vr工地安全教学系统设计【字数：9248】
指导教师 朱明程 摘 要随着科技的快速发展，我国的生产力得到大大提高。在人民安居乐业的同时，生产安全成为大家最为关心的问题。而工地施工安全由于涉及面广，从业人数多的原因，受到社会各阶层的高度重视。在工地施工过程中，工人们往往要面对消防隐患、高空坠物、漏电触电等安全问题，有时也会因为自己的操作不规范等原因，造成人身伤害。面对这样的热点问题，各施工单位都严格按照《建设工程安全生产管理条例》进行员工岗前安全培训。然而传统的培训方式在原型制造、设计和生产过程中存在重复工作，高成本的问题，培训方式本身也具有安全隐患。所以VR工地安全教学系统在近几年表现突出，各大建筑公司广为应用。本项目采用前沿的VR技术，将工地安全培训内容以三维动态互动体验的形式模拟出来，首先设计了“消防安全”，“脚手架坍塌”，“触电体验”，“坠楼体验”，“楼面坍塌”五大系统功能，然后用3DMAX软件准备相关模型素材，再利用虚幻引擎UE4搭建系统场景，通过编程实现场景内物体的碰撞拾取等功能，最后控制三轴电缸升降平台，配套场景内容完成工地安全模拟教学任务。
目 录
第一章 绪论 2
1.1研究内容 2
1.2论文架构 2
第二章 系统的软件设计与实现 3
2.1系统软件总体设计 3
2.2 开发工具介绍 3
2.3软件设计需求 5
2.4软件功能的实现 9
2.5本章小结 12
第三章 系统硬件配置与软件结合 13
3.1硬件需求 13
3.2硬件组件介绍 13
3.3硬件平台与软件内容的数据传输 13
3.4 本章小结 14
第四章 VR工地安全教学系统的调试 15
4.1调试 15
4.2测试中遇到的问题以及解决方法 15
4.3本章小结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
1.1研究内容
本项目是基于UE4和3DMAX进行VR工地安全教学系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
统的设计，本系统是通过研究分析已有的实景工地安全教学培训方案和资料，确定VR工地安全教学系统的功能特点。用3DMAX准备相关场景的模型素材，然后在虚幻引擎UE4中进行搭建， 再通过编程实现人机交互式体验。该系统可以使建筑工人站在三轴电缸升降平台上，带上VR头戴式设备，“亲身”体验各种工地安全多发性事故，熟悉并且掌握相关技能知识，完成工地安全教学培训。
1.2论文架构
第一章 绪论：介绍了VR工地安全教学系统这个课题的背景及意义，阐述了本次设计研究的主要内容，简单的描述了每个章节的结构安排。
第二章 系统的软件设计与实现：介绍了软件的设计需求以及部分的组成功能，然后阐述需要用到的开发软件，对主要的功能特色给出流程图介绍，最后进行总结。
第三章 系统的硬件配置与软件结合：总述了本系统需要用到的硬件设备，并且对硬件设备的功能进行了详细的阐述，最后进行总结。
第四章 系统的调试：通过视频和图片，展示设计成果并调试，最后分析设计过程中遇到的问题。
第二章 系统的软件设计与实现
2.1系统软件总体设计
VR工地安全教学系统主要依靠虚幻引擎UE4的VR模块进行软件内容开发。整个系统的软件部分是围绕“消防安全”，“脚手架坍塌”，“触电体验”，“坠楼体验”，“楼面坍塌”五大系统功能来展开的。如图21总体功能设计框架图所示。
图21 总体功能设计框架图
本次设计的VR工地安全教学系统能够高度还原工地常发性安全事故，用户在系统语音图片的引导下，通过VR手柄的控制完成培训内容。由于VR交互性强的特点，虚拟体验场景内的物体道具必须能够实现碰撞，拿取以及现实生活中该有的功能，比如消防安全中灭火器的使用。
2.2 开发工具介绍
