淺談虛擬仿真平臺編撰腳本的建議

胡曾堯

摘要：本文采用研發者與開發者雙角度，提出針對機械制造類虛擬仿真實訓平臺撰寫腳本的建議。通過虛擬仿真軟件開發流程和技術特點，讓專業教師明確腳本撰寫的內容和描述方式，更有效的提供虛擬仿真平臺開發前期的素材。最終達到縮減專業教師期望軟件功能與實際軟件功能之間偏差的作用。

關鍵詞：虛擬仿真；軟件開發；腳本編寫

中圖分類號：G718.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0233-02

背景：職業教育近年來投入信息化軟件制作的成本較大，各校開發的專業軟件逐年增多，但依然存在開發學校的教師針對項目研發中腳本的編寫、軟件的功能需求、考評的設定等環節存在很多疑惑。導致與研發單位聯合開發的軟件不理想或應用不順暢。本文重點針對開發機械制造類虛擬仿真平臺流程特點、模塊腳本撰寫注意事項、軟件功能開發思路三部分內容進行闡述。

一、虛擬仿真平臺流程特點

開發應用軟件特點：按照虛擬仿真平臺構建流程的先后順序，開發過程中需應用的軟件有：FLASH、PHTOTSHOP、3DMAX、Deep UV、V-ray、Unity3D等。每個軟件對應一名技術人員，當腳本沒有分類而是統一編寫時，每個技術人員將讀取全部腳本，然后提煉出自己工作范圍所需要的內容。

1.Flash：可以繪制2D圖文，圖文以矢量方式存在，軟件可以制作2D動畫。Flash被大家所熟知，在虛擬仿真平臺中主要用于制作主界面、各類2D按鈕、提示信息。腳本需給出主界面布局意見及色彩偏好，對于功能按鈕應明確指出行業習慣。

2.PHTOTSHOP：對網絡素材、照片、紋理圖片進行剪裁、疊加等處理，并修改渲染后的圖片，從新生成光影、紋理、全景貼圖。腳本需提供設備正體照片，各局部細節應看到紋理。

3.3DMAX：模型制作軟件，通過實際物體樣式，安照比例繪制其虛擬實體，并按照用戶可見性進行模型優化。腳本需說明交互機構主體部分，并提供相應機構運動視頻。

4.Deep UV：圖形UV優化軟件，一般由3DMAX制作人員使用，可將貼圖占用空間合理分配，使高清和普清區分。例如車床的搖臂上標有刻度，為讓刻度清晰，則刻度貼圖UV分配較多即可。腳本需提供教學內容，方便制作者明確用戶可見范圍而規劃UV分布。

5.V-ray：光影渲染效果。渲染貼圖效果，渲染越好真實度越高。腳本需對軟件視覺效果提出要求。

6.Unity3D：交互編程引擎。將上述前5個步驟制作的2D和3D素材導入到該引擎，進行交互程序的編寫，制作Unity3D交互程序之前，必須完成上述前5步。腳本需對軟件功能提出要求，說明交互動作及是否存在特效。

二、模塊腳本撰寫注意事項

1.軟件虛擬環境的要求。虛擬環境腳本對應的是教學中情景教學部分，其中隱含有廠級、車間級的入廠安全教育，工作崗位的6S管理，生產車間的工藝框架，企業文化等素材。

如環境中，變電箱位置安裝在車間大門旁，車間中普通車床、銑床、磨床、吊車、鋸床、倉儲柜、工作臺擺放位置的合理性，車間墻體展板畫展示的工藝內容和宣傳內容。有吊車的車間需要合理規劃黃色安全行走路線，車間通風設施安裝位置等，這些虛擬環境腳本在拍攝完參考企業照片后要先過濾一次，避免企業因保證生產效率而出現的事故隱患，這些隱患軟件制作者看不出。

2.軟件主體模型要求。主體模型包括儀器固定結構模型、運動部分模型、拆裝部分模型、交互部分模型。

因為模型及模型貼圖占計算機運行空間的較大，尤其在軟件是網絡版，軟件模塊較大時，同時有多名學生運行時很卡，所以軟件開發者都會對模型進行優化，優化的依據是模型在軟件中的地位。固定結構模型因常作為背景或次要目標出現，所以模型采用簡化方式構建，貼圖像素低，主要應用于設備底部或背面，并且該部件在軟件中不存在運動。運動部分模型因在軟件中存在位移，所以周邊模型貼圖不能省略，制作時要使用動態陰影指令對其進行物理屬性的設定。拆裝部分模型則需要細化，例如拆裝中齒輪鍵槽互相之間要有卡位，用戶觀察這部分時通常會放大，所以貼圖要高清，模型節點要多，卡位時可以通過節點觸碰進行判斷。交互部分模型依據腳本編寫可能需要做成多模型、多貼圖來對應一個機構模型，甚至復雜的交互程序需要進行節點移動變形，即數據模型。

3.評價用關鍵參數點。考核評價是虛擬仿真軟件的一個核心部分，但由于腳本提供者給予的素材太少，導致沒法滿足考評要求，甚至出現錯誤考評。虛擬仿真開發課程系統中，考評基本分為三種類型進行判斷打分。第一種情況為單一條件判斷，第二種為復合條件判斷，最后一種為行為結果判定。

單一判斷例如我們的考試卷，無論是單選、多選、填空、答案是指定的，唯一的，即滿足該條件則視為完成或正確。在實際例子中如開機后首先讓機床回零參考點，如果操作者不先回零則可以視為操作錯誤。多選也在此范圍內，即滿足兩個或多個參數條件后即視為正確，否則為錯誤。

