道路与桥梁工程虚拟现实建设方案

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1、道路与桥梁工程虚拟现实建设方案公司名称：http:日期：2011年12月18日道路与桥梁工程1虚拟现实建设方案11.引言42.编写目的63.项目背景74.虚拟现实系统（VR System）84.1虚拟现实技术解释84.1.1虚拟现实的概念84.1.2虚拟现实技术概念84.2 虚拟现实技术和模拟仿真的区别94.3 虚拟现实包括的系统104.4 VR计算机处理技术的三个方面104.4.1实物虚化104.4.2虚拟实化114.4.3高性能计算处理技术115.虚拟现实技术的应用125.1虚拟显示技术的应用135.1.1虚拟现实在军事的应用135.1.2在产品设计与性能评价方面的应用135.1.3在教育

2、行业的应用135.1.4在娱乐行业的应用135.1.5在作业环境下的训练145.1.6在科研开发中的应用145.1.7在对象可视化领域中的应用145.1.8我国虚拟现实的应用现状146虚拟现实教学系统166.1虚拟现实对高校教学的影响166.1.1有利于挖掘高校潜能166.1.2建设“常新“型的实验实训基地166.1.3促进数字化校园的建设166.1.4发展虚拟教学166.1.5虚拟现实技术对教学的影响176.1.6教学观念的变化176.1.7教学内容的变化176.1.8教学手段的变化186.2虚拟现实教学系统的现实意义207.项目概述217.1虚拟桥梁建设施工教学系统的应用方式217.1.1

3、 虚拟课堂217.1.2 虚拟大学217.1.3 建立虚拟桥梁工程系统的意义228.虚拟道路桥梁工程建设目标及运行环境238.1系统建设的目标238.1.1系统体现238.1.2软件系统运行环境248.1.3模型资料库系统258.1.3实时操作模拟系统278.1.4虚拟成景系统278.1.5三维场景模型建立288.1.6坐标系288.1.7虚拟桥梁工程建设比例29.8.1.8虚拟桥梁工程建模298.1.9动画308.1.10交互控制308.1.11多媒体声音特效318.1.12动态音效系统318.1.13立体伴音系统318.1.14文字语音转换TTS系统311.引言“虚求牵引，技术推动”是促进

4、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、复杂性以及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及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

5、、听觉、以及物体、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，桥涵及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

6、需求信息，形成本专业的能力结构、知识结构及素质要求；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

7、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及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，

8、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。西安灵龙电子科技有限公司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

9、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，以及对施工过程的体现，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

10、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

11、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，触觉一体化的特定范围的虚拟环境，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，触觉以及

12、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，听觉以及触觉实施使人们得到三维的视觉，听觉及触觉等感觉世界。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

13、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（人工智能），（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

14、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

15、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及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

16、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，以及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

17、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

18、机到XY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

19、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，数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别，语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速，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相同的反馈信息，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（夸张虚拟现实）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，

20、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

21、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，甚至深入原子内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，

22、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

23、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

24、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范围。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，我们国内的一些院校和科研单位，陆续开展了V

25、R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内容，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

26、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“和教学内容在虚拟环境中不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展，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

27、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网站，由局域网工具变为校园网站链接，可对各个行业提供开放性的，远距离的继续教育，及其急需的课程教学，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

28、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，教学内容现代化，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，由教师决定教学内容，结构，教学方法及教学进度，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

29、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，在这个基础上教学内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”，教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密的结合起来，这种环境将极大地促进教学观念发生变化。6.1.7教学内容的变化教学内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

30、力的主要源泉。多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。（1）教学内容外在形式的变化。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，实验课内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。多媒体的信息类型有静态的，运动的，超级链接的视觉和听觉信息，媒体信息形式通过计算机的集成处理，提供了超文本，图形，图像，图表，音频和动画。多媒体信息表现形式多样，对于抽象的，概括的概念，原理，除了用文字和语音协同

31、描述外，还可以用三维实景虚拟现实过程，对于不可视的变化，无法触摸的物体或有危险的场所，甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件，也可以通过虚拟现实技术去展现。多媒体技术存贮信息量大，教学内容可以用最有效的方式来表现；而且，同一教学内容还可以用多种信息形式来表现，这就有利于克服单一媒体表现及难以协同表现的弊端。虚拟现实所提供的人机交互的特点尤其适用于个性化教育，因地施教，因材施教，培养高素质的综合型人才。（2）教学内容的内在结构的变化。虚拟现实的应用将带来教学内容结构的变化教学内容的内在结构就是学科知识结构设计，知识结构是学科知识间的逻辑关系，是学科内含智力因素的信息源。传统的教材及实验指导材料都

