工程项目VR设计开发技术标部分.docx

1、工程项目VR设计开发技术标部分【技术标部分】技术方案xx科技（xx）有限公司20xx年6月15日星期五xx第一部分 VR技术部分1. VR体验方案总说明1.1 内容概况VR体验方案主要是针对施工过程中的安全教育及施工过程、样板体验制定的虚拟体验方案，可以在占地较小的体验馆内体验丰富的施工场景，让体验人员沉浸式的体验安全事故的严重后果，学习施工安全知识，加强他们的安全意识，了解施工过程，学习施工知识。本方案的具体工作主要包括：（1）VR体验方案的设计和策划；（2）VR体验场景模型的补充搭建和优化；（3）VR体验场景美术效果渲染设计制作；（4）VR交互功能程序开发；（5）VR软件整合，调试，打包和

2、导出；（6）软件安装、设备调试和培训指导。1.2 设计原则VR（Virtual Reality）虚拟现实技术通过其沉浸性、可交互性、构想性三大特点，初级的应用便是项目观摩展示，当工程高处等危险施工场景不便于项目观摩时，可通过VR提供替代性方案，同时可通过增强式VR体验，达到现场实地观摩所达不到的直观效果。通过VR，可以传达任何想表现的工程信息。除了基本的施工场景观摩展示，VR同样具有替代性的工程教育意义。针对工程安全模拟培训，VR具有先天的优势。高空坠落、物体打击、触电防护、火灾消防、基坑坍塌等常见工程事故很难通过实际体验来感受，或者要达到相同的效果，相对的成本较高，且具有极大的危险性。VR技

3、术可以通过建立虚拟体验场景，结合全身体感和电击等力反馈穿戴设备，进行各种VR施工安全事故体验，贯穿各种安全防护救援知识，达到增强安全危险意识、提升防护技能的目的。通过VR进行施工过程的展示，也能够让体验者切身且在很短的时间内直观的了解整个项目的施工过程，达到教学的目的。以下详细设计方案，主要围绕VR施工安全体验与VR施工过程体验。通过真实还原施工现场的场景，让体验者在虚拟现实中进入场景，通过VR手柄、升降机等设备进行操作互动，完成体验流程。1.3 需求分析与方案基本模块经过对招标文件的研究，SafetyVR Pro将通过虚拟现实创新技术的引入，探索VR施工安全管理的新思路，初步确定以下方案基本

4、模块。本技术方案的VR场景为专业定制型施工现场场景。在场景中不同区域集成不同VR体验模块。表1-1 SafetyVR设计开发项目内容清单序号类别VR项目名称包含内容及要求1VR场景1.1安全闸机体验定制化施工工地场景，包括房建场景及桥梁场景，包含各种门禁设施，闸机系统，标准化安全设备。在此场景，用户通过语音、文字引导提示进行安全帽和安全带的设备穿戴。必须佩戴安全帽，才可以通过闸机，进入施工现场，否则不能通过闸机，进入现场。1.2建筑施工现场材料堆放标准体验定制化施工现场场景，包括房建场景及桥梁场景，包含在建建筑，施工机械，各种建筑材料，临时标志牌等。在此场景中，用户通过语音、文字等引导方式，在

5、漫游的过程中查看并学习施工现场中材料的标准堆放要求和标志牌的摆放要求。2VR安全培训体验高处坠落体验2.1临边洞口坠落安全体验通过语音、文字引导提示，体验洞口临边防护不到位，致使工作人员失足坠落的事故。同时下坠时有硬件设备辅助下坠过程，让体验过程更加真实刺激，培训效果更好。2.2高空作业坠落安全体验通过语音、文字引导提示，体验高空作业时，操作或防护不到位，导致在高空坠落的事故。同时下坠时有硬件设备辅助下坠过程，让体验过程更加真实刺激，培训效果更好。3物体打击体验3.1高空坠物打击体验通过语音、文字引导提示，模拟体验人员戴上安全帽站在施工场地内，头被重物所砸的事故。同时，发生坠物时，模拟体验人员

