道路与桥梁工程虚拟现实建设方案详细
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道路与桥梁工程
虚拟现实建设方案
道路与桥梁工程 (1)
虚拟现实建设方案 (1)
1.引言 (4)
2.编写目的 (6)
3.项目背景 (7)
4.虚拟现实系统(VR System) (8)
4.1虚拟现实技术解释 (8)
4.1.1虚拟现实的概念 (8)
4.1.2虚拟现实技术概念 (8)
4.2 虚拟现实技术和模拟仿真的区别 (9)
4.3 虚拟现实包括的系统 (10)
4.4 VR计算机处理技术的三个方面 (10)
4.4.1实物虚化 (10)
4.4.2虚拟实化 (11)
4.4.3高性能计算处理技术 (11)
5.虚拟现实技术的应用 (12)
5.1虚拟显示技术的应用 (13)
5.1.1虚拟现实在军事的应用 (13)
5.1.2在产品设计与性能评价方面的应用 (13)
5.1.3在教育行业的应用 (13)
5.1.4在娱乐行业的应用 (13)
5.1.5在作业环境下的训练 (14)
5.1.6在科研开发中的应用 (14)
5.1.7在对象可视化领域中的应用 (14)
5.1.8我国虚拟现实的应用现状 (14)
6虚拟现实教学系统 (16)
6.1虚拟现实对高校教学的影响 (16)
6.1.1有利于挖掘高校潜能 (16)
6.1.2建设“常新“型的实验实训基地 (16)
6.1.3促进数字化校园的建设 (16)
6.1.4发展虚拟教学 (16)
6.1.5虚拟现实技术对教学的影响 (17)
6.1.6教学观念的变化 (17)
6.1.7教学容的变化 (17)
6.1.8教学手段的变化 (18)
6.2虚拟现实教学系统的现实意义 (20)
7.项目概述 (21)
7.1虚拟桥梁建设施工教学系统的应用方式 (21)
7.1.1 虚拟课堂 (21)
7.1.2 虚拟大学 (21)
7.1.3 建立虚拟桥梁工程系统的意义 (22)
8.虚拟道路桥梁工程建设目标与运行环境 (23)
8.1系统建设的目标 (23)
8.1.1系统体现 (23)
8.1.2软件系统运行环境 (24)
8.1.3模型资料库系统 (25)
8.1.3实时操作模拟系统 (27)
8.1.4虚拟成景系统 (27)
8.1.5三维场景模型建立 (28)
8.1.6坐标系 (28)
8.1.7虚拟桥梁工程建设比例 (29)
.8.1.8虚拟桥梁工程建模 (29)
8.1.9动画 (30)
8.1.10交互控制 (30)
8.1.11多媒体声音特效 (31)
8.1.12动态音效系统 (31)
8.1.13立体伴音系统 (31)
8.1.14文字-语音转换TTS系统 (31)
1.引言
“虚求牵引,技术推动”是促进计算机技术飞速发展的根本原因,那么对于虚拟桥梁工程施工这个大系统来说,虽然也已经用到了计算机技术,但是由于虚拟桥梁本身具有特殊性、复杂性以与不可预见性等诸多特点,对计算机的应用程
度还很低。
特别是对于虚拟桥梁可视化技术的运用还只在一个起步阶段,如果能使这个刚刚起步的技术得到更好的发展和运用,不仅可以用做教学实施、学员培训,提供信息决策依据、促进虚拟桥梁的生产和管理现代化,而且还可以作为研究人员进行理论研究的重要手段,人们为了适应未来信息社会的需要而必须提高人与信息社会的接口能力以与提高人对信息的理解能力,人们不仅要求能通过打印出或显示屏幕的窗口,在外部去观察信息处理的结果,而且希望能通过人的视觉、听觉、以与物体、手势或口令,参与到信息处理的环境中去,获得身临其境的体验。
这种信息处理方法已不再是建立在一个单维的数字化的信息空间上,而是建立在一个定性和定量相结合,感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中,虚拟现实技术应用而生。
根据社会需求调查的主要结论,现在道路桥梁建设专业的毕业生应具备以下几方面的能力、素质:责任心与敬业精神、社会适应能力、自我提高能力,有良好的交流、表达、与人合作的能力,具有必要的数字运算、信息管理的能力,思考问题、解决问题的能力,计算机的操作,制图和识图,测量的测绘,材料性能测试试验,桥涵与路面结构的施工技术,工地质量检验,工程施工管理等。
我们将调查过程中获得的社会需求信息,形成本专业的能力结构、知识结构与素质要求;以此做为人才培养的重要依所,制订专业人才培养方案、构建课程体系。
虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的,体会到的或是在思维过程中所接触到的其他各种表现形式的多维信息。
桥梁建设自身具有的生产环境比较复杂,使得人们通过VR系统轻松的获取桥梁工程建设真正的体验和环境的亲身体验。
对学员、或者说是桥梁建设人员培训来说,单调乏味的讲解式的培训方式使得培训很少能获得真正的效果。
虚拟现实技术以其独有的特点和优势,可以为解决虚拟桥梁建设培训,调查和研究提供一条有效可行的途径。
对这也是我国工业,企业信息化的必然趋。
目前不论是在桥梁设计领域,还是在它的复杂结构体现等方面还没有成熟的虚拟现实系统。