32、是以线性结构来组织学科知识结构的，知识内容的结构及顺序都是以教为主，教学顺序性很强，学生只能在教师的讲授下获得正确的概念，原理及逻辑关系。这种形式的学习，学生对教师的依赖性很大，教材也只是一种教授材料，学生利用它学习的自由度不大，灵活性不强，难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。使用虚拟现实技术后，多种媒体的信息通过网络化超链接，就可以接近人类认识知识的特点的方式去组织和展示教学内容，构建知识结构，这种网状的信息组织方式是一种非线性结构，链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体多媒体信息处理的高度集成，把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性，复杂性结合起来，为学生提供了一种动

33、态，开放的结构化认知形式，它既包括了学科的基本内容，又所括了学科内容之间的逻辑关系，既注重知识的形成过程，又注重知识的结构，凭借视觉，听觉，触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合，虚拟现实的这种非线性结构利于学生进行扩散思维，联想原有的知识，获得新的知识。6.1.8教学手段的变化教学手段是教学过程重要的组成部分之一，它是实现教学目的和教学任务的有效保证。多媒体虚拟现实技术应用于教学过程后，可以促使教学手段向科学化，高效益方向发展，其变化可以体现在以下几个方面：（1） 互动启发式教学。虚拟现实有助于启发式教学的开展，与传统的幻灯，投映胶片和CAI课件想比都有很大的进步，尤其在

34、演示教学内容方面能提供直面的，形象的多重感官刺激的视听觉材料，以一处直接的信息传递方式，通过亲临其境，自主控制的人机交互，由视觉，听觉，触觉获取“外界”的反应，提供生动活泼的直观形象思维材料，展现学生不能直接观察到的事物等，形成知识点。学生则从思维，情感和行为三个方面参与教学活动。这也是形成启发式教育的基础。虚拟现实教学对教师引导学生讨论交流带来方便，更有利于训练学生的分析能力，产生知识结构的新生长点，构建多学科交叉的知识网络，有利于学生知识的获取和增长，培养有创新意识的综合型人才。（2）发现式教学。发现式教学是以解决问题为中心的教学形式，虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境，有针

35、对性地建构虚拟情景，引导学生进行控究，它以一种接近人类认知特点的网络化结构形式，每个节点包含不同媒体信息的知识点，各知识点之间的逻辑链接关系构成了教学内容的知识结构，提供了发现式的学习思维轨迹。虚拟现实教学不但提供良好的人机交互，还允许学生出错时，自行了解错误的根由及后果，发现解决问题的方法，进而通过分析，综合，比较，归纳，推理等高级思维技能围绕假设进行论证，接近或掌握真理。形成发现式的学习风格和策略，培养高层次的思维技能，这也是素质教育的重要内容之一。（3）协同工作式教学。以往的教学手段交流只能限于师生之间，学生与学生之间缺乏协作，而虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制，可让远距离的师生

36、或位置分散的学生“共处于”一个虚拟空间中，通过共同参与，且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。这种教学手段与传统的课堂教学中师生之间产交流仅限于固定时间，固定空间的结构中有很大的差别，不但师生之间可有效交流，而且学生之间能实现协作，培养协同工作的意识，使学生具备适应大系统工作的能力。（4）情境式教学。虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力，能够把教学中的抽象原理，真实的实验过程等形象生动地表现出来，给学生创设真实的学习情境，帮助学生获得示范性的知识，把握概念原理的实质。（在此项目中我们可以真实的去体验桥梁工程建设整个流程的各个环节）6.2虚拟现实教学系统的现实意义综上所述，虚拟现实技

37、术进入高校教学的研究将对探索，发展现代教育思想，提高教育技术水平，改善实验实训环境，优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远影响，并将有助于解决不可视，不可摸，不可入，危险性场所的实验等问题，解决高校普遍存在的实训设备不足，型号落后，难以更新换代跟上科技发展的困验。综合运用多媒体技术，虚拟现实技术和网络技术，还可避免采用数据头盔等极其昂贵设备的半实物仿真方案，能充分发挥虚拟现实技术的集成性，控制性和交互性的特点，这种运用还可向网格学校，虚拟教育延伸。虚拟实验室实际上是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察，操纵，建构其中的对象，使他们获得体验或有所发现。将VR技术应用于教

