国家级大学生创新训练项目申报书基于虚拟现实VR技术的仿真实验研究.docx

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国家级大学生创新训练项目申报书基于虚拟现实VR技术的仿真实验研究

国家级大学生创新训练项目申报书（基于虚拟现实（VR）技术的仿真实验研究）

附件2：

国家级大学生创新训练项目

申报书

项目名称：

基于虚拟现实（VR）技术的仿真实验研究

学　　院：

指导教师：

项目组成员：

教务处制

2016年4月26日

项目名称（限项目来源为2.3填写）

来源项目类别（限项目来源为2.3填写）

注：

1.“项目开展支撑平台”指支撑本项目开展的校、院级教学实验中心、科研实验室等，表中填写有关实验室名称，可以多个。

2.“来源项目类别”栏填写“863项目”、“973项目”、“国家自然科学基金项目”、“省级自然科学基金项目”、“教师横向科研项目”、“企业、社会委托项目”以及其他项目标识。

主要研

究内容

（限200字内）

本项目基于虚拟现实（VR）技术，研究设计并开发虚拟现实实验室，实现人们通过VR智能体感设备进入设计的虚拟实验室中，身临其境地进行模拟实验。

主要研究内容包括：

（1）虚拟现实（VR）开发技术的研究

（2）人体与虚拟场景的仿真交互研究；（3）虚拟现实实验室模型的构建；（4）虚拟仿真实验的设计与实现。

项目研究难点及创新点

难点：

（1）虚拟现实开发技术：

选择合适的硬件平台，并快速掌握虚拟现实开发技术，了解软件开发的架构体系，掌握3D文件格式。

（2）虚拟现实实验模型的构建：

研究开发该VR虚拟现实实验室的核心点在于虚拟实验室数字模型的构建。

需要实地考察收集建立实验室所需的各种设备参数等详细数据，使用DVS3D、Unity3d5.3或国产软件VRP构建可应用于VR设备的虚拟现实实验室模型。

（3）人体与虚拟场景的仿真交互：

VR技术的内涵就在于在计算机生成的虚拟三维环境中给人可交互式的沉浸式感觉。

开发该VR虚拟现实实验室的最大的难点也在于给人尽可能真实的虚拟体验。

在虚拟机械实验室中，很多情况需要实时精确的视觉、听觉、触觉等反馈，因此在建造出的虚拟实验室中模拟出现实生活中的物理定律，能够实现虚拟现实的高仿真性与人机交互能力。

创新点：

将VR技术应用于虚拟现实实验的开发，创造性地使人在人为构建出的虚拟空间内进行模拟科研实验，这种实现方式就是一种创新；同时，我们在此项技术应用完成后会逐渐向增强现实（AR）、混合现实（MR）方向发展，起到抛砖引玉的作用，而且这些都是虚拟现实实验建设摆脱传统PC设备后的创新之处。

一、项目组成员分工

姓名

主要项目研究内容

李楠

虚拟现实实验室模型的构建

张毅飞

人体与虚拟场景的仿真交互

唐潇

VR虚拟现实实验室系统的开发与测试评估

二、立项背景和依据（包括研究目的、意义、国内外研究现状分析及评价）

研究背景：

VR（VirtualReality，即虚拟现实，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（JaronLanier）在20世纪80年代初提出的。

其具体内涵是：

综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。

它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

2016年是VR产业爆炸发展的一年，鉴于当前机械行业实验室的高耗能、高耗材、以及对部分加工材料高精度等的加工要求，为了节约实验成本，降低实验失误率，我们可以使用基于VR技术的高仿真度虚拟现实实验室进行模拟实验，还原真实实验数据，并可以反复应用，具有利用率高，易维护等诸多优点。

研究目的、意义:

研究并开发基于VR技术的虚拟现实实验室的目的在于构建一个与现实全真化模拟的虚拟平台，所有能在现实实验室中进行的实验步骤均可转移至虚拟实验室中进行。

使用虚拟实验室的好处在于比起现实的实验室有高保障的安全性，而且实验能反复进行，节省实验材料，节约实验成本，适用于进行大规模多频次的预实验，利用率高，易于维护。

在机械工程、土木工程、军事及航空航天工程等多种领域有着广泛的应用前景。

国内外研究现状分析及评价：

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。

随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟现实实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高，易维护等诸多优点。

近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。

国内虚拟现实实验室主要有以下四种：

桌面虚拟现实实验室、沉浸式虚拟现实实验室、分布式虚拟现实实验室、增强型虚拟现实实验室。

我国于2015年1月下发文件要求全国高校建立远程遥控实验室作为教学需要。

一年多以来，各个大学具有所成绩。

如清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果也在网上公开展示，供远程教育使用；上海交大，复旦大学等也将虚拟仪器系统用于教学和科研；在重庆大学，机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学中心，依托机械工程国家一级重点学科和国家级教学科研平台，按照本科毕业生必须具备的、独立的、可评估的知识、能力和素质基本要求的培养目标，立足于“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在国家“211”工程、“985”工程及校院专项建设资金的支持下，已建设成为国内一流的虚拟仿真实验教学中心。

但国内的虚拟实验室大多以浏览功能为主，目前将诸多交互功能整合与实验室中仍是国内一个空缺，基于虚拟实验室的特点，其在教学方面必能成为一个主流方向，而在科研方面也会随着其功能的完善，成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向。

目前，虚拟实验室在发达家已十分普及。

作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究和应用已处于领先地位，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用。

