虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 旸， 陳浩政， 高良田， 郭春雨， 袁利毫， 喬 岳

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 哈爾濱 150001; 2.中國(guó)艦船研究院, 北京 100000)

0 引 言

船舶制造是集水、電、氣、重型機(jī)械裝配一體作業(yè)的高危行業(yè)，在校園內(nèi)很難完成這樣的大型裝備類專業(yè)實(shí)驗(yàn)，以往主要依靠校企聯(lián)合培養(yǎng)模式。受到船廠施工作業(yè)的限制，學(xué)生在船廠學(xué)習(xí)的時(shí)間有限、參觀內(nèi)容有限，另外船廠能提供的師資力量有限、不能共享學(xué)習(xí)資源，且實(shí)驗(yàn)資金耗費(fèi)較大。

虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)是為學(xué)生建立開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生通過 “互聯(lián)網(wǎng)”[1]實(shí)現(xiàn)虛擬船廠、船舶實(shí)驗(yàn)資源的完全共享，在三維場(chǎng)景中自由體驗(yàn)和探索，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，并且學(xué)生能夠自行檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，可完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的最大化共享[2-3]。虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為課堂教學(xué)和船廠實(shí)地實(shí)驗(yàn)的輔助和補(bǔ)充資源，虛實(shí)結(jié)合[4]，提供一種有危險(xiǎn)性的大型裝備實(shí)驗(yàn)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核模式[5]，同時(shí)，讓學(xué)生掌握時(shí)代發(fā)展新生的學(xué)習(xí)工具和學(xué)習(xí)模式，給予他們更多獲取知識(shí)的渠道和能力。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)是目前國(guó)內(nèi)外科技界關(guān)注的一大熱點(diǎn)[6]，VR技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)構(gòu)造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)[7]。VR技術(shù)一直受到質(zhì)量與速度的瓶頸限制，導(dǎo)致基于公共網(wǎng)絡(luò)的真三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用受限[8]。本文建立的虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用多細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail,LOD)、分層調(diào)用、烘焙等技術(shù)，一是將虛擬場(chǎng)景均衡建模，確保擁有高質(zhì)量畫面效果的前提下模型文件最??；二是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型文件網(wǎng)絡(luò)智能加載，確保系統(tǒng)流暢運(yùn)行[9]。同時(shí)利用各種VR設(shè)備實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景的全沉浸式體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的功能要求和效果。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

虛擬船廠船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

(1) 首先采用3DMax創(chuàng)建虛擬船廠和船舶的三維模型，將需要進(jìn)行人機(jī)交互的結(jié)構(gòu)分離成獨(dú)立的模型。

(2) 利用Photo Shop處理好所有模型的材質(zhì)貼圖，并完成貼圖工作。

(3) 將模型保存為.FBX格式文件并導(dǎo)入到Unity3D中，在Unity3D場(chǎng)景中添加攝像機(jī)和燈光，設(shè)置碰撞檢測(cè)面，同時(shí)進(jìn)行渲染烘焙生成最終的紋理貼圖。

(4) 應(yīng)用GUI組件在主界面上顯示導(dǎo)航圖，以第一人稱和高空視角編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漫游。應(yīng)用Visual Studio C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的教學(xué)、考核和交互功能。

(5) 通過Unity3D的跨平臺(tái)功能將其發(fā)布為網(wǎng)頁(yè)版，使虛擬船廠和船舶仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)使用。

(6) 基于高端虛擬設(shè)備HTC Pro頭盔和Omni跑步機(jī)編寫接口程序，開發(fā)全沉浸虛擬交互系統(tǒng)，并應(yīng)用虛實(shí)融合設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的可觀察性。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1) 參考原型選擇。綜合國(guó)內(nèi)幾大設(shè)備與工藝一流的大型船舶制造企業(yè)，配合船舶與海洋工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，將其布局方案、建造流程與工藝按照材料碼頭—鋼料堆場(chǎng)—鋼料預(yù)處理—鋼料加工—平、曲分段建造—舾裝集配—噴涂—總組—進(jìn)塢—下水—碼頭舾裝這一建造流程來設(shè)計(jì)[10]，再配以辦公區(qū)、生活區(qū)和相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施，形成一座功能齊全的現(xiàn)代化船舶制造企業(yè)，各類場(chǎng)景、設(shè)備按照1∶1設(shè)計(jì)制作。

