CAVE多人集中实训沉浸式实训系统解决方案-中关村在线

针对高校及职业院校各专业建设的虚拟仿真实验室是进行实践教学、承担科研课题、整合信息化优质教学资源的重要载体，也是高校培养信息化人才自主学习、探究学习、协作学习等能力的重要途径。

四维全景CAVE沉浸式系统作为虚拟仿真实验室融入更为先进的虚拟现实技术、体感交互技术、信息传感技术、图形系统工具、图像信息处理、人工智能等先进技术。

CAVE洞穴交互虚拟仿真实验室建设集教学、专业实训、科研活动于一体，遵循目标专业的知识结构、行业技能培养规律，并匹配相应实训课程，建设成既可满足日常教学要求，同时也是注重技能核心专业的实践平台。

l 能够支撑目标专业的核心课程日常教学；

l 能够支撑学生掌握现有专业知识点和技能点的实践操作；

l 与专业实践教学大纲高度匹配，完成专业技能的仿真训练；

l 能够辅助学校进行学科与虚拟仿真技术结合的相关科研活动。

洞穴交互虚拟仿真实验室建设除了承担科研课题任务外，还可以针对不同学科的真实课件内容进行虚拟仿真实验教学，模拟学科的训练环境、条件和流程，使教师和学生能够获得和真实世界中一样体验。

在教学方面，虚拟实训的优势尤其突出。虽说课本是一切的基础，但难免枯燥无味。当你眼见为实，所有的复杂图纸、运动原理、做功方式、装配过程自然一目了然。10分钟看到的，远比一节课自己努力去想象的要来的真实，记的清楚。并且又可以节省庞大的设备资金，提高学生求知欲。

沉浸式虚拟现实实验建立在一个虚拟的场景呈现的情景之上，注重的是完全沉浸式的视觉，和与现实场景类同的真实操作，在虚拟实验中，学生有充分的实验自主权，能仿真实现各种实际的甚至不可视、不可摸、不可入、危险性高的实验以及想象的实验场景和科研对象，对教学上也有比较大的帮助。

虚拟现实技术在教育科研中的应用，主要表现在三个方面：

（1）可观察行为理解的变化

传统的认知论所指的操作对象是现实中的对象，而虚拟现实技术建立的对象是虚拟的三维空间，学习者的可观察行为可以是对虚拟对象的操作和控制，扩展了可观察行为的含义。可观察行为理解的变化必定导致评价的方式和内容的改变。需要注意的是，对虚拟对象的可观察行为和对显示对象的可观察行为并不是一个对等的概念，因为对虚拟对象的操作最终的目的是要使学习者达到对显示对象操作的正确性。因此，建立对虚拟对象的可观察行为的评价时，要考虑这一点。

（2）增强学习动机和创造力

新行为主义学习理论家在解释行为或学习产生的原因时，总是与刺激、惩罚、强化、接近、示范等概念相联系。他们认为行为最初是由内部或外部的刺激所发动的，如口渴、闻到水果香味或看到柜台上的饮料等，然后有机体就会根据过去的经验或已形成的习惯确定他所要采取的行为。比如“渴了”，就去超市买水（因为以前就是这样）。这一找水喝的行为一直到持续的口渴刺激小时后才停止。也就是说，需要运用强化、惩罚等来加强、保持或削弱某种行为。学习行为也是这样，如果考试想的得高分，那么就要学得用心一点（因为以前也是这样）。可见，行为主义者强到外部动机作用，在这一点上虚拟现实正好发挥它的作用。

首先，虚拟的三维空间因其模拟现实的世界和视听觉的感受性，本身就可以激发学生的学习兴趣，促进外部动机转化为内部学习动机。其次，虚拟三维对象的交互和反馈使得学习者更容易关联现实世界与所学知识之间的联系，减轻学习者对书本和二维平面所需付出的想象努力，减少学生的厌倦情绪，增强学习动机的持久性。

（3）加强操作性知识演练

在日常的教学中，常会到操作性知识的教学，比如，如何操作机器，如何解剖动物等。对于这一部分内容，如果经济和现实条件允许，可以让学生对着实物反复操作直至掌握。但事实上收到经济条件、现实条件的限制。如一台贵重的仪器，有一百多学生需要进行实验，解剖动物实验，不可能为每一个学生提供动物实体。再如医学上的手术不能用真人做实验。

采用桌面虚拟现实技术，建立实物模型，设计操作的灵活性、自由度和及时合理的反馈和导航，可以允许学生反复。这样一方面可以解决同一时间内大规模的教学问题，另一方面可以加强学生操作的熟练程度，从而减少学生面对事物操作所需的熟悉、适用时间的长度和犯错误的概率。

