高端商用服務(wù)器VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李金子，楊 歐

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高端商用服務(wù)器VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李金子1，楊 歐2

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為核心技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與商用服務(wù)器的教學(xué)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的服務(wù)器拆裝實(shí)踐系統(tǒng)．該平臺(tái)是基于windows7操作系統(tǒng)的unity開發(fā)平臺(tái)，1∶1還原聯(lián)想高端商用服務(wù)器的教學(xué)平臺(tái)，系統(tǒng)包含機(jī)架式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器、塔式服務(wù)器3大模塊．每個(gè)模塊包含自動(dòng)拆裝、手動(dòng)拆裝、接口信息3個(gè)環(huán)節(jié)．系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)教學(xué)中大型服務(wù)器設(shè)備昂貴、不易拆裝、學(xué)生無法在課堂中進(jìn)行有效實(shí)訓(xùn)練習(xí)的難題．具有沉浸感、互動(dòng)性好、真實(shí)等特點(diǎn)．

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)；服務(wù)器拆裝；聯(lián)想服務(wù)器；htc vive

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，它既繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性3大特點(diǎn)，又有自身強(qiáng)烈的代入感，完全與現(xiàn)實(shí)世界隔離，不受真實(shí)事物的任何干擾．沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)將成為新一代人機(jī)交互平臺(tái)[1]．沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Immersive VR）是指利用高新技術(shù)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者對視覺、聽覺、觸覺等有關(guān)人類感官的模擬，讓參與者通過使用某種特殊裝置將自己“投射”到這一環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，自然地實(shí)現(xiàn)對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)、與其產(chǎn)生互動(dòng)行為[2]．

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，掌握大型商用服務(wù)器的結(jié)構(gòu)與拆裝已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)維護(hù)人員的必備技能．我校自主研發(fā)的高端商用服務(wù)器VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（后文簡稱系統(tǒng)），采用虛擬代替復(fù)雜實(shí)物的輔助教學(xué)方法，解決傳統(tǒng)教學(xué)中，大型服務(wù)器設(shè)備昂貴、不易拆裝、學(xué)生無法在課堂中進(jìn)行有效實(shí)訓(xùn)練習(xí)的難題．

1 虛擬服務(wù)器拆裝實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)整體架構(gòu)

《微機(jī)組裝與維護(hù)實(shí)訓(xùn)》是為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)技能課．該課程培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生具備計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工程師的基本技能．因?yàn)榉?wù)器價(jià)格昂貴，學(xué)生拆裝成本高，服務(wù)器的結(jié)構(gòu)和接口等教學(xué)一直停留在看圖片、網(wǎng)上資源教學(xué)階段．

開發(fā)VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，一是可以建立逼真的三維互動(dòng)模型，通過高清顯示設(shè)備系統(tǒng)呈現(xiàn)出來，給予學(xué)生身臨其境的感覺，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力；二是系統(tǒng)支持多人（可滿足40~60人）同時(shí)在現(xiàn)場學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)教育限制，提高教學(xué)效率．

該平臺(tái)是基于windows7操作系統(tǒng)的unity開發(fā)平臺(tái)，1∶1還原聯(lián)想高端商用服務(wù)器的教學(xué)平臺(tái)，可以模擬機(jī)房管理場景，服務(wù)器拆解、安裝和故障檢測實(shí)訓(xùn)．該系統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境模擬企業(yè)服務(wù)器機(jī)房的真實(shí)場景．教學(xué)內(nèi)容包含3個(gè)模塊：機(jī)架式服務(wù)器、塔式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器．每個(gè)模塊包含自動(dòng)拆裝、手動(dòng)拆裝、接口信息3個(gè)環(huán)節(jié)．自動(dòng)拆裝模塊，為用戶播放演示聯(lián)想服務(wù)器的組裝過程，提供生動(dòng)，逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境．手動(dòng)拆裝模塊，使用戶通過手柄，在虛擬環(huán)境里根據(jù)黑板操作提示信息，對服務(wù)器進(jìn)行組裝．這種人機(jī)交互的沉浸式體驗(yàn)大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．同時(shí)把學(xué)生的操作內(nèi)容直接與3D系統(tǒng)相連接，沒有操作的同學(xué)可以戴上3D眼鏡，讓自己置身在這個(gè)場景當(dāng)中，來觀看操作同學(xué)的流程以及步驟是否正確，為自己操作時(shí)提供一個(gè)參考依據(jù)．系統(tǒng)流程圖如圖1所示，整體架構(gòu)如圖2所示．

