慣性動作捕捉技術在實訓教學中應用的探究

摘 要：慣性動作捕捉技術作為動作捕捉領域的后起之秀，憑借其低廉的價格，對使用者、操作環境要求更低，發展迅速，也讓具有更強交互性的虛擬現實技術應用于各個行業成為可能。文章分析了目前國內高職院校船舶建造專業實訓教學的現狀及存在的困境，如教學方法落后，授課過程與實際崗位銜接不夠緊密等，探究利用基于慣性動作捕捉的虛擬現實技術提高高職院校的教學效果的技術與方法。

關鍵詞：高職教育；慣性動作捕捉；虛擬現實；實訓教學

國內高職院校船舶建造工程專業主要培養目標是“生產、制造、服務和管理第一線的技術應用型創新人才”，其培養的人才除應具有一定的理論知識外，還需要具有較強的實踐動手能力。

目前，我國船舶建造專業人才的培養，大多延續著 “以教促學”的傳統教學方法，但由于這種教學方法與實際工作情境相差較大，且實訓教學條件受到限制，致使學生所學與未來工作所需要存在較大偏離，導致用人單位在招收畢業生后仍需要花費較長的時間對其進行培訓，不能夠滿足現代船舶企業對技術應用型專門人才的迫切需求[ 1 ]。針對這種情況，例如船舶裝配實訓，目前國內大多數高職學校的教學方法是制作紙質的船體結構模型，避開由于實訓場地、設備、經費的制約，但由于實船的建造工藝是鋼制焊接結構，而且構件數量多、體積大，這與縮小比例的由膠水粘制而成的船體模型是截然不同的，因此，學生無法真正認知船舶建造的實際過程，距離實際的生產崗位相差較遠，影響極大的教學的有效性。

而近年來隨著虛擬現實（VR）技術的迅速發展，例如HTC Vive ，索尼的 Playstation VR等VR眼鏡已能夠較好的實現虛擬現實漫游。動作捕捉作為一門新興的技術出現，能夠代替傳統仿真軟件所使用的鍵盤、鼠標，與VR技術所建立的三維虛擬現實環境建立更好的互動關系。不僅能夠讓學生它營造了“自主學習”的環境，甚至沉浸在該環境當中。而且能夠與授課教師、其他學生建立良好的互動以及即時的教學反饋，代替“以教促學”的傳統學習方式。

一、虛擬現實技術的含意

虛擬現實技術的概念及其理論早在上世紀60、70年代就已提出，隨著近年來計算機、電子、移動通信等技術的發展，使其進一步完善并得到更廣泛的應用，該技術主要是通過傳感眼鏡（或者頭盔），借助可穿戴設備對數據進行反饋，創造一個多源信息的虛擬世界，該空間可以與用戶進行深度的交互并且能夠積極反饋，從而在視覺、聽覺、觸覺等獲得接近真實世界的感受。

良好的交互性能帶來強烈的臨場感，用戶在模擬環境中，能夠感到虛擬世界是真實存在的。在這種環境中，學生就像玩游戲一樣，一邊享受感官沖擊，一邊接收知識，練就本領[ 2 ]。

二、慣性動作捕捉技術的意義

2012年電影《阿凡達》在全球熱播，詹姆斯·卡梅隆導演苦等14年才在動作捕捉這一技術的幫助下，讓他的“藍精靈”活靈活現的出現在大銀幕上。動作捕捉技術，是一種旨在捕捉人體動作的新技術，在人體運動學原理基礎上，建立人體運動算法，借助事先安置在捕捉對象上的傳感器采集身體部位的姿態動作數據，同時將所采集的數據傳輸到電腦內，經過一定算法對所采集數據進行人體動作姿態還原[ 3 ]。

目前動作捕捉系統種類較多，以傳統的光學系統為主流，慣性動作捕捉式雖晚于光學式出現，但相對與光學式動作捕捉，慣性式具有價格比較便宜，準備工作簡單、對場地要求較低，不存在遮擋問題，操作更方便，擁有完全實時的數據計算和回傳機制等諸多優點[ 4 ]，更加適合應用于實訓教學當中。

慣性動作捕捉即在運動物體的重要節點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設備，傳感器設備捕捉目標物體的運動數據，包括身體部位的姿態、方位等信息，再將這些數據通過數據傳輸設備傳輸到數據處理設備中，經過數據修正、處理后，反饋給已生成的虛擬三維環境，使環境做出相應的改變，從而產生如同真實環境的感受和體驗。

三、VR慣性動作捕捉技術對高職船舶建造專業實訓的意義

基于虛擬現實技術構建接近真實船舶生產的情境，應用動作捕捉技術讓學生與該空間建立深度互動，完成船舶三維設計、船舶構件加工、部件、分段、總段建造、船臺搭載、管系安裝場景搭建等，實現課堂教學真實化，教學內容與實際崗位高度對接，提高學生學習積極性，破解傳統船舶專業實訓教學的困局，促進專業教學目標的達成，明顯提高教學效果。