首先是我们用到的建模软件3DMAX，它是一款功能非常强大的建模软件，也是国内建模行业中使用最多的建模软件。3DMAX支持CAD图纸导入建模，因此也使得3DMAX大量运用在建筑模型上，在同类型的建模软件中是一大亮点，这样设计师就可以快速高效的做出数据精确的模型。3DMAX支持多边形建模，曲面建模，笔刷建模等建模方式，多样性的建模方式可以让使用者针对不同种类的模型找到最快速高效的方法。在同类建模软件中，3DMAX最突出的特点就是动画系统，该动画系统操作简便易上手，同时骨骼绑定系统更是出类拔萃，虽然3DMAX的动画系统不能制作出CG级的效果，但是其效果也可以满足最大多数的要求。与同类型的建模软件MAYA相比，MAYA的动画效果上限更高，但是其操作难度和复杂性却大大的加强了，就算是影视公司也会选择在3DMAX中完成基础绑定处理工作，然后再用MAYA进行CG级别的效果制作，在本次设计中，3DMAX可以完美的复合操作的所有要求，同时操作和难度是同类型软件中最低的。
其次VR工地安全教学系统的软件开发工具用的是虚幻引擎4，这是一套完整的创新设计工具。它可以用于开发高质量的个人电脑、移动设备和AR游戏，以及实现从项目发布到产品发布。这是因为它拥有一组世界级的工具和一个简单的工作流程，并且完全开放源代码，允许虚幻引擎4开发人员自由地修改和扩展引擎功能。以下是最突出的特点。
物理模拟：UE4使用PhysX 3.3 物理引擎来驱动其物理模拟计算并执行所有碰撞计算。PhysX提供了在模拟世界中执行精确碰撞检测和物体间物理交互的能力。包括物理在内的软件开发将有助于改善每个场景的代入感，因为它将使玩家认为他们正在与场景中的物体互动，场景中的物体将以某种方式作出反应。
图形和渲染：虚幻引擎4有一个新的DirectX 11管道渲染系统，包括延迟阴影，全局照明，半透明光照，后处理和GPU粒子模拟。
UMG UI设计器：开发人员可以使用UE4的动态图形UI设计器实现一些基本的软件内HUD元素和前端菜单。还可以创建一个主菜单来启动软件、设置分辨率或退出软件。
骨架网格动画系统：虚拟引擎4动画系统由多个动画工具和编辑器组成，它将基于骨架的变形和基于顶点的变形结合起来构建复杂的动画。该系统可以用来播放和混合预先准备好的动画序列，使人物模型的基本动作更加逼真。
行为树：它是虚幻引擎 4 中创建 AI 的强大工具。可以创建高智能的机器人与玩家对战，实现其该有的功能比如追踪，巡逻等。
目 录
第一章 绪论 2
1.1研究内容 2
1.2论文架构 2
第二章 系统的软件设计与实现 3
2.1系统软件总体设计 3
2.2 开发工具介绍 3
2.3软件设计需求 5
2.4软件功能的实现 9
2.5本章小结 12
第三章 系统硬件配置与软件结合 13
3.1硬件需求 13
3.2硬件组件介绍 13
3.3硬件平台与软件内容的数据传输 13
3.4 本章小结 14
第四章 VR工地安全教学系统的调试 15
4.1调试 15
4.2测试中遇到的问题以及解决方法 15
4.3本章小结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
1.1研究内容
本项目是基于UE4和3DMAX进行VR工地安全教学系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
统的设计，本系统是通过研究分析已有的实景工地安全教学培训方案和资料，确定VR工地安全教学系统的功能特点。用3DMAX准备相关场景的模型素材，然后在虚幻引擎UE4中进行搭建， 再通过编程实现人机交互式体验。该系统可以使建筑工人站在三轴电缸升降平台上，带上VR头戴式设备，“亲身”体验各种工地安全多发性事故，熟悉并且掌握相关技能知识，完成工地安全教学培训。
1.2论文架构