根据实际需求，四维全景科技设计最适合您的沉浸式洞穴空间。本系统采用四通道CAVE投影系统，包括3通道里面投影和1通道地面投影，分别处在观看者的前（主幕）、右（侧幕）、左（侧幕）、下（地幕）四个方向，互成90度，主幕和侧幕采取背投的方式，地幕采取正投的方式（采取一次反射的方式）；单通道显示尺寸：3600mm×2250mm；单通道分辨率：WUXGA（1920×1200）。系统平面布局示意如图所示。

A）投影机

本系统采用四维全景科技专业工程投影机，一款DLP技术激光光源的投影机，而且分辨率为真正WUXGA＋，1920×1200，投影机亮度大于6000ANSI流明，该机型具有图像显示色彩鲜艳、画面清晰、锐利和成像设备无烧坏死、免维护等特点，核心部件（DMD™）寿命超过10万小时。

B）投影幕

四维全景科技投影幕提供了完美的均匀性和抗环境光的特性。实现多台投影机使用展现完美画质的能力。具有卓越的对比度，色彩饱满而厚重，显示色阶得到增强，无论是高光位层次，还是暗部细节，都可以展现无遗。即便是对那些背景为连续明暗场景切换的场景序列来说，也能够无比清晰的真实再现每个场景细节。

C) 机械结构

根据系统要求，机械结构按如下要求进行设计：采用六轴投影机调整架对投影机进行安装固定，机械结构由厂家专业人员提供机械设计和三维光路设计，达到机械结构可靠、稳定，安装精度高和可调整性的要求。

根据项目要求，我们提供专业、定制化、快速的本地服务，整体结构由专业一体化设计，结构简洁合理、坚固耐用、安装便捷，可保证屏幕、投影机、反射镜的牢固安装和调节，方便维持和保护。

D)立体发射器

四维全景科技标准距离立体发射器是与四维全景立体投影机配套使用的立体发射器，具有连接简单，稳定可靠的特点。

E)光学追踪

在CAVE系统中可以轻松的使用WORLDVIZ追踪系统。通过手中的无线交互式手柄可以移动3D的物体，把头部追踪点夹在你的立体或偏振光眼镜上就可以精确和平滑的追踪影像的投影了。

主要功能特色

在信息传播技术迅猛发展的今天，人类现有的教育内容、教育手段和教育方法正受到极大的挑战。虚拟现实技术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、技能的效率，难点的作用。

创设良好的虚拟学习环境，实现实景化教学,虚拟现实技术可以解决网络教育环境下真实情景可视化的创建。所谓真实的情景，并不是现实世界中的真实物理情景，只需要达到让学生经理与现实世界情景相似的认知过程即可。虚拟现实技术是创设真实情景的最有效工具，其通过构建事物发展变化的虚拟环境，不仅对参与者产生视觉、视听、触觉、嗅觉等各种感官刺激信息，给参与者一种身临其境的感觉，沉浸到具有逼真效果的环境中。

设备组成

动捕系统

LED动作捕捉式仿真实训通过光学动作捕捉摄像机、3D立体LED设备、交互3D眼镜和交互手柄等产品进行实训操作。实训过程中，不仅可以实现抓取移动、放大、缩小、360°全方位展示等基本功能，高度还原实际拆装场景和教学过程。

Ø 光学交互摄像头

配置光学交互摄像头，满足视频摄像/传播和动态图像捕捉等基本功能，简单易用、稳定可靠，具有良好的通用性、兼容性，内置大容量帧缓存，保证传输可靠与实时，超低延时触发电路设计，极速响应触发信号。

Ø 3D信号发射器

配置3D发射器，传输信号不再受限和干扰，眼镜和发射器一对一工作不受其他影响，眼镜和发射器同步无偏差，保证信号传输，还可通过调节适应不同3D显示设备。

Ø 三维交互手柄

配置三维交互手柄，按键功能齐全，操作反应灵敏，高精度6DOF交互手柄，定位速度快，使用流畅，为移动操作界面带来令人难以置信的沉浸感与自由度。

Ø 3D眼镜定位套件

配置带光学标记的3D眼镜，用于操作者与大屏进行实时互动，追踪操作者头部位置，实时调整3D显示画面视角，提升用户实时交互体验。

配置不带光学标记的3D眼镜，用于其他观看者，满足多人同时观看的需求，其他观看者佩戴后能够同步查看操作者的实时交互画面，适用于多人示教场景。