VR電工培訓(xùn)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)

劉江

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，由于其具有極高的“沉浸性”，所以近幾年在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有它的身影。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和高職教育進(jìn)行了有機(jī)融合，開發(fā)了一套VR電工培訓(xùn)系統(tǒng)，并在本文中重點(diǎn)對建模部分進(jìn)行了詳細(xì)論述。經(jīng)過實(shí)踐證明，該平臺具有良好的界面以及平穩(wěn)的運(yùn)行能力，能夠極大的滿足學(xué)生和教師的培訓(xùn)要求。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；電工培訓(xùn)系統(tǒng)；建模；VR；培訓(xùn)要求

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.212

隨著科技的日新月異，傳統(tǒng)的培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展趨勢。因此，基于unity 3D的培訓(xùn)系統(tǒng)越來越受到人們的重視。它以其獨(dú)有的沉浸感迅速的占領(lǐng)了市場。本文在進(jìn)行了詳細(xì)的VR 3D市場調(diào)研后，結(jié)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生的獨(dú)有特點(diǎn)，開發(fā)了一套虛擬式的電工培訓(xùn)系統(tǒng)。在該VR系統(tǒng)中，建模是第一步也是至關(guān)重要的一步，本文將詳細(xì)闡述電工培訓(xùn)系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)過程。

0 引言

高職教育主要是為社會(huì)培養(yǎng)一線的技術(shù)工人，因此高職學(xué)生的技術(shù)能力是當(dāng)前高職教育培養(yǎng)的重中之重。作為電氣類專業(yè)的學(xué)生，結(jié)合電氣類人才培養(yǎng)方案，維修電工考試則是他們必須經(jīng)過的一環(huán)。通過維修電工的培訓(xùn)，可以讓他們?nèi)嬲莆债?dāng)前社會(huì)的主流配盤技術(shù)和熟練的PLC編程能力。但是由于實(shí)訓(xùn)室條件有限，再加上學(xué)生人數(shù)增多，使得很多學(xué)生在實(shí)操方面往往不能夠得到充分的鍛煉。因此，結(jié)合目前維修電工的現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一套面向高職學(xué)生的有特色的虛擬維修電工培訓(xùn)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的培訓(xùn)，學(xué)生可以反復(fù)觀看操作步驟及復(fù)習(xí)內(nèi)容直至完全掌握。因此，該虛擬實(shí)訓(xùn)平臺是在傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改革和延伸，使得該平臺能夠更適合當(dāng)前的高職學(xué)情和高職學(xué)生的發(fā)展，也能更好的為教師所服務(wù)，減輕教師繁重的工作量。

1 電工培訓(xùn)系統(tǒng)建模架構(gòu)要求

區(qū)別于傳統(tǒng)的培訓(xùn)系統(tǒng)，基于VR的電工培訓(xùn)系統(tǒng)要求可以在PC端進(jìn)行運(yùn)行和展示，因此其必須具備一定的靈活性。體現(xiàn)在建模方面的主要特點(diǎn)是：

（1）低面數(shù)模型（每個(gè)模型不超過10000面）；

（2）控制貼圖的使用量和分辨率，如若必須使用貼圖，貼圖的尺寸盡量要小；多張貼圖可以拼合一張貼圖使用；

（3）渲染烘焙光照貼圖時(shí)候，應(yīng)合理分布3D模型的父子關(guān)系。

2 電工培訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求

整體培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的功能指標(biāo)如下：

（1）穩(wěn)定性和可靠性。由于該虛擬電工培訓(xùn)系統(tǒng)主要面向于高職教學(xué)工作，而且該系統(tǒng)是循環(huán)使用，所以要求它能每天平穩(wěn)運(yùn)行8個(gè)小時(shí)，這樣才能確保教學(xué)工作順利進(jìn)行，并且它的可靠性要求高，故障恢復(fù)時(shí)間也必須短。同時(shí)必須具備較高的容錯(cuò)能力，保證局部出錯(cuò)不影響全系統(tǒng)的正常工作。

（2）響應(yīng)能力。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求進(jìn)行快速響應(yīng)，因此該系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)刷新展示模型，刷新率達(dá)到60Hz以上，滿足30幀/s的視頻輸出能力；交互操作響應(yīng)時(shí)間在0.2s內(nèi)響應(yīng)；數(shù)據(jù)獲取/數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)在1s內(nèi)完成。

（3）建模要求。保證對物體3D模型建設(shè)的高精度要求，使得建模之后的物體光澤、透明度、物理屬性及物體表面紋路，與真實(shí)物體基本一致。

（4）界面要求。由于該產(chǎn)品主要面向?qū)W生和教師，所以虛擬電工維修培訓(xùn)系統(tǒng)必須要求其產(chǎn)品應(yīng)界面友好、易用且可維護(hù)性強(qiáng)。

3 功能要求

培訓(xùn)人員可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)操作設(shè)備對虛擬配盤進(jìn)行操作，要求學(xué)生能自主在虛擬培訓(xùn)平臺上進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)的配盤連線實(shí)驗(yàn)，主要包括控制電路的連接和主電路的連接。控制電路主要采用虛擬式的繼電器、熔斷器、電線、按鈕等內(nèi)容。主電路則采用三相異步電動(dòng)機(jī)。在學(xué)生進(jìn)行操作的同時(shí)，在虛擬操作平臺上實(shí)時(shí)進(jìn)行連線，并方便學(xué)生觀察。

4 電子器件三維建模技術(shù)

由于該維修電工培訓(xùn)系統(tǒng)主要是建立在虛擬環(huán)境下的，所以3D建模是所有環(huán)節(jié)的第一步。3D建模技術(shù)主要是對配盤中所采用的電子元件進(jìn)行建模，在建模的過程中要滿足一定要求，這樣才能使得系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

三維模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)的獲取可應(yīng)用3dsMax軟件來完成，而要完成這類電子器件的建模以及虛擬環(huán)境平臺的搭建，更多的時(shí)候還需Photoshop和Unity3D作為輔助。三維模型網(wǎng)格需要UV紋理貼圖，而紋理貼圖的建立需要將電子器件的實(shí)物還原成照片并轉(zhuǎn)化為素材，這時(shí)需要強(qiáng)大的制圖軟件PS來完成，而當(dāng)模型數(shù)據(jù)和貼圖都具備的情況下，通過三維軟件的渲染引擎將模型和貼圖導(dǎo)出到虛擬仿真平臺中，三者有機(jī)結(jié)合可有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

本實(shí)訓(xùn)平臺的建模效果如圖1所示。

5 結(jié)論

根據(jù)以上的分析可知，經(jīng)過一系列的建模，可以得到面數(shù)優(yōu)化、兼容性強(qiáng)的建模，這些模型都是后期VR開發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)。既方便學(xué)生觀察實(shí)際電阻，又保證了平臺的平穩(wěn)運(yùn)行。

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項(xiàng)目來源：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目NJZY18294。