面向设计类专业的G—magic虚拟现实实验室建设探索与实践
叶俊男 杨超翔 徐子尚
摘要：随着国家越来越重视教育信息化，教育部提出了国家级虚拟仿真实验教学中心建设。将虚拟现实技术应用到设计类专业教学领域，能够较好地展现艺术与技术相结合的设计作品，通过虚拟环境的体验与交流，有效地传达设计作品所表达的设计理念，并对作品进行有效的设计评价。目前越来越多的拥有设计类专业的高校进行虚拟现实实验室建设，然而各高校虚拟现实实验室建设往往集中在特定的专业领域，如工业设计、环境设计、景观设计、数字媒体艺术等，缺少符合设计类专业高校需求的综合性多功能虚拟现实实验室建设的经验，本文将通过华东理工大学艺术设计与传媒学院G-magic虚拟现实实验室建设，来对面向设计类专业的综合性多功能虚拟现实实验室建设进行探索与实践。
关键词：虚拟现实 实验室建设 设计专业
中图分类号：TU-8 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）04-0146-02
一、引言
美国VPL Research公司在20世纪80年代初提出了虚拟现实（virtualReality简称VR）概念。虚拟现实技术是通过计算机仿真技术、人机交互技术、传感技术等先进的技术手段来提供一种逼真的感知虚拟环境，用户可以通过各种交互设备，如数据手套、控制器等交互设备来跟虚拟环境进行信息交互交流。虚拟技术具有沉浸性、交互性和想象性三大特点。目前已广泛应用在工业产品研发、应急演练、城市规划、医学、教育培训、娱乐、游戏、旅游、文化艺术等众多领域。
艺术学已经在国务院学位委员会新修订的《学位授予和人才培养学科目录（2011年》上成为第13个学科门类，设计学正式成为一级学科，涉及8个基本专业：艺术设计学、视觉传达设计、环境设计、产品设计、服装与服饰设计、公共艺术、工艺美术、数字媒体艺术，1个特色专业：艺术与科技。
教育信息化随着当代信息化技术的不断发展与深入开始受到了国家相关部门的高度重视，教育部在建设国家级实验教学示范中心加强实验教学基础上，进一步提出了建设国家级虚拟仿真实验教学中心建设，此项工作顺应了高等教育的发展趋势，是高等学校实验教学信息化的最新举措，必将对我国高等教育质量的提高产生积极重要的作用。虚拟仿真实验教学便是利用虚拟现实、人机交互、数据库、多媒体和网络通讯等技术来构建逼真的虚拟现实实验环境和对象，学生可在该环境中开展自主、高效、安全和经济的交互实验。同时，虚拟仿真实验可在高危或极端环境下进行不可及或不可逆的操作，也可代替成本高、消耗大的大型或综合性实验，相比传统真实实验而言具有较大的优势，将对传统实验教学产生深远的影响。
将虚拟现实技术应用到设计类专业教学领域，能够较好地展现艺术与技术相结合的设计作品，通过虚拟环境的体验与交流，有效地传达设计作品所表达的设计理念，并对作品进行有效的设计评价。目前已经有越来越多的拥有设计类专业的高校响应国家相关政策，结合自身专业发展需要，花费几百万乃至上千万来进行虚拟现实实验室建设。然而目前各高校虚拟现实实验室建设往往集中在特定的专业领域，如工业设计、环境设计、景观设计、数字媒体艺术等，缺少符合设计类专业高校需求的综合性多功能虚拟现实实验室建设的经验，本文将通过华东理工大学艺术设计与传媒学院G-magic虚拟现实实验室建设，来对面向设计类专业的综合性多功能虚拟现实实验室建设进行探索与实践。
二、G-magic虚拟现实实验室建设目标和设计原则
华东理工大学艺术设计与传媒学院设有工业设计、产品设计、视觉传达设计、环境设计、风景园林、数字媒体艺术等本科专业，设有设计学、景观规划设计硕士点，有工业设计工程、艺术专业硕士点及工业设计博士点。学院将依托实验室建立以虚拟技术为支撑的设计评价与可用性分析平台，通过该平台对各专业教学和研究提供有力的支撑。各个专业对虚拟现实实验室有以下方面需求：1）工业设计和产品设计方向，在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和人机合理性、预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织设计，缩短产品研发周期，获得最佳的产品质量和效益。2）环境设计和风景园林方向，在设计规划阶段，通过三维建模和场景搭建，实时模拟出环境设计和景观规划设计场景，设计者和评估者可在虚拟环境中漫游，检查设计的可行性，对设计中建筑尺度、功能布局、景观搭配、公共设施、材料运用等设计内容进行及时调整，更加真实地展现和体验目标设计的等比例虛拟环境，更加有效地进行设计评估和评审。3）视觉传达设计和数字媒体艺术设计方向，可以通过虚拟现实系统有限展现设计者在艺术设计中造型、颜色、视觉思维等方面内容，模拟展现艺术设计中的客观世界，让用户在环境中获得“角色感”的沉浸式体验。
