基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的中藥生產(chǎn)實訓(xùn)仿真實現(xiàn)

項朝陽，唐潤華，汪小根，莊義修

（1.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院電教信息中心，廣東 廣州 510520；2.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院中藥學(xué)院，廣東 廣州 510520）

中藥制藥是一個相當龐雜的過程，涉及十幾個甚至幾十個環(huán)節(jié)；車間建設(shè)占地有一定的需求，從幾十平方米到幾千平方米；設(shè)備比較昂貴，每套設(shè)備從幾萬到幾百萬不等；實驗準備和生產(chǎn)周期較長，一種藥品的生產(chǎn)需要幾天甚至十幾天才能最終完成。高校學(xué)生和企業(yè)新員工在投入中藥生產(chǎn)前都需要通過實訓(xùn)熟悉和了解整個生產(chǎn)流程，熟悉各個設(shè)備的操作規(guī)程、功能和特性，也需通過實驗來構(gòu)筑必需的崗前經(jīng)驗，但寄希望于生產(chǎn)企業(yè)專門留出完整的生產(chǎn)線來培訓(xùn)是不現(xiàn)實的，而構(gòu)建實驗場地也需要投入大量的財力物力。其次，實訓(xùn)原材料消耗大，中間產(chǎn)品保存成本高，部分實驗還需反復(fù)進行，時間和能源上的消耗都十分可觀。此外，孤立的局部實訓(xùn)和封閉的生產(chǎn)設(shè)備難以展現(xiàn)完整的工藝流程，難以實現(xiàn)生產(chǎn)安全指導(dǎo)、先進理念灌輸、管理要素貫徹等多方面的融合，實訓(xùn)效果無法保證。

將虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)用到中藥生產(chǎn)實訓(xùn)上，用虛擬實現(xiàn)技術(shù)來開發(fā)虛擬場景、虛擬設(shè)備和模擬生產(chǎn)操作，局面則煥然一新。虛擬現(xiàn)實的臨場感、交互性和構(gòu)想性等特性[1-2]可以很好地解決以上的諸多問題。生產(chǎn)周期控制，材料能源消耗，生產(chǎn)過程展現(xiàn)等問題也將迎刃而解。但是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實平臺，是一項系統(tǒng)工程，需要掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合工作流技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、教育技術(shù)和專業(yè)學(xué)科知識，進行可持續(xù)化的建設(shè)。

1 生產(chǎn)實訓(xùn)類仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

快速、靈活地構(gòu)建滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求的仿真系統(tǒng)一直是復(fù)雜系統(tǒng)仿真所追求的目標[3]。為了讓實訓(xùn)平臺靈活快捷，宜采用模塊化設(shè)計。文獻[4]通過提取與抽象，歸納了模塊化仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法，此類仿真系統(tǒng)可以從實現(xiàn)上劃分為數(shù)據(jù)視頻及動畫存儲單元、數(shù)據(jù)處理及發(fā)布單元、虛擬設(shè)備接口單元、物理設(shè)備及3D模型單元和客戶端五大部分，如圖1所示[4]。

圖1 模塊化仿真系統(tǒng)整體框架

1.1 基于Java的實現(xiàn)嘗試

在具體實現(xiàn)方法上，文獻[4]系統(tǒng)做了基于Delphi的實現(xiàn)，本文則進一步做了基于Java的嘗試。實訓(xùn)平臺的工作依舊是依靠數(shù)據(jù)處理及發(fā)布單元與客戶端交互和協(xié)作來完成的。Web應(yīng)用的發(fā)布借助了Apache Tomcat 6.0，局部還用到Javascript等腳本語言處理簡單交互。

文獻[4]系統(tǒng)配置采用的是C/S (Client/Server)模式，而本文系統(tǒng)采用了更為便捷的B/S(Browse/Server)模式。當管理員獲取相應(yīng)權(quán)限后，可進入后臺設(shè)置學(xué)員權(quán)限與實驗流程，并控制各實驗環(huán)節(jié)的流向和結(jié)果輸出。另外，通過配置視頻、三維動畫和聲音、撲捉熱點等手段，使仿真交互更顯直觀、生動，并符合生產(chǎn)操作規(guī)程。學(xué)員的訪問依舊基于B/S方式，通過對Web服務(wù)器的訪問來完成網(wǎng)上虛擬學(xué)習(xí)和仿真操作。視頻及其它輔助文件被分門別類存放到指定的子目錄中，操作時通過JDBC（Java DataBase Connectivity, Java數(shù)據(jù)庫連接）與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行聯(lián)接和交互，來控制實驗狀態(tài)和獲得仿真實驗結(jié)果。

1.2 虛擬設(shè)備接口的精簡實現(xiàn)

