基于頭戴式設(shè)備VR技術(shù)的虛擬輪機(jī)模擬器的實踐

楊林 蔡宗霖 李昌杏

摘? 要：以WMS-2004輪機(jī)模擬訓(xùn)練器為藍(lán)本，旨在建立一個三維仿真環(huán)境漫游系統(tǒng)。淺述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，并介紹了虛擬實驗室的構(gòu)建方式，主要側(cè)重于控制面板的構(gòu)建以及虛擬實驗室的構(gòu)建，為學(xué)生提供全新的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：漫游系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬實驗室

中圖分類號：U676.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0152-03

Abstract： Based on the WMS-2004 marine engine simulator， this paper aims to establish a three-dimensional simulation environment roaming system. This paper briefly describes the related contents of virtual reality technology， and introduces the construction mode of virtual laboratory， which mainly focuses on the construction of control panel and virtual laboratory， so as to provide students with a new way of learning and help students achieve their learning goals.

Keywords： roaming system; virtual reality technology; virtual laboratory

前言

隨著仿真技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐步進(jìn)入正軌，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。憑借著虛擬現(xiàn)實技術(shù)，用戶可以沉浸在計算機(jī)模擬的環(huán)境之中，并通過傳感設(shè)備來對用戶的輸入作出實時響應(yīng)來完成交互，包括人具備的所有感知。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于航天、軍事、商業(yè)、醫(yī)療、教育等方面。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬國產(chǎn)輪機(jī)模擬器WMS-2004，學(xué)生可以通過頭戴式設(shè)備沉浸在三維仿真環(huán)境之中進(jìn)行輪機(jī)設(shè)備的操作、系統(tǒng)監(jiān)控、值班和故障排除及分析等30多項技能培訓(xùn)。符合我國海事局內(nèi)河和海船船員評估綱要的要求。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)需求分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借其真實生動的技術(shù)優(yōu)勢，使得該項技術(shù)在實踐教學(xué)方面可以充分發(fā)揮技術(shù)特點及重要的作用，尤其是根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)出的HTC頭戴式VR應(yīng)用與傳統(tǒng)的媒體教學(xué)相比，有著無可比擬的優(yōu)越性。模擬器的學(xué)習(xí)由于學(xué)員人數(shù)較多，而學(xué)校內(nèi)只有一臺模擬器設(shè)備，在模擬操作的時候只能分組進(jìn)行，很大程度上減少了每個學(xué)員動手操作的機(jī)會。由于受到培訓(xùn)時間、培訓(xùn)設(shè)備、培訓(xùn)場地、培訓(xùn)老師等因素的制約，學(xué)生的學(xué)習(xí)往往達(dá)不到實驗教學(xué)目標(biāo)的要求。

而基于虛擬現(xiàn)實的輪機(jī)模擬器的HTC頭戴式VR應(yīng)用，沉浸感較強(qiáng)且通過與實景一致的3D環(huán)境漫游獲得對實驗環(huán)境的感性認(rèn)識，增強(qiáng)了真實感，可以極大的增加學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，也可以有效的幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.2 系統(tǒng)功能

基于頭戴式設(shè)備VR技術(shù)的虛擬輪機(jī)模擬器在使用中，擺脫場地與時間約束，僅需用手柄在VR設(shè)備上即可實現(xiàn)漫游和交互操作，并可以選擇相應(yīng)的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，系統(tǒng)功能框架如圖1。

（1）自動漫游模式：此模式主要演示虛擬實驗室的環(huán)境和各系統(tǒng)布置，讓學(xué)生了解輪機(jī)模擬器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）手動交互模式：此模式主要用于學(xué)生對各電屏的邏輯操作，以及操作后的復(fù)原，學(xué)生學(xué)習(xí)主要依靠此模式來進(jìn)行。

1.3 開發(fā)框架

基于頭戴式設(shè)備VR技術(shù)的虛擬輪機(jī)模擬器的核心在于可以通過頭戴式設(shè)備實現(xiàn)漫游與交互。系統(tǒng)將虛擬實驗室導(dǎo)入頭戴式設(shè)備中，然后學(xué)生通過手柄進(jìn)行漫游與交互操作。