因此，在规划设计初期对实验室虚拟现实系统建设提出了以下六大设计原则。
（一）实用性
本系统能够符合各专业功能需求，为专业教学、研究提供有力支撑，使各专业在课程教学，课题研究方面便捷有效地使用系统。
（二）可靠性
未来学院师生将会频繁实验该系统进行教学、科研等工作，因此便要求系统的软硬件性能需要可靠、兼容和稳定。
（三）先进性
系统设备在满足项目预算和实际需求的基础上，尽可能采用较先进的软硬件设备，从而使得实验室的功能与性能达到国内外先进水平。
（四）经济性
实验室建设重要目标便是控制系统建设成本，达到效益的最大化。华理便是通过与企业的产学研合作，用较小的建设成本完成满足功能需求的实验室建设。
（五）易操作性
系统在使用过程中需要有友好的交互界面，简单便捷的操作流程，从而便于教学、科研及培训使用。
（六）可扩展性
系统要具有一定的前瞻性和科学性，实验室可根据建设规划和使用需求的增加对系统进行调整和扩充，
三、G-magic虚拟现实实验室硬件系统的构建
（一）实验室3D立体投影技术应用
目前主流的增强虚拟现实立体显示系统主要有以下几种：洞穴式（Computcr Automatic vitual Environment，CAVE）立体显示系统、头盔式立体显示系统、响应式工作台（Responsiveworkbench，RWB）、多通道同步立体投影系统以及用于桌面虚拟现实系统的立体显示装置。而G-Magic主要由洞穴式立体显示系统和多通道同步立体投影系统结合。
在投影机选择方面，主要有被动立体投影机和主动立体投影机两种。被动立体需要两台投影机，分别投影对应左右眼的画面，然后通过眼镜过滤，使得左眼的画面到达左眼，右眼的画面到达右眼，从而实现立体画面。主动立体只需要1台投影机，投出120HZ画面，其中包含左眼和右眼图像，通过投影机与眼镜快门开闭的通过，使左右眼观察到相应的图像，形成立体画面。两者优势对比（如表1）。
（二）实验室主要硬件设备组成
G-magic虚拟现实实验室是由华东理工大学艺术设计与传媒学院和上海曼恒数字技术股份有限公司共建，学院为公司虚拟现实产品应用和研发提供支持，曼恒数字则为学院提供硬件和软件支持，较好地实现了实验室的产学研合作。
实验室虚拟现实系统采用曼恒数字核心产品G-magic六通道全能型虚拟现实仿真系统，该系统硬件主要由6台主动立体投影机，7台图形图像工作站，6块3D投影屏幕，融合机，分屏器，中央控制系统，操控手柄等互动设备组成，通过内置的进口电机控制实现一键式变形操作，可根据教学、科研等使用需要较快地调整出不同的使用状态（如：由G-Cube系统转变为G-Discover、G-Float、G-Powerwall系统）（如图1）。
四、G-magic虚拟现实实验室软件系统的构建
实验室软件系统采用曼恒数字自主研发的DVS3D虚拟现实软件平台。该平台通过网络进行数据传输和同步，较好支撑了六通道立体显示，在系统进行物理结构变形时，DVS3D软件可以进行自适应的分布式多通道画面同步，同时实时定位眼部位置，结合3D立体沉浸式投影系统和交互设备，快速地为使用者带来完整的虚拟视窗和沉浸式立体体验。
DVS3D由Editor和client两部分组成。Editor是操作编辑部分，它既可读取常用三维模型模型格式（fbx、obj、dae、3ds等），也可实时截取常用三维软件中的三维图形数据，然后在编辑环境中进行场景搭建和数据编辑；Client是虚拟展示输出部分，通过外设的VRPN标准接口实现1：1多通道的沉浸式立体显示，实现对设计方案的虚拟展示与交互操作。DVS3D可通过内嵌在线的模型素材库快速查询和下载所需模型进行场景搭建和交互操作。具体使用流程（如图2）。
五、实验室管理体系建设
（一）组织保障
实验室依托华东理工大学学科和科研基础优势，成立中心工作建设领导小组，由校分管校长、学院院长及相关专业负责人、实验室负责人组成，配合其他相关专业教师、财务人员组成实验室工作委员会，负责实验室建设规划、日常管理等工作。
（二）制度保障
为进一步实现实验室规范化管理，以创建国家级虚拟仿真实验教学中心为目标，制定了《G-MAGIC虚拟现实实验室管理制度》《G-MAGIC虚拟现实实验室开放制度》《G-MAGIC虚拟现实实验室紧急事故处理预案》等一系列规则制度。
总结
近年来，国家级虚拟仿真实验中心建设工作已经全面展开，设计相关专业的虚拟仿真实验室建设也迫在眉睫。本文在总结华东理工大学艺术设计与传媒学院相关设计專业对虚拟现实实验室建设需求的基础上，对相关设计专业如何进行综合性多功能虚拟现实实验室建设进行了有效的探索与实践，为相关设计类院校如何进行虚拟现实实验室建设提供了必要经验与示范。