（一）應用VR慣性動作捕捉技術突破船舶專業實訓困境

高職院校船舶工程技術專業的學生核心課程包括：船舶結構裝配、船舶放樣、手工電弧焊、CAD/CAM操作等課程。傳統的教學中，普遍存在三方面問題：

其一，傳統以講授為主的教學方式，學生很少會去考慮實際問題并想辦法去解決，致使學生的實際動手能力和對所學知識的綜合應用能力比較薄弱；

其二，傳統實訓，由于參與人數較多，且造船生產需要多工種參與配合，時常由于到實訓條件的限制，而無法開設一些必要的實訓項目；

其三，造船屬于重工業，建造需要大型的加工、起重等設備，既需要專業的操作人員又存在諸多安全隱患，所以雖然開設了手工電弧焊實訓，但由于條件限制學生無法進行船體結構方面的焊接實訓，而對于船體結構的裝配焊接的認知還只能停留在理論知識和紙質模型的層面上。

通過計算機軟件構建三維動畫虛擬設計、虛擬船體結構裝配實訓情境，結合慣性動作技術，學生能夠在虛擬的環境下選擇的裝配焊接工具，由于是在虛擬的環境下，設備的種類非常多，而即使選擇不合理，操作不規范，也不會發生危險，系統根據學生所選擇的工藝方法甚至是操作動作做出合理的反饋，真正做到身臨其境，沉浸于學習當中，達到人人參與、 人人動手的目標和事半功倍的效果，突破傳統教學的困境。

（二）借助VR動作捕捉技術營造良性實訓互動。

VR慣性動作捕捉技術不同于虛擬仿真軟件，學生僅僅通過鍵盤和鼠標進行操作船舶建造，與真實的生產情境相去甚遠，學習熱情不高。VR慣性動作捕捉技術不僅能夠通過VR眼鏡讓學習者進入一個更加真實的三維虛擬環境，注意力較集中，而且可以通過慣性動作系統與虛擬環境建立良好的互動關系，大大增加參與者的存在感，使模擬環境達到以假亂真的程度。

例如船舶結構裝配實訓課程，在虛擬空間里，學生可以從數據庫中選擇各種規格的船體構件，并通過揮舞安裝在手臂的感應器對船體結構進行選擇、旋轉、移動等操作，甚至可以通過移動腳步實現在自己建造的船體結構中漫游，查看自己的產品，盡情發揮自己想象力，大膽實踐。

（三）通過VR動作捕捉技術建立即時的實訓反饋

相對于光學式動作捕捉，慣性式動作捕捉不僅造價便宜很多，而且不會存在遮擋性的問題。這就使得學生以組為單位，對一個項目進行合理分工，共同完成教學任務成為可能。同時，慣性捕捉系統所得到的學生的動作數據信息幾乎的即時的，學習小組之間的成員可以即時的得到對方的操作信息進行即時的配合協調，教學系統可以根據學生的操作是否正確進行即時的評估，糾正錯誤，而授課教師也可通過系統即時的與學生進行交流指導。因此在教學過程中不單單對學生的操作能力進行培養，還包括根據不同環境收集及處理信息的能力、與其他人通力合作解決問題的能力、創新能力等，有利于學生各方面能力的全面發展。

近年來，基于光學式的動作捕捉技術由于其高昂的成本及復雜的操作技術使得其目前還僅限于影視制作方面的應用，但諸如《權利的游戲》這種熱門電視劇已采用慣性動作捕捉技術，足見慣性動捕技術有著不可估量的巨大潛力，相對于光學動作捕捉，慣性動作捕捉以其相對低廉的造價，更好的適用性，讓其作為虛擬現實技術的利器，進入高職院校教學成為可能，對提高教學效果、讓教學過程更加的生動形象、互動性更強，反饋更加及時，培養具有綜合素質和職業能力的人才產生深遠的影響。

參考文獻：

[1] 李金國，楊林生，李云貴.虛擬現實技術應用于高職模具實訓教學的有效性研究[J].職教論壇，2010（3）：70-71

[2] 陳浩磊，鄒湘軍，陳燕（1），陳燕（2），劉天湖.虛擬現實技術的最新發展與展望[J].科技論文在線2011（01）.

[3] 尹釗.動作捕捉在影視作品中的應用[J].影視制作，2010（11）.

[4] 李曉丹，肖明，曾莉.人體動作捕捉技術綜述以及一種新的動作捕捉方案陳述[J].中國西部科技，2011（15）.

作者簡介：

穆璟寶（1987-），男，漢族，遼寧大連人，本科，助教，研究方向：造船工程技術。