虛擬設(shè)備接口主要接收從物理設(shè)備及可控3D模型單元傳送過來的感應(yīng)信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。這個環(huán)節(jié)可以通過物理感應(yīng)設(shè)備接口將數(shù)據(jù)提取出來，也可以采用嵌入式技術(shù)來構(gòu)建虛擬實驗設(shè)備的接口[5]。從降低經(jīng)濟成本、便于系統(tǒng)擴展等角度出發(fā)，采用了Quest 3D和Java相結(jié)合的方案來實現(xiàn)。先構(gòu)建好3D虛擬場景，然后通過加載Quest 3D交互控件和Java語句調(diào)用3D場景來實現(xiàn)協(xié)同控制，也達到了滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求的虛擬仿真效果。

2 生產(chǎn)仿真開發(fā)精細程度與工具選取

仿真系統(tǒng)的開發(fā)精細程度應(yīng)結(jié)合行業(yè)特點和生產(chǎn)實際考慮，功能性要優(yōu)先考慮，必須能夠真實反映生產(chǎn)現(xiàn)實。在保證功能性的基礎(chǔ)上，輕巧是首選。事實上，可以把精細程度深入到細節(jié)、局部去把控，對于重要的環(huán)節(jié)細節(jié)要重點剖析，對于次要環(huán)節(jié)，能簡則簡?？傊焙嗊m宜才是實現(xiàn)系統(tǒng)化工程開發(fā)的上策，也是軟件工程所倡導(dǎo)的原則。仿真工具的選取也宜按此思路，不應(yīng)求高精尖，應(yīng)結(jié)合需求特點，從實用和輕巧切入，綜合考慮功能性、擴展性、魯棒性和結(jié)構(gòu)良好性。

計算機仿真工具一般可分為三類：一是通用語言，如Fortran和Algol語言等；二是仿真語言，如SIGMA、GPSS和SIMULINK等；三是可視化開發(fā)平臺軟件。前兩類通用性好，但要求開發(fā)者有較強的編程能力。第三類通過定義各種實體，設(shè)置實體屬性建立實體間聯(lián)系，主要通過配置參數(shù)和操作技巧來創(chuàng)建仿真模型，技術(shù)門檻較低，開發(fā)者可以將更多的精力轉(zhuǎn)移到工藝過程的展現(xiàn)和虛擬場景的制作。目前流行的可視化開發(fā)平臺有Vir-toolsDev，EONStudio和Quest 3D等。另外，國內(nèi)也有了很大突破，典型的有北京航空航天大學(xué)的實時三維圖形平臺BH_GRAPH等[1]。

Quest 3D是一款實時圖形渲染工具，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的三維展示、場景漫游以及虛擬訓(xùn)練等多種功能[6]。Quest 3D最大的特點就是使用構(gòu)建模塊來組成程序，這些模塊被稱為信道，每一個信道都有其特定功能。利用這些信道，不需要編寫大量復(fù)雜代碼就可以完成三維場景的建立和漫游等功能。它借助了DirectX引擎，生成的場景效果絢麗，且占用資源較少。它還提供物理引擎、路徑動畫、數(shù)據(jù)庫連接和網(wǎng)絡(luò)支持等功能。此外，它演示性能強大，富有現(xiàn)實感，可以實現(xiàn)相當高難度的仿真。

結(jié)合中藥仿真生產(chǎn)崗位突出、流程銜接緊密、操作規(guī)范嚴格、系統(tǒng)運行輕巧等特點，也為便于中藥學(xué)科專業(yè)人員協(xié)同參與，本文的中藥生產(chǎn)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)開發(fā)時選用了Quest 3D作為仿真工具。

3 實現(xiàn)案例與關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實仿真，一般要先做3D實體建模，然后實現(xiàn)仿真控制。整個過程可分為3D實體建模、靜態(tài)場景（含實體創(chuàng)建）、動態(tài)場景、實體按鈕偵測和控制邏輯等步驟來實施。本節(jié)以中藥制藥萬能切割機為實例，以Quest 3D為主要仿真工具，對中藥生產(chǎn)實訓(xùn)仿真過程中遇到的關(guān)鍵問題進行了探討。

3.1 3D實體建模

由于虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)基于大量3D實體的運行得以實現(xiàn)，而3D實體的運行占用大量的系統(tǒng)資源，所以3D模型創(chuàng)建的合理性對系統(tǒng)能否正常運行起著重要的作用?；诖?，創(chuàng)建虛擬設(shè)備或場景要繁簡適宜，充分把控好系統(tǒng)的開發(fā)精細程度。本系統(tǒng)采用3Dmax實現(xiàn)基礎(chǔ)建模，建模時將模型抽象化，注重基于“點”級的對齊，減少體塊堆積，避免多余的頂點與面，控制材質(zhì)使用量和貼圖大小，避免面面相疊、交叉，少用布爾運算。對于完成的設(shè)備類3D模型，按靜態(tài)機身類、按鈕類和動態(tài)實體類分別導(dǎo)出文件保存。分開導(dǎo)出的文件再導(dǎo)入Quest 3D平臺后，成為獨立的實體，便于動畫設(shè)置和邏輯控制。中藥制藥萬能切割機在建模完成后，可對機身、切刀機構(gòu)和綠紅色按鈕分別導(dǎo)出相應(yīng)的“.X文件”。圖2(a)是完整的萬能切割機3D模型，圖2(b)和圖2(c)是分別導(dǎo)出的機身、按鈕和切刀機構(gòu)分拆組件圖。