构造虚拟现实系统本身是一项复杂的系统工程,其需要软件和硬件互相配合才能完成。
即使针对软件本身而言,构造虚拟环境也是非常复杂的。
它需要数学算法、计算机图形学、语言编程工具等许多相关学科综合应用,并与硬件设备共同形成虚拟现实系统。
我公司开发的虚拟桥梁建设系统完全可以满足用户的需要,通过立体显示系统以与虚拟现实软件系统相结合把桥梁施工工程预以再现。
2.编写目的
交通桥梁由于投资巨大,影响的人群多、面积广,公路桥梁建设任务繁重,建设持续时间长,需要多种技能、工种类型的工程技术人员,需要大量的高技能人才源源不断地加入到建设行列中去,据相关资料显示,道路与桥梁工程技术人才尤其缺少,所以道路桥梁专业人才的培养也是任重道远。
虚拟现实技术在桥梁建设方面有着非常广阔的应用前景,它们又被形象的称之为:虚拟公路,虚拟桥
梁,虚拟交通指挥系统等。
灵龙电子科技整合桥梁施工和虚拟仿真方面的资源,提供道路交通桥梁方面虚拟现实解决方案,将积极推进“做中学,做中教”教学模式改革,推行以“行动导向、理论与实际相交融、学做合一”的教学模式,在教师的引导下,提高学生的职业能力。
在制定这个方案的过程中充分进行了市场调查与企业调研,以企业网位能力分析为出发点,对道桥专业核心课程进行教学改革,制定符合施工技术员工作过程的模块化教学过程。
虚拟现实技术在桥梁建设方面有着非常广阔的应用前景,它们又被形象的称之为:虚拟公路,虚拟桥梁,虚拟交通指挥系统。
虚拟桥梁建设是用虚拟现实应用到桥梁建设中,通过对路建设施工、监理、检测等单位调查,进行基于工作的工作任务分析,依据“工作任务分析---行动领域归纳---学习领域转换”,系统构建基于培训学员的虚拟道路桥梁施工系统。
按照要求,我们可以设置分阶段模拟,把整个桥梁工程的建设过程预以再现,我们可以通过这个系统,把桥梁工程的施工信息很明确的体现在上面,提供给用户浏览的路线,以与对施工过程的体现,可以自动播放给用户,也可以通过手动的方式播放。
还可以在后台置入称定的数据库信息,便于受众对各项技术指标进行实时查询,周边再辅以多种媒体信息,如工程背景介绍、标段概况、技术数据、截面等、电子地图、声音、图像、动画,并与核心的虚拟技术产生交互,从而实现演示场景中的导航、定位与背景信息介绍等诸多实用、便捷的功能,使学员对道路桥梁建设知识有一个更好的了解。
编写桥梁工程虚拟现实建设方案旨在体现桥梁工程建设的可行性,桥梁工程建设的任务,具体步骤,系统流程图,项目开发计划。
让受众者很清楚的看到虚拟现实带给桥梁工程建设方面的价值。
3.项目背景
为了能在教学中更好的体现桥梁工程建设教学模式的改变,发挥桥梁工程建设在教学中,科研中的使用价值,采用虚拟现实技术,把桥梁工程的建设方案,形象的展示给用户,所以虚拟桥梁建设应此而生。
4.虚拟现实系统(VR System)
4.1虚拟现实技术解释
4.1.1虚拟现实的概念
虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术或虚拟环境,简称VR。
是一种基于计算机的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视,听,触觉一体化的特定围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用,相互影响,因而产生亲临等同真实环境的感受和体验。
4.1.2虚拟现实技术概念
虚拟现实技术是以计算机为主,综合利用计算机图形技术,仿真技术,人工智能,传感技术,显示技术,模拟技术,伺服技术,网络并行处理等技术实时生成的一个虚拟的三维空间,逼真的三维视觉,触觉以与嗅觉等感觉世界的表现能力。
让用户可以从自已的视点出发,利用自身的功能和一些设备,对所产生的虚拟世界这一课体进行浏览的交互式考察。
虚拟现实技术通常是指那些戴着头盔和数据手套,立体眼镜等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实的的方法,人们通过这些设施以自然的方式(如头的运动,身体的运动等)向计算机送入各种动作信息,并且通过视觉,听觉以与触觉实施使人们得到三维的视觉,听觉与触觉等感觉世界。
随着人们不同的动作信息,这些感觉也随之改变。
事实上,虚拟现实技术不仅仅是指那些戴关头盔和手套的技术,而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟,逼真体验的技术与方法。
是人类认识世界的帮手,是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。
而虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体。
虚拟现实技术是依赖于大量的计算机软件技术如AI(人工智能),PR(模式识别),图形学、底层接口等技术和新型显示技术、场传感器技术、力量反馈系统、无线、有线通讯等技术综合应用的一门边缘学科。
从本质上讲,虚拟现实
技术是对现实世界的再现和梦境的实现;从技术角度讲,它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面对对象的综合技术开发。