38、育可以使学生能够游览海底，遨游太空，观摩历史城堡，甚至深入原子内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。7.项目概述虚拟桥梁工程建设是为了适应目前的VR科技发展的潮流和为了适应学校学生教学模式的转变和为了提高学生实验的技能而建立的，该系统的建立将从根本上改变虚拟桥梁建设的整个教学模式，解决学生实验教学的基本问题，让学生对道路桥梁建设有一个新的认识，从而在走上社会之后，能更好的为社会服务。就教育理论而言，虚拟现实实现人的临场化，参与者与虚拟环境相互作用，互相影响的一个整体的两个方面，它营造了“自主学习，体验学习”的环境，由传统的“以促教学”的学习方式代之为

39、学习者通过自身的信息和环境的相互作用来得到知识，技能的新型的学习方式。虚拟实现既可以缩短训练的时间，又可获得直观，真实的效果，还能对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实训，一方面培训学习体验环境、维护、操作和设计、的技能等，另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力。7.1虚拟桥梁建设施工教学系统的应用方式其虚拟桥梁建设有两种应用方式：虚拟课堂和虚拟实验室。7.1.1 虚拟课堂即以学生维虚拟对象或教师维虚拟对象的所谓的“虚拟大学”。7.1.2 虚拟大学设备为虚拟对象，即应用计算机建立能客观反映现实世界的规律的虚拟仪器用于虚拟实验，可以部分的代替在现实世界难以进行的，或者是费时，费力和

40、费资金的实验，学生和科研人员在计算机上进行虚拟实验和虚拟预测分析。可以对桥梁工程施工进行动态三维实时模拟，从而达到优化生产系统的目的。操作人员可以与这一系统进行交互作用，他可以在任意时刻或任何空间进入系统模拟出的任何区域，通过计算机屏幕显示出所规划设计的桥梁作业情况，这种模拟超过以往任何方法建立的模型所达到的效果。7.1.3 建立虚拟桥梁工程系统的意义虚拟桥梁工程是一个复杂的生产系统，人们仅靠图纸不容易清楚的了解虚拟桥梁工程的生产，运行等状况。通过VR技术，可用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速，有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种系统的运行过程，受训者可以从各种角度去观测，分析系统运行

41、的过程，包括系统设计和现场人员的动作行为。可以建立基于VR的道路桥梁建设生产系统，或局部的生产状况表现图，三维，交互式的展示虚拟桥梁工程生产系统的布置状况及生产工艺流程，使不熟悉虚拟桥梁工程的的人较容易直观地了解整个虚拟桥梁工程生产系统。传统的虚拟桥梁设计，地质，测绘人员等习惯于依懒信息的二维表示。如：平面图，剖面图，等高线程图等。工程人员在使用这些图纸时，要在大脑中“构想”出相应的三维模型，这常常使某些重要的信息表达疏漏或根本考虑不到。基于VR技术的虚拟桥梁工程设计和应用系统可以使工程师“所想即所见”，从而避免上述错误的发生。虚拟桥梁工程设计VR设计系统可以即时生成桥梁工程师们设计的高架桥，

42、施工配置，施工阶段展示等的三维虚拟模型，并且这些模型可以与设计者们实现自然交互。例如：在模拟高架桥的可行性研究中，我们面对的将不仅是一些图纸。8.虚拟道路桥梁工程建设目标及运行环境8.1系统建设的目标西安灵龙电子科技有限公司，将会在项目开始建设之前，根据学校教学的实际要求，做深入的调研分析，模拟工程建设的过程以及工程建设后的整体效果和局部细节。通过这个工程模似仿真，我们能够对工程过程每个细节进行细致研究，并做出合理的适合学生教学的虚拟道路桥梁建设的VR系统，有效的帮助学生提高学习技能，帮助老师改变教学模式，为学生更好的适应社会得到成长。8.1.1系统体现虚拟道路桥梁建设系统要体现专业的知识结构

43、，通过三维模型，数据库与虚拟现实程序相结合，体现出道路桥梁工程建设的各个环境，从而改变传统的以课堂教学为主的教学模式，推选一体化教学，任务驱动教学、项目导向教学等新的教学模把，把教学环境、不同的教学的内容，进行针对性的再现，在教学中加以应用。虚拟现实系统的体现主要是由软件和硬件相结合构成的，布局如下图所示： 虚拟道路桥梁教学系统建设的硬件系统主要由：立体投影系统、数字化显示系统、立体生成系统、立体眼镜、实时操作模拟系统、数据手套、3D鼠标、数字建模系统等一系列传感辅助设备构成。8.1.2软件系统运行环境8.1.3模型资料库系统模型基本建成之后，如果需要让学生自主的理解每一个设备以及关键环节的属

