基于VR技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境交互技術(shù)探討

摘 要：VR技術(shù)將深度學(xué)習(xí)、計算幾何、人機交互領(lǐng)域的知識結(jié)合起來，在科研領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、影音娛樂等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用空間，可以設(shè)計出數(shù)字化頭盔、手勢識別裝置、語音識別等多種設(shè)備完成人機交互任務(wù)，提高仿真成果，獲得更高的生產(chǎn)價值。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境;人機交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)將圖像處理、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人機交互等功能結(jié)合起來，創(chuàng)造出了一種沉浸感較強的環(huán)境，使得用戶能夠沉浸其中，感受到類似于真實世界的情境。VR技術(shù)在多個領(lǐng)域均具有較大的應(yīng)用價值，如科研教育領(lǐng)域、飛行設(shè)計領(lǐng)域、電影制作領(lǐng)域等。手勢識別技術(shù)發(fā)展較快，可以運用視覺、聽覺、觸覺等多種感官控制虛擬環(huán)境中的模型，積極運用先進(jìn)的設(shè)備儀器，提高生產(chǎn)過程的安全性。

一、VR技術(shù)概述分析

VR技術(shù)即為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，也被稱作是靈境技術(shù)，是一種重要的多媒體技術(shù)運用形式，在計算機科學(xué)與技術(shù)、傳感技術(shù)、機器人及人工智能領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用價值，可以運用3D圖形的實時追蹤功能確定目標(biāo)位置，具有較高的觸覺及嗅覺靈敏性。該技術(shù)在高速運算、行為技術(shù)研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，加快人們生活的變革速度，給人一種多維立體化的感官世界，在相應(yīng)的設(shè)備輔助下完成信息交互任務(wù)。

首先，動態(tài)建模技術(shù)是VR的關(guān)鍵技術(shù)之一，是建立虛擬現(xiàn)實的重要依據(jù)。在該技術(shù)作用下，可以獲得關(guān)于實際環(huán)境的三維信息，根據(jù)實際需要建立虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)。在獲得關(guān)于實際環(huán)境的數(shù)據(jù)信息時，可以運用CAD技術(shù)。實際上，在建立關(guān)于實際環(huán)境的模型信息時，需要運用非接觸式的建模技術(shù)，提高獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量與效率。

其次，三維圖形的生成過程較為復(fù)雜，很難達(dá)到實時的目標(biāo)，需要不斷提高刷新頻率，提高生成圖片的質(zhì)量，適應(yīng)圖片日益復(fù)雜的趨勢。

再次，立體顯示和傳感器的發(fā)展是虛擬現(xiàn)實技術(shù)交互能力的一個重要體現(xiàn)。為了滿足系統(tǒng)發(fā)展的需求，需要提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用價值。例如，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸時，可能存在著傳輸過程延遲、分辨率較低的問題，需要提高追蹤精度，擴大追蹤范圍，開發(fā)出高質(zhì)量的3D顯示技術(shù)。

另外，在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，需要選取合適的場合和對象，充分發(fā)揮出人類的想象力與創(chuàng)造力，提高應(yīng)用對象的使用價值，降低人類的勞動強度，提高開發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，需要研發(fā)出更高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實工具，創(chuàng)建起系統(tǒng)開發(fā)平臺，提高分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的價值。

最后，系統(tǒng)集成技術(shù)也是組成虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要部分。系統(tǒng)集成過程需要將VR技術(shù)感知到的信息及模型作為重要基礎(chǔ)，主要包括信息同步技術(shù)、模型制定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)整理與分析技術(shù)、數(shù)據(jù)識別與合成技術(shù)等。

二、VR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域分析

首先，在娛樂領(lǐng)域，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠給用戶呈現(xiàn)出較為理想的游戲界面。該領(lǐng)域?qū)τ赩R技術(shù)效果的要求不高，呈現(xiàn)出日益多樣化的特點。VR技術(shù)的發(fā)展十分迅速，存在著多人共同使用的VR娛樂機制，設(shè)計開發(fā)出了頭戴式的顯示器，給用戶帶來了極佳的體驗感，不斷革新當(dāng)前娛樂版本，獲得了多維度支持。

