(-VR虚拟现实)虚拟仿真实训系统解决方案

('（VR虚拟现实）虚拟仿真实训系统解决方案大娱号虚拟仿真实训系统解决方案VSTATIONHD（V1.0）前言近年来,由于信息技术的快速发展与国家教育部门的大力提倡,虚拟仿真实训在高职教育中开始得到广泛的应用,成为实训教学重要的组成部分和提高教学质量的重要手段。虚拟仿真技术是将多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息技术进行集成,构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟教学环境,并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体,构成一个虚拟仿真教学系统。虚拟仿真教学技术以提高学生的技能水平为核心,具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特点。这些特点有益于教师的实训教学和学生专业核心技能的训练,为解决职业教育面临的实训难、实习难和就业难等问题开辟了一条新思路。目前,高职院校很多专业,如外语教学、旅游专业、数控技术、焊接技术、机电技术、食品加工、服装设计等专业都引入了虚拟仿真实训教学方式。虚拟仿真实训教学，已经逐渐成为高职院校教学变革的一种有效手段。目录前言2一、总体需求分析41．1“情景”的定义：41．2为什么要在教学中使用“虚拟仿真实训系统”？51．3根据教学建设，用户需求归纳如下：6二、设计原则7三、大娱号虚拟仿真实训系统概述8四、大娱号虚拟仿真实训系统系统运行原理示意图：10五、大娱号虚拟仿真实训系统构成及特点11六、与教材同步完备的虚拟场景库16七、大娱号虚拟仿真实训系统构成及特点18八、大娱号虚拟仿真实训系统配置与指标19九、系统技术支持及服务21一、总体需求分析通过运用学语言，已经为越来越多的教师认同。学习者必须通过“用语言”才能真正掌握语言。让学生置身于真实的交际情景中，让学生使用语言进行交际。而真正的交际应该是互动的。当一方发出信息后，另一方根据上下文进行意义协商，作出反馈，他可以表示支持、进行反驳或提出疑问，然后接受方对反馈意见再进行意义协商，作出回应，双方如此反复交流，形成互动。互动是“交际的核心”。语言课堂就是一个充满“交流和互动”的场所。在课堂教学中，这种互动不仅包括师生互动和生生之间互动，还应该包括教材，因为课堂上的师生互动和生生互动都是基于一定教材展开的。“大娱号”虚拟仿真实训系统能够在教材与师生之间搭起一座互动教学的桥梁。使用“虚拟仿真实训系统”在互动教学的设计和组织上突出情景性、实训性和互动性，力求三者有机结合。1．1“情景”的定义：情景指的是具体场合的情形或景象。在教学过程中引入或创设生动具体的场景，有利于学生进行意义建构使其产生交际的动机。“大娱号”虚拟仿真实训系统所提供的虚拟场景可以提供直观生动的形象，通过大屏或投影再现学生在虚拟场景中的表演，可以让学生通过视觉和听觉去感受场景，产生想象和联想，激发学生的学习兴趣。参与表演的学生可以身临其境的学语言，使用虚拟仿真实训系统教学,学生觉得有话可说，有戏可演，可以全身心投入课堂中。在教学过程中引入或创设生动具体的场景,有利于学习者进行意义构建,使其产生交际的动机.互动教学法是作为一种特殊的课内人际互动；师生互动是指师生之间在课内发生的各种形式、各种性质、各种程度的相互作用与影响。也就是教师和学生这两类角色相互作用和影响的过程。学生在教学过程中发挥主体性作用，科学地完成学习任务，同时也使其教学的互动性不断发展。1．2为什么要在教学中使用“虚拟仿真实训系统”？