船舶分油機虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的設計與制作

摘 要：在互聯(lián)網+教育的不斷融合下，為改善高校實訓教學條件，研究基于3DS max軟件對船舶分油機各零部件的三維建模，再利用仿真軟件進行配置與渲染，制作船舶分油機虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)。既能增強學習的直觀性、趣味性和互動性，又能節(jié)省教學資源，提高學習效率。

關鍵詞：虛擬拆裝；3D交互系統(tǒng)；船舶分油機；設計與制作

引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，在互聯(lián)網+教育的不斷融合下，為改善高校實訓教學條件、改革教學方法、更新實訓教學內容、提高實訓教學水平，把3D虛擬仿真技術引入實訓教學已成為一種趨勢。船舶分油機虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)突破了原有課程實訓的界限，不僅節(jié)約了教學成本，還增加了教學設計性、趣味性及創(chuàng)新性，同時也激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維與興趣。虛擬仿真的3D交互系統(tǒng)為學生獨立自主地進行學習分油機的拆裝創(chuàng)造了良好的條件，也有利于培養(yǎng)學生的實際應用能力和綜合素質。

1 現(xiàn)狀分析

（1）國外研究現(xiàn)狀：虛擬現(xiàn)實技術最早是由美國VPL公司Jaron Lanier提出，并逐漸被用于各領域研究。美國對虛擬現(xiàn)實的研究主要集中在感知，應用軟件和硬件等方面。美國宇航局（NASA）利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對空間站的實時仿真，并且建立了衛(wèi)星維護訓練系統(tǒng)和空間站訓練系統(tǒng)。目前他們正在打造數(shù)百顆虛擬行星，代表在遙遠的星系內圍繞恒星運行的天體，到太陽系外尋找類似地球的行星。這些虛擬行星將被用軟件“播下”生命的種子，歷經千萬年演繹進化后，研究生命的發(fā)展軌跡。北卡羅來納大學（UNC）在分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等方面取得較大成就，并且開發(fā)出幫助用戶在復雜視景中建立實時動態(tài)顯示的并行處理系統(tǒng)，叫做像素飛機（Pixel planes）。美國布法羅大學虛擬現(xiàn)實實驗室研制成功青蛙解剖軟件，只需點擊鼠標，實驗員就可“拿起手術刀”剖開青蛙的皮膚看到其內部器官，隨時通過內視鏡觀察青蛙的消化道，或細致的研究神經和血管。英國、法國、日本等國家大學在虛擬現(xiàn)實技術的實用性研究與開發(fā)中也取得了很大的成果。（2）國內研究現(xiàn)狀：21世紀初期，我國航海類高等高校大學生也開始了對虛擬現(xiàn)實技術進行研究并且取得了成果，但是仍然跟歐美國家有一定的差距。目前，我國航海類高等學校的大學生根據(jù)自身特點和條件，在一系列相關的虛擬現(xiàn)實方面主要取得了以下方面的成就：大連海事大學、上海海事大學、集美大學等航海類高等院校都根據(jù)自身優(yōu)勢，將虛擬現(xiàn)實技術應用到輪機模擬器研究中去，實現(xiàn)了學員通過電腦虛擬環(huán)境對機艙的設備進行操作，大大提高了學習效率，但以上研究大多是在2D環(huán)境下進行。綜上，目前國內外關于船舶仿真系統(tǒng)的研究較多，但大多局限于設備原理和操作過程的演示，比較缺乏拆裝交互性研究。因此，通過船舶分油機虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的設計與制作，將有助于高職航海類學生交互和泛在學習，進而提高學習效果。

2 研究意義

本項目主要突出應用研究，良好交互和真實的用戶視覺體驗，能夠使學習者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與構思，是對學習方法與學習手段更新的一種嘗試。該系統(tǒng)不僅能充分展示船舶分油機復雜的拆裝過程，又能夠節(jié)省教學資源，滿足交互性、實時性和實用性，提高學習效率。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）實效性：該交互系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的實操受到時間和空間上的制約，學生可以在課后隨時隨地進行實操訓練。（2）安全性：使用船舶分油機虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)，可以安全地進行實際操作中無法進行的故障和突發(fā)事件的訓練，而不會對設備造成損壞，也不會對人員構成危險。（3）實時性：隨著船舶分油機的更新?lián)Q代，利用該交互系統(tǒng)只需要更改模型或者重新編寫代碼即可，節(jié)約了設備更新的費用。（4）趣味性：船舶分油機虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的學習環(huán)境，很多時候更像是在玩游戲，具有一定的趣味性，提高了學習的興趣，促進了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（5）新穎性：船舶分油機虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的實操課的學習模式，推動了學習模式向著信息化的方向發(fā)展。

3 研究內容及過程

以當前船舶主流分油機類型為研究對象，根據(jù)船舶實際操作，開發(fā)可用于實際學習的船舶分油機虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)。其主要研究內容如下：（1）數(shù)據(jù)采集：分油機的模型要以用戶視覺體驗的沉浸感為目標，包括模型的材質、貼圖等方面，都必須基于真實的物體，才能達到預期目標。由于課題組成員無法去船上參觀具體設備，因此必須采集相關的影像或者圖片資料。數(shù)據(jù)采集也是課題研究的基礎所在。（2）虛擬場景搭建：本課題中的研究對象是船用分油機，按照實際資料搭建出模型，先進行區(qū)域劃分，再以各區(qū)域為單位進行建模，最后再將各部分模型進行整合。在最接近真實物體的前提下，研究出面數(shù)最優(yōu)的建模方法，以減少系統(tǒng)的消耗。（3）貼圖及場景優(yōu)化：貼圖處理的目標是用最小的貼圖尺寸顯示最多的內容，本課題采用最小化貼圖尺寸、提高貼圖重用度和光影烘焙的方式進行貼圖優(yōu)化，在控制貼圖尺寸的同時保證了貼圖表現(xiàn)內容的視覺效果。（4）虛擬3D交互功能：虛擬交互功能是本課題研究的一個重要部分。在完成搭建虛擬場景的基礎上，實現(xiàn)了虛擬場景中的多視角漫游和碰撞檢測功能。基于界面的交互，不僅完成了現(xiàn)實世界中的人對系統(tǒng)的控制，也將虛擬世界中的相關信息準確地反映出來，實現(xiàn)了人機界面的交互。通過鍵盤按鍵控制虛擬角色的運動和攝像機視點的轉換使得對虛擬世界的觀察更為自由。（5）使用效果評價：在具體的教學過程中進行試用，對系統(tǒng)進行評價，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行改進。

主要研究過程如圖1所示：

4 結束語

通過對“船舶分油機虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)”的設計與開發(fā)，加入了交互環(huán)節(jié)，并且以三維立體的形式全方位展示設備，最大程度上真實地模擬了分油機。良好交互和真實的用戶視覺體驗，能夠使學習者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與構思，是對學習方法與學習手段創(chuàng)新的一種嘗試，不僅能夠解決以往理論學習和實踐學習脫節(jié)的問題，改善學習中許多難以到位或根本學不到位的弊端。而且節(jié)省教學資源，滿足交互性、實用性和趣味性，提高學習效能。

參考文獻

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作者簡介：張帥（1995-），男，高職學生，研究方向為虛擬仿真技術。

梁恩勝（1980-），男，碩士，講師，研究方向為輪機工程。