其次，在軍事及航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)能夠模擬出接近真實的應(yīng)用環(huán)境，提高了軍事發(fā)明與航空發(fā)射的精確性，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。運用該技術(shù)可以在航空及衛(wèi)星之間建立模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，給國內(nèi)提供重要的教育資源，培養(yǎng)出高技術(shù)、高素質(zhì)的宇航員，為國家發(fā)展奠定強有力基礎(chǔ)。

再次，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，該技術(shù)提高了解剖及病理分析過程的精確程度，給外科醫(yī)生提供了訓(xùn)練機會。運用該技術(shù)能夠創(chuàng)建出接近實際的人體模型，使得學(xué)生能夠深入了解人體各種感覺器官。在正式進(jìn)行外科手術(shù)之前，可以運用VR技術(shù)模擬手術(shù)過程，設(shè)計出復(fù)雜的手術(shù)計劃，為患者探尋效果最好的手術(shù)方案，提高練習(xí)及預(yù)測的準(zhǔn)確性，提高病人的恢復(fù)效率及質(zhì)量。

最后，在教育領(lǐng)域中，VR技術(shù)能夠給學(xué)生提供一種生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使得學(xué)生自主探索適合自己的教學(xué)環(huán)境。在科研實驗過程中，該技術(shù)能夠降低科研基金的投入，使得學(xué)生獲得一種接近真實的體會與感悟，獲得理想的實驗教學(xué)效果。

三、環(huán)境交互設(shè)計概述

在設(shè)計環(huán)境交互系統(tǒng)時，需要將用戶的需求作為中心，構(gòu)造出專業(yè)化的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，從多個行為層次評價生產(chǎn)過程，將產(chǎn)品看作是一個事件，提高思考過程的理論性，運用流程圖及狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖的方式展現(xiàn)出交互環(huán)境的具體內(nèi)容，掌握更多關(guān)于軟件及硬件實現(xiàn)的方式。實際上，在使用網(wǎng)站、消費產(chǎn)品及各種服務(wù)時，都會獲得交互體驗。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，新產(chǎn)品種類及交互方式層次日益增加，需要重視大型計算機的研發(fā)，使用機器語言創(chuàng)造出可視化的結(jié)果，壯大計算機用戶隊伍，注重交互體驗感的提升。

交互設(shè)計能夠讓產(chǎn)品的可用性更強，產(chǎn)生了令人愉悅的產(chǎn)品，符合用戶的多種要求與期望，使其能夠在了解產(chǎn)品交互功能的同時，獲得更多關(guān)于人類心理行為特點的知識，提高交互方式的有效性，增強交互結(jié)果，擴大交互范圍。交互設(shè)計涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，管理人員需要做好溝通與交流工作，在系統(tǒng)與使用者之間建立起有機統(tǒng)一的聯(lián)系，達(dá)到高效使用的目標(biāo)，提高交互設(shè)計質(zhì)量與效率。交互設(shè)計的出現(xiàn)時間較早，最初將其命名為“軟面”，在當(dāng)時具有廣泛的應(yīng)用。

四、VR技術(shù)的基本特點分析

（1）VR技術(shù)具有沉浸式的特點。沉浸式是VR技術(shù)最主要的特點之一，具有臨場感應(yīng)技術(shù)特點，為特定客戶目標(biāo)群體提供強有力保障。使用該技術(shù)能夠促使被動觀察向主動參與轉(zhuǎn)化，給用戶營造出一個真實的周邊環(huán)境，使其沉浸到當(dāng)前創(chuàng)造性氛圍中，開展多種具體化的活動。沉浸感屬于一種特殊的獲取狀態(tài)，能夠獲取用戶關(guān)于虛擬世界的狀態(tài)特點，調(diào)動用戶的多種感覺器官，使其參與到觸摸與感覺過程中，營造出一種真實世界的感覺，給用戶較強的體驗感。

（2）VR技術(shù)具有交互式的特點。在VR技術(shù)環(huán)境中，用戶個體具有可操作性，能夠獲得反饋信息，獲得人體四肢的具體動作，在基本層面上觀察視角變化過程。例如，用戶可以運用雙手觸摸的過程感知到空間中真實存在的物體對象，并將該感受反饋到大腦中，獲得與實際交互過程相近的虛擬交互結(jié)果，提高VR技術(shù)的真實性。