散貨船是我國(guó)三大運(yùn)輸船舶類型之一，同時(shí)也是船舶工程專業(yè)本科生教學(xué)常用船型[11]，具有典型性?？紤]到專業(yè)課程學(xué)習(xí)對(duì)整船感受較少，虛仿軟件容易配合，尤其船舶是各類機(jī)電設(shè)備和可燃物品密集型產(chǎn)品，易燃、易爆，船廠實(shí)習(xí)不易參觀，因此將虛擬船舶學(xué)習(xí)內(nèi)容放在船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件、甲板設(shè)備與布置、消防救生設(shè)備布置、國(guó)際海事組織(IMO)安全標(biāo)志、上建艙室布置標(biāo)準(zhǔn)等方面。系統(tǒng)以57 000 t巴拿馬型散貨船作為母型船，該船長(zhǎng)190 m，寬32 m，主甲板高17.85 m，1∶1建立虛擬場(chǎng)景。

(2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。造船廠是大型復(fù)雜制造企業(yè)，船舶是結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備眾多的大型工業(yè)產(chǎn)品，因此開發(fā)虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的虛擬操作系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要兼顧環(huán)境仿真、操作仿真以及虛擬設(shè)備交互仿真等環(huán)節(jié)，應(yīng)用Unity3D和Visual Studio C#軟件搭建系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要分為5個(gè)部分：虛擬船廠、虛擬船舶、教學(xué)與考核系統(tǒng)、場(chǎng)景仿真和漫游系統(tǒng)、虛擬交互系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)需構(gòu)建的資源如圖3所示。圖4為建設(shè)完成的部分虛擬船廠、船舶場(chǎng)景。

(3) 教學(xué)與考核功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用語(yǔ)音教學(xué)和圖文教學(xué)等方式配合虛擬場(chǎng)景的認(rèn)知和學(xué)習(xí)。系統(tǒng)語(yǔ)音教學(xué)采用兩種方式：一是碰撞觸發(fā)語(yǔ)音，考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的沉浸感，設(shè)置了語(yǔ)音碰撞檢索開關(guān)，當(dāng)漫游到開關(guān)邊界時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開語(yǔ)音教學(xué)開關(guān)，這種方式適合在較開闊空間使用，不會(huì)造成觸發(fā)誤判。二是在車間內(nèi)部和艙室設(shè)備較密集處，采用點(diǎn)擊觸發(fā)語(yǔ)音，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊語(yǔ)音教學(xué)按鈕開啟語(yǔ)音教學(xué)內(nèi)容，如圖5(a)所示。圖文教學(xué)方式主要是點(diǎn)擊按鈕、設(shè)備、標(biāo)志時(shí)彈出學(xué)習(xí)對(duì)話框，如圖5(c)所示為手動(dòng)報(bào)警器的學(xué)習(xí)界面。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)建設(shè)資源匯總

(a) 鳥瞰船廠

(b) 廠區(qū)和車間內(nèi)景

(c) 虛擬船舶

(d) 設(shè)備、艙室與結(jié)構(gòu)

為了學(xué)生能夠方便評(píng)價(jià)自身的學(xué)習(xí)效果，系統(tǒng)內(nèi)置了100道與場(chǎng)景配合的考題，以第1次答題累積分?jǐn)?shù)，評(píng)分在系統(tǒng)左上角實(shí)時(shí)更新，如圖5(d)所示。如果回答錯(cuò)誤，在試題下方顯示正確答案，如圖5(b)所示。

(a) 語(yǔ)音教學(xué)

(b) 答題系統(tǒng)

(c) 圖文教學(xué)

(d) 考核系統(tǒng)

虛擬船廠、船舶交互仿真系統(tǒng)系統(tǒng)分為學(xué)生端和教師端。學(xué)生端具有登陸、教學(xué)、導(dǎo)航、安全教育和參觀裝備選擇等系統(tǒng)功能和模塊，教師端主要進(jìn)行學(xué)生用戶和考核成績(jī)的管理。

(4) 用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)。為增強(qiáng)漫游時(shí)的真實(shí)感體驗(yàn)，基于Unity3D開發(fā)虛擬船廠、船舶仿真系統(tǒng)的第一人稱視角漫游功能，見圖4(b)，當(dāng)學(xué)生在操作仿真系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)自身的需求控制漫游方向和視角，以及跑、跳、登高、跳轉(zhuǎn)等動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的鍵盤、鼠標(biāo)和虛擬手柄功能鍵見表1。由于虛擬船廠占地遼闊，車間、場(chǎng)地眾多，制造流程復(fù)雜，同時(shí)開發(fā)了鳥瞰高空視角，見圖4(a)。啟動(dòng)后系統(tǒng)帶領(lǐng)用戶按造船流程完成高空漫游體驗(yàn)。系統(tǒng)與外界交互采用了多種方式，即可使用鼠標(biāo)、鍵盤通過普通電腦鏈入互聯(lián)網(wǎng)操作，也可使用虛擬頭盔、手柄、跑步機(jī)等虛擬外設(shè)完全“沉浸”在虛擬系統(tǒng)中，獲得更逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

