基于VR技術構建虛擬染色平臺的探索*
——以泉州紡織服裝職業學院為例

劉桃鳳，劉開陽，王桂甲，黃曉茵，吳贊敏

（泉州紡織服裝職業學院，福建 泉州 362799）

信息技術的高速發展為我們的生活工作和學習提供多種便利，虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)作為該領域的一項新技術[1]，得到了快速發展和應用。將虛擬現實技術與職業教育相結合，特別是將其應用到職業教育的實驗環節，讓學生在虛擬的環境中進行學習實驗操作，有助于職業教育走出實驗教學的困境，為職業教育注入新的活力。

我國高度重視VR技術的教育及應用，國務院明確提出建設一大批以校企合作為基礎，集人才培養、繼續教育、科研創新、科技服務于一體的專業集群[2-3]，我院獲批建設基于紡織染整服裝產業專業群的VR/AR實驗基地[4]。

為此，本研究對經技術改造后的溢流機進行純棉坯布染色的生產過程進行調研，以行動邏輯課程為發展導向，應用VR技術，以“一看二聽三說四為”教學實驗基本路徑，構建了一條適合高職院校專業課實驗教學實驗的路線。

1 VR技術用于染色課教學實驗的意義

2016年福建省明確要大力發展VR產業，我院根據染整企業的生產實況，將VR技術應用到職業教育教學實驗環節，為學生在實驗過程中，創造逼真形象的模擬工廠生產情境。該情境創設讓學生體驗到虛擬的溢流機中織物上染料的擴散、吸附、固著，體驗到紡織品染色生產過程因工藝參數設計而得到不同產品的樂趣。構建染色結合AR技術模型還可以為職工技能培訓提供方便，同時也可以為特殊人群接觸色彩、學習染色知識打開大門，虛擬染色平臺的構建也為孩子提供一片彩色空間。大量實際案例證明，虛擬現實可以給體驗者帶來身臨其境的感覺，使人能體驗到放松、愉悅的積極情緒，從而使體驗者能充分發揮自主學習能力。總而言之，虛擬染色平臺的構建，已經走出了職業教育實踐教學的新模式，突破了傳統的職業教育思想觀念，發展了職業教育的教學方法，為職業教育教學實驗注入新的活力[3]。

虛擬染色系統（簡稱“系統”）的設計以技術全面化、應用教學化、工作過程系統化、項目典型化四個方面為主要指導思想[5]，系統引進VR龍頭企業工業化級產品體系并融合企業溢流機染色過程，結合當前紡織染整產業發展趨勢進行開發。系統按照VR教學實驗體系的要求，模擬溢流機染色生產的場景，結合設施設備部件、紡織品多形態以及 VR技術的體驗實現教學實驗模型的構建。系統讓使用者的感知體驗與動手的結合、染色工藝與實際生產的結合，在學生進行染色體驗方面，既有感官上的沉浸式體驗，也有心理上讓人參與其中的超現實體驗[6-7]。

通過該平臺的建設，鞏固了學生理論知識體系，同時提高學生的動手能力，積累實踐經驗，從而達到學生實驗水平提升的目的。平臺的建設有效緩解了當前專業課教學實驗與實際生產不匹配而產生較大差距的現實困境，達成培養具有動手能力、實踐能力和技術技能型人才的職業教育目標。

2 平臺開發設想

2.1 構建系統模型的前期設想

染色VR教學實驗系統將實際染色工作過程與VR技術結合進行系統化開發，根據實際染色工作過程每道工序的教學目標設計學習場，明確各環節參照系、典型工作過程和普適性工作過程進行設計。利用3ds Max軟件、Inventor軟件和Virtools軟件進行構建開發虛擬染色實驗平臺。

2.2 虛擬染色系統的開發設想

2.2.1 系統簡介

系統開發設計包含虛擬工廠、虛擬設施設備、虛擬任務與材料、虛擬人物、學習模塊5個部分，其中每個部分下又分別設置了幾個子模塊，子模塊各自有具體功能，各子模塊之間互相配合操作使用。

虛擬工廠模塊，通過設計與實際工廠生產環境的相似的虛擬場景（主要分為外部環境和內部環境2部分），以企業生產環境為主要外部環境，染色車間為次要外部環境，以溢流機機體、染缸和工作臺為內部環境，構建的虛擬場景。虛擬場景的構建可以增強系統的沉浸性，使學習者產生身臨其境的感覺。