它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过一个用Java激活的Web浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计，最近还实现了通过手机远程控制实验的功能。

VLAB是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站。

该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。

该系统采用Java语言开发，实验程序需要从服务器端下载，并运行在客户机上。

由美国Michigan大学化学工程系创建的VRCEL实验室，主用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。

美国霍华德•休斯医学研究会（HHMI）建立的虚拟实验室是完全交互式的生物医学的实验室模拟。

德国Ruhr大学网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统,它通过直观的三维实验场景视觉效果,依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。

西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台。

意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。

新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验，在远程控制实验方面取得很大的成果。

三、主要研究内容和目标（包括研究方案和技术路线）

一、主要研究内容

（1）虚拟现实实验室模型的构建

建设VR虚拟现实实验室的首要任务就是构建虚拟实验室的3D模型。

此过程分为DVS3D、Unity3d、VRPBuilder等软件的学习；实验室参数及设备参数的收集；虚拟实验室3D模型的构建三步。

首先我们需要学习VR模型开发语言和相关开发软件的使用，选择与购进VR硬件设备所配套的软件开发，之后确定开发的实验室类型然后实地勘测获取相关参数，最后根据收集到的参数研究并构建出虚拟实验室的VR模型。

（2）人体与虚拟场景的仿真交互

此部分的研究目标是将构建好的VR虚拟实验室模型和人体动作指令仿真化交互。

在构建出的虚拟实验室模型中插入触发函数，做到人体能够使用VR硬件设备控制实验室中设备、仪器相关变量的触发。

另外，VR交互设备的选择也是做到软件硬件相兼容进而达到可以控制的要点之一。

（3）已建成虚拟现实实验室的远程应用

VR虚拟实验室及相关交互触发函数开发完成后，我们可以利用该程序，开发出一套利用学校机房主机服务器，基于校园网可远程登录使用的虚拟实验室教学系统。

此部分的研究重点在于网络控制工程，致力于开发这套网络共享系统并将其用于教学方面。

二、研究方案和技术路线

理论研究：

软件学习→数据采集及导入→3D建模→交互触发函数的编辑

↓↓

实际应用：

用于教学应用科研实验←人机仿真交互测试

注：

如为重庆大学大学生科研训练计划（SRTP）立项项目需写明在原项目的基础上进一步深入研究的内容。

四、研究计划和进度

2016年5月——2016年9月收集资料，学习相关软件的使用及VR开发语言；

2016年9月——2016年10月VR虚拟实验室模型相关参数的收集；

2016年10月——2017年4月VR虚拟实验室模型的构建；

2017年4月——2017年6月测试VR交互设备与模型的交互控制；

2017年6月——2017年12月开发基于该程序的教学系统；

2017年12月——2018年5月整理资料，发表相关论文，申请专利，结题验收。

五、预期提供的成果及形式

（1）成功建立VR虚拟现实实验室应用于科研实验。

（2）成功开发出基于虚拟实验室模型的远程虚拟仿真实验系统应用于教学方面。

（3）建立一套完善的VR虚拟现实实验室自主开发与维护体系。

（4）代表重庆大学与国内VR项目领军高新技术产业达成合作伙伴关系发展本校的虚拟现实产业。

（5）撰写报告论文1篇并申请产品专利。

六、项目研究支撑条件

理论技术：

针对本项VR虚拟现实实验室的研发项目，国内外已有许多高校或机构对相关类型有所研究：

VR程序的开发、虚拟实验室的开发等等。

相关研究都为我们这个项目提供有效的理论技术上的参考支持。

并且我们正在与一些国内VR产业领军企业协商合作，寻求相关技术支持。

实验条件：

形势上，VR技术势必是当今时代主流，也是显示设备的一种发展方向，对VR相关技术应用的研发刻不容缓；硬件上，本项目所需硬件设备无需自主研发，可购进全球最先进的应用于开发者的VR交互设备进行实验；另外，重庆大学拥有国家级机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学中心，依托机械工程国家一级重点学科和国家级教学科研平台，按照本科毕业生必须具备的、独立的、可评估的知识、能力和素质基本要求的培养目标，立足于“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在国家“211”工程、“985”工程及校院专项建设资金的支持下，已建设成为国内一流的虚拟仿真实验教学中心。

这也是我们开展研究实验的平台支持。

指导教师：

尹爱军，男，工学博士，重庆大学机械工程学院机电系教授，主要研究方向：

智能测试理论与技术及虚拟仪器、机电一体化技术、智能控制与计算机协同监控。

学生团队：

本项目团队成员均来自重庆大学机械工程学院机械电子工程专业，团队两人均为班中及年纪学生干部，成绩优异，吃苦耐劳，配合默契，勤于琢磨，善于把握时代机遇，有着丰富的创新能力和优秀的团队合作精神。

七、项目经费概算

一、直接费用

设备费：

6000元（用于购买支持VR显示相关硬件，如：

头戴式VR显示器，数据手套等）

材料费：

1000元（用于各种损耗性材料消费及场地设备等租借费用等等）

差旅费：

2000元（用于出差与相关企业交流协商沟通途中的交通费用）

二、间接费用

不可预知型消费：

1000元。

八、其他

是否重庆大学大学生科研训练计划（SRTP）立项项目

是□，否√

经费配套说明

项目经费10,000元

九、评审、审批意见

学院推荐意见：

主管院长签字：

（公章）

年月日

校评审专家组评审意见：

专家组组长签字：

年月日

学校意见：

（公章）

年月日