虛 擬 演 播 在 虛 擬 實(shí) 驗(yàn) 中 的 應(yīng) 用

徐玉飛，　何嶺松，　杜建豪，　鄭　武

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074； 2.武漢華中數(shù)控股份有限公司，武漢 430223)

0　引　言

在機(jī)械學(xué)科的教學(xué)中，要加強(qiáng)學(xué)生對于知識的理解和應(yīng)用能力，必然要通過一系列的學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是如果學(xué)生未經(jīng)培訓(xùn)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作的錯誤率很高，存在較大的安全隱患。為改善這種狀況，教育工作者將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)操作，之后再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，將極大地提高安全性，降低因誤操作而損壞設(shè)備的概率，進(jìn)而降低教學(xué)成本。同時，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺能隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，突破了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對于實(shí)驗(yàn)課時、場地、設(shè)備數(shù)量和操作權(quán)限的限制[1-3]。虛擬實(shí)驗(yàn)憑借其較高的擬實(shí)性和交互性、開放性以及提高的資源利用率等優(yōu)勢，受到各大教育及研究機(jī)構(gòu)的高度重視[4-6]。

虛擬演播技術(shù)原本是一種新興的電視節(jié)目制作方式，它利用攝像機(jī)跟蹤技術(shù)和視頻圖像處理技術(shù)，將攝像機(jī)拍攝的人物錄像與計算機(jī)制作的三維虛擬場景合成，產(chǎn)生人物在虛擬場景中活動的效果[7]。近年來虛擬演播也開始應(yīng)用于教育領(lǐng)域，主要用于慕課的制作和影視編導(dǎo)專業(yè)的虛擬教學(xué)[8-10]，成為一種新興的電化教育手段。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然一直致力于模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的場景和功能，但與實(shí)際實(shí)驗(yàn)還是存在著巨大差距[11]。這種差距主要體現(xiàn)在：實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，有老師面對面地對學(xué)生進(jìn)行講解和操作指導(dǎo)，而虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能通過PPT或說明文檔的方式了解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和注意事項(xiàng)，缺乏生動的講解和有針對性的指導(dǎo)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。為了彌補(bǔ)這一缺陷，本文通過虛擬演播的方式為虛擬實(shí)驗(yàn)引入“講解者”的角色。

1　引入虛擬演播的虛擬實(shí)驗(yàn)

引入虛擬演播的虛擬實(shí)驗(yàn)的總體工作原理如圖1所示。

圖1虛擬實(shí)驗(yàn)總原理圖

虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)以交互算法控制設(shè)備模型，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境、設(shè)備和功能。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者對虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備進(jìn)行操作時，實(shí)驗(yàn)設(shè)備將反饋符合實(shí)驗(yàn)原理的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對整個實(shí)驗(yàn)過程的仿真。在虛擬演播廳中建立實(shí)驗(yàn)室場景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬模型，并導(dǎo)入綠幕下拍攝的前景(一般為人物錄像)視頻，通過調(diào)整虛擬攝像機(jī)[12]的位置改變拍攝畫面的角度和景深。圖像合成器將視頻前景與三維背景相結(jié)合，營造人物在三維背景中活動的效果，并生成虛擬演播視頻。

本文提出并實(shí)現(xiàn)了將虛擬演播應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)的方法：在虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅將虛擬演播視頻作為介紹虛擬實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)視頻播放，還在實(shí)驗(yàn)過程中通過采集虛擬機(jī)床狀態(tài)參數(shù)判斷實(shí)驗(yàn)者的錯誤操作，調(diào)用并播放相關(guān)的虛擬演播視頻片段，講解實(shí)驗(yàn)的原理和操作。以短視頻庫的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的幫助文檔，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行正確的實(shí)驗(yàn)操作，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

下面將以虛擬機(jī)床切削實(shí)驗(yàn)為例介紹虛擬實(shí)驗(yàn)以及在虛擬實(shí)驗(yàn)中引入虛擬演播功能的實(shí)現(xiàn)。

1.1　三維實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)建

數(shù)控機(jī)床的設(shè)備模型以實(shí)際機(jī)床外形為模板，通過三維建模軟件3ds Max建立后，導(dǎo)出為VRML格式，應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備三維模型的封裝和控制均基于VRML編程語言實(shí)現(xiàn)。VRML[13]作為一種圖形描述性語言，可以直接通過程序語言描述建立模型，例如通過語言定義球心和半徑建立一個球體模型。但是面對復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型，程序語言描述建模的工作量大，因此選擇在3ds Max建模完成后導(dǎo)出VRML語言的兼容格式，再編寫控制程序的方式。機(jī)床切削虛擬實(shí)驗(yàn)的總體實(shí)現(xiàn)方案可以用圖2表示。