（3）VR技術(shù)具備想象性的特點。VR技術(shù)能夠針對當(dāng)前開展情境復(fù)現(xiàn)處理活動，拓展用戶的思維機制，在客觀世界中呈現(xiàn)出虛擬的場景，擴大可建構(gòu)空間，延伸認(rèn)知覆蓋范圍。從宏觀性視角來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有想象性的特點，在建構(gòu)想象場景時具有較大的影響力，對虛擬環(huán)境的基本質(zhì)量具有重要影響，反映了VR技術(shù)的真實性。

五、VR在工業(yè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用

VR技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展使其滲透到各個領(lǐng)域，不少行業(yè)嘗試與其結(jié)合形成新技術(shù)，推動行業(yè)生產(chǎn)力，如機械、航空航天、汽車等領(lǐng)域，以追求更廣闊的發(fā)展前景。

VR是現(xiàn)實的虛擬，與多個領(lǐng)域結(jié)合產(chǎn)生新技術(shù)，在工業(yè)方面，如坤天自動化，將此技術(shù)運用至零件生產(chǎn)與拆裝部位，在某運行系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加VR外設(shè)，使參加培訓(xùn)人員身臨其境。VR不僅僅只應(yīng)用于游戲娛樂行業(yè)，作為現(xiàn)實虛擬技術(shù)，其與先進(jìn)高端行業(yè)的融合還有待發(fā)展，將現(xiàn)實交互與工業(yè)仿真圖像結(jié)合，形成展示系統(tǒng)，屬于工業(yè)仿真系統(tǒng)的進(jìn)步。

（1）提供虛擬裝配實驗。在VR提供的虛擬可視環(huán)境中，可將工業(yè)發(fā)動機與此結(jié)合，展現(xiàn)發(fā)動機工作過程，進(jìn)行虛擬的體驗，深入了解。例如，航空發(fā)動機的虛擬裝配能夠直接展示發(fā)動機的零件組成和工作狀態(tài)，結(jié)合生產(chǎn)原理，具有高質(zhì)量、直觀、真實的教學(xué)體驗感受。基于此，可進(jìn)行發(fā)動機零件的重新組裝和拆分，在高度貼合現(xiàn)實的條件下不斷練習(xí)，但傳統(tǒng)培訓(xùn)難以達(dá)到。基于VR技術(shù)的發(fā)動機組裝和拆卸培訓(xùn)具有較高的安全性和實用性，提升培訓(xùn)效果，降低培訓(xùn)成本。

（2）進(jìn)行虛擬規(guī)劃設(shè)計。在工廠設(shè)計初期，設(shè)計師可利用VR技術(shù)將設(shè)計圖紙變現(xiàn)，即通過現(xiàn)實虛擬展示設(shè)計完成后的工廠概況。某行業(yè)針對化工領(lǐng)域開發(fā)出VR應(yīng)用，通過此應(yīng)用可將設(shè)計圖中工廠完整還原，從各個角度觀察，或身臨其境檢查各個樓層的消防擺設(shè)和供電設(shè)備布置。設(shè)計師能夠從實際建設(shè)場景中發(fā)現(xiàn)設(shè)計漏洞并進(jìn)行改進(jìn)，將最終設(shè)計成果交由各個部門審理，使審查過程直觀準(zhǔn)確，感受真實建筑概貌，進(jìn)行公正評判。

（3）培訓(xùn)訓(xùn)練體驗。風(fēng)力發(fā)電是新型能源的應(yīng)用成果，風(fēng)力發(fā)電組往往建設(shè)位置較高，距離地面約幾十米，因此建造難度較大，且實際作業(yè)空間狹小，帶來了極大施工隱患。VR技術(shù)的應(yīng)用可使工作人員在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確了解具體設(shè)備、裝置的準(zhǔn)確擺放位置，在全真沉浸式學(xué)習(xí)觀摩中，掌握各類發(fā)電機零件型號和組裝流程，了解電氣元件的工作原理，大大提升工業(yè)培訓(xùn)效果。