圖2 整體框架圖

2 虛擬服務(wù)器拆裝實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟

本系統(tǒng)基于Maya和Unity等建模軟件，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器配件的三維建模、三維場景渲染、三維模型的實(shí)時(shí)編輯、虛擬服務(wù)器組裝的仿真演示以及服務(wù)器組裝等功能，設(shè)計(jì)過程框圖如圖3所示．

1）通過對場景或者實(shí)物的測量、照片拍攝，取得尺寸和顏色數(shù)據(jù)，然后在windows（win7及以上）的電腦系統(tǒng)平臺(tái)上，通過Autodesk Maya或Autodesk 3ds MAX進(jìn)行模型構(gòu)建、真實(shí)貼圖等工作．Autodesk Maya 和Autodesk 3ds MAX需要10年以后的版本．目前，市面上主流建模軟件為3ds Max以及Maya，兩者都是非常強(qiáng)大的3D軟件．鑒于服務(wù)器拆解設(shè)計(jì)到動(dòng)畫特效，Maya軟件建模更加符合該系統(tǒng)軟件實(shí)際開發(fā)需求．Maya軟件在渲染特效上比Max軟件做得出色；單體零件建模，Maya軟件能夠做得比Max精細(xì)．

2）VR軟件開發(fā)中，國際主流軟件是Unity和Unreal．在國內(nèi)，VR軟件的主流開發(fā)軟件是Unity．Unity是模塊化更成熟，Unreal是畫面更優(yōu)．應(yīng)用Unreal開發(fā)軟件，要求高預(yù)算、高技術(shù)以及長時(shí)間研發(fā)，Unreal更適合對畫面要求極高VR游戲應(yīng)用開發(fā)；而應(yīng)用Unity開發(fā)軟件，在技術(shù)上架構(gòu)比較開放、靈活，沒有固化、預(yù)設(shè)太多的流程，使項(xiàng)目的開發(fā)有較多的可能性．符合校方對專業(yè)教學(xué)的調(diào)整以及升級．從實(shí)際開發(fā)成本、開發(fā)時(shí)間、開發(fā)效果以及二次開發(fā)需求上，都更符合該系統(tǒng)項(xiàng)目的研發(fā)．從Autodesk Maya里導(dǎo)出OBJ格式模型，放入U(xiǎn)nity 3D里面，進(jìn)行光源修整位置擺放、大小調(diào)整等工作，如圖4所示．

3）在Untiy 3D里，通過C#語言進(jìn)行邏輯梳理，制作3D動(dòng)畫、建立VR交互、菜單、文字和語音編輯等工作．從Untiy 3D平臺(tái)輸出成為VR軟件，打包成EXE格式的文件便于系統(tǒng)識別和加載．然后通過HTC Vive的激光定位器和Steam VR軟件的協(xié)作，設(shè)定房間大小，定位模型映射區(qū)域．最后在Unity 3D平臺(tái)，通過C#語言的代碼實(shí)現(xiàn)物體的碰撞體積、運(yùn)動(dòng)力學(xué)軌跡、碰撞檢測等功能，如圖5所示．

