戚曉利等
摘要:傳統(tǒng)實驗教學效率低,成本高,安全性差。針對這些不足,本文以輥式破碎機虛擬實驗教學平臺為例,展示了Virtools在實驗教學領域的應用及其開發(fā)步驟,開發(fā)出的虛擬實驗系統(tǒng)具有極強的交互性、靈活性、可擴展性。它顯示了虛擬現(xiàn)實技術在虛擬實驗領域應用的巨大潛力,為后續(xù)的虛擬實驗開發(fā)提供了解決方法和新思路。
關鍵詞:Virtools;輥式破碎機;虛擬現(xiàn)實;實驗教學
中圖分類號:G433 文獻標識碼:A 論文編號:1674-2117(2015)18-0072-04
前言
實驗是教學中的一個重要環(huán)節(jié),對提高教學質(zhì)量、提升學習者興趣具有重要意義,但限于成本和投入產(chǎn)出比等因素,很多院校的實驗課程開設不足,在一定程度上影響了教學質(zhì)量。如何建設低成本、高效率、功能全面、具有協(xié)作性的實驗室成為擺在諸多院校面前的一道難題。
目前,傳統(tǒng)實驗教學環(huán)節(jié)存在以下三個方面的不足:①在課堂理論教學環(huán)節(jié),內(nèi)容抽象、枯燥,理論與現(xiàn)場脫節(jié),培訓效果差;②在實驗教學(模型教學)環(huán)節(jié),成本高,教學效果不明顯;③在電化教學上,缺乏雙向交流,教學手段單一,教學效果一般,很多場面無法真正實現(xiàn)。[1]而建立虛擬實驗系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。
虛擬現(xiàn)實技術
1.虛擬現(xiàn)實技術的定義
虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)也稱為虛擬靈境或人工環(huán)境,是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。它是一種先進的數(shù)字化人機接口技術,是利用計算機技術生成的一個逼真的,具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境。用戶通過各種交互設備,同虛擬環(huán)境中的實體相互作用,產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流。[2]
2.虛擬現(xiàn)實技術的應用
虛擬現(xiàn)實技術最初被應用于軍事仿真領域,但經(jīng)過半個世紀的發(fā)展,其應用領域越來越廣泛。近年來在城市規(guī)劃、室內(nèi)設計、工業(yè)設計、遠程教育等方面也取得了巨大發(fā)展。
隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,它已經(jīng)逐步深入到教育的各個領域,在未來必將給教育帶來一系列的重大變革。利用虛擬現(xiàn)實技術,學生足不出戶便可以完成各種實驗,獲得和實驗室一樣的體驗。在保證教學效果的前提下,它將極大地節(jié)省教學成本。學生在虛擬實驗環(huán)境下,可以安心地做各種危險實驗。在專業(yè)技能培訓上,虛擬現(xiàn)實技術也能夠為學生提供輔助作用,如虛擬駕駛、各種交通規(guī)則的模擬、特種機械模擬操作、模擬裝備等。[3] [4]a
目前構建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的方法主要有三種:①直接通過編程實現(xiàn),如VRML、C++編程軟件等;②利用OpenGL圖形庫編寫程序建模,同時添加實時性和交互性功能模塊實現(xiàn);③通過三維建模軟件和虛擬現(xiàn)實軟件共同實現(xiàn),目前應用比較廣泛的虛擬現(xiàn)實軟件有Virtools、Quest3D、EON、Unity3D等。此類軟件最大的優(yōu)點就是功能強大、畫面質(zhì)量高、接口豐富,且支持眾多硬件。[5]
