基于Virtools的虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

華 艷

（無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

1. 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。

Virtools是一款具有互動(dòng)行為模塊的3D實(shí)時(shí)虛擬實(shí)景編輯軟件。在Virtools虛擬環(huán)境中開(kāi)發(fā)人員只需拖拽行為模塊對(duì)模塊進(jìn)行搭建便可組成豐富的互動(dòng)作品，目前在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如：媒體、網(wǎng)絡(luò)游戲、教育培訓(xùn)和仿真產(chǎn)品等。

2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，對(duì)企業(yè)提高開(kāi)發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少?zèng)Q策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)起到了重要的作用。

荷蘭、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用方面發(fā)展極為迅速，特別在工業(yè)、商業(yè)、教育等領(lǐng)域中應(yīng)用較多，發(fā)展較快。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、虛擬裝配、產(chǎn)品加工過(guò)程仿真、設(shè)備管理等。

許多機(jī)械制造類(lèi)企業(yè)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)方面的仿真系統(tǒng)需求較大，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)械加工、裝配過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，可以優(yōu)化生產(chǎn)流程、降低成本和時(shí)間；利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行員工技術(shù)實(shí)訓(xùn)，可以減少操作失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行客戶售后服務(wù)，可以節(jié)約企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高銷(xiāo)售質(zhì)量。

經(jīng)調(diào)查與分析，目前很多國(guó)內(nèi)的機(jī)械制造企業(yè)在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)客戶培訓(xùn)的方面是一個(gè)空白，卻又十分迫切需要。但是如果只是企業(yè)自行研發(fā)，沒(méi)有一定的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)較為困難。因此，筆者所在的學(xué)校與某汽車(chē)企業(yè)（因保密需要，在下文均以某汽車(chē)企業(yè)字樣出現(xiàn)）合作，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為其開(kāi)發(fā)客戶仿真培訓(xùn)系統(tǒng)有很大的實(shí)用性。另外，筆者在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，很多其他的機(jī)械類(lèi)企業(yè)在虛擬仿真方面的需求也很大，因此基于Virtools的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有很大的發(fā)展前景。

3. 虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以Virtools、3D、Pro/E等軟件作為技術(shù)支撐，為以某汽車(chē)制造企業(yè)培訓(xùn)科提供的客戶培訓(xùn)方案為依托，開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)客戶服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)分解與裝配、簡(jiǎn)單故障排除的培訓(xùn)上，使其客戶培訓(xùn)產(chǎn)生新模式，而學(xué)校、教師也能借助此項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)研究大大提高科研能力和學(xué)術(shù)水平，達(dá)到雙贏的效果。

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究及系統(tǒng)整體架構(gòu)研究

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究和了解，研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，以及調(diào)查汽車(chē)企業(yè)在虛擬仿真培訓(xùn)方面的需求等，進(jìn)行大量的材料分析和對(duì)比，形成虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 三維建模技術(shù)的分析與應(yīng)用研究

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開(kāi)三維模型，但是Virtools本身不具有建模功能，故需要選擇合適的建模工具。本系統(tǒng)研究對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量龐大，是一個(gè)復(fù)雜的零部件機(jī)構(gòu)，故采用Pro/E對(duì)其進(jìn)行建模，這樣會(huì)使建模速度和模型的精確度提高。但是由于這種建模軟件無(wú)法直接導(dǎo)入Virtools，故需要由3ds Max作為中間傳遞者，模型在導(dǎo)入3ds Max后可以進(jìn)行渲染和動(dòng)作添加。這就將整個(gè)項(xiàng)目分解成幾個(gè)獨(dú)立的部分：幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、對(duì)象行為的建模。

另外，為了保證系統(tǒng)在普通計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和高效性，建模時(shí)應(yīng)在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與維修環(huán)境逼真的基礎(chǔ)上，對(duì)模型簡(jiǎn)化技術(shù)，并利用各種修改方式來(lái)優(yōu)化模型，減少大量的運(yùn)算，又能提高圖像的顯示速度，從而體現(xiàn)出桌面式虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3.3 基于Virtools技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與研究

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)虛擬仿真交互功能是基于Virtools的三維虛擬場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的交互功能以及探討的關(guān)鍵技術(shù)有：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)模型拆卸安裝工具的選擇、Virtools與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信及相互操作、視頻資源的調(diào)用、三維虛擬系統(tǒng)的優(yōu)化等。

在系統(tǒng)發(fā)布時(shí)可以生成采用Web瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器架構(gòu)的模式。這樣，能讓開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)方便使用，在進(jìn)行客戶培訓(xùn)時(shí)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)，也可以進(jìn)行桌面式實(shí)地培訓(xùn)。

①導(dǎo)入資源

在Virtools軟件創(chuàng)建資源庫(kù)“虛擬培訓(xùn)”，將需要的模型文件、紋理文件、視頻文件等拷貝入“虛擬培訓(xùn)”資源庫(kù)的相應(yīng)分類(lèi)文件夾中。這樣有利于這些資源的歸類(lèi)與使用。

②創(chuàng)建燈光

將所需的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件導(dǎo)入Virtools場(chǎng)景中，此時(shí)零件顯示黑色，需要在場(chǎng)景中加燈光。一般采用點(diǎn)光源，將燈光放在合適位置，使得場(chǎng)景中的模型正常顯示，調(diào)整燈光的參數(shù)使模型光澤度適中。

