的对象互动，内置有可被定位器追踪的感应器；定位器内置有激光发生器和光敏传感器，用来确定VR手柄的位置；

所述VR头盔包括：

输入模块，用于连接教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息；

处理模块，用于构建虚拟场景、虚拟窗口，以及解析信号包、传递信号；

存储模块，用于存储处理模块的运行结果，以便读取；

显示模块，用于控制VR显示装置对建筑施工过程进行立体显示；

输出模块，用于输出VR设备的运行信号，包括学生操作记录和模拟运行结果；

所述处理模块包括：

虚拟场景单元，用于构建虚拟场景模型；

虚拟窗口单元，用于在所述虚拟场景模型中构建虚拟窗口；

解析单元，用于响应教师端的请求，将从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息的数字信号传输至所述虚拟窗口；

发送单元，用于将所述虚拟窗口模型以及虚拟窗口内的内容传递到输出模块、显示模块、存储模块。

作为本实用新型所述基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统的进一步说明，所述教师端包含教学操作平台，所述教学操作平台包括：

操作模块，用于教师对建筑项目、建筑施工场景、运行规则进行预定义操作；

语音模块，用于教师向学生实时语音讲解教学内容；

视频模块，用于教师向学生展示教学操作过程；

审阅模块，实现教师在教师端对学生端学生的监察、督导及互动。

在教师端，教师作为课堂教学的信息发出者，对学生在VR环境中的观察和互动给出足够引导与讲解。教师通过教学操作平台，即可通过教师端程序对学生真实情况进行了解，对学生的疑问和反馈进行回复，保留了传统教学的监察，督导，指示等教学元素，同时通过VR实现一对多互动授课。

作为本实用新型所述基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统的进一步说明，所述教师端包含信号转换器，所述信号转换器与教学操作平台电连接，能够从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息，并将教师操作指令、语音信息和预定义信息转化为数字信号，通过网络通道传递出去。

作为本实用新型所述基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统的进一步说明，所述网络通道一端连接教师端的信号转换器，另一端连接学生端的VR头盔的输入模块和输出模块，实现教师端和学生端的网络通讯。

作为本实用新型所述基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统的进一步说明，所述VR显示装置包括视频收发器、音频收发器。

本实用新型所述的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，脱离真实操作的限制，具备许多传统实训系统不具备的特点：

1.实训内容丰富：可以模拟任何培训科目，借助虚拟现实技术，学生可以将自身置于各种复杂、突发环境中去，从而进行针对性训练。

2.实训周期短：学校可以根据自身实际需求在任何时间组织受训者进行操作演练，并快速取得实操结果，进行实操评估和改进。

3.效果逼真：可以让多个学生在老师的指导下进行操作，VR环境的真实性和交互性让学生领悟更深刻；另外虚拟现实系统下，即使学生操作失误也不会造成实质性后果，科学地帮助学生发现问题、纠正问题；有利于提高学生的学习兴趣，提高教学效率和质量。

附图说明

图1为本实用新型芯片电路教学系统的结构框图。

图2为本实用新型教学操作平台的结构关系图。

图3为本实用新型VR头盔的处理模块的结构关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如附图1所述，本实施例所述的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，包括教师端、学生端，以及连接教师端、学生端的网络通道，所述学生端包含VR手柄、定位器和可供学生穿戴的VR头盔；VR手柄用于与虚拟现实世界中的对象互动，内置有可被定位器追踪的感应器；定位器内置有激光发生器和光敏传感器，用来确定VR手柄的位置。

所述VR头盔包括：输入模块，用于连接教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息；处理模块，用于构建虚拟场景、虚拟窗口，以及解析信号包、传递信号；存储模块，用于存储处理模块的运行结果，以便读取；显示模块，用于控制VR显示装置对建筑施工过程进行立体显示；输出模块，用于输出VR设备的运行信号，包括学生操作记录和模拟运行结果。

如附图3所示，所述处理模块包括：虚拟场景单元，用于构建虚拟场景模型；虚拟窗口单元，用于在所述虚拟场景模型中构建虚拟窗口；解析单元，用于响应教师端的请求，将从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息的数字信号传输至所述虚拟窗口；发送单元，用于将所述虚拟窗口模型以及虚拟窗口内的内容传递到输出模块、显示模块、存储模块。

作为本实施例的进一步说明，所述教师端还包含教学操作平台；如附图2所示，所述教学操作平台包括：操作模块，用于教师对建筑项目、建筑施工场景、运行规则进行预定义操作；语音模块，用于教师向学生实时语音讲解教学内容；视频模块，用于教师向学生展示教学操作过程；审阅模块，实现教师在教师端对学生端学生的监察、督导及互动。

作为本实施例的进一步说明，所述教师端还包含信号转换器，所述信号转换器与教学操作平台电连接，能够从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息，并将教师操作指令、语音信息和预定义信息转化为数字信号，通过网络通道传递出去。

作为本实施例的进一步说明，所述网络通道一端连接教师端的信号转换器，另一端连接学生端的VR头盔的输入模块和输出模块，实现教师端和学生端的网络通讯。所述VR显示装置包括视频收发器、音频收发器。

作为本实施例的进一步说明，基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，其硬件部分配套上述VR头盔、VR手柄、定位器，软件部分，VR实训场采用MAYA建模，以Unity 3D游戏引擎进行全交互式三维实训仿真，即可实现建筑施工的高仿真交互式实训。