第一章 绪论：介绍了VR工地安全教学系统这个课题的背景及意义，阐述了本次设计研究的主要内容，简单的描述了每个章节的结构安排。
第二章 系统的软件设计与实现：介绍了软件的设计需求以及部分的组成功能，然后阐述需要用到的开发软件，对主要的功能特色给出流程图介绍，最后进行总结。
第三章 系统的硬件配置与软件结合：总述了本系统需要用到的硬件设备，并且对硬件设备的功能进行了详细的阐述，最后进行总结。
第四章 系统的调试：通过视频和图片，展示设计成果并调试，最后分析设计过程中遇到的问题。
第二章 系统的软件设计与实现
2.1系统软件总体设计
VR工地安全教学系统主要依靠虚幻引擎UE4的VR模块进行软件内容开发。整个系统的软件部分是围绕“消防安全”，“脚手架坍塌”，“触电体验”，“坠楼体验”，“楼面坍塌”五大系统功能来展开的。如图21总体功能设计框架图所示。
图21 总体功能设计框架图
本次设计的VR工地安全教学系统能够高度还原工地常发性安全事故，用户在系统语音图片的引导下，通过VR手柄的控制完成培训内容。由于VR交互性强的特点，虚拟体验场景内的物体道具必须能够实现碰撞，拿取以及现实生活中该有的功能，比如消防安全中灭火器的使用。
2.2 开发工具介绍
首先是我们用到的建模软件3DMAX，它是一款功能非常强大的建模软件，也是国内建模行业中使用最多的建模软件。3DMAX支持CAD图纸导入建模，因此也使得3DMAX大量运用在建筑模型上，在同类型的建模软件中是一大亮点，这样设计师就可以快速高效的做出数据精确的模型。3DMAX支持多边形建模，曲面建模，笔刷建模等建模方式，多样性的建模方式可以让使用者针对不同种类的模型找到最快速高效的方法。在同类建模软件中，3DMAX最突出的特点就是动画系统，该动画系统操作简便易上手，同时骨骼绑定系统更是出类拔萃，虽然3DMAX的动画系统不能制作出CG级的效果，但是其效果也可以满足最大多数的要求。与同类型的建模软件MAYA相比，MAYA的动画效果上限更高，但是其操作难度和复杂性却大大的加强了，就算是影视公司也会选择在3DMAX中完成基础绑定处理工作，然后再用MAYA进行CG级别的效果制作，在本次设计中，3DMAX可以完美的复合操作的所有要求，同时操作和难度是同类型软件中最低的。
其次VR工地安全教学系统的软件开发工具用的是虚幻引擎4，这是一套完整的创新设计工具。它可以用于开发高质量的个人电脑、移动设备和AR游戏，以及实现从项目发布到产品发布。这是因为它拥有一组世界级的工具和一个简单的工作流程，并且完全开放源代码，允许虚幻引擎4开发人员自由地修改和扩展引擎功能。以下是最突出的特点。
物理模拟：UE4使用PhysX 3.3 物理引擎来驱动其物理模拟计算并执行所有碰撞计算。PhysX提供了在模拟世界中执行精确碰撞检测和物体间物理交互的能力。包括物理在内的软件开发将有助于改善每个场景的代入感，因为它将使玩家认为他们正在与场景中的物体互动，场景中的物体将以某种方式作出反应。
图形和渲染：虚幻引擎4有一个新的DirectX 11管道渲染系统，包括延迟阴影，全局照明，半透明光照，后处理和GPU粒子模拟。
UMG UI设计器：开发人员可以使用UE4的动态图形UI设计器实现一些基本的软件内HUD元素和前端菜单。还可以创建一个主菜单来启动软件、设置分辨率或退出软件。
骨架网格动画系统：虚拟引擎4动画系统由多个动画工具和编辑器组成，它将基于骨架的变形和基于顶点的变形结合起来构建复杂的动画。该系统可以用来播放和混合预先准备好的动画序列，使人物模型的基本动作更加逼真。
行为树：它是虚幻引擎 4 中创建 AI 的强大工具。可以创建高智能的机器人与玩家对战，实现其该有的功能比如追踪，巡逻等。
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