1.2.1、有利于改变学生被动听讲的消极性，发挥其学习的主观能动性，使学生通过自己的积极思考领会所学知识，在参与中完成学习任务。1.2.2、互动式教学要求学生参与的过程增加，必然督促学生在课下认真阅读及查阅相关资料，充实自我，以满足课堂上参与相关主题的讨论和学习的需要。1.2.3、教师由于要最大限度地调动学生课堂主动参与的积极性，必然要认真钻研，精心备课，谋划好如何既能使所讲知识让学生掌握，又能使学生主动参与到课堂教学中来，这对教师更是一种教学上的鞭策和督促。1.2.4、互动式教学由于使教与学有机地统一起来，教师与学生在课堂上互相呼应，无论是课堂提问还是案例讨论，气氛变得活跃，师生间的距离得以拉近，从而有利于教学双方最佳状态的发挥。1．3根据教学建设，用户需求归纳如下：1.3.1、本系统主要用于各学科虚拟仿真实训教室建设、精品课程录制、校园电视台建设。1.3.2、整个系统的操作流程和操作方式应该符合师生的教学习惯和管理规范。1.3.3、整个系统应该具有友好方便的操作和管理功能，可以科学的实现系统的管理，提高系统的运行效率。1.3.4、必须保证系统的稳定性、可靠性。同时在设计时要充分考虑系统的先进性、开放性和可扩展性。二、设计原则本系统设计原则是在满足虚拟仿真实训系统使用要求的情况下，充分考虑系统的可用性、稳定性、可靠性，同时兼顾系统的先进性、兼容性、可扩展性。可用性：系统应根据虚拟仿真实训系统的实际要求进行开发，实现与实际工作的高度结合，切实提高工作效率。先进性：系统应采用先进的虚拟现实成像技术、计算机图像技术、色键合成技术。可靠性：采用成熟的技术和高质量的设备；扩展性：采用模块化设计方法，便于扩展，以适应未来发展需要。安全性：采用各种有效的安全措施确保系统的安全性。兼容性：可与用户原有的各种类型的多媒体教学设备，如交互式大屏、投影仪、音频设备等，实现连接。我们的目标是：满足客户需求，考虑长远利益，保护用户原有设备投资。三、大娱号虚拟仿真实训系统概述大娱号虚拟仿真实训系统采用了先进的虚拟现实技术和计算机图像技术，结合广播电视视音频同步处理技术，针对语言教学习惯进行产品功能开发，为高职院校语言教学提供了一套全新的经验教学方法。大娱号虚拟仿真实训系统克服了传统的基于教科书，2D多媒体，或者基于传统三分屏网络教学方式的局限性，使学生能身临其境地学习语言，可以大大提高学生的学习积极性和学习效果。通过三维虚拟场景或者再现实景图像激起学生的学习兴趣，使得学生集中注意力，是最佳的互动情景教学系统。大娱号虚拟仿真实训系统的图形渲染服务器实时渲染生成三维虚拟场景或实景图像。同时系统主机对摄像机现场拍摄的教师、学生在蓝色或者绿色抠像区中的表演影像进行抠像处理，将教师、学生的表演影像从蓝色或绿色的背景中分离出来。接着，系统主机再对经过抠像处理后的表演影像与图形渲染服务器输出的三维虚拟场景或实景图像进行数字化的实时合成，实现两者天衣无缝的融合，最后将合成好的视频影像输出到流媒体发布系统传输出去，或输出到大屏或投影仪中供现场教学使用。课堂中的学习内容还可以使用实时本地采集单元，在大娱号虚拟仿真实训系统中的实时储存，以便今后复习、点评及教学参考使用。系统结构图：四、大娱号虚拟仿真实训系统系统运行原理示意图：五、大娱号虚拟仿真实训系统构成及特点1、系统采用先进的虚拟现实视频成像技术虚拟现实视频成像技术是在色键系统的基础上发展起来的。传统的色键(Chroma-Key)合成系统是电视节目制作中常用的合成手段，它的原理就是将主持人或演员置身于蓝色或绿色的背景幕布前表演，然后利用色键合成器的色键功能将前景图象中的色度与其作背景的彩色幕布的色调差别作为形成键控电压的依据，并利用此电压去"抠"插入画面，然后再将前景图象填入画面，这样就将表演者从蓝色背景中分离出来，用其他的画面作为背景填充蓝色部分，形成一幅天衣无缝的合成画面。