44、性，必须建立模型的资料库系统。在这里我们需要具备桥梁工程建设各个阶段的工程建设资料。在资料库系统中可以详细的对各个系统的文字信息进行详细描述。每个系统应配备与之相对应的剖面图，及主要的介绍资料，方便系统调用和在讲解的过程中使用。基于资源的学习就是要求学生利用各类资源进行学习。模型资料库是存储模型基本信息的数据库，此数据库随着系统的建立而建立，基本原理味：在系统建模的时候，对于每一个具体的模型环节，建立不同的ID号，此ID号每一个独立的模型系统是不一样的。在数据库系统中，每一个模型的ID号作为数据库系统的主键进行系统的管理，当模型运行的时候模型的每一个环节都可以从数据库中提取相应的数据进行显示。

45、模型资料库管理可以完整的支持大型数据库的全部功能，其核心由两步分组成，数据库管理系统、运行查询系统和客户端管理系统。数据库管理系统负责数据的所有存储、查询、修改功能，支持网络应用。客户端管理功能可以方便系统原始数据的录入功能，本部分功能由JAVA实现。运行查询系统可以动态查询系统的模型数据，并通过相应的功能展现给用户。系统可以为声效管理系统提供有效的文字基本数据。数据库管理系统（DBMS）选择DBMS的选择应遵循如下原则：流行性：网上数据库力求选择主流产品。开放性：基于标准的、可与其他厂商的产品和工具互操作。分布式：允许分布式和集中式计算。可靠性：同硬件系统有效配合，支持数据自动备份和自动恢复

46、功能。安全性：对系统和数据提供多种权限控制。性价比：在满足系统需求的基础上，有尽量高的性能/价格比。目前选择的关系数据库管理系统主要有：Oracle、IBM DB2、Microsoft SQL Server等，可根据实际需要进行选择。SQL Server 2000的性能介绍1SQL Server 2000的安全性管理SQL Server 2000提供多种并行的安全机制，允许管理员进行定义：哪些用户可以登录到 SQL Server 2000；用户可以使用服务器上的哪个数据库；哪些数据库的对象可以由用户访问并修改。哪些Transaction-SQL指令可以由用户执行。SQL Server 2000

47、为数据的安全性提供了很大的灵活性，管理员可以精确地定义哪些用户可以查看或修改数据库中的数据，甚至可以定义到列。2数据管理可从别的数据源导入数据；可从前一版本的SQL的备份文件导入数据；可利用可移动介质复制发放数据。3系统维护系统维护方面的功能包括：定时执行任务；设置报警机制；制定备份策略；定期进行备份；在需要时恢复数据；监视系统性能；调节系统配置优化性能；建立容错系统，制定系统受损时的恢复策略。4数据库文件、行级锁和事务日志SQL Server 2000能够与Windows 2000/XP服务器更好地兼容、现在数据库直接地存储在Wndows 2000/XP服务器的文件里，使用一个操作系统文件集

48、创建一个数据库，每个数据库分别使用不同的文件。数据库中的所有数据和对象，例如表、存储过程、触发器和视图，都只存储在这些操作系统文件里。SQL Server 2000支持数据行和索引入口的完全行级加锁。事务能够修改单个记录，而不会阻塞页面。由于SQL Server 2000通过使用与任务相适合的锁，而使系统开销降至最低，因而提高了性能。事务日志有助于在发生系统故障时恢复数据库的完整性。每个数据库的日志记录由一个或者多个称作日志文件的操作系统文件来维护。这是一个串行的记录，记录着对数据库所做的所有修改，以及每次修改的执行事务。5SQL Server 2000技术指标数据库：最多可创建32767个数

49、据库，数据库最大为1048516Tb。表：每个数据库最多可拥有20亿个表，表最大为ITB。字段：每个表可有250个字段。索引：每个表可以有1个簇索引，249个非簇索引，一个复合索引可有16列。触发器：每个表最多可有3个触发器，触发器允许16级嵌套。存储过程：一个存储过程可包含255个参数，允许16级嵌套。用户连接：最多允许32767个。打开数据库个数：最多允许32767个。8.1.3实时操作模拟系统实时操作模拟系统是模拟虚拟桥梁建设管理的界面，按照标准的虚拟桥梁自动化系统配置进行设计。实时操作模拟系统包括：桥梁施工建设的各个阶段，高架桥，施工过程，施工技术，特点等的模拟。8.1.4虚拟成景系统

