基于VR的傳熱綜合仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吳丹　何明昌　高利新　王陳培　周競(jìng)

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；3DMAX；傳熱綜合；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）02-0090-03

1 概述

VR虛擬仿真技術(shù)，是近年來隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新興技術(shù)。該技術(shù)利用三維動(dòng)畫軟件在計(jì)算機(jī)中首先建立一個(gè)虛擬的世界，設(shè)計(jì)師在這個(gè)虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)的對(duì)象形狀尺寸建立模型以及場(chǎng)景，再根據(jù)需求設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)，并打上燈光，當(dāng)這一切完成后就可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的畫面[1]。隨著畫面的不斷變化，用戶也可以參與其中。VR顛覆了用戶的感官體驗(yàn)，為用戶營(yíng)造沉浸式氛圍，以高度“仿真”的“復(fù)現(xiàn)”效果，給人以身臨其境之感，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶感官的多重刺激，最大限度地在計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備的支持下呈現(xiàn)出了真實(shí)情景[2]。

由于VR虛擬仿真技術(shù)具有很好的仿真與互動(dòng)效果，使得該技術(shù)在教學(xué)方面應(yīng)用得到快速發(fā)展，例如通過三維建模渲染技術(shù)還原各種機(jī)械設(shè)備的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝流程等，使學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)備、內(nèi)部構(gòu)造相關(guān)知識(shí)點(diǎn)一目了然，容易理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

國(guó)外對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究較國(guó)內(nèi)起步較早，虛擬仿真在教學(xué)上的應(yīng)用也比較成熟，國(guó)內(nèi)少部分高校這幾年也迅速跟上。但大部分高?，F(xiàn)在的教學(xué)手段大多還局限于板書+PPT，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里只能在實(shí)驗(yàn)過程中接觸到實(shí)驗(yàn)設(shè)備外圍，而設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造及其組成則無法看到、觸摸到，還有大量的損壞性實(shí)驗(yàn)或危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)，由于成本因素、危險(xiǎn)因素?zé)o法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能形象地體現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝過程等，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生學(xué)起來枯燥、煩瑣，知識(shí)也很難掌握。為此開發(fā)了一套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中傳熱綜合實(shí)驗(yàn)是比較成功的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生使用后感覺逼真，交互性強(qiáng)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有很好的把控，該仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功申報(bào)浙江省級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。

傳熱綜合實(shí)驗(yàn)主要用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行兩者之間的熱量交換，這種交換叫作間壁式換熱。間壁式傳熱實(shí)驗(yàn)以前一直用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成，但存在非常多的問題，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本過高、安全系數(shù)低、操作靈活性差，實(shí)驗(yàn)器材維護(hù)也非常困難。而通過系統(tǒng)的VR技術(shù)建立傳熱綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需佩戴頭盔、手持設(shè)備等少量相關(guān)設(shè)備，就能沉浸實(shí)驗(yàn)中，很快理解并掌握相關(guān)熱傳原理，實(shí)驗(yàn)效果大大提升。

2 系統(tǒng)需求分析

在VR傳熱綜合虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)充分考慮VR傳熱綜合實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)要求，并統(tǒng)籌考慮各部分建設(shè)內(nèi)容之間的層次關(guān)系，以便項(xiàng)目形成一個(gè)有機(jī)的整體，讓學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)能一氣呵成。為此系統(tǒng)采用先進(jìn)的體系架構(gòu)，并與現(xiàn)有系統(tǒng)具有良好的接口和高度兼容，在數(shù)據(jù)處理方面，通過數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)滿足大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速查詢，以保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，軟件至少在三年內(nèi)滿足相關(guān)熱傳仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，系統(tǒng)更新時(shí)，所有數(shù)據(jù)都可以通過恰當(dāng)?shù)倪w移和轉(zhuǎn)換便可以完整無誤地轉(zhuǎn)入新的系統(tǒng)中。

通過上面的分析，基于整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，圍繞綜合傳熱實(shí)驗(yàn)步驟，系統(tǒng)利用VR技術(shù)，把該項(xiàng)目設(shè)計(jì)分為展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層三部分，如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)環(huán)境