③設(shè)置模型的材質(zhì)

添加燈光后，模型仍舊沒(méi)有金屬材質(zhì)的真實(shí)感，還需要?jiǎng)?chuàng)建金屬材質(zhì)，在參數(shù)設(shè)置中設(shè)定合適的材質(zhì)顏色，調(diào)節(jié)零件模型的自發(fā)光程度，形成金屬質(zhì)感。

④碰撞檢查

現(xiàn)實(shí)中機(jī)械零部件是實(shí)體部件，在裝配與維修中會(huì)遇到各種碰撞，如果不加以檢測(cè)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零部件相互穿透，使場(chǎng)景失去逼真性。要避免這種情況，可以利用Virtools內(nèi)嵌的碰撞檢測(cè)功能，為地面或桌面添加Floor(地面)屬性，機(jī)械零部件添加屬性Fixed Obstacle(固定障礙物)，腳本設(shè)計(jì)中添加行為模塊Prevent collision(防止碰撞)或Object Slider(對(duì)象移動(dòng))，從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能，使機(jī)械零部件之間不能相互穿透。

⑤交互設(shè)計(jì)

完成發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬裝配主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的三維模型進(jìn)行三大操作：拾取、操作、釋放，而操作部分主要是進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放，這些功能主要通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。

3.4 設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)

依據(jù)某汽車(chē)制造企業(yè)培訓(xùn)科提供的需求報(bào)告分析，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)，具體內(nèi)容如下：

①提供發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，客戶可通過(guò)各種方式選擇發(fā)動(dòng)機(jī)各部件進(jìn)行裝配與分解實(shí)驗(yàn)。

②提供虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障案例，為故障分析和排除提供完全仿真的場(chǎng)景，使客戶能進(jìn)行具有真實(shí)感的虛擬實(shí)驗(yàn)。

③能對(duì)用戶在進(jìn)行故障排除實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行正確性檢測(cè)，讓客戶在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終得到正確的引導(dǎo)。

④提供發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的拆裝與故障排除實(shí)驗(yàn)的幫助性文檔和視頻演示過(guò)程。

⑤友好的用戶界面，操作簡(jiǎn)單，有完備的幫助文檔，客戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)操作方便。

⑥良好的交互性，能快速響應(yīng)客戶的操作，返回操作結(jié)果。

3.5 平臺(tái)的測(cè)試與改進(jìn)

對(duì)運(yùn)用Virtools開(kāi)發(fā)的虛擬培訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試，通過(guò)客戶使用情況反饋分析，總結(jié)開(kāi)發(fā)研究需要改進(jìn)的地方。

為某汽車(chē)企業(yè)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)是針對(duì)實(shí)際的客戶需求設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的，因此需要大量的使用與測(cè)試，以保證開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)的技術(shù)正確性與實(shí)用性。只有通過(guò)大量反復(fù)的測(cè)試，才能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中問(wèn)題，并進(jìn)一步完善系統(tǒng)。

4. 研究的價(jià)值

(1)某汽車(chē)企業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，為其開(kāi)發(fā)基于Virtools虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，讓使用者在遠(yuǎn)程終端或桌面式操作系統(tǒng)動(dòng)手實(shí)踐，使企業(yè)的客戶實(shí)踐培訓(xùn)更形象化、直觀化、易于實(shí)現(xiàn)，為其他企業(yè)在這方面的發(fā)展引領(lǐng)了方向。

(2)對(duì)企業(yè)而言，開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)提供了一種新的與客戶溝通的方式，節(jié)省了大量人力、物力，更有利于客戶掌握新銷(xiāo)售產(chǎn)品的性能與使用方法等，避免一些誤操作時(shí)的損失，甚至開(kāi)啟了一種售后服務(wù)新模式，從而產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(3)對(duì)學(xué)校而言，能跳出教書(shū)育人的簡(jiǎn)單框架，為企業(yè)提供學(xué)術(shù)支撐，產(chǎn)生新的社會(huì)價(jià)值。

(4)對(duì)教師而言，將理論知識(shí)融入該系統(tǒng)的研究，獲得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，豐富了課堂教學(xué)的應(yīng)用案例，教學(xué)水平會(huì)有新的提高。

5. 結(jié)語(yǔ)

基于Virtools的某汽車(chē)企業(yè)虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)能讓培訓(xùn)客戶觀察三維的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，然后產(chǎn)生動(dòng)作響應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)維修培訓(xùn)環(huán)境的逼真效果，減少實(shí)際設(shè)備使用時(shí)產(chǎn)生的一些器材報(bào)廢或經(jīng)濟(jì)損失，體現(xiàn)出桌面式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)越性。通過(guò)系統(tǒng)中交互模塊的設(shè)定，使客戶接受培訓(xùn)時(shí)全身心地投入到計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的發(fā)動(dòng)機(jī)三維模擬裝配與維修環(huán)境中，從而使培訓(xùn)客戶產(chǎn)生實(shí)物維修裝配的感覺(jué)，也充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)三大特征：沉浸感，交互性和構(gòu)想性。

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