在眾多的模型制作軟件里，我們選擇操作較為熟練的3DsMax和Unity3D。我們先利用3DsMax進(jìn)行模型的制作，將電屏模型化。并通過Unity3D引擎，用C#編程和PlayMaker插件賦予腳本編寫，實現(xiàn)邏輯控制和演示過程，最終導(dǎo)入HTC頭戴式設(shè)備。

2 虛擬實驗室交互設(shè)計制作流程

VR實驗室漫游展示制作過程包括：首先確定需要展示實驗室的布局、大小和風(fēng)格;進(jìn)而開展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室漫游展示主體制作，建模、材質(zhì)處理（PS）、導(dǎo)入虛擬引擎、布置燈光、設(shè)置材質(zhì);而后對接HTC，最終完成測試。

2.1 模型搭建

項目設(shè)計的第一步，首先是用三維制作軟件構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。3D建模行業(yè)通用軟件有3DsMax、Maya、Sketchup等，本項目使用的建模工具是3DsMax。構(gòu)建三維模型是虛擬仿真的基本元素，在VR視覺中觀看到的任何物品、任何模型都是再現(xiàn)真實場景中的實物，這也是虛擬現(xiàn)實能給人一種身臨其境的關(guān)鍵因素。建模是構(gòu)建場景的基礎(chǔ)，在建模過程中最重要的一點是控制模型比例，同樣重要的還有模型的優(yōu)化，一個好的虛擬現(xiàn)實項目不僅要逼真，還要求運(yùn)行流暢，保證程序包不會占用太大的內(nèi)存，讓觀者得到良好的體驗。基本的優(yōu)化原則有：控制模型面數(shù)，部分次要的細(xì)節(jié)和紋理用貼圖、法線貼圖彌補(bǔ)，刪除不被顯示的面，盡量減少模型的點以達(dá)到優(yōu)化目的。

2.2 材質(zhì)處理（PS）

在大量實景照片的基礎(chǔ)上，利用PS技術(shù)對于貼圖材質(zhì)進(jìn)行色彩、形狀、大小調(diào)整，完成仿真處理。

2.3 導(dǎo)入Unity3D設(shè)置材質(zhì)、燈光

由于虛擬引擎無法讀取三維軟件中的材質(zhì)燈光信息，所以賦予材質(zhì)這一環(huán)節(jié)在虛擬引擎中實現(xiàn)。當(dāng)3D建模、貼圖完成后，導(dǎo)出成FBX格式（一種支持所有主要的三維數(shù)據(jù)元素以及二維、音頻和視頻媒體元素的通用文件格式），導(dǎo)入引擎。將模型導(dǎo)入引擎后，逐個賦予材質(zhì)，以達(dá)到最接近現(xiàn)實的物體外觀效果。最終，完成模型的制作。材質(zhì)搭配紋理貼圖，是再現(xiàn)客觀事物真實視覺的最有效手段，也是體現(xiàn)仿真感的另一重要環(huán)節(jié)。再利用C#編程語言對場景及模型的操作進(jìn)行編程，以期在HTC頭戴式設(shè)備中實現(xiàn)動作指令。

2.4 對接到HTC的頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備

將制作好的模型加場景對接進(jìn)HTC頭戴式設(shè)備，利用手柄對編程好的動作進(jìn)行操作測試。首先是構(gòu)建光影，也即渲染，引擎會將光影關(guān)系計算出來。再是，運(yùn)行項目，檢查是否存在某些物體沒有碰撞、模型之間是否存在交叉或是裂縫、燈光是否過曝或不足、手柄交互是否有誤等。確認(rèn)無誤后，打包導(dǎo)出成一個應(yīng)用程序包。此時，便可運(yùn)行程序包，戴上HTC頭戴式虛擬設(shè)備沉浸到虛擬環(huán)境中，并通過手柄移動到任意角落觀看場景。圖2為開發(fā)流程圖。

3 核心技術(shù)

3.1 模型建立及優(yōu)化

輪機(jī)模擬器實驗室的全部系統(tǒng)包括一塊大型Mimic仿真控制面板、機(jī)旁控制臺、集控室控制臺及電站系統(tǒng)的并電屏、啟動屏、負(fù)載屏等多個單元皆為具有明顯幾何形狀的操作設(shè)備，利用3DsMax三維建模軟件進(jìn)行良好的模型搭建，可以讓學(xué)員具有更好的沉浸感，對模擬器系統(tǒng)具有更加清晰的認(rèn)知。