6、头顶将会有木板坠落（轻型材料），让模拟过程更加真实，培训效果更好。3.2材料吊运坠落安全体验通过语音、文字引导提示，体验塔吊在吊运材料过程中，吊运的材料掉落砸到施工人员而发生的事故。同时，发生坠物时，模拟体验人员头顶将会有木板坠落（轻型材料），让模拟过程更加真实，培训效果更好。4坍塌倾倒体验4.1脚手架垮塌安全体验通过语音、文字引导提示，体验施工脚手架搭设不牢固，在施工过程中发生倒塌的事故。4.2支模系统坍塌体验通过语音、文字引导提示，体验因模板支撑体系搭设不牢固，致使在施工过程中楼板坍塌的事故。4.3墙体倾倒安全体验通过语音、文字引导提示，体验墙体支撑不稳定而砸到施工人员的事故。5大型器械危

7、险源体验5.1挖机作业危险源体验通过语音、文字引导提示，体验在施工过程中因挖机操作不当而引发基坑坍塌事故。5.2塔吊作业危险源体验通过语音、文字引导提示，体验在施工过程中因塔吊作业操作失误而导致塔吊碰撞并发生倒塌的事故。包括塔吊操作人员经历塔吊倒塌和地面施工人员被塔吊砸到的两种视角。6消防设施综合体验通过语音、文字引导提示，体验标准化施工现场突发火灾后如何进行消防灭火的过程。场景中包含虚拟灭火应有的消防器材（包括灭火器，高压水枪），并动画展示火灾特效。7综合用电安全体验通过语音、文字引导提示，体验因设备老化或操作不当，导致发生触电事故。模拟工人不慎触碰配电箱老化电线造成触电的场景，并动画展现触

8、电特效及音效，达到给施工人员以安全教育的目的。8VR施工过程8.1施工过程VR还原通过VR技术还原整个桥梁施工过程，体验人员通过在场景中点击操作步骤，查看施工过程中施工形态，并通过少许交互参与施工过程，留下更深的印象。9VR项目功能运营模拟9.1项目完成运营模拟项目完成场景，楼体、设备、设施等模拟运行，体验人员可以在场景中漫游查看运行状态。1.4 开发平台及VR设备本VR软件系统方案采用Unreal Engine 4进行设计开发完成。Unreal Engine 4（UE4）为Epic Games公司开发的开源游戏开发引擎，原生支持VR设备HTC VIVE的VR开发，是目前所有VR开发引擎中展示

9、效果最好的平台，相比于其他开发平台如Unity3D、CryEngine等有更强大的场景渲染能力。UE4制作开发流程主要包括场景建模、场景渲染设计、事故特效制作、交互界面UI设计以及VIVE手柄交互功能开发等。图1-1 Unreal Engine 4 LOGO采用的VR设备为HTC VIVE，是目前大空间交互体验最好的VR设备。图1-2 HTC VIVE设备1.5 VR交互体验总说明1.5.1 体验流程总说明VR软件启动，体验者初始进入VR系统，初始定位在虚拟VR展厅。展厅展示公司和项目介绍信息。在展厅内，体验者可选择体验项目，切换到对应的体验项目场景位置去。体验者在VR场景中可任意漫游，所有物

10、体有正确的碰撞体，体验者可以通过手柄射线位移到任意物品对象的平面，不能位移到立面或很陡的面。如过甲方采用xx科技自主研发的VR安全体验体感增强设备，由于高处坠落和物体打击体验要求体验者必须站定在固定的位置，体验者在VR体验间里面的固定站立位置完成所有的体验项目（初版不采用硬件设备）。体验区定位采用中心点定位方式。所有的位移移动，均让体验者通过手柄射线来实现，所以要让射线位移的使用非常方便。当体验者进入某个体验项目场景后，按手柄握力键可回到此初始化位置，即生活办公区，进而去选择进入另外的VR体验项目。图1-3 VR体验区效果图参考（双人）1.5.2 VR交互总说明（1）在虚拟场景中，所有的VR交

11、互通过VIVE手柄实现，将VIVE手柄替换为两只施工工人手的模型（戴施工手套）。（2）高处坠落安全体验和物体打击安全体验还涉及到外部体感设备交互（可选项，本次项目暂不考虑采用）。即通过VR体验间里面实体的电动缸及电机驱动的硬件配合相应的坠落和打击功能。（3）交互设计的原则：真实还原原则 尽量真实还原双手的常规操作功能：包括拾取抓取操作、按压操作、拉伸操作、触碰操作、指向选择操作等等，对应不同的手势状态切换（动画）。涉及的手势及动画由建模师和美术特效师配合程序员完成。傻瓜式原则 VR体验的受众群体既可能为集团企业高层管理人员，也可能是劳务人员安全培训。要满足两者需求，需要做成傻瓜式操作，或者尽量