从本质上来说,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如视觉,听觉,触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作。
根据虚拟现实技术所应用的对象不同,其作用可表现为不同的形式,例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化,实现逼真的遥控现场效果,达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。
虚拟现实中的“现实“是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上可实现的,也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。
而”虚拟“是指用计算机生成的意思。
因此,虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境,人可以通过使用各种特殊装置将自已”投射“到这个环境中,并操作,控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。
4.2 虚拟现实技术和模拟仿真的区别
不能把虚拟现实和模拟仿真混淆,两者是有一定区别的。
概括地说,虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。
我们可以举一个烟尘干扰环境能见度的计算,从而影响环境的视觉效果,仿真实体的运行和决策。
某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算,仿真平台强调烟尘的准确物理模型,干扰后的能见度精确计算以与对仿真实体的影响程度;图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型,估算光线穿过烟尘后的衰减。
而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算,不但要考虑烟尘的物理特性,遵循烟尘运动的客观规律,计算影响仿真结果的相关数据,而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果,使用户在实时运行的虚拟现寮系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。
4.3 虚拟现实包括的系统
虚拟现实一般包括用户控制系统(如人体运动监测,控制杆,键盘,鼠标等控制设备)和视觉,听觉,触觉,嗅(味)觉等人类感觉方面的仿真反馈系统,处理系统,以与人类感知的信息显示系统(包括如:显示器,音响,三维座椅等
等)。
其中,视觉,听觉的控制和仿真是目前虚拟现实技术较为主要的发展方向,而头盔式增强型随身看显示系统则是用户使用的主要产品形式。
4.4 VR计算机处理技术的三个方面
总的来说,实物虚化,虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的三个主要方面。
4.4.1实物虚化
实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射,主要包括基本模型构建,空间跟踪,声音定位,视觉跟踪和视点感应等关键技术,这些技术使得真实感虚拟世界的生成,虚拟环境对用户操作的检没和操作数据的获取成为可能。
它的体系基于以下几种技术:
(1)基本模拟构建技术。
它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础,它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构,并根据系统需保存部分物理属性。
例如车辆在柏油地,草地,沙地和泥地上行驶的情况会有所不同,或对象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况(阴天,晴天,雨雾)等等。
(2)空间跟踪技术。
主要是通过头盔显示器,数据手套,数据衣等常用的交互设备上的空间传感器,确定用户的头,手,躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。
(3)声音跟踪技术:利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差,相位差,声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。
(4)视觉跟踪与视点感应技术。
使用从视频摄像机到X-Y平面阵列,周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影,计算被跟踪对象的位置和方向。
4.4.2虚拟实化
虚拟实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉,听觉,力觉和触觉等感官认知的关键技术。
