基于Virtools的虛擬仿真客戶培訓系統的設計與研究

華 艷

（無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

1. 引言

虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。

Virtools是一款具有互動行為模塊的3D實時虛擬實景編輯軟件。在Virtools虛擬環境中開發人員只需拖拽行為模塊對模塊進行搭建便可組成豐富的互動作品，目前在很多領域得到廣泛應用，比如：媒體、網絡游戲、教育培訓和仿真產品等。

2. 國內外研究現狀

虛擬現實技術已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節中，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。

荷蘭、德國、英國、日本等國家在虛擬現實技術應用方面發展極為迅速，特別在工業、商業、教育等領域中應用較多，發展較快。在工業設計領域，虛擬現實技術主要應用于產品外形設計、虛擬裝配、產品加工過程仿真、設備管理等。

許多機械制造類企業對虛擬現實方面的仿真系統需求較大，利用虛擬現實技術對機械加工、裝配過程進行虛擬仿真，可以優化生產流程、降低成本和時間；利用虛擬現實進行員工技術實訓，可以減少操作失誤，降低企業風險；利用虛擬現實技術進行客戶售后服務，可以節約企業運營成本，提高銷售質量。

經調查與分析，目前很多國內的機械制造企業在利用虛擬現實技術對客戶培訓的方面是一個空白，卻又十分迫切需要。但是如果只是企業自行研發，沒有一定的技術支撐，實現較為困難。因此，筆者所在的學校與某汽車企業（因保密需要，在下文均以某汽車企業字樣出現）合作，利用虛擬現實技術為其開發客戶仿真培訓系統有很大的實用性。另外，筆者在調研中還發現，很多其他的機械類企業在虛擬仿真方面的需求也很大，因此基于Virtools的虛擬現實技術有很大的發展前景。

3. 虛擬仿真客戶培訓系統的設計與研究

虛擬仿真客戶培訓系統的設計主要以Virtools、3D、Pro/E等軟件作為技術支撐，為以某汽車制造企業培訓科提供的客戶培訓方案為依托，開發一個虛擬現實客戶服務平臺，應用到汽車發動機分解與裝配、簡單故障排除的培訓上，使其客戶培訓產生新模式，而學校、教師也能借助此項目的開發研究大大提高科研能力和學術水平，達到雙贏的效果。

3.1 虛擬現實技術的研究及系統整體架構研究

對虛擬現實技術進行研究和了解，研究虛擬現實技術發展的國內外現狀，以及調查汽車企業在虛擬仿真培訓方面的需求等，進行大量的材料分析和對比，形成虛擬仿真客戶培訓系統的設計流程與系統的整體架構。

圖1 系統總體設計流程

圖2 系統總體架構

3.2 三維建模技術的分析與應用研究

虛擬現實技術離不開三維模型，但是Virtools本身不具有建模功能，故需要選擇合適的建模工具。本系統研究對象為發動機，發動機零件數量龐大，是一個復雜的零部件機構，故采用Pro/E對其進行建模，這樣會使建模速度和模型的精確度提高。但是由于這種建模軟件無法直接導入Virtools，故需要由3ds Max作為中間傳遞者，模型在導入3ds Max后可以進行渲染和動作添加。這就將整個項目分解成幾個獨立的部分：幾何建模、運動建模、對象行為的建模。

另外，為了保證系統在普通計算機上運行的實時性和高效性，建模時應在滿足發動機裝配與維修環境逼真的基礎上，對模型簡化技術，并利用各種修改方式來優化模型，減少大量的運算，又能提高圖像的顯示速度，從而體現出桌面式虛擬仿真培訓系統的優越性。

3.3 基于Virtools技術的仿真培訓系統開發與研究

設計和實現虛擬仿真交互功能是基于Virtools的三維虛擬場景開發的關鍵技術，本系統設計和實現的交互功能以及探討的關鍵技術有：汽車發動機模型拆卸安裝工具的選擇、Virtools與數據庫的通信及相互操作、視頻資源的調用、三維虛擬系統的優化等。