圖2機(jī)床加工實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案

3ds Max導(dǎo)出后的VRML模型程序是混亂無序的，因此需要根據(jù)機(jī)床部件的運(yùn)動層次關(guān)系，通過節(jié)點(diǎn)嵌套的方式封裝各零部件，便于對機(jī)床部件的控制。VRML程序具有強(qiáng)大的控制和交互功能[14]，虛擬實(shí)驗(yàn)中交互算法的基本原理如圖3所示。通過VRML中提供的多種傳感器節(jié)點(diǎn)，可檢測鼠標(biāo)在虛擬場景中的點(diǎn)擊、拖拽等操作，并通過定義的路由(Route)傳遞給對應(yīng)的幾何屬性關(guān)鍵值，改變部件的位置或角度，若定義路由傳值給腳本(Script)節(jié)點(diǎn)，則可以通過腳本函數(shù)對模型進(jìn)行過更加復(fù)雜的控制，如刀具與工件的干涉檢查和工件形變。在切削算法中，有兩類構(gòu)建工件模型的方法：一種是利用VRML中提供的擠出節(jié)點(diǎn)(Extrusion)，定義一個封閉或半封閉的截面曲線沿定義的脊線為軌跡擠出構(gòu)建工件模型，應(yīng)用于車床和外 圓磨床；另一種是利用海拔柵格節(jié)點(diǎn)(ElevationGrid)，

圖3VRML交互原理圖

在空間內(nèi)定義一個網(wǎng)格，分別確定x/y方向的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量和間距，在一個數(shù)組中依次定義網(wǎng)格點(diǎn)的Z坐標(biāo)值。刀具和工件的位置作為入事件傳入腳本函數(shù)，通過與該位置工件尺寸的對比，判斷是否干涉，若發(fā)生干涉再根據(jù)干涉程度改變該位置的形狀參數(shù)，作為出事件傳至定義工件形狀的節(jié)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)切削效果。

VRML提供了與JavaScript通信的外部程序接口[15]，可以在JavaScript程序中通過“document.scene.Engine.Nodes().Fields()”訪問和修改VRML程序中的相關(guān)參數(shù)。通過這一接口，可讀寫機(jī)床的工作狀態(tài)參數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁控件對虛擬機(jī)床的控制。網(wǎng)頁對機(jī)床控制的功能包括:主軸旋轉(zhuǎn)的開關(guān)，刀具、工件的進(jìn)給，工件尺寸的選擇，機(jī)床重置、運(yùn)行特定切削程序等。大部分控制功能可直接通過前面提到與VRML程序的接口直接改寫VRML中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的域值即可實(shí)現(xiàn)，例如可通過程序接口，將VRML中控制主軸旋轉(zhuǎn)的時間傳感器節(jié)點(diǎn)的使能參數(shù)賦值為“true”，控制主軸開始轉(zhuǎn)動。而運(yùn)行特定切削程序的功能則需要在JavaScript中預(yù)先定義好一系列機(jī)床的操作指令序列，并在運(yùn)行過程中調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)的方式進(jìn)行。

1.2　虛擬演播廳構(gòu)建

為獲得更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，虛擬演播廳的三維場景應(yīng)當(dāng)貼合實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此，虛擬演播廳的搭建參考對應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，通過三維建模軟件(如3ds Max)建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的模型。考慮到引入虛擬演播的需要，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，分析可能需要講解者的位置，預(yù)先定義虛擬演播屏幕模型的坐標(biāo)和大小，后期可根據(jù)需要改變屏幕的可見性，在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦胩摂M演播視頻。

虛擬演播廳的搭建在現(xiàn)有的虛擬演播軟件Intensikey中進(jìn)行。Intensikey使用Ogre作為三維模型渲染引擎。為了將三維場景模型導(dǎo)出為可被Ogre引擎識別的格式，需在3ds Max中安裝OgreMax插件，并將模型材質(zhì)改為OgreMax Material類型，后將場景導(dǎo)出為.scene格式。其中，視頻源屏幕需命名為“VideosourceA”，才能被虛擬演播軟件識別。

為實(shí)現(xiàn)虛擬演播功能，要求在綠幕背景下錄制指導(dǎo)教師進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)講解的視頻作為前景素材，導(dǎo)入虛擬演播軟件后通過色鍵技術(shù)[16]摳除綠色的像素點(diǎn)，在虛擬演播廳中預(yù)定義的視頻源屏幕上播放，即可實(shí)現(xiàn)人物在三維虛擬實(shí)驗(yàn)室場景下講解的視覺效果，如圖4所示。在講解過程中，通過鼠標(biāo)拖動改變虛擬攝像機(jī)(觀察點(diǎn))的坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)方向，可以模擬攝像機(jī)的推拉搖移，改變攝像的角度和景深，對需要觀察細(xì)節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行局部放大，不僅能更好地表達(dá)講解內(nèi)容，同時使虛擬演播的過程更具有真實(shí)感。