12、减少所使用的手柄功能按键种类，将互动更多的集成在手柄扳机上。教学指导原则 对于体验者，需要给他语音及UI文字或图像的操作提示。涉及主要的操作步骤和方法，在相应手柄的前方，设置一个文字信息面板UI，显示提示信息。同时播放提示声音。图1-4 手柄或手部前方半透明UI提示面板图1-5 HTC VIVE手柄（4）手柄及按键功能指定基础的操作按键统一规定，详见下表：（主要功能只使用菜单键和扳机键，返回初始展厅采用握力键）。表1-2 手柄及按键功能指定表编号功能按键功能及按键说明1发出射线左手柄菜单键射线位移：按住左手柄前方的菜单按钮，从手柄前端发出抛物线射线，射线投射到要去的平面区域定位点，选择要移动到

13、的平面位置，末端出现“双脚”的定位提示，松开即可位移到定位点。手势模型对应为一个食指指向的状态。2右手柄菜单键射线选择：当需要对物品进行属性信息查看，或对UI对象进行隔空的选择操作，可按下右手柄前方的菜单按钮，发出直线射线；当射线射击到对应的对象，即可完成后续功能的触发。主要用于UI交互。手势模型对应为一个食指指向的状态。3触碰左、右手柄整体（左右无差别）某些场景涉及到触碰某个物品、按钮对象或UI，可通过任何一支手柄的靠近触碰功能来触发后续操作。手势模型对应为一个按压的状态。4拾取左、右手柄扳机（左右无差别）触碰可拾取的物品对象，并抠住任何一支手柄的扳机，可拾取物品，同时手柄震动（模拟负重感）

14、；松开扳机，物品则脱离掉落。手势模型对应为一个握住物品相应位置的握持状态。5双手组合：触碰+拾取左、右手柄扳机当左、右手柄或其所拾取的物品靠近时，可进行某种需要双手互动的操作，同时手柄的震动加剧（模拟操作灭火器、焊枪、胶枪、射钉枪、砖刀等双手操作工作功能）。比如，灭火器灭火：体验者一只手柄抠住扳机，拾取干粉灭火器，握住其把手位置，同时另一只手柄靠近，拖住灭火器侧壁或底部，然后按住这只手柄扳机，触发喷出干粉的操作。（如果功能冲突，则靠近即喷出干粉）6其他组合可同时按住一只手柄的多个键，也可同时左右手柄按住不同的键。无冲突即可。7握力键左右手柄握力键进入各个体验项目后，体验这按任意一只手柄的握力键

15、，即可回到初始化展厅。图1-6 手柄抛物射线位移参考2. VR体验场景及模型2.1 VR场景范围说明VR体验场景为XX有限公司的BIM实施项目部真实场景的还原，包括项目部位置、周围景观、施工现场、材料堆放区等，具体场景根据图纸进行搭建。2.2 参考效果UE4截图美术场景画面质量效果参考如下图所示。图2-2（a）施工车辆图2-3（b）配电箱鹏图2-4（c）双排落地式脚手架外架（双杆）图2-5（d）塔吊图2-6（e）主体结构施工工地室外场景参考UE4截图画面3. 体验项目VR场景交互设计3.1 安全闸机体验3.1.1 安全闸机体验VR场景设计图3-1闸机样式 体验者处于标准化建筑工地的一个标准入口

16、处，入口处放置有安全帽、安全带等安全设施及施工标志图等。入口处安装标准化闸机，进入现场必须通过标准化闸机。3.1.2安全闸机体验VR交互设计体验者通过手柄选择自己的职能身份，如钢筋工或模板工、塔吊指挥员等，若想通过闸机进入施工现场，必须佩带好安全帽以及其他符合自己职能的安全措施，如果佩带不完全，则在通过闸机时会被禁止进入且弹出提示告知该人员需要佩带的物品等信息。3.2 材料标准堆放体验3.2.1 材料标准堆放体验VR场景设计体验者进入标准化施工现场的施工区域，项目为在建房建项目（可根据甲方要求进行调整）。在已平整硬化的路面旁标准摆放着钢筋、模板、卷材、钢管等常见材料，体验者可以通过在场景中漫游