復合條件判斷，即考評問題與答案都不是唯一的，例如車床加工某階梯軸零件，考生A操作虛擬車床先切割了端面然后開始切割外圓，考生B先切割了外圓再加工端面，這兩種工藝順序無法判定考生B就是錯誤的。另外如考生選擇刀具加工參數，不能因為選擇的刀具已經確認，就判定該刀具的加工參數值，還要依靠所加工工件材質、圖紙尺寸、裝夾方式等進行判斷。這些判斷條件在作者接觸過的腳本中很少有教師提供完全，因為包含種類較多，內容復雜。經研討后，建議將這類復合條件判定進行參數數據統計，與操作流程繪制成為一張表格，讓老師瀏覽后人為的判定成績。

行為結果判定通常應用在全國技能大賽中，即操作過程考核忽略，最終結果考評為主。如虛擬仿真數控車床加工完成的工件作品，考評時直接將考試作品提交到檢測中心，對虛擬模型尺寸進行檢測，依據檢查結果給予成績。

三種考評方式可以結合使用，也可以重點突出一項，但需要專業教師將考評方式在腳本中作以說明。

三、軟件功能開發

軟件功能即軟件的表現形式。軟件功能需求是決定虛擬仿真軟件對實訓操作仿真程度的關鍵。但很多軟件制作者由于缺乏專業技能和知識，開發出的功能單一甚至不符合實際。這就需要相關專業教師的配合。

軟件功能需求主要從以下幾個主要環節進行考慮：引導模式構建，理論知識可視化，交互過程屬性化、考評功能與提示。

1.引導模式構建。教師需要思考的是在學生無人指導的情況下，如何完成課程主要內容的預習，這里軟件的操作會由制作者提供操作手冊和操作教學模式來引導學生，所以教師僅需要考慮的是傳授知識部分的表現形式。

通常采用的引導模式有，鼠標移動到機械部件處時，自動彈出該部件名稱，在顯示名稱時點擊左鍵將彈出語音和文字的詳細注解，鼠標右鍵點擊該部件時，計算機自動將該部分進行拆解，并可以實現360度觀察。軟件邊角可制作小地圖用來指示人物位置，當前需要學習的教學目標會進行閃爍或有明顯標示。

2.理論知識可視化。理論知識表現形式，例如常見的透視法。在制作萬用表測量理論時，使用虛擬電波代表電路移動，實現虛擬物與圖表同時構建的方法講授理論知識。虛擬電波從正電極進入后，每經過一個元器件時，虛擬器件會進行閃爍并變換顏色，二維圖表中的儀器符號也會閃爍并變成相同顏色，出現電路分流時，電波變為深藍和淺藍不同顏色，并沿著并聯電路移動，二維圖表電路圖也同時變色移動，萬用表表外蓋透明化，學生可以直觀觀察到表的內部。故障和事故的演示方法也可以采用同樣表現手法。

3.交互過程屬性化。交互過程的表現形式多種多樣，屬性化后的交互操作更接近于真實現場操作。提高操作樂趣可以表現在兩個方面，一是通過硬件設備來提高操作真實度，例如三維虛擬全息成像頭盔、立體手套等。二是通過基礎操作設備仿真實際操作動作，由于匹配專用的操作手柄在實際應用中對手柄進行維修維護很不方便，很多學校在給學生實習時依然采用常見的鼠標鍵盤組合。普通的設備按鈕操作可以用鼠標點擊或鍵盤按鈕點擊就可以表現出很好的模仿度，但是手柄和搖桿、以及搬運時的交互控制屬性就要好好設計了。因為普通的鼠標僅能是鼠標中間提供正負軸的敏感度這個參數值，而不會依據手掌的握力大小提供參數值，以達到控制效果。而虛擬仿真軟件卻可以判斷出鼠標移動速度大小，也可以判斷手柄軸偏置數值的大小，合理設計操作方式，讓學生告別“點擊時代”，提高實際機床的操作熟練度。

4.考評功能與提示。提示信息的表現方式多種多樣，可以直接采用文字告知的提示方式，也可以隱含的通過設備運轉聲音的異常提示操作者，可以用火花等視覺效果提示操作者。有時設計出現提示信息與真實情況不統一，是教師為方便學生學習而虛擬加入的元素。所以需要做出注解說明。

考評功能要依靠課程的教學大綱進行有歸納的設計，考評方式可以單獨拿出一個模塊進行考試，考評結果一般采用列表的形式在學生提交作品或完成項目任務后出現，讓學生看清楚考評內容和自己的操作結果。當然也可以在考試中出現扣分條，在設計考評環節時應多考慮以競賽形式提交作品，學生比較喜愛競賽得分。

四、總結

軟件腳本應按照內容分類。例如給模型制作者提供模型腳本、給交互制作者提供功能腳本。不分類的腳本很容易導致本末倒置。軟件模塊腳本應對專業部分進行詳細描述。例如項目研發是數控車床的故障維修，因習慣性將腳本內容寫為如何檢測，導致開發軟件重檢測輕維修。軟件功能腳本給出目標效果。例如拆裝時，要求制作動態拆裝過程，操作者必須在選擇正確工具、給出正確旋轉方向、合適拆裝力度三個必要條件時，方可觸發拆裝交互。如不做功能說明，制作者常采用“點擊”即播放拆裝動畫的方式完成交互，這樣大大降低了虛擬仿真軟件的交互性。

參考文獻：

[1]蔣耘晨.虛擬現實技術[M].北京理工大學出版社，2011：31.

[2]孫偉.虛擬實驗室的建設與研究現狀[J].科技信息，2008，（33）：76.