作为本实施例的进一步说明，在配套软件功能方面，本实施例的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统包括VR工程设计、VR工程建筑、VR材料运输与管理、VR工程漫游检查四大功能。

VR工程设计：根据实际工程建筑情况，使用户从无到有的开始建筑工程设计，通过简易操作达到在实际需要大量工作量才能完成的效果。

VR工程建筑：学生在VR虚拟环境中，可以实地操作各种建筑材料，将砖块，钢筋、混凝土等并进行移动建设。

VR材料运输与管理：包括建材与吊车堆场管理和运输交通工具管理两部分。

建材与吊车堆场管理：(1)建材种类：钢筋，水泥，砖块及各类建材。(2)建材堆场：建材需要按照真实情况进行规划和摆放，以便教师讲解建材堆场摆放规则与原理。(3)吊车调度：教师可自定义堆场的摆放情况，可按照需求自由设置。

运输交通工具管理：(1)运输交通工具按照考察得到的真实情况制作，类型包含：货车，拖车，叉车等。(2)以上运输交通工具需根据真实情况与细节进行建模与贴图，保证运输工具外观拥有极高的仿真度。(3)以上运输交通工具车辆需根据物流的真实情况制作运行的动画，保证运输工具动画拥有极高的仿真度。(4)以上运输交通工具要通过程序AI控制自动运行。运行轨迹、货物的装载、卸载程序需要符合物流规范，保证运行轨迹、货物的装载、卸载程序拥有极高的仿真度。

VR漫游系统检查：根据真实项目的实际布局情况，设计与还原工程的布局与功能，并且高质量地展现出来，能让用户进行完善的体验、游览。设计漫游的镜头路线，实现在工程项目中漫游，为观看者展示整个工程项目，拥有完整的摄像机路径，要求路径完善，可以整体的浏览，并且能给予高质量的观看体验。

作为本实施例的进一步说明，本实施例的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统教师端具备以下功能：

预定义功能：1)新建功能：教师可以新建一个建筑。2)调配功能：教师可以自定义交通工具及交通工具上建材数量与种类。3)管理功能：教师可以开展多个建筑项目的建设和删除，可以对任意一个运输交通工具进行从外界到堆场的驶入管理。

监控功能：1)可切换到设计、建设操作界面视角，同步看到学生端操作。2)可切换到堆场操作界面视角，同步看到学生端操作。3)可以实时监测建筑工程信息和物流信息。

作为本实施例的进一步说明，本实施例的基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统学生端具备以下项目：

虚拟操作龙门集装箱吊车：1)学生可以在VR环境下，真实还原建筑操作。2)学生可以在VR环境下，按照操作规范，真实还原建筑工程操作。3)工程、物流、堆场符合真实的布局与功能。

虚拟建材堆场管理：建材堆场按照真实情况进行规划和摆放。教师可自定义建材堆场的摆放情况。

虚拟运输交通工具：符合真实情况，包括但不限于外观、大小等方面的散货货车，火车，散货货船，拖车，叉车。以上运输交通工具需根据真实情况与细节进行建模与贴图。以上运输交通工具车辆需根据物流的真实情况制作运行的动画。以上运输交通工具通过程序AI控制自动运行。运行轨迹，货物的装载，卸载程序符合物流规范。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本实用新型所作的举例，而并非对实施的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于VR虚拟现实技术的建筑工程教学系统，包括教师端、学生端，以及连接教师端、学生端的网络通道，其特征在于，所述学生端包含VR手柄、定位器和可供学生穿戴的VR头盔；VR手柄用于与虚拟现实世界中的对象互动，内置有可被定位器追踪的感应器；定位器内置有激光发生器和光敏传感器，用来确定VR手柄的位置；

所述VR头盔包括：

输入模块，用于连接教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息；

处理模块，用于构建虚拟场景、虚拟窗口，以及解析信号包、传递信号；

存储模块，用于存储处理模块的运行结果，以便读取；

显示模块，用于控制VR显示装置对建筑施工过程进行立体显示；

输出模块，用于输出VR设备的运行信号，包括学生操作记录和模拟运行结果；

所述处理模块包括：

虚拟场景单元，用于构建虚拟场景模型；

虚拟窗口单元，用于在所述虚拟场景模型中构建虚拟窗口；

解析单元，用于响应教师端的请求，将从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息的数字信号传输至所述虚拟窗口；

发送单元，用于将所述虚拟窗口模型以及虚拟窗口内的内容传递到输出模块、显示模块、存储模块；

所述教师端包含教学操作平台，所述教学操作平台包括：

操作模块，用于教师对建筑项目、建筑施工场景、运行规则进行预定义操作；

语音模块，用于教师向学生实时语音讲解教学内容；

视频模块，用于教师向学生展示教学操作过程；

审阅模块，实现教师在教师端对学生端学生的监察、督导及互动；

所述教师端包含信号转换器，所述信号转换器与教学操作平台连接，能够从教师端获取教师操作指令、语音信息和预定义信息，并将教师操作指令、语音信息和预定义信息转化为数字信号，通过网络通道传递出去；

所述网络通道一端连接教师端的信号转换器，另一端连接学生端的VR头盔的输入模块和输出模块，实现教师端和学生端的网络通讯；

所述VR显示装置包括视频收发器、音频收发器。