但是完全1：1的模型，會使整個模型文件的過大，不利于計算機(jī)運(yùn)算。因此，為了既保證模擬器系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)，也保證模型的加載速度，我們采用了傳統(tǒng)三維建模和表面紋理烘焙相結(jié)合的方法，在初始建模成型之后，使用3DsMax軟件的Rendering to Texture模塊對表面紋理進(jìn)行渲染，并刪除不被顯示的面，這個烘焙功能模塊是通過貼圖來渲染模型的表面紋理，達(dá)到較為真實的效果，這樣做既保證了計算機(jī)運(yùn)算的速度，也保證了模擬器系統(tǒng)模型的真實感。

3.2 可視化編程

在Unity3D中，我們可以編程賦予設(shè)備部件特定的動作，但是部分模型的運(yùn)動規(guī)律較為復(fù)雜，單純用C#編程語言較為麻煩且不易實現(xiàn)，因此我們利用PlayMaker插件在Unity3D中實現(xiàn)旋鈕等零件的開關(guān)指令，例如，點擊模型上的旋鈕，旋鈕便實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作，點擊STOP開關(guān)，實現(xiàn)指示燈的明暗。很多動作行為只需要通過簡單狀態(tài)機(jī)FSM（Finite state machine）就能實現(xiàn)，免去了用編程語言的麻煩。此外，其用方便簡潔的圖表管理每個狀態(tài)機(jī)，還可以讓我們快速查看行為說明。設(shè)置的斷點和單步執(zhí)行狀態(tài)符合系統(tǒng)的指令操作。

3.3 基于Mono的開發(fā)腳本

早期使用C/C++編寫的引擎，都使用C/C++作為上層邏輯的開發(fā)。又有一些，采用了純腳本的模式。比如Python， LUA。腳本的好處在于更低的編碼成本。而C++經(jīng)常會帶來內(nèi)存和效率問題。它的使用成本，人員成本其實是高于其它語言的。

而我們使用Mono的橋接，使得高效的C++圖形引擎與帶GC的內(nèi)存安全語言進(jìn)行結(jié)合。不僅減少了安全隱患，也使得編寫跨平臺代碼時更加容易。Mono使腳本編程可以進(jìn)行DEBUG，而不單純的靠PRINT輸出。

4 案例演示

按照開發(fā)流程，我們將本系統(tǒng)安裝在HTC頭戴式VR設(shè)備上，在開始界面中，我們可以任選一個方向進(jìn)行虛擬漫游，本文以AIR SUPPLY SYSTEM控制面板為例，演示實驗室漫游過程。首先點擊開始界面。

當(dāng)拉近AIR SUPPLY SYSTEM控制面板后，用戶可以點擊RUNNING/STAR按鈕開始模擬空氣供應(yīng)，右側(cè)黃色指示燈亮，當(dāng)右側(cè)紅色報警燈亮?xí)r，點擊STOP按鈕可停止空氣供應(yīng)。除此之外，還可以點擊面板上的自動/手動旋鈕使旋鈕動作來切換操作模式。

拉遠(yuǎn)面板，可以看到整個虛擬實驗室的環(huán)境。

最后，我們讓多名同學(xué)進(jìn)行漫游體驗。整個運(yùn)行過程基本流暢，未出現(xiàn)卡頓以及停滯現(xiàn)象，同學(xué)們反應(yīng)良好。該漫游系統(tǒng)極大的增加學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，并且有效的提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，為學(xué)習(xí)過程增加了不少的樂趣，也有效的幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

5 結(jié)束語

我們結(jié)合了3DsMax的建模和Unity3D開發(fā)引擎，開發(fā)出虛擬現(xiàn)實的輪機(jī)模擬器頭戴式VR應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的訓(xùn)練培訓(xùn)的模式，擺脫了實驗設(shè)備少、設(shè)備老化、學(xué)習(xí)時間短等客觀因素的限制，也減少了實驗室模擬器的維修，我們還將不斷增加設(shè)備模型，讓模型類別覆蓋更加全面，讓虛擬現(xiàn)實沉浸感越來越強(qiáng)，基于虛擬現(xiàn)實的輪機(jī)模擬器頭戴式VR應(yīng)用對于推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)在場景漫游和教育培訓(xùn)方面有重要的研究意義。

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