50、虚拟成景系统按照实时操作模拟系统的操作进行动态的场景模拟，模拟系统的动作可以在虚拟成景系统中动态的生成并展现。虚拟现实环境是由图像，图形识别与生成系统，声音，触感的识别与产生系统；网络通信系统；人工智能能系统和传感器系统等不同功能不同层次的系统所构成的集成系统，虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。虚拟道路桥梁工程建设系统需要建立一整套的数字化系统仿真模型，通过这些数字化仿真系统可以让学生或者学员可以清楚的了解桥梁工程建设的设计情况以及生产设备的结构状况，并通过这些模型的模拟可以学习和掌握桥梁生产的全部过程，系统可以模拟各种桥梁生产的各种过程。 8.1.5三维场景模型建立三维场景在VR系

51、统中有着举足轻重的做用，它也是虚拟桥梁工程系统的核心，负责三维场景的构造，绘制和管理。为了能客观地反映虚拟桥梁建设的模型，以及它在真实世界当中的价值，应当在考虑虚拟桥梁建设中实际几何实体的尺寸、相互位置关系、参数，真实环境中的实况以及比例因子等因素的基础上，确立适当的坐标系，并进行建模。系统采用Multigen-paradigm对虚拟桥梁工程建设的三维环境行进建模。Multigen-paradigm最新推出的一套高逼真度，最佳优化的实时三维建模工具，它能够满足视景仿真，交互式游戏开发，城市仿真以及其它的应用领域。它将多边形建模，矢量建模和地形生成集成在一个软件包中的手动建模工具。它包括多边形纹

52、理建模，矢量编辑和建模以及地形地表生成等功能子模块。为更好的可视化建模提供了一个有效的平台。在构建系统模型时采用了几何建模，运动建模与物理建模技术。几何建模技术描述了虚拟环境的三维造型（多边形，三角形和顶点）及其外观（纹理，表面反射系数，颜色等）。软件不仅提供了点，线，多边形，曲线，规则三维物体等基本体形，而且可以通过放样，组合等算法构造不规则的三维物体，在给模型施加纹理映射算法与光照反射模型后使虚拟环境看上去更加逼真。动态建模技术考虑虚拟环境随着其位置，碰撞，缩放，表面变形等变化而动态产生的变化。比如对象位置的变化，碰撞检没，抓握物体等。特现建模技术通过说明虚拟对象的质量，重量，惯性，表面纺

53、理（光滑和粗糙），变形模式（弹性或可塑性）来给其建模。物理建模与几何建模，运动建模相融合，构成了一个更具真实感的虚拟环境。8.1.6坐标系虚拟桥梁建设中几何实体的造型都是在场景坐标系中完成的。首先在局部坐标系中完成高架桥，施工设备，等等的绘制，然后将绘制好的几何实体变换到场景坐标系中，这里的局部坐标系与场景坐标系是相对应的，从而确定了物体之间的相互位置关系。局部坐标系是为方便物体的表示和运动的描述而建立的，通常把它放置在物体上或物体的附近，而场景坐标系是为定义物体之间的相互位置关系而建立的，用户可以自己确立它的坐标原点，把在局部坐标系中绘制好的物体组合到一起。这里面有一个问题就是它里面的场景比

54、较大，需要控制，我们在现实生活中看物体是不可能从眼睛的原点望到很远的地方去的，所以在此要利用LOD细节控制节点来控制视点的距离。8.1.7虚拟桥梁工程建设比例虚拟桥梁工程建设系统是用一套定性参数和定量参数（特征）来表示的。定性的参数主要包括虚拟高架桥，机械设备等方式，定量参数包括虚拟高架桥的高度与宽度，桥与桥之间的距离等连续型变化的参数以及一些离散型变化的参数。为了较为合理的反映实际的虚拟桥梁工程建育婴，在桥梁的虚拟过程中，需要整体考虑这些参数的设置，并且按照一定的比例进行桥梁之间布置、设备建模以及虚拟动画。.8.1.8虚拟桥梁工程建模 虚拟环境的建模是整个场景系统建立的基础。为使虚拟环境更加

