基于虛擬現實技術的中藥生產實訓仿真實現

項朝陽，唐潤華，汪小根，莊義修

（1.廣東食品藥品職業學院電教信息中心，廣東 廣州 510520；2.廣東食品藥品職業學院中藥學院，廣東 廣州 510520）

中藥制藥是一個相當龐雜的過程，涉及十幾個甚至幾十個環節；車間建設占地有一定的需求，從幾十平方米到幾千平方米；設備比較昂貴，每套設備從幾萬到幾百萬不等；實驗準備和生產周期較長，一種藥品的生產需要幾天甚至十幾天才能最終完成。高校學生和企業新員工在投入中藥生產前都需要通過實訓熟悉和了解整個生產流程，熟悉各個設備的操作規程、功能和特性，也需通過實驗來構筑必需的崗前經驗，但寄希望于生產企業專門留出完整的生產線來培訓是不現實的，而構建實驗場地也需要投入大量的財力物力。其次，實訓原材料消耗大，中間產品保存成本高，部分實驗還需反復進行，時間和能源上的消耗都十分可觀。此外，孤立的局部實訓和封閉的生產設備難以展現完整的工藝流程，難以實現生產安全指導、先進理念灌輸、管理要素貫徹等多方面的融合，實訓效果無法保證。

將虛擬現實(Virtual Reality, VR)用到中藥生產實訓上，用虛擬實現技術來開發虛擬場景、虛擬設備和模擬生產操作，局面則煥然一新。虛擬現實的臨場感、交互性和構想性等特性[1-2]可以很好地解決以上的諸多問題。生產周期控制，材料能源消耗，生產過程展現等問題也將迎刃而解。但是構建虛擬現實平臺，是一項系統工程，需要掌握虛擬現實技術，結合工作流技術，網絡技術、教育技術和專業學科知識，進行可持續化的建設。

1 生產實訓類仿真系統的架構

快速、靈活地構建滿足生產應用需求的仿真系統一直是復雜系統仿真所追求的目標[3]。為了讓實訓平臺靈活快捷，宜采用模塊化設計。文獻[4]通過提取與抽象，歸納了模塊化仿真系統的設計方法，此類仿真系統可以從實現上劃分為數據視頻及動畫存儲單元、數據處理及發布單元、虛擬設備接口單元、物理設備及3D模型單元和客戶端五大部分，如圖1所示[4]。

圖1 模塊化仿真系統整體框架

1.1 基于Java的實現嘗試

在具體實現方法上，文獻[4]系統做了基于Delphi的實現，本文則進一步做了基于Java的嘗試。實訓平臺的工作依舊是依靠數據處理及發布單元與客戶端交互和協作來完成的。Web應用的發布借助了Apache Tomcat 6.0，局部還用到Javascript等腳本語言處理簡單交互。

文獻[4]系統配置采用的是C/S (Client/Server)模式，而本文系統采用了更為便捷的B/S(Browse/Server)模式。當管理員獲取相應權限后，可進入后臺設置學員權限與實驗流程，并控制各實驗環節的流向和結果輸出。另外，通過配置視頻、三維動畫和聲音、撲捉熱點等手段，使仿真交互更顯直觀、生動，并符合生產操作規程。學員的訪問依舊基于B/S方式，通過對Web服務器的訪問來完成網上虛擬學習和仿真操作。視頻及其它輔助文件被分門別類存放到指定的子目錄中，操作時通過JDBC（Java DataBase Connectivity, Java數據庫連接）與數據庫服務器進行聯接和交互，來控制實驗狀態和獲得仿真實驗結果。

1.2 虛擬設備接口的精簡實現

虛擬設備接口主要接收從物理設備及可控3D模型單元傳送過來的感應信息和狀態數據。這個環節可以通過物理感應設備接口將數據提取出來，也可以采用嵌入式技術來構建虛擬實驗設備的接口[5]。從降低經濟成本、便于系統擴展等角度出發，采用了Quest 3D和Java相結合的方案來實現。先構建好3D虛擬場景，然后通過加載Quest 3D交互控件和Java語句調用3D場景來實現協同控制，也達到了滿足生產應用需求的虛擬仿真效果。

2 生產仿真開發精細程度與工具選取

仿真系統的開發精細程度應結合行業特點和生產實際考慮，功能性要優先考慮，必須能夠真實反映生產現實。在保證功能性的基礎上，輕巧是首選。事實上，可以把精細程度深入到細節、局部去把控，對于重要的環節細節要重點剖析，對于次要環節，能簡則簡。總之，繁簡適宜才是實現系統化工程開發的上策，也是軟件工程所倡導的原則。仿真工具的選取也宜按此思路，不應求高精尖，應結合需求特點，從實用和輕巧切入，綜合考慮功能性、擴展性、魯棒性和結構良好性。

計算機仿真工具一般可分為三類：一是通用語言，如Fortran和Algol語言等；二是仿真語言，如SIGMA、GPSS和SIMULINK等；三是可視化開發平臺軟件。前兩類通用性好，但要求開發者有較強的編程能力。第三類通過定義各種實體，設置實體屬性建立實體間聯系，主要通過配置參數和操作技巧來創建仿真模型，技術門檻較低，開發者可以將更多的精力轉移到工藝過程的展現和虛擬場景的制作。目前流行的可視化開發平臺有Vir-toolsDev，EONStudio和Quest 3D等。另外，國內也有了很大突破，典型的有北京航空航天大學的實時三維圖形平臺BH_GRAPH等[1]。