系統(tǒng)用AMD64作為系統(tǒng)平臺(tái)，建模采用Unity 3D 以及3DMAX進(jìn)行模型開發(fā)，在功能上采用3DMAX進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的建模，使用Unity 3D結(jié)合Vuforia插件創(chuàng)造出仿真實(shí)驗(yàn)室。完善仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目功能后，將其用Uni?ty 3D結(jié)合于項(xiàng)目要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，因MySQL充分利用Ubuntu的優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)用MySQL作為后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 安全性能設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)集成以及實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的管理，以達(dá)到信息最大限度地共享，也便于今后系統(tǒng)的擴(kuò)充及增容，系統(tǒng)預(yù)留了一些功能擴(kuò)展接口。在安全方面，系統(tǒng)中所選用的各個(gè)功能子系統(tǒng)設(shè)備都具有開放的通訊接口，后臺(tái)管理系統(tǒng)搭建在內(nèi)部局域網(wǎng)中以保安全，同時(shí)設(shè)計(jì)一套嚴(yán)格的權(quán)限認(rèn)證機(jī)制，對(duì)一些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行MD5加密存儲(chǔ)，保證用戶訪問站點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)安全。

3.3 系統(tǒng)前臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)把整個(gè)系統(tǒng)分為功能選擇、場(chǎng)景漫游、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺齻€(gè)部分。

（1）功能選擇

根據(jù)菜單功能，用戶選擇相應(yīng)功能，可以選擇重新開始實(shí)驗(yàn)或者繼續(xù)上一次操作實(shí)驗(yàn)，也可以通過VR手柄按下扳機(jī)鍵確定是否可以相應(yīng)操作以及相關(guān)按鈕可否進(jìn)行觸碰，還可以按下手柄上的grip按鈕再次喚醒相關(guān)選擇界面等。

（2）場(chǎng)景漫游

該功能主要是劃分實(shí)驗(yàn)區(qū)域，通過面對(duì)場(chǎng)景地面按下手柄pad鍵就能進(jìn)行位置傳送，綠色區(qū)域?yàn)榭傻竭_(dá)區(qū)域，即可操作區(qū)域，橙色區(qū)域?yàn)椴豢傻竭_(dá)區(qū)域，即不可操作區(qū)域。

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊磳W(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)可使用的操作方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分解模式、觸碰模式、拆卸模式共三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦┯脩舨僮鬟x擇。

分解模式：該模式下用戶在視頻引領(lǐng)下進(jìn)行分解操作，視頻指引的每一步都有操作提示。在這個(gè)模式中，實(shí)驗(yàn)儀器的相應(yīng)部分會(huì)出現(xiàn)箭頭與文字提示，用戶按照每一步提示即可進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作。在仿真實(shí)驗(yàn)室的右側(cè)，是學(xué)生調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)的地方，可以通過表格直觀地觀察實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的總結(jié)。此模式主要用分解實(shí)驗(yàn)的每一步操作并掌握VR設(shè)備的使用，是學(xué)生學(xué)習(xí)和演練的詳細(xì)過程，用于學(xué)生初級(jí)入門實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

觸碰模式：該模式下學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立觸碰實(shí)驗(yàn)操作，最后給予實(shí)驗(yàn)評(píng)分。該模式下沒有操作提示，且沒有視頻操作提示，用戶根據(jù)之前在普通模式中學(xué)到的內(nèi)容進(jìn)行觸碰實(shí)驗(yàn)操作，完成實(shí)驗(yàn)后點(diǎn)擊屏幕下面的評(píng)分按鈕，就能對(duì)此次實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)判并給出分?jǐn)?shù)顯示，用戶還可以一鍵生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，此模式主要用于學(xué)生在基本掌握了相關(guān)原理及相關(guān)步驟后進(jìn)行，也可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核，如圖3、圖4所示。

拆卸模式：在該模式下，通過穿戴一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行操作，用手柄去觸碰實(shí)驗(yàn)設(shè)備相應(yīng)部件，部件發(fā)出黃色的光，此時(shí)可按下扳機(jī)按鈕拖動(dòng)物體進(jìn)行安裝及移動(dòng)拆卸。學(xué)生利用VR手柄對(duì)各組件進(jìn)行拆卸，通過相關(guān)操作，學(xué)生可很快認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)器材及各個(gè)組成部分，并可進(jìn)行相關(guān)拆卸實(shí)驗(yàn)操作，非常直觀生動(dòng)，該模式主要用于學(xué)生對(duì)機(jī)械的安裝與拆卸，如圖5所示。