圖2 萬能切割機模型及分拆組件

3.2 靜態(tài)場景創(chuàng)建手法

一般性生產(chǎn)靜態(tài)場景包括所有設(shè)備實體和車間場景的靜態(tài)展現(xiàn)效果。此案例簡化為整臺萬能切割機（含機身、按鈕和切刀機構(gòu)等實體）。靜態(tài)場景創(chuàng)建方法如下：

（1）將建模時生成的X類型文件（含機身、按鈕和切刀機構(gòu)）導(dǎo)入Quest 3D平臺，添加3D場景模塊和渲染模塊，將3D場景模塊設(shè)置為信道組的起始模塊，添加5個點光源和一臺OIC攝影機，再將上述模塊和信道組連接起來，構(gòu)成該設(shè)備的基本場景，如圖3所示。

圖3 靜態(tài)場景信道流程圖

（2）將導(dǎo)入的實體作為一整體，將其大小和位置進行合理化調(diào)整，設(shè)置燈光的位置、強度，使設(shè)備呈現(xiàn)良好的顯示效果，確定攝影機的位置、方向和焦距，在動畫窗口查看工程攝影機顯示結(jié)果，微調(diào)至正常顯示，如圖4所示。

圖4 渲染模塊和信道組連接后的萬能切割機

3.3 動態(tài)場景的創(chuàng)建技巧

動態(tài)場景比靜態(tài)場景的創(chuàng)建方法復(fù)雜，通常在完成靜態(tài)場景之后實施，技巧歸納如下：

（1）設(shè)備基本是局部活動的，此刻的關(guān)注點在動態(tài)部件。首先查看動態(tài)部件實體的Motion信道組，確認導(dǎo)入的Motion信道組下的Value模塊類型為Envelop（因?qū)氲哪K有可能出現(xiàn)其他Value類型），如果不是，則更換為Envelop類型模塊。

（2）切換到動畫窗口，在編輯器下方的時間軸內(nèi)，將指針調(diào)到第0 格，以每6幀為一組動作設(shè)置動態(tài)部件的動作過程。

（3）添加Timer Value連接到上述Value模塊，如圖5所示，創(chuàng)建動態(tài)場景播放任務(wù)，邏輯控制信道通過控制播放任務(wù)來實現(xiàn)動態(tài)部件的啟動和停止。

圖5 Timer Value 連接圖

3.4 鼠標碰撞偵測及高亮顯示

為實現(xiàn)逼真的仿真效果，可采用3D實體來創(chuàng)建按鈕，技術(shù)難點在于需要建立鼠標碰撞檢測和鼠標滑過高亮顯示功能。此案例中，設(shè)置綠色按鈕為啟動按鈕，按下綠色按鈕后，切刀機構(gòu)上下運動。打開Button-G文件夾，該信道組由導(dǎo)入Button-G.X時生成，刪除下面不完整的Material模塊，從信道窗口重新添加一新Material模塊替代。將Material信道組下Diffuse模塊的(R,G,B)設(shè)置為(0,1,0)，使按鈕顯示為綠色。刪掉原Emissive下的3個Envelop，添加Detect Mouse Collision與Emissive的G通道相連；創(chuàng)建Button-G的快捷方式并連接到Detect Mouse Collision模塊。這樣就實現(xiàn)了鼠標滑過綠色按鈕時的碰撞偵測及綠色按鈕高亮顯示功能，如圖6所示。

3.5 網(wǎng)頁展示調(diào)整技巧

系統(tǒng)需要發(fā)布成與顯示屏幕相匹配的網(wǎng)頁，才能正確顯示仿真效果。而Quest 3D只能按4∶3進行發(fā)布，無法與實際的顯示屏幕進行匹配。為解決這一問題，一個比較有效的做法是設(shè)計一個通用的轉(zhuǎn)換公式，利用公式在Quest 3D里對場景模塊的Y Scale值進行強制調(diào)整。設(shè)需要發(fā)布成網(wǎng)頁的橫、縱軸尺寸分別為X、Y，Quest 3D按4∶3進行發(fā)布，則縱軸尺寸為(3/4)*X，而實際網(wǎng)頁的縱軸尺寸為Y，將(3/4)*X/Y作為轉(zhuǎn)換系數(shù)，即將場景的Y-Scale值（舊）調(diào)整為Y-Scale值（新）=((3/4)*X /Y )* Y-Scale值（舊）。

在Quest 3D平臺發(fā)布網(wǎng)頁的index.html文件，部分代碼段做如下修訂：

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