Quest 3D是一款實時圖形渲染工具，可以實現產品的三維展示、場景漫游以及虛擬訓練等多種功能[6]。Quest 3D最大的特點就是使用構建模塊來組成程序，這些模塊被稱為信道，每一個信道都有其特定功能。利用這些信道，不需要編寫大量復雜代碼就可以完成三維場景的建立和漫游等功能。它借助了DirectX引擎，生成的場景效果絢麗，且占用資源較少。它還提供物理引擎、路徑動畫、數據庫連接和網絡支持等功能。此外，它演示性能強大，富有現實感，可以實現相當高難度的仿真。

結合中藥仿真生產崗位突出、流程銜接緊密、操作規范嚴格、系統運行輕巧等特點，也為便于中藥學科專業人員協同參與，本文的中藥生產實訓仿真系統開發時選用了Quest 3D作為仿真工具。

3 實現案例與關鍵技術

虛擬現實仿真，一般要先做3D實體建模，然后實現仿真控制。整個過程可分為3D實體建模、靜態場景（含實體創建）、動態場景、實體按鈕偵測和控制邏輯等步驟來實施。本節以中藥制藥萬能切割機為實例，以Quest 3D為主要仿真工具，對中藥生產實訓仿真過程中遇到的關鍵問題進行了探討。

3.1 3D實體建模

由于虛擬現實仿真系統基于大量3D實體的運行得以實現，而3D實體的運行占用大量的系統資源，所以3D模型創建的合理性對系統能否正常運行起著重要的作用。基于此，創建虛擬設備或場景要繁簡適宜，充分把控好系統的開發精細程度。本系統采用3Dmax實現基礎建模，建模時將模型抽象化，注重基于“點”級的對齊，減少體塊堆積，避免多余的頂點與面，控制材質使用量和貼圖大小，避免面面相疊、交叉，少用布爾運算。對于完成的設備類3D模型，按靜態機身類、按鈕類和動態實體類分別導出文件保存。分開導出的文件再導入Quest 3D平臺后，成為獨立的實體，便于動畫設置和邏輯控制。中藥制藥萬能切割機在建模完成后，可對機身、切刀機構和綠紅色按鈕分別導出相應的“.X文件”。圖2(a)是完整的萬能切割機3D模型，圖2(b)和圖2(c)是分別導出的機身、按鈕和切刀機構分拆組件圖。

圖2 萬能切割機模型及分拆組件

3.2 靜態場景創建手法

一般性生產靜態場景包括所有設備實體和車間場景的靜態展現效果。此案例簡化為整臺萬能切割機（含機身、按鈕和切刀機構等實體）。靜態場景創建方法如下：

（1）將建模時生成的X類型文件（含機身、按鈕和切刀機構）導入Quest 3D平臺，添加3D場景模塊和渲染模塊，將3D場景模塊設置為信道組的起始模塊，添加5個點光源和一臺OIC攝影機，再將上述模塊和信道組連接起來，構成該設備的基本場景，如圖3所示。

圖3 靜態場景信道流程圖

（2）將導入的實體作為一整體，將其大小和位置進行合理化調整，設置燈光的位置、強度，使設備呈現良好的顯示效果，確定攝影機的位置、方向和焦距，在動畫窗口查看工程攝影機顯示結果，微調至正常顯示，如圖4所示。

圖4 渲染模塊和信道組連接后的萬能切割機

3.3 動態場景的創建技巧

動態場景比靜態場景的創建方法復雜，通常在完成靜態場景之后實施，技巧歸納如下：

（1）設備基本是局部活動的，此刻的關注點在動態部件。首先查看動態部件實體的Motion信道組，確認導入的Motion信道組下的Value模塊類型為Envelop（因導入的模塊有可能出現其他Value類型），如果不是，則更換為Envelop類型模塊。

（2）切換到動畫窗口，在編輯器下方的時間軸內，將指針調到第0 格，以每6幀為一組動作設置動態部件的動作過程。

（3）添加Timer Value連接到上述Value模塊，如圖5所示，創建動態場景播放任務，邏輯控制信道通過控制播放任務來實現動態部件的啟動和停止。

圖5 Timer Value 連接圖

3.4 鼠標碰撞偵測及高亮顯示

為實現逼真的仿真效果，可采用3D實體來創建按鈕，技術難點在于需要建立鼠標碰撞檢測和鼠標滑過高亮顯示功能。此案例中，設置綠色按鈕為啟動按鈕，按下綠色按鈕后，切刀機構上下運動。打開Button-G文件夾，該信道組由導入Button-G.X時生成，刪除下面不完整的Material模塊，從信道窗口重新添加一新Material模塊替代。將Material信道組下Diffuse模塊的(R,G,B)設置為(0,1,0)，使按鈕顯示為綠色。刪掉原Emissive下的3個Envelop，添加Detect Mouse Collision與Emissive的G通道相連；創建Button-G的快捷方式并連接到Detect Mouse Collision模塊。這樣就實現了鼠標滑過綠色按鈕時的碰撞偵測及綠色按鈕高亮顯示功能，如圖6所示。

3.5 網頁展示調整技巧

系統需要發布成與顯示屏幕相匹配的網頁，才能正確顯示仿真效果。而Quest 3D只能按4∶3進行發布，無法與實際的顯示屏幕進行匹配。為解決這一問題，一個比較有效的做法是設計一個通用的轉換公式，利用公式在Quest 3D里對場景模塊的Y Scale值進行強制調整。設需要發布成網頁的橫、縱軸尺寸分別為X、Y，Quest 3D按4∶3進行發布，則縱軸尺寸為(3/4)*X，而實際網頁的縱軸尺寸為Y，將(3/4)*X/Y作為轉換系數，即將場景的Y-Scale值（舊）調整為Y-Scale值（新）=((3/4)*X /Y )* Y-Scale值（舊）。

在Quest 3D平臺發布網頁的index.html文件，部分代碼段做如下修訂：

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