基于VR的食品加工生產線教學系統設計與實現

譚江霞程明智劉 龍

(北京印刷學院新媒體學院,北京102600)

餅干加工作為食品加工教學中的重要環節,是學習和生產焙烤食品加工技術中的重要一環。但在傳統的生產過程中,由于實習場地限制、設備布局緊湊,生產節奏快,潛在安全因素多等原因,學生缺乏相應的實習實踐機會,致使相應的焙烤類食品加工技術學習效率低下,影響整體教學質量。

隨著VR技術的發展,VR技術可作為新的知識載體和認知工具,讓食品加工行業學習者對現有食品知識進行重構。該技術的出現,可高度模擬生產現場環境與生產線設備,還原真實的生產過程。VR技術還可提供良好的交互體驗,并能夠有效解決傳統食品加工中遇到的問題,調動了食品加工行業學習的積極性,節約實訓成本和時間。該技術還可實現考核方式多樣化需求,以及提高食品加工實訓的安全性,從而提高食品加工教學效率。

將VR技術與食品加工教育領域相結合,無疑將會對傳統的食品加工行業教育帶來革命性的改革。因此本文設計并實現了一個基于VR的餅干生產線教學系統,通過餅干加工工藝流程、設備交互學習等模塊,不僅能讓學生在虛擬的空間里獲得真實的感受與體驗,還能幫助教師使用不同的技術來開展教育教學。

1 基于VR的餅干生產線系統設計

餅干加工虛擬現實系統以餅干加工實訓和餅干加工現場為依據,可根據實際加工流程引導學生完成實訓教學內容,主要包含餅干加工現場三維虛擬場景與加工流程學習功能,系統框架如圖1所示。在虛擬的加工環境中,以餅干加工生產車間為原型,通過生產環境與相關加工設備的3D建模、燈光布置等還原餅干生產加工現場。在學習模塊中,根據VR技術模擬實際的加工流程中的生產過程,并開發漫游模塊、工藝流程介紹模塊、以及設備交互學習功能模塊。

圖1 系統框架圖

2 餅干生產線系統內容建設

餅干加工系統開發包括三個部分:虛擬場景搭建、加工過程模擬與設備交互功能實現。

2.1 虛擬場景搭建

在虛擬場景搭建過程中,利用3D max和PS分別制作3D模型以及模型相應的材質,在Unity3D導入制作好的模型和材質,從而搭建出虛擬的餅干加工場景。

(一)模型與材質的制作

根據餅干加工工廠車間建筑與生產線設備的二維CAD圖紙,首先在3D max中建立基本幾何體,再使用相關編輯工具箱中的各類編輯工具創建三維部件模型,最后根據單體建筑或設備所組成部件的裝配關系建立其三維模型[1]。為解決相關圖紙創建的三維模型與現實車間的視覺差距相差較大以及三維模型外觀視覺與生產現場差距明顯等問題,需要依據生產現場的照片或視頻創建三維模型的外觀材質,才能更好地提高虛擬場景的逼真度。而外觀材質包括設備的材料屬性與紋理貼圖這兩部分,其中:材料屬性反映模型表面對光線的作用效果(如金屬光澤、透明度等);紋理貼圖采用圖像模擬模型的復雜外觀,提供真實的表面細節,通過UV坐標將其映射在三維模型表面。以送料機為例,其模型效果如圖2所示。

圖2 虛擬現實場景中三維模型示例

(二)餅干生產線場景的搭建

將制作的資源(包括:建筑、設備、餅干等3D模型以及相應的材質)導入Unity3D中,根據生產車間建筑與餅干生產線設備的相對位置信息,在虛擬空間中放置相應的餅干生產線設備,從而創建餅干加工虛擬生產線場景[2-3]。所搭建的虛擬生產線如圖3所示。

圖3 餅干虛擬生產線場景

2.2 餅干動態生產過程模擬

在餅干生產實習實踐中,學生需要觀察餅干生產工藝流程、設備運行情況以及餅干在加工過程中感官性狀發生的變化等情況。因此,需要根據餅干相應的生產工藝流程、相關設備操作以及相應的加工原理等,通過Unity3D模擬餅干動態生產過程,主要包含設備運作與餅干形態變化。

(1)設備運作。在實際加工生產過程中,對餅干的加工由組成生產線中的各項設備配合完成。根據不同餅干的加工工藝不同,執行相應的餅干加工動作[4]。

(2)餅干形態變化。餅干的加工生產以小麥粉為主要原料,加入(或不加入)糖、油及其他輔料,經過調粉、成型、烘烤制成的水分低于6%的松脆食品。在加工過程中小麥粉的形態會發生變化。

2.3 餅干生產線生產實習教學功能

為方便師生開展餅干加工生產實習實踐,基于餅干加工生產實習實踐系統中設計并開發出3D漫游功能以及相應的交互學習功能。在三維虛擬場景中,用戶可佩戴HTC VIVE硬件以及手柄操作來進行交互學習[5-7]。

(一)3D漫游功能

在餅干生產加工的三維虛擬場景中,用戶可通過手柄來實現在生產場景中漫游。在場景中,用戶可近距離觀察動態生產過程,如加工工藝、設備運作、餅干顏色、狀態變化等在現場實習時無法觀察到的內容。在該系統中,漫游操作包含行走與位置移動,如圖4所示。用戶可通過點擊VR手柄,顯示位置可移動列表,通過射線選取某一位置可直接到達對應的生產位置。

圖4 場景漫游

(二)交互學習功能

在餅干生產加工現場漫游時,用戶若想深入了解某一設備時,可以通過相應的設備介紹、設備工藝以及設備透視圖來進行學習。用戶可利用射線選擇設備,扣動扳機鍵打開相應的內容進行交互功能的學習。

相關設備的介紹和工藝流程可通過語音和文字進行介紹,有利于用戶對設備進一步的了解。其中介紹內容包括:設備的組成、功能和工藝原理等;相關設備設置透視功能模式,可使設備的外部透明,從而利于觀察設備內部的結構和工作原理。軋面機的交互功能如圖5所示。

圖5 軋面機交互

3 結語

餅干生產線系統以餅干工廠加工現場為原型,采用3D max再現創建餅干生產車間以及餅干加工設備模型,以Unity3D為軟件基礎搭建還原餅干生產場景,模擬相關加工動態過程以及開發相應的實習教學功能。該系統設計呈現出沉浸感強,安全系數高、操作簡單方便等優勢,能高度還原餅干生產加工過程。將該系統應用于實際的教學實踐后,提高了學生對生產實習實踐的積極性和興趣,更好地提升了生產實習實踐教學效果和質量。