这种系统现在在电视制作中应用得非常普遍，大娱号虚拟仿真实训系统采用了这种先进的色键抠像合成技术，却突破了传统色键抠像系统的限制，消除了摄象机拍摄的前景画面不能与场景画面同步运动的致命弱点，做到真实的表演者能深入到虚拟的三维场景中，并能与其中的虚拟对象实时交互。大娱号虚拟仿真实训系统由三个子系统组成：（1）虚拟场景生成系统（2）视频色键抠像系统（3）视频合成系统。2、系统采用无轨虚拟跟踪技术系统采用无轨虚拟跟踪技术，使用虚拟摄像机进行场景定位。镜头的切换等运动变化不需要移动真实摄像机，只要通过设定虚拟摄像机的移动轨迹，便可以改变场景中各个景物的相对角度和位置，便可简单快捷地完成镜头的各种运动变化。3、高质量虚拟场景生成系统大娱号虚拟仿真实训系统调用的背景是用传统的3D建模工具（如3DMAX、MAYA等）建立的标准虚拟场景模型序列文件.ASE，在Open-GL图形平台上根据摄像机的参数变化进行实时的三维填充和渲染。大娱号虚拟仿真实训系统配置的高性能硬件加速支持三维虚拟场景的实时渲染与输出。Open-GL图形平台的像素填充率为32亿像素/秒，浮点运算为760亿/秒，三角型生成速率为5700万个/秒，显存带宽为8GB/秒，配备3D加速缓存为DDRRAM/4ns。高性能的硬件指标保证了大娱号虚拟仿真实训系统可以实现三维建模并且实时的三维渲染。4.视频合成系统大娱号虚拟仿真实训系统的视频合成的基本技术是色键抠像，摄像机拍摄的蓝箱前的真实景物：通过色键器进行抠像处理，与高性能的图形工作站生成的虚拟场景合成一个画面。那么在进行合成是需要考虑两方面的技术：(1)深度合成技术大娱号虚拟仿真实训系统的一个基础就是前景和背景合成的时候，前景的表演者可以被背景的内容覆盖，同时为了丰富画面的拍摄效果，还需要考虑虚拟物体的遮挡效果，这一般都采用深度合成技术。所谓深度就是虚拟物体与实际表演者的前后遮挡关系，这一种技术要考虑两路键信号的深度信息，就可以让背景的内容在表演者前面。这不同于二维图像的层技术。因为是三维图像的各像素都带有深度信息，而且各像素还有与摄像机的距离的信息，由这两部分的信息决定前景和背景的像素的可见性。这样就可以实现虚拟场景的遮挡效果，大大丰富了拍摄和画面的表现手法。(2)同步技术.要使摄象机的前景画面和虚拟场景天衣无缝的合成，需要让大娱号虚拟仿真实训系统系统中所有的设备接受外同步锁定，这样才能保证在进行实时合成时，高性能的图形工作站根据传感系统的参数变化实时提供相应的虚拟场景，并与摄象机前景信号精确同步合成。5、系统采用无限蓝箱技术大娱号虚拟仿真实训系统的无限蓝箱功能使表演者的活动范围及摄像机的取景范围不再受蓝箱大小的限制，系统会自动地将有效区以外的垃圾色块用几何方法屏蔽掉，即使天花板或灯光进入摄像机取景范围也不影响抠像。6、系统操作简便、直接大娱号虚拟仿真实训系统在操作上充满人文关怀，全方位服从人性化设计，真正做到了“以人为本”。(1)采用全中文操作系统和应用软件，图形化Windows风格操作界面，使操作人员能在短时间内掌握其使用方法；(2)更加人性化的操作界面：系统采用简单易行的操作方式，大幅度减少了操作者的学习时间，操作人员只需像平常使用电脑一样拖放鼠标，便可以实现系统功能的所有操作。简单易用的图形用户界面减少了操作者培训时间。7、实时的字幕叠加与更新系统内置动态前景覆盖模块，可瞬间覆盖32位影像与文字。可实时地进行字幕、LOGO的编辑、修改及叠加。8、完整的虚拟场景库大娱号虚拟仿真实训系统根据现行高职院校外语教材，为用户配备齐全了众多对话实训情景，供教师、学生根据教学内容选用，真正可以做到即装即用。