表1 功能鍵對(duì)照表

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Unity3D渲染優(yōu)化方法

渲染優(yōu)化方法是為了控制在最終渲染時(shí)，每幀畫面繪制的多邊形數(shù)目，以保證模型的實(shí)時(shí)顯示能夠順暢進(jìn)行，本系統(tǒng)采用的是 LOD[12]技術(shù)。LOD是指使用若干細(xì)節(jié)層次不同的模型來表示場(chǎng)景中同一個(gè)對(duì)象，通過對(duì)象與攝像機(jī)的距離遠(yuǎn)近，來決定對(duì)象顯示的細(xì)節(jié)多少，在透視攝像機(jī)下，距離攝像機(jī)越遠(yuǎn)，實(shí)際顯示的大小越小，所以選用合理的低細(xì)節(jié)層次模型，既能保證使用者看不出明顯的顯示效果損失，也能使渲染系統(tǒng)的負(fù)載大幅度降低。優(yōu)化過程如下：

(1) 應(yīng)用模型輕量化軟件，將不同格式的資源模型處理成高、中、低3種復(fù)雜程度的.FBX模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行測(cè)試，滿意后保存。

(2) 建立一個(gè)空的Game Object，為其添加LOD屬性。在LOD Group設(shè)置里面按照模型的層級(jí)添加模型，一個(gè)物體的所有層級(jí)模型添加在一個(gè)Game Object下。

(3) 根據(jù)相機(jī)的預(yù)覽調(diào)節(jié)LOD Group的LOD效果，即確認(rèn)高、中、低3種層級(jí)模型轉(zhuǎn)換的距離，滿意后保存。

3.2 分層調(diào)用技術(shù)

當(dāng)需要進(jìn)入某個(gè)艙室或場(chǎng)景學(xué)習(xí)時(shí)再調(diào)用相應(yīng)的模型，例如當(dāng)使用者在船舶主甲板漫游時(shí)，上層建筑和船體內(nèi)部的三維模型不必調(diào)用。因此可將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)調(diào)用層次和調(diào)用區(qū)域，根據(jù)用戶的需求智能加載。這樣可以將虛擬船廠和船舶仿真系統(tǒng)拆分，化整為零，避免CPU一次性加載的模型量過大，減少系統(tǒng)運(yùn)行等待時(shí)間，提升使用體驗(yàn)。

3.3 烘焙貼圖技術(shù)

將完成材質(zhì)貼圖的三維模型在3DMax中添加光源效果處理，三維模型會(huì)對(duì)光產(chǎn)生反射，通過渲染，三維模型會(huì)產(chǎn)生陰影、倒影，增加了三維模型的真實(shí)度。若想保留這種特效可以選擇兩種方式，一種是直接加光照信息賦予三維模型，即烘培貼圖技術(shù)(Render To Textures)。另外一種在漫游程序中添加光源設(shè)定程序。使用烘培貼圖技術(shù)將光照信息賦予貼圖之上，使光照信息變成了貼圖的一部分，不需要CPU計(jì)算，這種光照貼圖使用上與普通貼圖沒有區(qū)別，運(yùn)行加載速度非?？?。這種方法去除了編譯程序時(shí)復(fù)雜的光能傳遞計(jì)算，消除了加載復(fù)雜光能傳遞使漫游效果的不穩(wěn)定性，有利于網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真軟件提高運(yùn)行效率。烘培貼圖過程如下：

(1) 設(shè)置照明、反射、透明度等參數(shù)到滿意為止，渲染出圖；

(2) 選擇Render To Textures選項(xiàng)，進(jìn)入烘培貼圖的窗口，在Output Path選項(xiàng)中設(shè)置烘培貼圖保存路徑；