能否让参与者产生沉浸感的关键因素
除了视觉和听觉感知外,还有用户能否在操纵虚拟物体的同时,感受到虚拟物体的反作用力,从而产生触觉和力觉感知。
力觉感知主要由计算机通过力反馈手段,力反馈操纵杆对手指产生运动从而使用户感受到作用力的方向和大小。
触觉反馈主要是基于视觉,气压感,振动触感,电子触感和神经,肌肉模拟等方法来实现的。
4.4.3高性能计算处理技术
高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术;实时,逼真图形图像生成与显示技术;多种声音的合成与声间空间化技术,多维信息数据的融合,数据压缩以与数据库的生成;包括命令识别,语音识别,以与手势和人的面部表情信息的检测等在的模式识别;分布式与并行计算,以与高速,大规模的远程网络技术。
5.虚拟现实技术的应用
虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。
人与该模型可以进行交互,并产生与真实世界中一样的反馈信息,使人们获得真实世界中一样的感受。
当人们需要构造当前不存在的环境(合理虚拟现实),人类不可能达到的环境(夸虚拟现实)或构造纯粹虚构的环境(虚幻虚拟现实)以取代需要耗资巨大的真实环境时,就可以利用虚拟现实技术。
因此,虚拟现实的应用领域十分广泛,主要在工程设计,计算机辅助设计(CAD),数所据可视化,飞行模拟,多媒体远程教育,远程医疗,艺术创作,游戏,娱乐等方面。
5.1虚拟显示技术的应用
5.1.1虚拟现实在军事的应用
军事是VR技术最早的研究与应用的领域之一,1983的DARPA和美国陆军共同制定的SIMNET(SIMulator NETworking)研究计划,将分散在不同地点的地面坦克,车辆仿真器通过计算机网络联合在一起,进行各种复杂任务的训练和作战演练。
利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争,培训指挥员的方法。
也是由于虚拟现实技术达到很高水平,所以尽管不进行核试验,也能不断改进核武器。
战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。
5.1.2在产品设计与性能评价方面的应用
波音777由300万个零件组成,所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。
设计师戴上头盔显示器后,可以穿行于设计中的虚拟“飞机”,审视“飞机“的各项设计指标。
5.1.3在教育行业的应用
将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底,遨游太空,观摩历史城堡,甚至深入原子部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界,从而更形象地获取知识,激发思维。
5.1.4在娱乐行业的应用
第一个大规模的VR娱乐系统“BettleTech“,将每个”座舱“仿真器连网进行组之间的对抗,3D逼真视景,游戏杆,油门,刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。
也是虚拟现实最广阔的用途。
5.1.5在作业环境下的训练
VR还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练。
如医疗手训练的VR系统,用CT或MRI数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型,并赋于一定的物理特征(例如密度,韧度,组织比例等),通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程,以达到训练研究的目的。
一是虚拟人体,也就是数字化人体,这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。
另一种则是虚拟手术系统,可用于指导手术的进行。
对复杂过程进行事先规划,在远程医疗中,虚拟现实技术也很有潜力。
美国的NASA和欧洲空间局ESA曾成功地将VR
技术应用于航天运载器的空间活动,空间站的操作对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练。
VR技术在虚拟桥梁工程施工环境复杂情况下的应用既属于危险环境下的操作,也属于CAD,为了桥梁施工安全生产,优化设计和桥梁施工技术培训等提供了一种更为有效的手段。
5.1.6在科研开发中的应用
在科技开发上,虚拟现实可缩短开发周期,减少费用。
虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起,成为人类探索客观世界规律的三大手段。
用它来设计新材料,可以预先了解改变成分对材料性能的影响。
在材料还没有制造出来之前
便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。
5.1.7在对象可视化领域中的应用
