VR教育应用硬件解决方案

一、方案背景

传统的虚拟仿真实验室都是建立在机房上的，通过PC机操作各种虚拟仿真软件，缺乏沉浸感，特别是对某些需要临场感学科（如机械、心理学、艺术、医学等）的实验实训，而这些学科的实践教学通常存在实验危险系数高、实验设备及器材昂贵、实验受时空限制等因素影响。紧跟时下虚拟现实技术装备的发展趋势，结合高校、职业院校、中小学实训实践教学需求和企业培训需求，打造沉浸感更强、交互更为丰富，同时兼具单人、多人、分角色实验实训考核、软硬件环境于一体的虚拟仿真实验实训环境迫在眉睫！

二、建设思路

VR教育应用硬件系列产品整合了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、扩展现实（XR）、物联网（IOT）、大数据（DB）、人工智能（AI）、互联网+等行业尖端技术，采用音视频处理、仿真交互、图形图像处理等配套硬件设备，提供全方位的、服务于实践教学、科学研究与形象展示的”124“立体化虚拟现实教育应用解决方案，即一个中心、两个基地、四个实验室。让使用者从视觉、听觉、触觉高度沉浸在虚拟实训、实验环境中，通过在三维虚拟环境进行操作交互来模拟、还原真实实验操作，并通过大尺寸屏幕显示设备提供资源展示平台，可以提升实验中心的整体形象及激发使用者的学习兴趣。为客户在虚拟现实应用领域创造集教学、科研、实验多功能一体化平台。

具体建设内容包括虚拟现实创新教学实验室、全息教学实验室、沉浸式VR实验室、创新课程研发实验室四大虚拟现实专业教室，由LED小间距3D显示系统、动作捕捉系统、桌面级VR交互系统、MR互动教学系统、AR互动教学展示系统等十大部分构成。 

图1 “124”立体化虚拟现实教育应用硬件解决方案

三、解决方案

1.虚拟现实创新教学实验室

图2 虚拟现实创新教学实验室效果图

虚拟现实创新教学实验室为实验实践教学提供了一个大视野的立体化教学环境，通过数字建模技术还原现实场景，教师采用VR交互设备进行互动教学，学生佩戴眼镜观看，如同置身于真实的操作环境中，具有直观、立体、生动、体验式教学的特点。该实验室可用于公共安全灾害应急展示、大型工程施工现场的工况运作模拟、复杂设备内部立体显示、虚拟工厂实训等。

2.全息教学实验室

图3 全息教学实验室效果图

全息教学实验室主要由多套桌面级VR交互系统组成，全息成像技术能将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、立体的方式呈现在受众眼前，并实现虚拟与现实的融合，系统适合应用于大型、贵重设备仪器的展示、加强学生对微观世界原理的认知，学习方式新颖有趣，加深学习者的印象与学习理解。

3.沉浸式VR教学实验室

图4 沉浸式VR教学实验室效果图

沉浸式VR教学实验室主要由VR头戴设备和图形工作站组成，能够给学习者提供一个完全虚拟的世界，通过视觉、听觉、触觉等全方位环境的营造，给学习者带来一种身临其境的现场感，增强现场带入感和学习专注度，大幅提升学习兴趣和效果！

4.创新课程研发实验室

图5 创新课程研发实验室效果图

创新课程研发实验室提供了一套开放式研发平台，并搭建了高端图形工作站、开发平台，头戴式VR设备、数据手套等设备环境，采用校企合作共建的灵活方式，让学生掌握VR课程开发能力，提高创新创业实践能力，由使用者跨越式升级为研发者。

四、方案特点

1、可灵活定制设计：根据客户实际需求进行专业设计，通过灵活的软件硬件搭配来满足客户的不同需求。

2、开放性：整套硬件系统基于开放性设计，适用于目前各类主流虚拟现实开发平台，可满足不同虚拟仿真技术开发的软件显示与操作交互。

3、可扩展性：可在现有硬件环境中添加各类虚拟现实交互设备。

4、整体性：提供软硬件一体化的VR虚拟仿真实验实训环境解决方案，包括VR硬件和配套软件资源。

五、成功案例

截至2020年2月，北京润尼尔已与500多所教育类客户建立深度合作关系，同时双方校企合作建设50多个虚拟现实实验室，帮助院校、企业打造软硬件一体化的实验教学环境。

1.四川美术学院艺术实验教学中心项目

该实验教学中心主要由沉浸式虚拟交互系统、增强现实虚拟交互系统、桌面式虚拟交互系统、全息投影演示系统、拟音室和拍摄区六大部分构成。建设完成后，该中心服务于全校的视觉传达设计、数字媒体艺术、环境设计、服装与服饰设计、工业设计、艺术设计等多学院多专业的虚拟仿真实验教学。同时，还为全校的专业课题科研、成果展示提供专业化的展示孵化平台。

图6 四川美术学院艺术实验教学中心效果图

图7 沉浸式虚拟仿真交互环境实景图

图8 沉浸式VR教学系统实景图

2.商丘学院虚拟仿真综合实验室

该实验室主要由沉浸式VR交互系统、LED小间距立体显示系统、MR互动教学系统、全息投影演示环境、音响系统五大部分构成。该实验室针对土木专业、机电专业、机械专业等多个学科提供专业的虚拟仿真实验教学。该实验室承担了全校的课程实训责任，提高了学生实习效率。 

图9 商丘学院虚拟仿真综合实验室效果图

图10 LED小间距立体显示系统和动作捕捉系统实景图

图11 多人仿真平台实景图

3.北海中学VR实验室

滨州北海中学是滨州北海经济开发区内的唯一一所公办高中。学校采取与省内名校山东省北镇中学联合办学的方式，实现区域高中教育优质发展，于2019年秋季正式开学。按照新建学校高标准和高起点要求打造VR创新功能教室。该教室配备16套沉浸式VR交互系统，配有8套六边形桌椅、VR创新功能教室为中学生提供了心理拓展训练类实验8个、创意思维拓展训练类实验5个。使学生在学习之余增加了课外拓展训练，培养学生的自信、自理、自学能力，对学生进行以心理素质教育为主的VR体验训练，磨炼意志、开拓视野、增强毅力，为学生的学习生活奠定良好的基础。 

图12 北海中学VR实验室效果图

图13 北海中学VR实验室实景图

4.虚拟现实教育应用研究院

虚拟现实教育应用研究院在2017年由教育部装备中心牵头成立，主要服务于教育装备领域发展，为教育事业发展提供支持，通过现场参观、体验、交流等形式，让更多学校从中便捷的获取经验。
北京润尼尔与虚拟现实教育应用研究院联合共建了VR综合展示中心，该展示中心主要由沉浸式虚拟交互系统、桌面式虚拟交互环境、LED小间距立体显示系统、AR互动教学系统、MR互动教学系统、全息教学系统、音响系统七大部分构成。

图14虚拟现实教育应用研究院效果图

图15研究院领导VR展厅参观合影