17、来查看各种角度的材料摆放状况。3.2.2 材料标准堆放体验VR交互设计 在场景中，体验者可以在各处已硬化路面进行漫游，通过手柄的射线选中指定材料，会弹出该材料的名称、规格、用途、摆放要求等相应信息。3.3 高处坠落体验3.3.1 高处坠落体验VR场景设计体验者切换到高处坠落VR体验场景，初始定位在30-50m高处的主体结构混凝土梁或者板上。高处坠落体验场景分别设计在无防护的水平结构梁和楼板、外脚手架（有安全带和无安全带两种模式）和正在进行管道安装的室内。图3-2 VR场景中坠落前（参考场景截图1） 图3-3 VR场景中坠落前（参考场景截图2）图3-4 VR场景中坠落后（参考场景截图3）图3-5

18、 VR场景中坠落后的事故原因及安全交底3.3.2 高处坠落体验VR交互设计（1）临边洞口坠落 主要表现临边及洞口无防护造成坠落的体验场景。体验者漫游的主通道为有安全防护栏杆及安全网的通道及楼梯。人为设置漫游路线中的一段临边和洞口上没有任何防护措施，在无安全带模式下体验者若移动范围超过水平支撑的边缘，则会触发坠落体验，以重力加速度下落到地面施工区域，落地后出现血腥画面及死亡后的灰度画面，随后出现事故原因总结画面。随后自动切换到外架施工坠落体验区。（2）高空作业坠落主要表现为由于不规范操作造成坠落的场景。体验者在100m高空清理物料时，把物料堆放在大横杆上，导致固定大横杆脱落，触发高空坠落。在无安

19、全带模式下，体验者以重力加速度下落到地面施工区域，落地后出现血腥画面及死亡后的灰度画面，随后出现事故原因总结画面，2s后重生，返回初始位置。在有安全带模式下，体验者会被悬挂在半空，随后出现事故原因总结画面，2s后切换到室内管线施工坠落体验区。3.4 物体打击体验3.4.1 物体打击体验VR场景设计虚拟场景中，体验者进入到地面施工区域后，可见地面有随机移动的施工工人，施工设置两座塔吊，塔吊在缓慢移动，吊取钢筋、脚手板、钢模板等施工用品，楼顶有工人正在进行施工作业。图3-6 VR场景物体打击（参考场景截图1）图3-7 VR打击（参考场景截图2）3.4.2 物体打击体验VR交互设计（1）高空坠物打击

20、主要表现为工人在高空临边施工时，不小心碰撞到未安装的电缆，导致电缆从高空坠落，砸中体验者，出现血腥画面及死亡后的灰度画面，而后出现事故总结画面。（2）材料吊运坠落 物体打击的交互通过控制坠落物品的随机坠落，体验者及时躲避，以此来表现时刻保持躲避物体打击的警惕性以及佩戴安全防护用具。体验流程包括垂直方向塔吊作业物体打击、水平方向吊物拖拽伤人、塔吊倾覆伤人等。具体交互表现为：初始进入场景，体验者选择是否佩戴安全防护用具。选择完毕后，体验开始。施工现场的塔吊都在工作，同时在平动（滑车在塔吊臂上来回移动）和转动（绕塔吊柱子来回转动）。塔吊在加工棚区域上空的一个区域内来回转动，在加工棚区域上空的一个区域

21、内来回移动。1#塔吊吊有钢管，在工作的状态下，钢管每4s掉落一根下来，砸到地面、堆码的物品、加工棚或者人物上面，对应的物体出现相应的受力反应和声音。砸到地面、堆码的物品、加工棚顶部后，钢管有砸到的撞击声和反弹，施工棚被砸垮塌。砸到模型人物后，人物被击倒和叫声、钢管落地声等。2#塔吊吊有模板，模板每隔4s掉落一块下来，砸到基坑地面、堆码的物品或者人物上面，对应的物品出现相应的受力反应和声音。角色人物可通过射线位移来移动，躲避坠落物，一旦被砸到即画面晃动，倒地，溅血，并提示死亡，随后出现死亡灰度画面，事故结束后出现总结画面，随后切换到高空临边材料坠落体验区。3.5 坍塌倾倒体验3.5.1 坍塌倾倒