3.4 后臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后臺(tái)基于WebGL 語言實(shí)現(xiàn)，Web 圖形庫(kù)（Web Graphics Library，Web GL）是一種3D繪圖協(xié)議，它將Java Script和Open GL ES結(jié)合在一起，HTML5中的Canvas元素提供硬件3D加速渲染，可以使開發(fā)人員在任意兼容的瀏覽器里展示2D圖形、3D場(chǎng)景和模型等，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化。Web GL 可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁面，甚至可以用來設(shè)計(jì)3D網(wǎng)頁游戲[3]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，系統(tǒng)使用MySql，MySql可以說是目前最為流行的開源數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件，是一個(gè)多用戶、多線程的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[4]。Mysql開放源碼，快捷靈活、穩(wěn)定和容易使用等優(yōu)點(diǎn)決定了其在中小型管理系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。為了提高數(shù)據(jù)庫(kù)訪問性能和后期大數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)還引入Redis非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，在服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)之間使用緩存技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)主從備份、讀寫分離。項(xiàng)目中還可能存在大量的需要上傳和下載照片和視頻，為此系統(tǒng)選擇騰訊的開放云存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)為了提升各個(gè)地區(qū)的下載體驗(yàn)，系統(tǒng)還引入CDN，客戶端通過API Service和服務(wù)端交換數(shù)據(jù)，圖片和視頻的下載直接通過CDN。

3.5 相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備圖紙建立三維模型，再利用三維建模進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，建立實(shí)驗(yàn)零件的三維素材庫(kù)，包括器材以及器材的套管換熱器、發(fā)生器及風(fēng)機(jī)等素材，同時(shí)制作傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，然后根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)流程制作三維演示動(dòng)畫。

1）圖像處理

對(duì)采集的照片，系統(tǒng)用Photoshop軟件進(jìn)行處理，制作建模所用貼圖，然后進(jìn)行軟件系統(tǒng)版面設(shè)計(jì)。

2）建模渲染

用三維制作軟件3D Max對(duì)套管換熱器、發(fā)生器及風(fēng)機(jī)等，建立鍋爐零件三維1：1還原建模，制作材質(zhì)貼圖，燈光布置，再根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理和操作，制作攝像機(jī)動(dòng)畫，人物動(dòng)畫，操作動(dòng)畫等，最后渲染出一系列的三維虛擬圖像序列。

3）視頻制作

由于Sony Vegas軟件提供的視頻特效非常豐富?？蔀槟骋黄位蚰骋粋€(gè)鏡頭添加特效。大部分特效均開放， 通過關(guān)鍵幀控制可實(shí)現(xiàn)特效的動(dòng)態(tài)變化；還可以軌道合成。提供了無限的音視頻軌道， 視頻具有合成模式、合成度、特效、軌道運(yùn)動(dòng)控制等。軌道合成模式與PS層疊加模式類似；軌道特效控制是為視頻增加不同的特效， 并對(duì)特效的變化進(jìn)行控制;軌道的透明度可由合成度進(jìn)行控制；軌道運(yùn)動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)視頻二維、三維合成。音軌主要是針對(duì)音量大小、聲音特效及聲音錄制等進(jìn)行處理；最后， 字幕處理。視頻編輯中字幕處理不可缺少， Sony Vegas軟件配備的字幕功能操作非常簡(jiǎn)單靈活， 在字幕編輯中， 同樣可應(yīng)用視頻各種編輯特效[5]。綜上所述，系統(tǒng)用Vegas來制作各種視頻動(dòng)畫。

4）編程合成

Virtools 是一款強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，可用于制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境，讓參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺等各種感官信息，是一種新研發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)。它具備豐富的行為模塊，根據(jù)模塊的搭配可以實(shí)現(xiàn)多種功能，在三維教育類游戲的開發(fā)方面具有突出優(yōu)勢(shì)[6]。因此系統(tǒng)用Virtools作為開發(fā)工具，編程制作人機(jī)交互系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

VR傳熱綜合仿真實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生帶來逼真的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程可逐步分解，且自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，非常方便。VR傳熱綜合虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)不但幫學(xué)生避免了實(shí)驗(yàn)可能帶來的危險(xiǎn)，還節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)材料，仿真實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，而且實(shí)驗(yàn)?zāi)芊磸?fù)進(jìn)行，在當(dāng)今高校中非常實(shí)用，具有廣泛的推廣價(jià)值。