现在无需再依赖有偿使用的背景老师将去过的旅行地，历史博物馆，历史遗址，海外旅游时所拍摄的照片添加到系统里就可以当背景画面使用。学生也可以使用自己拍的照片利用到学习上。不仅如此，还可以将视频或者动画片作为古汉语情景体验学习的背景，可利用所有现有的资料。大娱号虚拟仿真实训系统提供了超出原有有限的场景体验学习方式，过去在课堂中无法体验的场地(古城、茶馆、销场等)为背景，现在使用大娱号虚拟仿真实训系统就能为学生提供。虚拟仿真实训情景-美术馆虚拟仿真实训情景-图书馆9、高度的系统集成化系统不但集成了高性能的广播级色键器、高清视频输入输出接口、真三维场景实时渲染系统，还集成了虚拟机位切换单元、实时字幕编辑单元、输入、输出预监、实时本地录制单元等，使得系统安装、操作简单方便。10、高精度色键抠像系统系统采用目前国际一流的高清色键抠像技术，可实现头发丝、半透明物体、阴影等画面的精细抠像处理合成，使人或物体的边缘更加自然。大娱号虚拟仿真实训系统的高品质色键器能有效去除背景上的阴影，无颜色溢出或空间影响，可使表演者很好地和虚拟背景结合在一起。强大的色键参数，能保证在不移动真实摄像机的状态下实现前景主持人和虚拟背景的同步推拉、摇移及切换制作出各种华丽的摇臂效果。11、虚拟镜头特效生成系统虚拟镜头特效生成系统是独立的镜头特效生成系统，配置的镜头特效生成系统模块是一款专为大娱号虚拟仿真实训系统设计制作2D或3D虚拟场景的镜头特效工具。这一模块能使用户拥有更大的创作自由度，通过鼠标在输出画面左右上下移动便可在短时间内完成虚拟机位的设置或调整，实现摄像机镜头的远近推拉、左右上下摇移、倾斜、以及缩放等操作，使得真实的表演能和三维虚拟场景同步变化运动。操作简便的模块设计，颠覆了传统广播电视虚拟演播室产品机位调整复杂的弊端。教师只需简单操作便可直观的对虚拟机位进行调整，方便快捷，特别适合课堂教学使用。12、本地录制单元本地录制单元提供本地硬盘实时录制，即可将情景对话表演实时生成视频文件保存在大娱号虚拟仿真实训系统硬盘中。系统支持WMV视频文件格式的录制以及BMP图片格式的采集。用户不必再额外购置录制设备对系统输出的视频信号进行采集，能最大限度的节约投入，同时提升视频课件的制作效率。13、强大的场景编辑器场景编辑器具有强大的场景编辑功能，可将任意图片或视频加载在场景中作为场景的一部分或直接作为场景使用。对加载的视频可实时控制其播放或停止。14、切实提高学习效率学习者运用外语实时体验情景对话可以得到教师的实时评价。情景对话的表演影像能够被实时录制下来，家长能根据表演影像对学习者的学习效果进行持续的跟踪和指导。六、与教材同步完备的虚拟场景库七、大娱号虚拟仿真实训系统构成及特点1、多场景分类管理模块：简洁的界面，不同场景的多维分类管理更具直观性。使得预览、调用场景更加方便快捷。2、场景元素实时调整模块：背景视频、背景图片可实时更改，让场景更加多变。改变了一个场景只能单一应用于一个对话情景，教师通过对场景元素的简单更改，就可以应用于不同的对话情景。3、色键抠像模块:可有效去除背景色及背景上的阴影，无颜色溢出或空间影响，可使表演者很好地和虚拟背景结合在一起.4、实时字幕播控模块:内置字幕机模块,可实时地编辑字幕和台标、LOGO的编辑、修改、叠加。5、背景视频控制模板:可任意更换添加背景视频,并可实时控制背景视频暂停与播放。6、实时信号捕捉系统：可以实时在系统硬盘上以WMV文件格式录制课件；或以BMP文件格式采集图像。7、ALPHA通道图片或视频：可以实时添加带通道的动画、图片序列，并实时调整图片的大小、位置等。8、虚拟大屏播控系统：虚拟场景中可最多创建3个虚拟大屏，并对每个虚拟大屏实时添加视频或者图片作为大屏素材，视频可控制播放或停止。