(3) 選擇要處理的模型，單擊Add，選擇CompleteMap，此選項(xiàng)包含其他選項(xiàng)所有的設(shè)置特點(diǎn)，稱為完整烘培。在該界面下單擊Render To Textures窗口渲染，得到光照條件下的烘培貼圖，烘培貼圖會(huì)自動(dòng)貼回模型上。如圖6所示，為虛擬船娛樂室沙發(fā)的烘焙貼圖效果。

(a) 娛樂室沙發(fā)烘焙貼圖效果

(b) 烘焙貼圖

3.4 用戶批量導(dǎo)入技術(shù)

為方便系統(tǒng)對(duì)用戶的管理，設(shè)定只有管理員錄入的用戶才可以登錄本系統(tǒng)。當(dāng)用戶數(shù)量眾多時(shí)，單個(gè)錄入效率較低，因此系統(tǒng)開發(fā)了用戶批量導(dǎo)入的外掛程序。如圖7所示，打開批量導(dǎo)入對(duì)話框，找到用戶賬號(hào)的文件，設(shè)置用戶初始密碼，彈出導(dǎo)入成功提示界面，即可將用戶賬號(hào)批量導(dǎo)入到賬戶系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖7 批量導(dǎo)入用戶界面

3.5 全沉浸VR技術(shù)

系統(tǒng)選用高端虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備HTC Pro和Omni跑步機(jī)等可穿戴設(shè)備，開發(fā)全沉浸虛擬交互模塊。HTC Pro采用激光掃描定位，定位器采用Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)，依靠激光和光敏傳感器來確定頭戴顯示器和控制器的位置，可在6 m2內(nèi)自由移動(dòng)，精度可達(dá)1.94 mm。畫面組合后分辨率可達(dá)2 880×1 600 PPI，刷新頻率為90 Hz，視場(chǎng)角為110°，數(shù)據(jù)顯示延遲為22 ms，不易產(chǎn)生虛擬病。

Light house技術(shù)的原理[13]是定位器通過內(nèi)嵌的紅外發(fā)光二極管陣列對(duì)外閃爍，通知操控手柄及頭戴式顯示設(shè)備開始新一輪的掃描周期并保持同步狀態(tài)，然后通過內(nèi)嵌的直流電動(dòng)機(jī)輪流帶動(dòng)鐳射激光發(fā)生器生成一個(gè)面型的激光欄，激光欄先是橫掃過設(shè)定區(qū)域內(nèi)的操控手柄及頭戴式顯示設(shè)備，得到x軸的角度值及其到達(dá)時(shí)間，然后激光欄豎向掃描設(shè)定區(qū)域內(nèi)的操控手柄及頭戴式顯示設(shè)備，得到y(tǒng)軸角度值及其到達(dá)時(shí)間，最后根據(jù)這些參數(shù)，計(jì)算出操控手柄與頭戴式顯示設(shè)備在設(shè)定空間內(nèi)的位置。

Steam VR Plugin是基于Open VR開發(fā)的針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備應(yīng)用的Unity3D通用API插件。通過Unity Asset Store獲取API插件，對(duì)VR頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)行控制與管理，實(shí)現(xiàn)與Unity3D場(chǎng)景的各種交互功能(見圖8(a)、(b))。手柄控制器功能設(shè)置部分程序如下：

using System.Collections；

using System.Collections.Generic；

using UnityEngine；

public class HTCControllerLeft : MonoBehaviour

{SteamVR_TrackedObject trackedObject；

public float TranslateSpeed = 1f；

public float RotationSpeed = 10f；

private void Awake()

{trackedObject=GetComponent( )；}

void Start( )

{ }

void Update( )

{var device = SteamVR_Controller.Input((int)trackedObject.index)；

if (device.GetTouch(SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger))

{Debug.Log("按了“trigger”“扳機(jī)鍵”")；}

if (device.GetTouchDown(SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger))

{Debug.Log("按下了“trigger”“扳機(jī)鍵”")；}

if (device.GetTouchUp(SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger))

{Debug.Log("松開了 “trigger” “扳機(jī)鍵”")；}}

(a) VR開發(fā)設(shè)備

(b) 頭盔中顯示的虛擬跳轉(zhuǎn)功能

(c) 手柄控制器功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用Omni針對(duì)Unity3D開發(fā)的專用插件資源包OmniSDKUnity開發(fā)虛擬跑步機(jī)應(yīng)用程序。OmniSDKUnity包含用于喚醒、控制及訪問Omni外部設(shè)備的API及接口，一個(gè)角色控制器預(yù)制件，一個(gè)示例場(chǎng)景和少量的UI、材質(zhì)等可用資源，可實(shí)現(xiàn)虛擬世界中無限范圍的自由行走、跑步等高沉浸度的體驗(yàn)(見圖8(a))，其開發(fā)流程圖如圖9所示。

