实验室虚拟仿真建设之技术选型剖析
首先解答一个问题，为什么要进行实验室的虚仿建设？
按照一般理解，实验的虚拟仿真，是为了解决实验中存在的问题，如：
- 知识点不熟悉，需要虚仿系统进行事前的知识点教学讲解。
- 实操过程复杂，需要虚仿系统进行指导。
- 实操过程存在一定的危害性，该危害性分为两个方面：a、学员知识点不熟悉或动手能力不强，造成的对设备的损害；b、实验设备存在一定的危害性，由于学员和管理不到位对人身造成的危害性。基于这两点，需要虚仿系统来解决。
- 实验设备与实际教学所需达到的效果存在差距，如实机操作和实验设备之间存在形制上、规格上甚至原理上的差距，需要虚仿系统来弥补。
以前的虚仿系统解决了什么问题？遗留了什么问题？
以前虚仿系统的形态，主要以PC端为主，分为B/S和C/S结构，虚拟实验主要以学员上机，利用鼠标键盘点选操作为主。
这种虚仿系统看似一定程度上解决了问题1、2、3，但是由于是PC端操作，无法有实际实验设备进行有效的交互，所以这个过程只存在于实际实验之前，属于知识点讲解和答题阶段，并未深入到实验中去。也即大家一致在争论的话题：虚仿应该动手还是动鼠标？
所以，实验过程中存在的问题，上一代虚仿系统并未很好的解决。
当前及更先进的虚仿系统包括哪些技术方案？
在讨论这个问题之前，我们可以指出，当前主流的三维引擎是unity3d和UE4/5。
- 传统三维仿真（PC/WEB）：大多采用三维引擎生成本地化应用，更进一步的，采用类似网络游戏的方式进行（类似端游页游手游）。
- VR虚拟现实技术：与传统仿真类似，依托PC的计算能力，进行沉浸式场景渲染，显示方式上通过双目视觉原理，进行立体化呈现。
- AR增强现实技术：通过双目视觉方式进行立体渲染，通过SLAM或LightHouse（VR也有）进行定位，完成现实与虚拟内容的空间融合。通过透视显示（离轴光学、自由曲面、光波导），完成虚实结合。
- MR混合现实技术：与AR类似，但是增加了现实遮挡的功能，使虚拟内容可以被真实物体遮挡（涂黑）。
各种技术方案对比表格：
|
优势项 对比项 |
传统三维仿真 |
VR虚拟现实技术 |
AR增强现实技术 |
MR混合现实技术 |
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传统三维仿真 |
技术简单可靠，成本低 |
技术简单可靠，成本低 |
技术简单可靠，成本低 |
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VR虚拟现实技术 |
立体效果好，沉浸感强，可做场景化教学 |
视场角大，沉浸感很强 |
视场角大，沉浸感很强 |
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AR增强现实技术 |
立体效果好，虚实结合。 |
可与真实世界交互，与课堂的割裂感小。 |
视场角大，沉浸感相对强 |
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|
MR混合现实技术 |
立体效果好，虚实结合。 |
可与真实世界交互，与课堂的割裂感小。 |
具备真实遮挡技术，视觉效果更自然。 |
各个技术方案在实验室虚仿建设中适合扮演哪种角色？
传统三维仿真：适合实验前阶段
如教学、实验前的知识点普及教学。与传统PPT和视频相比，直观性更好。
VR虚拟现实技术：适合实验前阶段
如教学、实验前的知识点普及教学。作为传统三维仿真的补充，在复杂实验场景下，VR的效果更加直观。
AR增强现实技术：适合实验中的桌面级实验阶段
两种场景：
- 基础实验：测量、制图等，需要学员使用小型抽象实验器具（如尺子、圆规、测距仪、齿轮范成等）进行的实验，可通过AR设备，对整个实验过程进行指导，与手机视频相比，解放学员手眼，直观，提高实验效率和准确性。
- 进阶实验：用到电气、机械实验器具时，这些器具完全运行时有一定的危害性和脆弱性，AR可进行实物+虚拟的方式进行实验过程的实时反映和呈现。
MR混合现实技术：适合实验中的室内级实验阶段
如大型设备、沉浸式设备（座舱）的实操实践。
如何设计技术方案，解答实验室虚仿建设的问题？
任何系统的完备，都不是单一技术的实现能够解决的，好的系统是各种不同技术在不同的使用场景下的最优组合。
上述不同的技术方案，都涉及到三维仿真内容，运用时下较流行的叫法，就是元宇宙中的元素。可见，对实验内容的仿真制作是所有工作的基础。为使系统达到最大的复用性（经济），保证稳定性和后期维护升级的通用性，需要内容制作方面具备较强的通用性，如模型面数少、UV合理、材质优化、光照优化、动画及骨骼优化，适合PC、WEB、android、windows、IOS等不同平台的渲染运行。
在实验前阶段，建议以传统三维仿真为主，提供PC\WEB端的访问，供学员可以随时随地反复学习。VR作为补充手段，可准备1-2套设备，针对特定的几个复杂实验进行内容建设。
在实验中阶段，建议引入AR作为指导和补充，提高实验准确率和效率，保证安全性，提高直观性。
对于桌面级实验，一般是要求全员参与。若所选AR设备经济性太低，则在有限的预算中，无法做到人手一台设备，会出现一个人干，十个人看的情况，使虚仿实验流于形式，变成一个不成熟的试点项目，而非务实的教学提升。故此建议考虑经济性强的国产设备，且最好是能够支持后期设备的升级，防止出现一次性投入，无法换代的情况。
在实验中阶段，在室内级实验中，一般为重点实验项目，一般由老师进行针对性指导，所以建议采用MR设备。目前公认的比较好的MR设备为微软的HOLOLENS，虽经济性不强，但是可以少量采购，效果和稳定性方面都有保证。
在内容方面，由于引入了老师的指导，所以该部分建议要具备多人协同功能，否则失去意义。
总结：
内容制作按照通用性强的标准进行建设。
VR设备可准备1-2套，AR设备可采用国产经济性强的，尽量做到人手一台，MR设备可少批量采购。
详细方案和设计，容后讨论。
辛苦码字不易，如有引用，请注明来源，谢谢——顾作晓18562228961
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