虛擬設施設備模塊，主要從不同的角度、全方位展示染色機、染缸和工作臺以及各個輸送管道的輸送情況的結構。

虛擬任務與材料模塊，以純棉坯布為例、布面運行為視角，根據工藝參數的要求加入水、染化料、助劑等原料，并設置溫度、壓力、浴比等工藝參數，通過優化工藝參數，完成工作任務。后期也可將其中涉及的水、汽等能源列入成本核算范疇，作為參數進行考察和評價。

虛擬人物模塊，以給虛擬人設置交互腳本的形式，實現對虛擬場景的漫游體驗。通過選擇可體驗不同類型產品的染色過程，以達到體驗設施設備實際操作、控制的目標。同時，通過場景切換，可完成場景中的其他系列，如對漂白、脫色、固色等相關工序過程的體驗。

學習模塊包括染色理論知識素材、設施及設備的三維結構展示以及生產操作視頻、自主設計練習4大集合，在學習模塊中可自主選擇學習專業理論知識，觀看染色、漂白、脫色、固色等過程原理演示視頻，在自我肯定之后進行自主設計工藝練習并通過VR技術做出虛擬成品。也可以了解設施設備、坯布的三維結構，掌握染色原理，以加深其對專業理論知識的理解。

該虛擬染色實驗平臺的結構如圖1所示，

2.2.2 系統開發流程設想

構建染色虛擬教學實驗系統，按照一般開發設計流程，我們需要分別做好以下幾個方面的工作。

⑴ 前期素材準備工作

在企業中，使用3D掃描和Iventor構建三維實體模型，包括構建虛擬工廠、設施設備、材料、學習視頻等素材；用VR編輯器對虛擬場景、事件編輯、多媒體資源整合、VR外設頭盔和手柄等硬件應用、VR 全景拍攝和編輯；使用photoshop創建貼圖素材，并在3ds Max中對模型及場景進行渲染、數字影像及虛擬場景合成、對資源進行優化處理，和其他需要準備的素材。

⑵ 實驗功能實現工作

將系統模型導入到Virtools中，利用Virtools中交互引擎提供的VSL語言編程，對系統需要的相關詳細功能進行設計和編輯后，即可以著手使用Virtools進行虛擬現實的交互腳本設計，實現系統的交互功能。通過引入合作公司的VR關鍵技術進行工藝、參數、選項等功能的設定，構建其他三維加工設備模型和其他場景模型，并且在虛擬染色實驗系統中實現虛擬人物在漫游時需要進行選擇染色控件及相關多機型、各類型工藝、不用原料的選擇操作等，最后完成目標的過程。

⑶ 對系統的評價和優化工作

在系統構建完成時，由學生和教師以及非專業人士進行系統操作，并對系統的實驗內容、結構框架、可操作性等進行綜合評價，按提出建議和意見再次對設計進行優化，系統相對成熟后將該實驗系統輸出發布，投入實際教學。

2.3 系統評價

創設的虛擬染色實驗系統基本達到教學實驗的教學要求，該系統為染整專業中染色課程操作技能實驗教學提供了新的教學模式。

圖1 紡織品虛擬染色實驗系統結構圖

系統設計上也兼顧了在專業理論教學過程的一些不足，以學生為主導，使學生通過項目導入的方式進行學習，系統中植入大量豐富的學習資料，體驗者可以通過點選模式切換子模塊的功能操作進行選擇、查找素材進行自主學習。同時，系統中設計了基本工藝流程及參數限值，并嵌入部門實際生產中成熟的產品進行預練，為學生的學習知識的延伸及思維的拓展提供了實踐基礎。

系統具有較強的交互功能，角色切換給學生帶來全新的體驗，用戶界面操作相對簡單，系統的界面直觀、簡潔、務實，方便讓體驗者了解整個染色生產過程及其工作環境。

3 結語

本文構建了一個基于虛擬現實技術的紡織品染色的課程的三維教學實驗系統，為學生學習染色專業知識、體驗紡織品染色過程、強化專業技能水平提供了新的平臺。該系統在運行上對操作軟硬件環境基本沒有特殊要求，除了本系統研發構建需要的資金外，無附加支出。在實際操作過程中，只需要使用鼠標、鍵盤、頭盔、手柄等即可完成紡織品染色的實驗操作過程，根據不同的工藝及參數選擇得到相應的實驗結果。在實驗教學應用中，該系統可以作為學生實際技能訓練的實驗平臺，改善了實驗教學環境，提高了實驗安全性。同時學生課余也可使用該系統進行知識學習和技能操作練習，為學生畢業實習和工作提供預練場所。