采用Virtools技術開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng),能夠模擬真實的實驗場景和實驗儀器,讓用戶產(chǎn)生強烈的現(xiàn)場感,同時開發(fā)難度小,周期短,易于實現(xiàn)。
Virtools在虛擬實驗教學領域的應用
為了詳細地展現(xiàn)Virtools的工作流程與功能特點,本文以輥式破碎機虛擬實驗教學平臺的開發(fā)為例進行介紹。
1.總體設計
設計目標:創(chuàng)建一個能夠真實還原輥式破碎機工作過程的虛擬工作環(huán)境,為相關專業(yè)學生、工人和技術人員的培訓提供安全、低成本的虛擬試驗平臺,為指導生產(chǎn)和后續(xù)的科學研究提供先進、便捷的手段。
設計流程:參閱相關圖紙和實地考察,搜集相關尺寸數(shù)據(jù)、圖片和音頻信息,利用Pro/E軟件建立輥式破碎機的三維實體模型,然后通過Rhinoceros(犀牛)軟件導入3DMAX,接著通過3DMAX軟件導入到Virtools軟件,在Virtools中進行實時渲染、界面設計、交互腳本編寫等交互設置,最后進行發(fā)布輸出。[6-8]工作流程如圖1所示。
2.模型建立
(1)建立三維模型
虛擬現(xiàn)實技術以實體模型作為基礎,實體模型的建立是整個系統(tǒng)的關鍵之一。由于Virtools不具備三維建模能力,因此模型只能通過其他三維建模軟件導入,如3DMAX、MAYA等。3DMAX雖然建模功能強大,但是對尺寸精度要求比較高,使機械類產(chǎn)品建模較為困難。基于上述考慮,本文使用Pro/E軟件建立輥式破碎機三維實體模型,然后導入3DMAX。
(2)Pro/E模型導入3DMAX
首先將.prt格式文件轉換成.stp格式文件導入到Rhinoceros中,然后在Rhinoceros中轉換成.3ds格式文件后再導入到3DMAX文件中。雖然導入過程比較煩瑣,但是通過.stp和.3ds格式文件的轉換,在最大程度上保存了實體模型原有的數(shù)據(jù)信息,后期渲染效果也比較理想。
(3)3DMAX模型導入Virtools
在導入3DMAX后,開始進行各零部件的裝配。然后將3DMAX模型直接導入Virtools,在Virtools中進行材質(zhì)和燈光的設置。采用這種方法可以實時渲染,虛擬效果也更加真實。通過3DMax Exporter插件將.max格式文件轉換成.nmo格式文件,然后導入Virtools中。
(4)材質(zhì)和燈光的設置
在Virtools中直接導入的模型是黑色的,因為在3DMAX中沒有設置燈光,所以在Virtools中的第一步任務就是設置燈光和材質(zhì)。Virtools中燈光有Point(點光源)、Spot(聚光燈)和Directional(平行光)三種類型,它們需要合理搭配使用,才能建立逼真的現(xiàn)實光影環(huán)境。燈光的建立主要是設置合理的位置和強度參數(shù),要注意勾選specula(反光)選項,這樣才能讓材質(zhì)在后面渲染時呈現(xiàn)高光反射的特性,更加逼真,但這同時也會消耗更多的計算機資源。
燈光建立完成后是建立材質(zhì)。在Virtools中材質(zhì)主要包括模型材質(zhì)和圖片材質(zhì)兩種類型。模型材質(zhì)是破碎機零部件的材質(zhì),其貼圖主要通過拍照和Photoshop軟件共同完成;圖片材質(zhì)主要是虛擬交互時一些界面和標識的材質(zhì),其貼圖主要通過Photoshop軟件制作完成。注意更改貼圖圖片的尺寸大小,以降低文件的大小,提高讀取速度。Virtools是以2的次方來記錄圖片的尺寸,并會以2的次方自動設定圖片的容量,以降低文件的容量。例如,在本案例中,使用的某一貼圖尺寸為878×137 32bits,這時Virtools會將其自動改成1024×256 32bits,文件占用內(nèi)存大小就是1024KB,很顯然這會增大文件的容量,對系統(tǒng)顯示存儲不利。而手動設置圖片尺寸,將其改為512×128 32bits,此時文件的大小為256KB,不僅顯示質(zhì)量沒有降低太多,而且圖片所占的容量也大大減小。[9] [10]
