基于Virtools的虛擬實驗教學(xué)研究

戚曉利等

摘要：傳統(tǒng)實驗教學(xué)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(xué)平臺為例，展示了Virtools在實驗教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)在虛擬實驗領(lǐng)域應(yīng)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(guān)鍵詞：Virtools；輥式破碎機；虛擬現(xiàn)實；實驗教學(xué)

中圖分類號：G433 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）18-0072-04

前言

實驗是教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，對提高教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)習(xí)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(shè)不足，在一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量。如何建設(shè)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(xué)環(huán)節(jié)存在以下三個方面的不足：①在課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)，內(nèi)容抽象、枯燥，理論與現(xiàn)場脫節(jié)，培訓(xùn)效果差；②在實驗教學(xué)（模型教學(xué)）環(huán)節(jié)，成本高，教學(xué)效果不明顯；③在電化教學(xué)上，缺乏雙向交流，教學(xué)手段單一，教學(xué)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(shù)

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)，是利用計算機技術(shù)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(shè)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(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最初被應(yīng)用于軍事仿真領(lǐng)域，但經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。近年來在城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、遠(yuǎn)程教育等方面也取得了巨大發(fā)展。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)逐步深入到教育的各個領(lǐng)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(shù)，學(xué)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(xué)效果的前提下，它將極大地節(jié)省教學(xué)成本。學(xué)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(xùn)上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也能夠為學(xué)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(gòu)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(yīng)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(shù)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

為了詳細(xì)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(xué)平臺的開發(fā)為例進行介紹。

1.總體設(shè)計

設(shè)計目標(biāo)：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(guān)專業(yè)學(xué)生、工人和技術(shù)人員的培訓(xùn)提供安全、低成本的虛擬試驗平臺，為指導(dǎo)生產(chǎn)和后續(xù)的科學(xué)研究提供先進、便捷的手段。

設(shè)計流程：參閱相關(guān)圖紙和實地考察，搜集相關(guān)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(dǎo)入3DMAX，接著通過3DMAX軟件導(dǎo)入到Virtools軟件，在Virtools中進行實時渲染、界面設(shè)計、交互腳本編寫等交互設(shè)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(shù)以實體模型作為基礎(chǔ)，實體模型的建立是整個系統(tǒng)的關(guān)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(dǎo)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(dǎo)入3DMAX。

（2）Pro/E模型導(dǎo)入3DMAX

首先將.prt格式文件轉(zhuǎn)換成.stp格式文件導(dǎo)入到Rhinoceros中，然后在Rhinoceros中轉(zhuǎn)換成.3ds格式文件后再導(dǎo)入到3DMAX文件中。雖然導(dǎo)入過程比較煩瑣，但是通過.stp和.3ds格式文件的轉(zhuǎn)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(dǎo)入Virtools

在導(dǎo)入3DMAX后，開始進行各零部件的裝配。然后將3DMAX模型直接導(dǎo)入Virtools，在Virtools中進行材質(zhì)和燈光的設(shè)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(zhuǎn)換成.nmo格式文件，然后導(dǎo)入Virtools中。

（4）材質(zhì)和燈光的設(shè)置

在Virtools中直接導(dǎo)入的模型是黑色的，因為在3DMAX中沒有設(shè)置燈光，所以在Virtools中的第一步任務(wù)就是設(shè)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(shè)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(biāo)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(shè)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(shè)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(qū)動

（1）標(biāo)簽和界面

為了更好地輔助培訓(xùn)人員熟悉破碎機的結(jié)構(gòu)，我們編寫了如圖2（a）所示的腳本，效果是當(dāng)鼠標(biāo)指針指向某一部件時就可以顯示某一部件的名稱，鼠標(biāo)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(shè)置

為了能有更加全面的虛擬體驗，視角的移動和旋轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)，從而使視角進行旋轉(zhuǎn)。在圖2（f）中，Virtools沒有直接移動攝像機的BB，而是按住鼠標(biāo)中鍵進行觸發(fā)，因為在按下鼠標(biāo)中鍵后，系統(tǒng)通過Get Mouse Displacement能不斷地獲得鼠標(biāo)移動的位移量，然后將獲得的位移量通過Multiplication進行數(shù)量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成合適的位移量進行輸出，關(guān)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(biāo)3D frame，這時就可以實現(xiàn)攝像機跟隨鼠標(biāo)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(zhuǎn)過程。我們采用直接在Virtools中驅(qū)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(yīng)用，則需要轉(zhuǎn)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(luò)上；另一種是將系統(tǒng)文件轉(zhuǎn)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(jié)語

本文以Virtools為基礎(chǔ)，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(rèn)知的靈活性和安全性，又能獲得真實的體驗效果，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生、工人和技術(shù)人員的培訓(xùn)提供安全、低成本的解決方案。虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來將在虛擬實驗領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛力和作用。

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