9、3D实时背景编辑模块：可任意添加和更换3维虚拟场景中的3维部件，并设置3维动画循环播放。10、输入信号调整模块：可任意调整外部信号源在场景中的位置、大小、相对比例比例等。八、大娱号虚拟仿真实训系统配置与指标说明：1路HDMI输入/输出，DVI/HDMI输出大娱号虚拟仿真实训系统配置序号型号设备描述数量1虚拟主机服务器Inteli52300四核心四线程处理器1套SuperMicroC7P67服务器主板4GDDR3内存500GBSATA媒体系统硬盘500GBSATA媒体系统硬盘4Ru装配电源的标准服务器机箱技嘉GV-N650WF2-1G显存DVD刻录机2核心硬件板卡广播级实时信号处理硬件卡13系统软件大娱号虚拟仿真实训系统1字幕系统1本地录制系统1阴影与镜像生成系统1实训情景库1虚拟切换台14其他系统操作说明书、产品合格证、产品保修卡1技术参数：视频输入接口：\uf06c高清HDMI接口1视频输出接口：\uf06cDVI-I(数字或模拟)1\uf06c高清HDMI接口2音频输入接口：\uf06c线立体声/单声道麦克风(3.5mm)–1个输入音频输出接口：\uf06c线立体声(3.5mm)–1个输出九、系统技术支持及服务1、售后技术服务计划我司把售后服务作为系统整体解决方案的一个重要组成部分，承诺以健全的售后服务体系、多样的服务方式和丰富的服务内容等，为用户系统提供高满意度的售后服务和技术支持。2.售后服务体系在多年的系统建设和服务过程中，我司积累了丰富的技术支持服务经验，建立了完善的梯级维护服务体系，即公司总部技术支持部——公司总部软件产品部及系统研发部——各地经销商三级服务体系，可以为用户提供准确及时、便捷快速的全方位支持与服务，确保系统安全、稳定、高效的运行。3.售后服务方式为了确保大娱号虚拟仿真实训系统安全、稳定的运行，我司将为用户提供线上值守服务、现场紧急服务等。具体服务方式请见下图：4.线上值守服务热线服务公司设有咨询中心，由经验丰富的技术人员通过传真或热线电话解答用户的技术问题，并指导用户解决一般性故障。网上服务我司在Internet网上设有公司网站，提供丰富的技术资源，通过E-mail接收和及时反馈用户的问或意见。5.现场跟踪服务项目实施以及实施结束后，我司将指定总部或当地经销商技术支持工程师，在用户现场提供免费现场支持服务。指导用户技术人员全面熟悉该系统、熟练掌握对系统的配置、维护以及紧急情况处理技术。6.现场紧急服务对于突发的系统故障，如果情况紧急或不宜用远程手段解决，我司将在24个小时内作出响应，分公司或当地经销商技术人员在24个小时内赶赴现场，总部技术人员在48小时内赶赴现场，进行技术支持服务。7.售后服务内容我司作为大娱号虚拟仿真实训系统的设备提供商及系统集成商，其职责是长期地对该系统的软、硬件系统提供技术支持和咨询服务。服务内容包括：产品硬件的维护工作、系统的维护、版本的更新、性能的维护。1、解决本工程中的所有技术问题，给予实时的技术支持。2、系统建成验收合格后，提供系统详细技术资料，使用手册和说明书。3、系统免费安装、调试、培训操作人员。4、系统所有设备保修期为12个月，保修期后软件免费维修，只收成本费用，终身维护。5、所有我司自主开发的应用软件免费升级，硬件升级只收取成本差价。附件A.虚拟演播室蓝（绿）箱、灯光设计灯光设计方案说明本方案采用国际先进的LED影视灯具，比传统三基色荧光管灯和聚光灯节能百分之五十到百分之九十以上。本演播室灯光全部采用冷光源布光方式,可充分满足网上教学，校园广播，精品课件，多人互动交流，知识竞赛，半身抠像，半身动态抠像等教学及课件的需求。1.背景光采用3台TYLED600平板柔光灯，能够满足背景亮度和抠像对背景的照度要求。此灯具可交流供电亦可通过摄像机电池对其供电。