3.場景驅動
(1)標簽和界面
為了更好地輔助培訓人員熟悉破碎機的結構,我們編寫了如圖2(a)所示的腳本,效果是當鼠標指針指向某一部件時就可以顯示某一部件的名稱,鼠標移開時隱藏名稱。名稱是以2D frame形式顯示的。后面提到的界面、操作說明都是以show、hide兩種腳本來完成的。
(2)攝像機的設置
為了能有更加全面的虛擬體驗,視角的移動和旋轉必不可少,在Virtools中視角的改變是通過改變攝像機的位置和姿態(tài)來實現(xiàn)的,我們因此編寫了如圖2(d)、圖2(f)所示的腳本。在圖2(d)中,關鍵是Mouse Camera Orbit,該BB(Building Block行為模塊)使攝像機可以沿著某一軌道進行旋轉,從而使視角進行旋轉。在圖2(f)中,Virtools沒有直接移動攝像機的BB,而是按住鼠標中鍵進行觸發(fā),因為在按下鼠標中鍵后,系統(tǒng)通過Get Mouse Displacement能不斷地獲得鼠標移動的位移量,然后將獲得的位移量通過Multiplication進行數(shù)量轉換,轉換成合適的位移量進行輸出,關鍵是這個輸出的位移量不是輸出給攝像機,而是輸出給攝像機的參考目標3D frame,這時就可以實現(xiàn)攝像機跟隨鼠標的移動而移動。
(3)破碎作業(yè)
本案例虛擬交互中,機器的操作是核心部分,主要有控制柜按鈕、閥塊扳手等操作,輥子、下料裝置、聯(lián)軸器等運轉過程。我們采用直接在Virtools中驅動物體模型的方法,編寫了如圖2(e)所示的腳本。將rotate變成循環(huán)的方式,延遲時間改成0,這樣可以避免切換時卡頓的問題。在這個過程中加入Bezier Progression模塊,對旋轉和移動的變化速度進行調(diào)節(jié),能使顯示效果更加真實、自然。[11]
除了機器本身的操作外,還使用了Virtools的粒子系統(tǒng)來模擬破碎物料,如上頁圖2(g)、圖2(d)所示,以展示物料從下料裝置到輥子破碎這段加工過程。本案例選用平面粒子系統(tǒng),粒子是從平面發(fā)射的。
(4)輔助信息
本案例中使用了聲音文件,使操作者可以更加真實地體驗現(xiàn)場的工作環(huán)境。聲音源文件來自現(xiàn)場錄音,主要包括破碎聲音、電機聲音和泵站聲音,腳本如圖2(c)所示。圖2(b)所示的腳本,是通過腳本邏輯關系對操作步驟和錯誤信息等進行提示和修正,使整個系統(tǒng)的使用更加人性化。
4.操作界面
系統(tǒng)的界面如上頁圖3所示。圖3(a)是主界面,共有三個功能按鈕,分別是功能介紹、操作說明和虛擬演示。功能介紹主要是介紹該操作平臺的功能和使用范圍,操作說明是在操作時介紹相關硬件的使用方法,如圖3(b)所示。虛擬演示按鈕是進入圖3(c)所示的操作界面,在此界面中通過下方的菜單欄可以進行查看操作步驟、調(diào)節(jié)音量和返回主界面的操作。
5.系統(tǒng)發(fā)布
系統(tǒng)制作完成以后,如果保存成.cmo格式文件,則只能通過安裝有Virtools程序的計算機打開;如果需要推廣應用,則需要轉換成通用格式。主要有兩種方法:一種是將整個系統(tǒng)以.vmo格式保存,再以HTML文件格式保存成另外一份,通過Virtools Web Player插件發(fā)布到網(wǎng)絡上;另一種是將系統(tǒng)文件轉換成.exe可執(zhí)行文件,以方便在Windows平臺上使用。本文選擇的是后一種方法。
結語
本文以Virtools為基礎,開發(fā)了安全、低成本的輥式破碎機虛擬操作平臺,它既能打破時空的限制,增加實踐認知的靈活性和安全性,又能獲得真實的體驗效果,為相關專業(yè)學生、工人和技術人員的培訓提供安全、低成本的解決方案。虛擬現(xiàn)實技術未來將在虛擬實驗領域發(fā)揮巨大的潛力和作用。
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