3.6 虛實(shí)融合技術(shù)

為教師能實(shí)時(shí)觀察和指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，通?？刹扇深惙椒?。一類是為實(shí)驗(yàn)者創(chuàng)建虛擬人?；蛱摂M手模，將實(shí)驗(yàn)者動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉到虛擬人或虛擬手上[14]。前者需要購(gòu)置全身慣性動(dòng)作捕捉設(shè)備(服)，

圖9 Omni跑步機(jī)開發(fā)流程圖

一般只針對(duì)部分有特殊需求的專業(yè)。后者僅展示手部的虛擬操作，一般對(duì)手部動(dòng)作要求較高的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常采用。以上方式系統(tǒng)開發(fā)成本較高，系統(tǒng)研發(fā)周期較長(zhǎng)。另一類是通過一定的算法和調(diào)試，使用虛實(shí)融合設(shè)備將實(shí)驗(yàn)者人像與虛擬場(chǎng)景融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)疊加效果，這類方法制作成本較低，更有利于教師評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和效果。

本系統(tǒng)使用藍(lán)屏法[15]解決現(xiàn)實(shí)環(huán)境前后背景分離問題。圖像前后背景合成公式為：

Co=Cf+(1-αf)Ck

(1)

式中:Cf為前景色;Ck為背景色;Co為合成圖像，αf為f點(diǎn)處的透明度值。當(dāng)背景色Ck為單色時(shí)，Ck接近常數(shù)，通過錄像設(shè)備實(shí)時(shí)捕捉場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)畫面的前、背景色，將數(shù)字信號(hào)輸入到摳像機(jī)中，通過調(diào)節(jié)式(1)中αf值去除背景色，從而獲得人像畫面，再與虛擬系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)字信號(hào)疊加起來，通過終端顯示設(shè)備呈現(xiàn)出來，如圖10所示。

(a) 現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

(b) 虛擬疊加效果

為提高虛實(shí)疊加的準(zhǔn)確程度，需要調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)者身高與虛擬環(huán)境比例一致。一個(gè)簡(jiǎn)單的做法是在虛擬環(huán)境中建立人體身高標(biāo)尺(見圖10(b))，該標(biāo)尺與虛擬景物比例一致。固定攝像機(jī)，將人像投攝到虛擬環(huán)境中，調(diào)節(jié)焦距將實(shí)驗(yàn)者身高調(diào)整到虛擬標(biāo)尺中相應(yīng)的身高處即可。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要配合船舶設(shè)計(jì)原理、計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)與制造、船舶設(shè)備與舾裝、船廠實(shí)習(xí)等課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。在課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，配合模型教具的應(yīng)用。如圖11所示，為配合本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各類實(shí)驗(yàn)教具，包括船廠布局組合模型、分段裝配模型、總段裝配模型、船體結(jié)構(gòu)剖視模型等。其中船體結(jié)構(gòu)剖視模型按實(shí)船1∶200縱剖打印，長(zhǎng)1.54 m，分艏、舯、艉3段結(jié)構(gòu)，船體各部位板架結(jié)構(gòu)清晰可見。實(shí)驗(yàn)課成績(jī)既考慮虛擬系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)分成績(jī)，也包括操作過程評(píng)分、模型裝配和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)。在虛擬仿真教學(xué)的基礎(chǔ)上，盡可能地讓學(xué)生接觸實(shí)際，充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、互相補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則[16]。

圖11 分段裝配、船廠布局和船模教具

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的基于Unity 3D和 Visual Studio C#開發(fā)的虛擬船廠、船舶交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將VR技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)教學(xué)方法引入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，組建了學(xué)習(xí)、漫游、考評(píng)一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為師生創(chuàng)建了可完全共享的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，彌補(bǔ)了教學(xué)手段缺乏改革創(chuàng)新、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高[17]、優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源匱乏等問題。

隨著三維建模技術(shù)和VR技術(shù)的不斷發(fā)展，VR軟件的沉浸感、交互性和構(gòu)想性將會(huì)更加精美，未來將不斷升級(jí)和完善虛擬船廠的細(xì)節(jié)功能、開發(fā)其他類型船舶的實(shí)驗(yàn)和考評(píng)系統(tǒng)，在相應(yīng)課程中積極應(yīng)用輔助教學(xué)活動(dòng)。