(a)虛擬演播廳(b)綠幕視頻

(c) 虛擬演播合并效果

1.3　虛擬演播的控制

虛擬實(shí)驗(yàn)需要引進(jìn)講解者的角色，使其能更好地模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的情景。因此，可以通過虛擬演播的方式模擬指導(dǎo)教師的課前講解，錄制主持人在虛擬演播廳中介紹虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成與功能，講解實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容與注意事項(xiàng)以及示范實(shí)驗(yàn)操作的虛擬演播視頻。在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)前，這部分虛擬演播內(nèi)容作為實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)環(huán)節(jié)播放，使學(xué)生對于即將進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)形成初步的認(rèn)知。

但是，如果僅僅局限于把虛擬演播作為一個開場白性質(zhì)的講解，無法模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)教師“根據(jù)實(shí)驗(yàn)者操作做出相應(yīng)指導(dǎo)”的作用，而這種基于實(shí)驗(yàn)者操作的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)反饋，關(guān)系到實(shí)驗(yàn)中的“師生交互”，正是提升實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。為模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)中講解者與實(shí)驗(yàn)者的交互，在虛擬實(shí)驗(yàn)中增加了基于反饋的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

在反饋指導(dǎo)算法中，通過采訪經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，定義實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)概率較高的典型錯誤操作，并為這些錯誤錄制針對性的虛擬演播視頻片段，組成一個講解視頻庫。在網(wǎng)頁的腳本程序中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程定義操作節(jié)點(diǎn)，在操作節(jié)點(diǎn)通過讀取機(jī)床(包括工件)狀態(tài)，判斷是否出現(xiàn)了典型的錯誤操作。例如在切換工件的操作節(jié)點(diǎn)讀取主軸的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，若旋轉(zhuǎn)狀態(tài)為“true”則表明主軸未停止轉(zhuǎn)動，此時更換工件是不可行的；在進(jìn)行完車削操作后讀取擠出造型節(jié)點(diǎn)內(nèi)的比例數(shù)組，若在數(shù)組中間位置存在(0，0)，且數(shù)組尾部元素不為0，則說明車刀在工件中間位置進(jìn)給過量將工件切斷，這在實(shí)驗(yàn)中也是不允許出現(xiàn)的……當(dāng)檢測到這些錯誤的操作結(jié)果，程序?qū)⒎祷劐e誤代碼，網(wǎng)頁彈出錯誤提示，并在虛擬視頻庫中匹配對應(yīng)的錯誤講解視頻，若匹配成功則進(jìn)入虛擬演播環(huán)節(jié)，彈出視頻窗口播放虛擬演播視頻，講解者講解該操作的相關(guān)原理和正確操作過程，糾正實(shí)驗(yàn)者的操作。實(shí)驗(yàn)邏輯流程如圖5所示。

圖5引入虛擬演播的虛擬實(shí)驗(yàn)邏輯流程

當(dāng)然，作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在應(yīng)用的初期，預(yù)定義的操作錯誤無法涵蓋所有可能出現(xiàn)的錯誤操作。為解決這個問題，當(dāng)檢測到實(shí)驗(yàn)者出現(xiàn)了錯誤操作又無法映射到相關(guān)講解視頻時，后臺將收集和統(tǒng)計用戶錯誤操作信息，網(wǎng)站維護(hù)人員定期查看錯誤信息報表，對出現(xiàn)頻次較高卻未定義的錯誤操作，及時補(bǔ)充定義并錄制對應(yīng)的講解視頻，逐步完善錯誤操作庫。同時，通過后臺收集的錯誤操作信息，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)教師可以了解實(shí)驗(yàn)者較普遍的操作誤區(qū)，這樣在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可以重點(diǎn)講解，實(shí)現(xiàn)線上和線下教學(xué)的互相促進(jìn)。

2　實(shí)驗(yàn)實(shí)例

在實(shí)驗(yàn)開始前，先導(dǎo)入一段以虛擬機(jī)床車間為背景的虛擬演播片段。場景中三排數(shù)控機(jī)床，從左邊起依次是磨床、車床和銑床，主持人從右側(cè)走進(jìn)鏡頭畫面中，并開始對虛擬實(shí)驗(yàn)室概況的講解，效果如前面圖4(c)。在講解到具體的機(jī)床時，主持人走到對應(yīng)機(jī)床旁邊，同時虛擬攝像機(jī)推近，機(jī)床局部放大，以便于更清晰地展示機(jī)床結(jié)構(gòu)，輔助主持人的講解，如圖6所示。

