VR技術(shù)在污水處理工程中的應用

一、 項目背景

1.1 VR技術(shù)簡介

VR(Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實)，是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。其中，計算機生成的、可交互的三維環(huán)境成為虛擬環(huán)境(Virtual Environment，簡稱VE)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實仿真平臺 (Virtual Reality Platform，簡稱VRP)。

VR系統(tǒng)的組成：VR系統(tǒng)主要由計算機軟、硬件系統(tǒng)（包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫）和VR輸入、輸出設備等組成。

VR技術(shù)具有交互性，指用戶對虛擬環(huán)境中對象的可操作，并可以從虛擬環(huán)境中得到自然反饋。

主要借助于各種設備，如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等，使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對象。

VR技術(shù)的沉浸感，又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。是VR技術(shù)主要的特征。

影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息，畫面的視野、實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應及交互設備的約束程度等。

1.2 VR技術(shù)在教育行業(yè)的應用

目前在發(fā)達國家，VR在教育領域已得到了廣泛的應用。早在1985年，美國國立醫(yī)學圖書館(NLM)就開始人體解剖圖像數(shù)字化研究，并利用虛擬人體開展虛擬解剖學、虛擬放射學及虛擬內(nèi)窺鏡學等學科的計算機輔助教學；1992年，馬克·英格里伯格和洛賓·比得迪提合作創(chuàng)建了一個虛擬物理實驗室，其目標是使它成為具有高度可操作性的實驗環(huán)境，以便學生們能夠在此進行基礎物理研究;德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化實驗室；西班牙大學電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺；意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗；1995年，在Internet上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”虛擬實驗，“實驗者”在網(wǎng)絡上互相交流、發(fā)表自己的見解，甚至可以在屏幕上親自動手進行解剖，用虛擬手術(shù)刀一層層地分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織，與真正的解剖實驗幾乎一樣，瀏覽者還能任意調(diào)整觀察角度、縮放圖像。

目前，在我國，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)和研究與發(fā)達國家相比還有很大一段距離，但已引起政府有關(guān)部門和科學家的高度重視。隨著計算機系統(tǒng)工程、計算機圖形學等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)引起我國各界人士的興趣和重視。九五計劃、國家自然科學基金會、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。國內(nèi)的一些重點院校,已積極開展了這個領域的研究工作。

1.3 本項目的應用背景

隨著VR技術(shù)及設備的不斷進步，其在影視、GAME等領域的應用已經(jīng)逐步擴大和普及。在教育領域，目前關(guān)于VR+教育的構(gòu)想已實現(xiàn)，高盛曾作出預測，截至2025年，VR教育產(chǎn)值有望達到7億美元，并將覆蓋K-12（基礎教育）和教學軟件領域，VR和教育的結(jié)合被認為在未來有著巨大的市場。

在環(huán)境工程專業(yè)的教學領域，教學培養(yǎng)的目標通常包括：勝任污染控制工程的設計及運營管理、以及新工藝和設備的研究和開發(fā)等工作。

作為環(huán)境工程專業(yè)的畢業(yè)生，僅僅通過理論學習就進行圖紙設計或方案制作，難免有“紙上談兵”之嫌，而缺乏實際現(xiàn)場感官上的認識，也自然無法具有設計符合實際的工程的底氣和信心。

為對實際工程現(xiàn)場有深入的了解，目前大多數(shù)院校都是以現(xiàn)場參觀的形式，到已經(jīng)建成并穩(wěn)定運行的工廠進行參觀。但是，在正常運行的工廠中，通常有多重限制，學生往往局限在工程的表象，無法深入構(gòu)筑物內(nèi)部，無法從多方位觀察設備，也無法深入到危險場景中。

而VR技術(shù)本身具備真實、有趣的特性，讓枯燥、抽象的圖紙轉(zhuǎn)化為豐富、立體的真實環(huán)境，成功的打破了空間和時間的限制，并節(jié)約了時間和設備成本，提高了教學的品質(zhì)和效率。

本項目以某真實城市自來水廠為基礎，搭建三維虛擬環(huán)境，并配套虛擬現(xiàn)實設備(三維眼鏡、手套、頭盔等)，利用虛擬現(xiàn)實的交互性，為學生再現(xiàn)一個真實、豐富、可交互的自來水廠。

二、       虛擬自來水廠

2.1 虛擬自來水廠的工藝架構(gòu)

其他可選單元：臭氧消毒，活性炭吸附、電滲析、反滲透等。

2.2 可選功能描述

2.2.1自來水廠基礎模型

自來水廠基礎模型，是整個水廠的綜合體現(xiàn)。也是VR系統(tǒng)的基礎配置。其內(nèi)容為：

根據(jù)用戶所選擇的工藝單元，將每一個工藝單元的外形輪廓按實際工廠項目搭建起來，形成三維空間，可供用戶虛擬參觀。

每個工藝單元，分別包含：

構(gòu)筑物/建筑物：內(nèi)部填料、擋墻、泥斗、出水堰、布水槽；

工藝設備：泵、攪拌機、風機、藥劑箱、脫水機、污泥輸送機等；

監(jiān)測儀器：流量計、液位計、壓力表、pH計、濁度計等；

附屬：爬梯護欄、標示牌、工藝管道（閥門井、閥門、軟接頭、法蘭、管廊）等。

2.2.2自來水廠動態(tài)模擬

在1）基礎模型中，加入相關(guān)聯(lián)的動作，讓學習者借助“手套”，對各個設備進行“操作”，并同時啟動相關(guān)聯(lián)的設備，液態(tài)及氣態(tài)的流動模擬等。具體包括：

工藝設備的啟停：水泵、風機、攪拌電機、輸送機、加氯機等設備的啟停；

閥門的啟閉：蝶閥、閘閥等的啟閉；

流體的控制：與相關(guān)的設備啟動后，自然呈現(xiàn)水的流動、水位的升高降低、氣體的曝氣效果、攪拌的漩渦效果等。

2.3 硬件配置方案

2.3.1手機VR方案

設備：主流手機、VR手機眼鏡；

優(yōu)點：硬件費用低，操作簡單；

缺點：軟件費用高，開發(fā)周期長；

操作方式：將手機置于VR手機眼鏡內(nèi)部，通過頭部運動來操作眼鏡內(nèi)部視點，視點到達觸發(fā)點來實現(xiàn)交互。

暴風魔鏡

三星Gear

2.3.2大范圍定位方案

設備：相應配置電腦、VR頭盔、大范圍定位系統(tǒng)

優(yōu)點：空間利用率高

缺點：設備費用高

操作方式：將VR頭盔和電腦連接，通過日常肢體動作來完成操作。

2.3.3其他可選硬件配置

1）、設備：高配置電腦、Oculus

優(yōu)點：空間利用率高，運行穩(wěn)定

缺點：設備費用高，操作不便

操作方式：將相關(guān)設備連接電腦，在規(guī)定范圍內(nèi)，通過日常肢體動作來完成操作。

2）、設備：高配置電腦、HTCvive

優(yōu)點：主流設備，運行穩(wěn)定

缺點：空間利用率低，設備費用高

操作方式：將相關(guān)設備連接電腦，在規(guī)定范圍內(nèi)，通過日常肢體動作來完成操作。

實際案例：