如果有外拍任务，可随时取下使用。使整个画面亮度充足、光照范围大，能充分保证直播性节目及其他节目的面部光源使用。为了淡化主光所照不到的脸颊和下额的阴影，与主光配合使用使人物的整体画面光线自然、和谐、无明显轻重之分。另外，此灯具可交流供电亦可通过摄像机电池对其供电。2.控制部分根据灯光采用国际通用DMX512信号调光台控制。可以对光区里任意灯进行编组编码进行控制，而且是数字显示，操作上既直观又简便。3.本方案以节省资金，灯光能够综合利用的原则设计，如与实际使用有出入，则可响应调整。演播厅灯光系统的设计原则1、可靠性：系统应具备长期稳定的工作能力，所有选用设备均符合我国和国际上的质量及可靠性标准。2、实用性：系统应具有工程所要求功能的能力和水准，符合本工程实际需要和国内外有关规范的要求，并且功能容易实现，操作方便。3、灵活性：系统应充分满足多功能的设计要求，对多种节目的制作均实现最佳音像。4、先进性：系统是在满足可靠性和实用性要求前提下的先进系统。灯光产品的核心组件均选用国际国内知名厂家近年来的最新产品或专利产品。5、一致性：系统应遵循开放系统的原则。灯光系统应依据技术指标的一致性、系统性选定设备，使系统具备良好的灵活性、兼容性、扩展性和可移植性。6、经济性：系统应满足性能与价格之比在同类系统和条件下达到最优，选择最佳性价比的设备及方案。演播室灯光布局图灯光技术参数1.照度：以主持人为中心，平均照度800-1200Lx.2.色温：平均色温3200K左右3.显色指数：Ra值大于954.光比：逆光:主光=1.5(2):1主光:副光=1.5(2):15.功率：演播厅用电总功率为：1080W6.根据实际配电的需要采用三相四线制或其它方式7.电缆：一级阻燃线缆8.灯具高度：位于距座台平面1.6--2.5米之间9灯光为LED小功率灯珠，灯光光线柔和、阴影淡.化、不眩目，几乎不增加室内温度。（注：功率而言，跟传统三基色灯比较。LED灯得功率要比传统三基色冷光源的功率节能百分之五十以上。使用寿命方面，LED灯的寿命要5到10倍于传统三基色灯，LED灯得寿命为50000到100000个小时，传统三基色灯为10000个小时。故，长远来说，使用LED灯会更经济更耐用。使用上，LED灯可接收国际通用的DMX512信号来控制，即每个灯都可以进行数值编码或与其他同组灯具编组进行控制。要比传统三基色灯方便的多。）10.控制部分即可手动旋钮调光，亦可通过国际通用的DMX512信号控制。演播室灯光LED600LED单联便携式套灯是专门针对随机采访、专题采访、摄像照相等灵活机动的使用用途而开发的。该灯具功率小、光线柔和、照度较高、温度低、重量轻、体积小，配套性好，极易便携。交流适配输入供电，无交流电情况下可配14.4V摄像机电池供电，可接收DMX512控制信号数字调光，也可由自带推杆模拟调光。操作安装极其简便，是专业摄像、拍照的好工具。TY-LED600(D)便携摄影灯技术参数：输入方式：AC100-240V配电源适配器DC12-17V（带S或A型挂架),可由14.4V摄像机电池供电功率：40W色温：3200K5600K显色指数：Ra值≥80调光方式：DMX512控制信号数字调光，推杆模拟调光。照度：1m2200lx蓝箱剖面结构图及制作说明1、拼装式蓝箱结构示意图二、蓝箱制作说明1、制作蓝箱钢结构框架2、于结构框架、地面、后墙面、侧主面部分边长为25cm的正方形平板连接，各个拐角面用半径为50cm的弧形板连接，三个平面的交叉处用半径为1m的球形体连接，形成无死角、无灯光阴影的蓝箱结构3、蓝箱高出地面5cm，用斜面专用钢板过渡连接地面，既保护蓝箱立面又美观大方。4、用腻子处理个板块连接缝。5、刷专业进口蓝抠像漆',)