圖6　機(jī)床介紹特寫

實(shí)驗(yàn)介紹結(jié)束后，開始進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)頁面由上部的虛擬機(jī)床功能控件和3D模型窗口構(gòu)成，如圖7所示。在模型窗口內(nèi)可通過底部工具欄選擇縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等不同的操作模式，鼠標(biāo)在窗口中拖動時即可實(shí)現(xiàn)不同的場景變換效果。虛擬實(shí)驗(yàn)中對機(jī)床的操作既可以通過網(wǎng)頁上的機(jī)床控制按鈕，也可以通過鼠標(biāo)直接在虛擬機(jī)床模型上點(diǎn)擊和操作。實(shí)驗(yàn)開始時，先選擇工件的半徑和長度，虛擬機(jī)床中就會裝載相應(yīng)尺寸的工件。鼠標(biāo)拖動虛擬機(jī)床上的尾架，使其頂住工件。點(diǎn)擊啟動主軸，主軸開始旋轉(zhuǎn)，此時通過控制刀具位置的按鈕或者通過鼠標(biāo)拖動刀架，都能控制刀具的移動，當(dāng)?shù)毒吲c工件發(fā)生了干涉，工件干涉部分即被“切除”，如圖8所示。點(diǎn)擊運(yùn)行程序按鈕將控制機(jī)床自動運(yùn)行一段預(yù)先定義好的程序，在此過程中為了提高實(shí)驗(yàn)者安全意識，將要求實(shí)驗(yàn)者關(guān)閉機(jī)床防護(hù)門。實(shí)驗(yàn)過程中若想要切換工件，則點(diǎn)擊主軸停止，并重新選擇工件尺寸。

圖7　網(wǎng)頁控制界面

(a)車床(b)磨床

(c) 銑床

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)操作者的錯誤操作導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)了錯誤狀態(tài)，則實(shí)驗(yàn)中止，網(wǎng)頁開始播放針對該錯誤操作的虛擬演播視頻片段，主持人講解這部分的原理和正確操作，并輔以一段正確的虛擬實(shí)驗(yàn)操作錄像，幫助加深印象。虛擬實(shí)驗(yàn)中可識別的錯誤操作有：開始切削時未開啟主軸、切削過程中未關(guān)閉機(jī)床防護(hù)門、刀具進(jìn)給量過大、切換工件時未停止主軸、刀具碰撞夾具或尾座等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊主軸停止按鈕，并點(diǎn)擊重置按鈕，機(jī)床將恢復(fù)初始狀態(tài)。

3　結(jié)　語

本文研究了虛擬演播在虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，這種應(yīng)用不只是簡單地把虛擬演播背景替換為虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，而是將虛擬演播作為虛擬實(shí)驗(yàn)的一部分，將虛擬演播作為實(shí)驗(yàn)的講解和指導(dǎo)，更接近真實(shí)地模擬了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，提升了虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)。本文提出與的基于實(shí)驗(yàn)者操作的反饋式指導(dǎo)，能夠針對實(shí)驗(yàn)者的操作錯誤調(diào)用相應(yīng)的指導(dǎo)視頻，更加準(zhǔn)確高效地幫助實(shí)驗(yàn)者學(xué)習(xí)正確的實(shí)驗(yàn)操作。

但是，一方面，出于安全考慮，無論是否引入虛擬演播元素，虛擬實(shí)驗(yàn)都不能完全取代現(xiàn)場教學(xué)，可以將虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場教學(xué)相結(jié)合，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，減輕教師的教學(xué)壓力；另一方面，由于目前圖像處理技術(shù)的限制，三維虛擬演播只做到了虛擬實(shí)驗(yàn)室場景三維化，其中使用的視頻源還只是二維的視頻圖像，可以說目前的虛擬演播是一種半三維效果。隨著技術(shù)的發(fā)展和普及，可以利用雙目視覺技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)拍攝三維綠幕演講視頻，在虛擬演播系統(tǒng)中與三維虛擬實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正全三維的效果。甚至有望將虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)室結(jié)合VR技術(shù)，實(shí)驗(yàn)者通過佩戴VR眼鏡和肢體傳感器，真正“進(jìn)入”虛擬實(shí)驗(yàn)室，親身操作虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還能接受虛擬演播中的講解者 “面對面”的教學(xué)指導(dǎo)。

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