55、形象、逼真，在形态、光照、质感等方面与真实对象更加相像，对虚拟桥梁建设的实现主要分三步来执行。第一步为几何建模，主要包括用四边形、三角形等不规则图形来构成虚拟桥梁中具体对象的立体外形；第二步为物理建模，主要包括对几何结果进行纹理、材质，颜色、光照，阴影等进行处理；第三步是具体程序的实现。其生成过程如图3所示。结构分析析析析析几何建模物理建模具体程序实现现虚拟环境虚拟环境的生成流程图在对虚拟桥梁进行建模时，可以对桥梁的底部结构和中间结构与底部结构分别进行。其它的也遵循这个原理，最后再调整它的坐标将它们合到一起形成一个整体。把握好它们的比例及相互位置关系，这是至关重要的。8.1.9动画仿真模型是有

56、别于日常为了做动画渲染，效果图表现，电脑影视特技等形式所建造的模型。做动画的模型不必过多的考虑面数的精简，模型的精确度是很高的，因为它的动画和虚拟现实仿真的动画虽是有联系，但也是有区别的。影视特技的动画是靠模型的驱动来实现的，是用于电影特效而做的。而虚拟现实的模型是在模型的数据上保持正确，仿真模型则需要精简面片，尽量使用逼真的纹理将模型表现出来。所以说它们是有区别的，它们的区别不但是制做上的区别，而且应用上也是有区别的，面向的是不同的对象。在VC编程环境中，创建一个计时器，然后响应WM_TIMER消息。WM_TIMER消息由程序中设定的时钟定时产生，在WM_TIMER消息的处理函数中，更新场景

57、，然后发送WM_PAINT消息或直接调用OnDraw函数，使窗口中显示不断变换的场景，形成动画。具体来讲，为漫游等虚拟桥梁建设的流动效果，需要多绘制一个待流动的画面，然后指定切割平面，当一个画面移走后，另一个画面随之出现。运送设备，等虚拟桥梁建设中所需要的形成设备的动画效果。8.1.10交互控制 PC机上的人机交互主要是通过鼠标和键盘来控制，从而达到用户可以对虚拟桥梁建设的任何位置任意地漫游，并改变设备的运动方式等。在交互控制设计中，可以采用VC中的消息响应函数。用户在任何时候移动鼠标或者敲击键盘时，都会激发该函数，在该函数内部进行编程控制，就可以得到用户所需要的效果。在桥梁工程建设中漫游可以

58、通过设置视点及其观察方向来确定。向前移动就是视点沿视点当前位置朝焦点所在位置移动一个距离，然后焦点再移动相等的距离；旋转操作事实上就是焦点绕视点作一次旋转操作，旋转的量由鼠标移动的变化量决定。8.1.11多媒体声音特效声音是任何实际模拟和虚拟现实应用的重要成分。AudioWorks2产品是用于描述开放空间，连续实时产生的立体声波：针对于多个对象，监听点的物理特性，支持多种音频响应硬件，提供高性能的综合三维声音模拟。在本系统中我们要充分的应用AudioWorks2的各项优异性能来表达立体声效果。8.1.12动态音效系统动态音效系统是通过TTS语音合成技术，结合网络通信技术实现的动态音效播放系统，

59、当学生试验的时候点击选择的物体的时候，系统可以自动提示该模型的名称、功能介绍、操作介绍等等，可以有效的解决交互VR系统的的交互问题。主要可以分为立体伴音解释系统和文字语音TTS系统8.1.13立体伴音系统立体伴音解释系统是和自动漫游显示同步的一套语音系统，系统可以根据漫游位置的不同对各个节点的设备进行详细解释，或者通过菜单选项和双击，单击等事件对某一块内容需要了解的时候进行的操作。它隐含的技术细节非常复杂。这就需要我们去完善。三维虚拟立体声与普通立体声不同的是三维立体声与使用者之间的方向及相对距离的远近有关，根据人耳对真实声音的感知原理产生立体虚拟声音是它们关键所在。人的耳朵是不仅够判断平面立体声音的方位，而且能够判断出三维立体声音的方位，人能够知道前方某个地方发出的声音，也能够知道背后某个地方发出的声音。人凭借双耳效应，根据两耳接收声子频率的位相差，确实“不仅能够判断平面立体声音的方位，而且难够判断三维立体的声音方位。8.1.14文字语音转换TTS系统 这是基于语音合成技术实现的文字到语音的转换，是通用计算机语音输出系统。它并不只是文字到语音的简单映射，还包括了对文字的理解，以及对语音的韵律处理。当学生试验的时候点击选择的物体的时候，系统可以自动提示该模型的名称、功能介绍、操作介绍等等，可以有效的解决交互VR系统的的交互问题。32