六、VR在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例

（1）VR+汽車工業(yè)。VR在汽車行業(yè)領(lǐng)域滲透較深，如汽車圖紙設(shè)計、制造、零件組裝、銷售等。在汽車售賣過程中，可利用此技術(shù)使顧客身臨其境體驗汽車發(fā)動后駕駛體驗感，直觀了解汽車。在汽車內(nèi)飾方面，借助VR技術(shù)可以更好安裝各種配件，使整體設(shè)計更加合理、便捷。若無具體設(shè)計，可使用現(xiàn)實虛擬技術(shù)，全方位觀察汽車車體，進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整修改。目前，福特公司已采取VR技術(shù)進(jìn)行汽車安全性能測試，將虛擬技術(shù)以人體工程學(xué)結(jié)合。通過體驗中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模使用計算機預(yù)測汽車駕駛過程中的沖撞減緩程度。并且，VR技術(shù)還可進(jìn)行疲勞測試，測量生產(chǎn)線上工人，幫助其識別過度勞累，提醒及時休息調(diào)整身體狀況，避免產(chǎn)生安全和健康隱患。

（2）VR+船舶制造。VR技術(shù)還可應(yīng)用于船舶制造，其虛擬仿真系統(tǒng)可以將船舶模型通過先進(jìn)計算機技術(shù)展現(xiàn)，最大程度還原、模擬船舶船體及各種零件，在虛擬場景中對船舶進(jìn)行二次設(shè)計修改、維修、制造、零件組裝、船體性能測試等，實現(xiàn)三維化立體展示，降低生產(chǎn)船舶與實際需求的差異，在船舶維修保養(yǎng)、操作安全培訓(xùn)、市場宣傳等多方面具有較高應(yīng)用價值和發(fā)展空間。

（3）VR+科研教學(xué)。在工業(yè)科研教學(xué)領(lǐng)域，VR技術(shù)通過實現(xiàn)可視化環(huán)境教學(xué)，助力科研教學(xué)開展。高校將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與科研結(jié)合時，虛擬學(xué)習(xí)場景能展現(xiàn)科研實驗，驗證實驗原理，反映真實實驗步驟和結(jié)果形成，通過細(xì)致、真實的場景還原科學(xué)原理，例如，在小麥制粉加工過程中，從原料篩選、清洗、烘干等步驟，最后生產(chǎn)出成品粉需要一系列設(shè)備及加工工藝，學(xué)校等比例還原生產(chǎn)過程建設(shè)實訓(xùn)環(huán)境成本造價比較高，通過VR技術(shù)模擬生產(chǎn)過程，身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境讓學(xué)生學(xué)習(xí)加工工藝，拆解設(shè)備了解其工作原理，相比抽象、空洞的理論學(xué)習(xí)效果更佳。

（4）虛擬參觀工廠實景。VR工廠展示通過虛擬技術(shù)向用戶展現(xiàn)工廠全貌，高度還原真實工廠內(nèi)部設(shè)施，避免了現(xiàn)場參觀自身體力的疲勞，很直觀地體會到科技感與真實性可吸引更多客戶前來參觀體驗，增加工廠訂單數(shù)量和實際收益。

VR的應(yīng)用場景和應(yīng)用領(lǐng)域眾多，在工業(yè)的應(yīng)用逐漸增加，新技術(shù)與新功能不斷開發(fā)完善，工業(yè)VR技術(shù)能為生產(chǎn)銷售等各個環(huán)節(jié)提供更好的輔助效果。

七、VR技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用分析

（1）在先進(jìn)制造領(lǐng)域的運用。在先進(jìn)制造領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)揮著重要作用，可以設(shè)計出高質(zhì)量的虛擬工業(yè)產(chǎn)品，將其投入生產(chǎn)過程中，并運用先進(jìn)技術(shù)展示出來。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠增強產(chǎn)品性能，優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)成功率。例如，在汽車制造過程中，可以運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將各種零件組裝在一起，創(chuàng)建出一個3D汽車模型。在安裝過程中，可能會發(fā)現(xiàn)模型零件中存在的缺陷與不足，需要及時采取針對性的策略進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，降低實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)安全事故的概率。同時，設(shè)計人員可以通過改變參數(shù)信息調(diào)整汽車的舒適度，模擬出真實的駕駛效果，提高故障演示的真實性，提高汽車制造過程的安全性與可靠性。

