VR技術(shù)在污水處理工程中的應(yīng)用

一、 項(xiàng)目背景

1.1 VR技術(shù)簡介

VR(Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí))，是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)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(shè)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(shè)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等。

1.2 VR技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用

目前在發(fā)達(dá)國家，VR在教育領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。早在1985年，美國國立醫(yī)學(xué)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(xué)、虛擬放射學(xué)及虛擬內(nèi)窺鏡學(xué)等學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；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(shí)驗(yàn)室，其目標(biāo)是使它成為具有高度可操作性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以便學(xué)生們能夠在此進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究;德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實(shí)驗(yàn)室；西班牙大學(xué)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(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室;新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)；1995年，在Internet上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”虛擬實(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)者”在網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)技術(shù)的開發(fā)和研究與發(fā)達(dá)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(xué)家的高度重視。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)引起我國各界人士的興趣和重視。九五計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金會、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把VR列入了研究項(xiàng)目。國內(nèi)的一些重點(diǎn)院校,已積極開展了這個領(lǐng)域的研究工作。

1.3 本項(xiàng)目的應(yīng)用背景

隨著VR技術(shù)及設(shè)備的不斷進(jìn)步，其在影視、GAME等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐步擴(kuò)大和普及。在教育領(lǐng)域，目前關(guān)于VR+教育的構(gòu)想已實(shí)現(xiàn)，高盛曾作出預(yù)測，截至2025年，VR教育產(chǎn)值有望達(dá)到7億美元，并將覆蓋K-12（基礎(chǔ)教育）和教學(xué)軟件領(lǐng)域，VR和教育的結(jié)合被認(rèn)為在未來有著巨大的市場。

在環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)領(lǐng)域，教學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)通常包括：勝任污染控制工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)營管理、以及新工藝和設(shè)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(xué)習(xí)就進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)或方案制作，難免有“紙上談兵”之嫌，而缺乏實(shí)際現(xiàn)場感官上的認(rèn)識，也自然無法具有設(shè)計(jì)符合實(shí)際的工程的底氣和信心。

為對實(shí)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(yùn)行的工廠進(jìn)行參觀。但是，在正常運(yùn)行的工廠中，通常有多重限制，學(xué)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(shè)備，也無法深入到危險(xiǎn)場景中。

而VR技術(shù)本身具備真實(shí)、有趣的特性，讓枯燥、抽象的圖紙轉(zhuǎn)化為豐富、立體的真實(shí)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(shè)備成本，提高了教學(xué)的品質(zhì)和效率。

本項(xiàng)目以某真實(shí)城市自來水廠為基礎(chǔ)，搭建三維虛擬環(huán)境，并配套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備(三維眼鏡、手套、頭盔等)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，為學(xué)生再現(xiàn)一個真實(shí)、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(chǔ)模型

自來水廠基礎(chǔ)模型，是整個水廠的綜合體現(xiàn)。也是VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(shí)際工廠項(xiàng)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(shè)備：泵、攪拌機(jī)、風(fēng)機(jī)、藥劑箱、脫水機(jī)、污泥輸送機(jī)等；

監(jiān)測儀器：流量計(jì)、液位計(jì)、壓力表、pH計(jì)、濁度計(jì)等；

附屬：爬梯護(hù)欄、標(biāo)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(chǔ)模型中，加入相關(guān)聯(lián)的動作，讓學(xué)習(xí)者借助“手套”，對各個設(shè)備進(jìn)行“操作”，并同時啟動相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，液態(tài)及氣態(tài)的流動模擬等。具體包括：

工藝設(shè)備的啟停：水泵、風(fēng)機(jī)、攪拌電機(jī)、輸送機(jī)、加氯機(jī)等設(shè)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(shè)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(jī)VR方案

設(shè)備：主流手機(jī)、VR手機(jī)眼鏡；

優(yōu)點(diǎn)：硬件費(fèi)用低，操作簡單；

缺點(diǎn)：軟件費(fèi)用高，開發(fā)周期長；

操作方式：將手機(jī)置于VR手機(jī)眼鏡內(nèi)部，通過頭部運(yùn)動來操作眼鏡內(nèi)部視點(diǎn)，視點(diǎn)到達(dá)觸發(fā)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)交互。

暴風(fēng)魔鏡

三星Gear

2.3.2大范圍定位方案

設(shè)備：相應(yīng)配置電腦、VR頭盔、大范圍定位系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：空間利用率高

缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)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(shè)備：高配置電腦、Oculus

優(yōu)點(diǎn)：空間利用率高，運(yùn)行穩(wěn)定

缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)用高，操作不便

操作方式：將相關(guān)設(shè)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(shè)備：高配置電腦、HTCvive

優(yōu)點(diǎn)：主流設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定

缺點(diǎn)：空間利用率低，設(shè)備費(fèi)用高

操作方式：將相關(guān)設(shè)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(shí)際案例：