22、体验VR场景设计模板及脚手架坍塌体验场景发生在楼板浇筑过程中，因脚手架搭建的质量问题发生坍塌、浇筑过快发生爆模事故等。爆模及坍塌发生时，还原真实的坍塌场景。图3-8 脚手架支撑图 墙体坍塌场景为临时支撑隔墙处，体验者此时正在此处作业，由于墙体支撑不牢固而坍塌击中体验者。3.5.2 坍塌倾倒体验VR交互设计（1）外脚手架坍塌体验者作为施工人员，在施工现场事故发生区域漫游走动时，由于脚手架安装质量问题，及混凝土浇筑时的震动，导致外脚手架坍塌，出现血腥画面，之后出现事故总结画面。（2）模板支撑坍塌体验者走到主体结构高支模施工区域，现场混凝土浇筑过快、进度不一，模板加固不牢固产生爆模，引发模板及支架整

23、体坍塌（事故发生时长约5-10s），出现血腥画面，之后出现事故总结画面。事故发生状态的动画特效还原，具有一定难度。除了要求模型的精度外，所有物品要有正确的物理状态反应。图3-9 坍塌后顶面场景照片图3-10 坍塌后底下场景照片（3）临时墙体坍塌体验者在临时墙体处施工，由于墙体支撑体系不牢固，墙体坍塌砸中体验者，通过手柄的震动反馈及被击后的视觉效果来表现处体验者被击状态，达到教育培训的目的3.6 大型器械危险源体验3.6.1 大型器械危险源VR场景设计大型器械危险源体验分别在大型器械施工现场：挖掘机事故体验场景为基坑，此时挖掘机正在进行土方开挖的工作，体验者处于挖掘机内部进行挖机的操控，操控通过

24、手柄与场景内部的机械操纵杆模型进行。塔吊事故体验场景为塔吊内部，此时塔吊正在进行吊装工作，体验者在内部操作塔吊进行作业，操控通过手柄与场景内部的机械操纵杆模型进行。3.6.2 大型器械危险源VR交互设计表3-1 挖掘机VR操作流程交互说明序号步骤UI/文字提示声音提示1用户在上一流程结束，挖掘机开始挖土前，出现语音出现“开始土方挖掘工作”选择面板请进行土方挖掘工作2用户走到挖掘机前，用手柄触碰挖掘机门，车门开启，按菜单键使抛物线落在座位上，则用户进入驾驶舱并坐在座位上，出现语音提示开始挖掘机操作教学3语音提示结束后，机器开关位置高亮，用户用手柄触碰高亮位置，则机器启动请启动机器4语音提示结束后

25、，用户用手柄触碰左操作杆向前推动，则斗杆伸出出现方向高亮箭头请将斗杆伸出5语音提示结束后，用户用手柄触碰左操作杆拉向近身侧，则斗杆收进出现方向高亮箭头请将斗杆收进7语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆拉向近身侧，则大臂提升出现方向高亮箭头请将大臂提升8语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆推向前方，则大臂下降出现方向高亮箭头请将大臂收进9语音提示结束后，用户用手柄触碰左操作杆推向右方，则机器向右回转出现方向高亮箭头请向右旋转10语音提示结束后，用户用手柄触碰左操作杆推向左方，则机器向左回转出现方向高亮箭头请向左旋转11语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆推向右方，则铲斗被翻出出现方向高亮箭

26、头请将铲斗翻出12语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆推向左方，则铲斗被收进出现方向高亮箭头请将铲斗收进13语音提示结束后，用户用双手柄触碰左右操作杆一起推向前方，则机器向前行驶出现方向高亮箭头向前行驶14语音提示结束后，用户用双手柄触碰左右操作杆一起拉向近身侧，则机器向后行驶出现方向高亮箭头向后行驶15语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆推向前面，则机器向前行驶并左转出现方向高亮箭头向前左转16语音提示结束后，用户用手柄触碰右操作杆拉向近身侧，则机器向前行驶并右转出现方向高亮箭头向前右转17语音提示结束后，用户用手柄触碰操作杆，左操作杆拉向近身侧，右操作杆推向前方，则机器原地左转出现方向