在对象可视化领域中,VR技术应用的例子是模拟风洞。
模拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场,使他感到就像真的站在风洞里一样。
虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性和效果、空气循环区域、旋涡被破坏的乱流等。
5.1.8我国虚拟现实的应用现状
VR技术是一项投资大,具有高难度的科技领域,和一些发达国家相比,我国还有一定的差距,但已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视。
根据我国国情,制定了开展VR技术的研究,例如:“九五“攻关计划,国家863计划,国家自然科学基金会等都把VR技术的研究列入了资助围。
我国军方对VR技术的发展关注较早,而且支持研究开发的力度也越来越大。
在紧跟国际新技术的同时,我们国的一些院校和科研单位,陆续开展了VR 技术的研究,而且可喜的是,已经实现或是正在研制的虚拟现实系统也有不少。
6虚拟现实教学系统
多媒体技术(MT)和信息技术(IT)为教学,实验和实训的发展带来了新的契机,同时也为高等教育的现代化带来了新的机遇,需求和挑战。
虚拟现实技术进入高校教学能形象生动地表现教学容,有效地营造一个跟随技术发展的教学环境,提高学生掌握知识,代替学生较困难的实习,提高学生掌握知识,技能的效率,达到优化教学过程,提高教学质量的目的。
这也是教学模式的一种转变,为了让学生更好的掌握虚拟现实技术带给道路桥梁建设的教学模式的转变。
6.1虚拟现实对高校教学的影响
6.1.1有利于挖掘高校潜能
引入虚拟现实高技术可改善高等教育的教学环境,扩大更高的承载能力,适合目前我国高校扩招的发展要求。
6.1.2建设“常新“型的实验实训基地
利用多媒体技术,半实物仿真与虚拟现实相结合的方法,建造虚拟演练的现代化实验实训基地,其“设备“或”部件“多是”虚拟“的,可根据发展需要重新”生成“新设备,也可使”设备“和教学容在虚拟环境中不断更新,使实践训练与时跟上技术的发展,以培养高素质的毕业生,保证知识型的技术人才和管理人才能满足经济发展的要求。
6.1.3促进数字化校园的建设
虚拟现实所需的超高速,多媒体的数据传输,大容量的数据存储,以太数据的分布式与并行化无疑是促进高校信息化建设的催化剂。
它能为教育技术专业队伍提供一个高起点的科研环境,促进教育技术学的学科建设更上一个新的层次。
6.1.4发展虚拟教学
课堂教学不再局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形扩展,将进一步向虚拟课堂,虚拟大学发展。
虚拟现实也将为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,使资源由一校“独占“变为多校”共享“。
通过交互式远程教学的课程目录和,由局域网工具变为校园,可对各个行业提供开放性的,远距离的继续教育,与其急需的课程教学,还可为
社会提供新技术和高等职业培训的机会,促进全国教育水平的提高。
6.1.5虚拟现实技术对教学的影响
教学改革的目标是实现教学现代化,提高教学效益和质量,全面提高学生素质。
然而,教学现代化并非只是设备的现代化,它应包含更深刻的含义,包括:教学观念现代化,教学容现代化,教学手段现代化,实习方便现代化。
6.1.6教学观念的变化
传统的教学观念主要是“传道,授业,解惑“,教学观念决定了教学组织形式和教学方法。
教学组织形式通常是以班授课为主,授课则主要采用课堂讲授法,教师是教学的中心,由教师决定教学容,结构,教学方法与教学进度,这种教学方法以教为主,学生始终处于被动的学习环境中。
现代化的教学方法要求改变传统的课堂讲授式为启导思维,以教导激发感情,并赋予学生学习的主动性。
虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以教师为中心的授课形式将会被改变,以学生为中心的个别化教学,合作化教学和环境中自我控究得以真正实现。
虚拟现实正是现代教育思想指导下,使用新技术改进教学方法的尝试。
引入虚拟现实技术到教学,从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。
在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学容外在形式的生动化与在结构的科学化将更紧密的结合起来,这种环境将极促进教学观念发生变化。
6.1.7教学容的变化
教学容是教学过程中传递中教学信息,是学生获取知识,掌握技术,发展能力的主要源泉。
多媒体虚拟现实技术的引入使教学容无论是外在形式还是在结构都产生了很大的变化。
(1)教学容外在形式的变化。
学生的技术水平和动手能力是在实验,实训中培养出来的,在传统的实践教学中,实验课容主要是学科性的理论验证和学会使用设备,仪器,并从中归纳,总结出规律。
这些年来,随着教育技术的发展,从原来只是用录音,录像来辅助文字教材进行教学的方式发展为使用有人面交互的多媒体技术。
多媒体的信息类。