（2）在安全監(jiān)測領(lǐng)域的運用。安全生產(chǎn)是工業(yè)生產(chǎn)的一個重要目標(biāo)。在確保工業(yè)安全生產(chǎn)的過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)揮著重要的價值。例如，在煤炭工業(yè)生產(chǎn)過程中，可以運用VR技術(shù)完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)測與培訓(xùn)任務(wù)，模擬出真實化的作業(yè)情境，利用傳感器、攝像頭等裝置搜集關(guān)于礦井生產(chǎn)的信息，將其輸入真實工業(yè)生產(chǎn)情境中，在虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的作用下進(jìn)行掃描與觀察，了解實時的生產(chǎn)環(huán)境，掌握瓦斯?jié)舛鹊膭討B(tài)變化過程，確保設(shè)備的正常運行，提高生產(chǎn)過程的安全性與可靠性。同時，運用VR技術(shù)可以進(jìn)行危急情況下的模擬演練，在3D空間內(nèi)展示出礦井生產(chǎn)環(huán)境，在指揮員的指導(dǎo)作用下，完成人員疏散任務(wù)，了解逃生通道的位置分布狀況。在真實化的模擬場景下，工作人員可以更加清晰地了解內(nèi)部環(huán)境構(gòu)造，開展多人協(xié)同救援活動，自覺調(diào)整觀察視角，提高生產(chǎn)工人的疏散效率。

八、基于VR技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境交互技術(shù)探討

在虛擬化的生產(chǎn)環(huán)境中，人機交互技術(shù)十分重要。VR技術(shù)具有新型的人機接口，可以使參與者完全沉浸在計算機生成的虛擬世界當(dāng)中，給用戶提供了一條和虛擬世界聯(lián)系的通道，使得用戶能夠在虛擬世界中操縱3D物體模型，并完成實時的操作反應(yīng)。例如，音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、紅外線追蹤系統(tǒng)、觸覺感知系統(tǒng)等均為VR技術(shù)實現(xiàn)人機交互目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，在理論層面上引入了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯估計、深度學(xué)習(xí)理論等知識，提高了語音識別、面部識別及手勢識別的精確程度，由此衍生出較多所屬技術(shù)手段。傳統(tǒng)的人機交互設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄、運動手環(huán)等，在VR技術(shù)基礎(chǔ)上，更多立體化的視覺產(chǎn)品進(jìn)入人們的視野。例如，頭戴顯示器、液晶保護(hù)器等設(shè)備都能夠提高虛擬工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中人機交互的靈敏程度，更加廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，具有很高的使用價值。

人機交互界面是發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)價值的重要途徑。需要將設(shè)備操作指令和具體的使用說明語言輸入設(shè)備中，使得用戶能夠直接閱讀，并按照說明書順序進(jìn)行執(zhí)行操作。在具有參數(shù)配置的互動式操作手冊作用下，學(xué)生能夠了解人機交互過程的實際過程，給設(shè)備輸入相應(yīng)的操作參數(shù)，提高學(xué)生的警惕程度。

結(jié)語

綜上所述，VR技術(shù)是計算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，在實際生產(chǎn)過程中具有重大應(yīng)用價值，能夠改善工業(yè)產(chǎn)品的制造情況，提高生產(chǎn)活動的精確性，獲得良好的經(jīng)濟效益。該技術(shù)能夠滿足當(dāng)今時代高精度、高科技性及高強度的生產(chǎn)需求，有效改善了生產(chǎn)成果，具有巨大的發(fā)展應(yīng)用空間。

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基金項目：2021年度校級課題《高職院校糧油食品專業(yè)群虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè)研究與實踐》研究成果（編號：2021026）

作者簡介：張倩（1975— ），女，漢族，山東德州人，濟南大學(xué)計算機應(yīng)用碩士，副教授，德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：教育信息化、職業(yè)教育管理。