27、高亮箭头原地左转18语音提示结束后，用户用手柄触碰操作杆，右操作杆拉向近身侧，左操作杆推向前方，则机器原地右转出现方向高亮箭头原地右转19语音提示结束后，用户按照地面高亮指示，将机器开往土方作业位置（具体操作步骤见上述培训操作）挖掘机操作培训结束，下面请前往施工场地进行土方挖掘作业20用户没操作一次挖掘工作，土方都相应的减少，3s后，挖掘机履带右1/3悬空，导致挖掘机倾覆出现事故总结面板表3-2 塔吊VR操作流程交互说明序号步骤UI/文字提示语音提示1用户进入场景初始定位在塔吊驾驶舱内，可看到左右两个操作手柄摇杆出现开始培训面板请开始操作培训2选择开始培训后，出现语音提示，用户用手柄向左拨动或

28、者向右拨动左侧摇杆可使塔臂左右摆动请左右调整塔臂3语音提示结束后，用户用手柄向前拨动或者向后拨动左侧摇杆可使小车前后滑动请调整小车位置4语音提示结束后，用户用手柄向前轻推右摇杆，吊钩落下请将吊钩放下5语音提示结束后，用户用手柄轻拉右摇杆，吊钩升起操作结束后出现面板“培训结束”请将吊钩升起6培训结束面板显示2s后消失，出现语音提示，地面物体显示高亮，当用户控制摇杆将吊钩放在吊装物上时，吊钩与吊装物通过钢丝绳自动绑定。请开始吊装作业7之后，用户将吊装物起吊至另一高亮位置，在起吊后3s时由于吊装物超载，出现语音提示，3s后塔吊倒塌。出现红色警告面板“超载危险”严重超载3.7 消防设施综合体验3.7.

29、1 消防设施综合体验VR场景设计体验场景设计在模板加工棚及旁边的模板堆放区、生活区。还需要灭火设备干粉灭火器、消防水带及消防水枪等设备。图3-11 木工加工场地参考场景（截图1）图3-12木工加工场地参考场景（截图2）3.7.2 消防设施综合体验VR交互设计在模板加工及堆放区，可切换视角，以第一视角或者第三视角体验消防灭火的流程:在模板堆放区，由于刨床线路老化，引发火灾，火势由小及大，迅速蔓延至整个模板堆码区。伴随燃烧火焰特效及声音。灭火流程参照视频家庭火灾逃生VR体验，首先开始用干粉灭火器灭火。左手手柄去触碰干粉灭火器，手柄自动变成灭火器，手的位置在灭火器的把手处。另一只手柄射线位移走到火灾

30、处。开始灭火。右手柄为灭火器，上下晃动灭火器几次，使干粉松动。用左手柄（按触摸板）靠近把手处，按动扳机一次去掉铅封；靠近另一侧，按动扳机一次拔掉保险销。左手柄握住软管对准火焰根部，抠住扳机开始喷出干粉。（a）去掉铅封 （b）拔掉保险销（c）左手握着软管，右手抓着压把 （d）灭火场景效果图3-13 灭火器灭火操作场景若干粉灭火器的干粉耗尽，火势还是没有控制住，则启动消防水带灭火。旁边出线一条消防水带和没有接上的消防水枪。分别拾取消防水带和消防水枪，靠近连接在一起。走到消火栓位置，拾取扳手，用扳手触碰消火栓上的水阀开关，水阀打开，水枪口喷出高压水。拾取消防水枪，对准火源根部，开始灭火，伴随着火焰、烟尘及水汽。随着水量的喷出，火势变小，最终消失。提示灭火成功。（a）地上消防栓 （b）接上消防水枪 （c）打开消火栓水阀开关 （d）对准火源根部，进行灭火图3-14 消防水带灭火操作场景3.8 综合用电安全体验3.8.1 综合用电安全体验VR场景设计场景布置在施工加工区域及周边，主要展示触电安全事故等，在VR场景中通过动态交互的方式演示电路检修，触电反馈等。木工加工机床（需加防护罩）