4）HTC vive虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，單眼分辨率：1200×1080；刷新率最高90 Hz；4.5m×4.5m位置追蹤．兩手分別操作VR控制器，每個(gè)控制器在虛擬空間可被追蹤定位；32個(gè)頭戴式感應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)360度移動(dòng)追蹤；具備自然導(dǎo)航、無縫互動(dòng)、游戲體驗(yàn)，支持房間尺度或坐姿、站姿兩種方式；可以模擬各種交互和活動(dòng)；包含數(shù)據(jù)頭盔1個(gè)，手持VR控制器2個(gè)，紅外位置追蹤器2臺(tái)．

圖3 設(shè)計(jì)過程框圖

圖4 三維模型1

圖5 碰撞測試

3 教學(xué)應(yīng)用

通過示范和觀摩，及教師講解操作要點(diǎn)后，進(jìn)入實(shí)訓(xùn)操作環(huán)節(jié)．采用分組實(shí)操，相互評價(jià)．學(xué)生以3人為1個(gè)小組進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，其中一人沉浸在虛擬的機(jī)房環(huán)境中，完成服務(wù)器拆裝實(shí)訓(xùn)（圖 6）．其他兩人通過佩戴3D眼鏡，在大屏幕實(shí)時(shí)投影中觀看操作場景，進(jìn)行輔助．學(xué)生在模擬拆卸與組裝的過程中，可以清晰看到整個(gè)服務(wù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及所有的接口類型．通過虛擬拆裝，利用系統(tǒng)中的步驟提示，使學(xué)生完整規(guī)范地對服務(wù)器進(jìn)行拆裝．

通過課前、課后的學(xué)習(xí)平臺(tái)在線打分，課堂中即時(shí)打分的多元化考核手段（圖7），實(shí)現(xiàn)全過程的監(jiān)督考核．并對各個(gè)考核環(huán)節(jié)成績按不同權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)教學(xué)提供依據(jù)．

實(shí)踐證明，相對與傳統(tǒng)教學(xué)，高端商用服務(wù)器VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)輔助教學(xué)，使教學(xué)有趣、形象．教學(xué)手段的提升，課前通過任務(wù)布置，預(yù)習(xí)，測驗(yàn)等，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力．課中通過小組合作學(xué)習(xí)法，利用圖片、視頻、VR仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率．課后通過考核測驗(yàn)，課后拓展學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的自主探索和訓(xùn)練能力．

圖6 分組實(shí)操

圖7 考核規(guī)則

[1] 韋艷嬌．沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)課堂設(shè)計(jì)方案研究[D]．上海：上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，2017．

[2] 虛擬現(xiàn)實(shí)，換個(gè)方式感知世界[N]．海南日報(bào)，2015-08-12（A04）．

[3] 孟慶峰，尚艷亮，馬祥旺．虛擬現(xiàn)實(shí)與傳統(tǒng)教學(xué)整合的教學(xué)方法研究[J]．教育與職業(yè)，2010（24）：149．

Design and Application of High-end Commercial Server VR Teaching Training System

LI Jinzi1,YANG Ou2

（School of Computer Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Using virtual reality as the core technology and combining it with the teaching of commercial server, the overall structure of server disassembly and assembly system based on immersive virtual reality is proposed. The platform is based on the windows7 operating system unity development platform, restoring Lenovo high-end commercial server teaching platform with a ratio of 1:1. The system includes three major modules: rack server, blade server and tower server. Each module contains three links: automatic disassembly, manual disassembly, and interface information. The system solves the problems in traditional teaching where large-scale server equipment is too expensive and difficult for students to disassemble, and effectively practice training in the classroom. This system is characterized as being immersive, interactive, and real.

immersive virtual reality; server disassembly; Lenovo server; htc vive

10.13899/j.cnki.szptxb.2018.05.004

2018-03-30

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息化教學(xué)類課程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：9003/04180365）

李金子（1978-），女，吉林長春人，講師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)．

G712; TP391.9

A

1672-0318（2018）05-0025-05