在系統發布時可以生成采用Web瀏覽器和網絡服務器架構的模式。這樣，能讓開發的系統方便使用，在進行客戶培訓時，可以進行遠程培訓，也可以進行桌面式實地培訓。

①導入資源

在Virtools軟件創建資源庫“虛擬培訓”，將需要的模型文件、紋理文件、視頻文件等拷貝入“虛擬培訓”資源庫的相應分類文件夾中。這樣有利于這些資源的歸類與使用。

②創建燈光

將所需的發動機零部件導入Virtools場景中，此時零件顯示黑色，需要在場景中加燈光。一般采用點光源，將燈光放在合適位置，使得場景中的模型正常顯示，調整燈光的參數使模型光澤度適中。

③設置模型的材質

添加燈光后，模型仍舊沒有金屬材質的真實感，還需要創建金屬材質，在參數設置中設定合適的材質顏色，調節零件模型的自發光程度，形成金屬質感。

④碰撞檢查

現實中機械零部件是實體部件，在裝配與維修中會遇到各種碰撞，如果不加以檢測，就會導致機械零部件相互穿透，使場景失去逼真性。要避免這種情況，可以利用Virtools內嵌的碰撞檢測功能，為地面或桌面添加Floor(地面)屬性，機械零部件添加屬性Fixed Obstacle(固定障礙物)，腳本設計中添加行為模塊Prevent collision(防止碰撞)或Object Slider(對象移動)，從而實現碰撞檢測功能，使機械零部件之間不能相互穿透。

⑤交互設計

完成發動機的虛擬裝配主要是對發動機零部件的三維模型進行三大操作：拾取、操作、釋放，而操作部分主要是進行移動、旋轉、縮放，這些功能主要通過鼠標和鍵盤實現。

3.4 設計并開發的虛擬仿真培訓系統平臺

依據某汽車制造企業培訓科提供的需求報告分析，設計并開發的虛擬仿真培訓系統平臺，具體內容如下：

①提供發動機的仿真模型，客戶可通過各種方式選擇發動機各部件進行裝配與分解實驗。

②提供虛擬的發動機機械故障案例，為故障分析和排除提供完全仿真的場景，使客戶能進行具有真實感的虛擬實驗。

③能對用戶在進行故障排除實驗時進行正確性檢測，讓客戶在整個實驗過程中始終得到正確的引導。

④提供發動機各部件的拆裝與故障排除實驗的幫助性文檔和視頻演示過程。

⑤友好的用戶界面，操作簡單，有完備的幫助文檔，客戶在進行實驗時操作方便。

⑥良好的交互性，能快速響應客戶的操作，返回操作結果。

3.5 平臺的測試與改進

對運用Virtools開發的虛擬培訓平臺進行實踐測試，通過客戶使用情況反饋分析，總結開發研究需要改進的地方。

為某汽車企業開發的虛擬仿真客戶培訓系統是針對實際的客戶需求設計與開發的，因此需要大量的使用與測試，以保證開發的培訓系統的技術正確性與實用性。只有通過大量反復的測試，才能發現系統中問題，并進一步完善系統。

4. 研究的價值

(1)某汽車企業是國家重點高新技術企業，為其開發基于Virtools虛擬培訓系統，讓使用者在遠程終端或桌面式操作系統動手實踐，使企業的客戶實踐培訓更形象化、直觀化、易于實現，為其他企業在這方面的發展引領了方向。

(2)對企業而言，開發的培訓系統提供了一種新的與客戶溝通的方式，節省了大量人力、物力，更有利于客戶掌握新銷售產品的性能與使用方法等，避免一些誤操作時的損失，甚至開啟了一種售后服務新模式，從而產生新的經濟價值。

(3)對學校而言，能跳出教書育人的簡單框架，為企業提供學術支撐，產生新的社會價值。

(4)對教師而言，將理論知識融入該系統的研究，獲得了大量的實踐經驗，豐富了課堂教學的應用案例，教學水平會有新的提高。

5. 結語

基于Virtools的某汽車企業虛擬仿真客戶培訓系統能讓培訓客戶觀察三維的發動機模型，然后產生動作響應，能實現發動機維修培訓環境的逼真效果，減少實際設備使用時產生的一些器材報廢或經濟損失，體現出桌面式虛擬培訓系統的優越性。通過系統中交互模塊的設定，使客戶接受培訓時全身心地投入到計算機所創建的發動機三維模擬裝配與維修環境中，從而使培訓客戶產生實物維修裝配的感覺，也充分體現虛擬現實三大特征：沉浸感，交互性和構想性。

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