虛擬現(xiàn)實在水下機器人教學(xué)展示中的應(yīng)用

李佳皓　刁宇翔　姜遷里　劉江移　宋大雷

摘? 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，其較高的沉浸感和真實的體驗感，可以使課程教學(xué)更具有實踐性和互動性。近些年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在海洋工程裝備等領(lǐng)域的虛擬仿真、展示功能不斷增強。中國海洋大學(xué)創(chuàng)新性地在水下機器人課程教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，起到了較好的效果。文章在探索性應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)改進水下機器人課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的效果，并進一步提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到海洋工程裝備展示、操作等的探討與思考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬仿真;水下機器人;海洋工程裝備

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0141-04

Abstract： As a new technology， virtual reality technology has a high sense of immersion and real experience， which can make the course teaching more practical and interactive. In recent years， the virtual simulation and display function of virtual reality technology in marine engineering equipment and other fields has been enhanced. Ocean University of China has creatively introduced virtual reality technology into the course teaching of underwater vehicle， which has played a good role. On the basis of exploring the application of virtual reality technology to improve the teaching of underwater vehicle， this paper summarizes the effect of the application of virtual reality technology. Furthermore， the discussion and thinking of the application of virtual reality technology to the display and operation of marine engineering equipment are put forward.

Keywords： virtual reality technology; virtual simulation; underwater vehicle; marine engineering equipment

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱“VR”）是一種通過計算機模擬，借助相關(guān)輸出的設(shè)備，仿真現(xiàn)實世界，起到虛擬仿真作用的一種新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以在輸出設(shè)備中還原現(xiàn)實世界，還可以起到人機交互的作用。隨著技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入了心理、教學(xué)、娛樂等多個領(lǐng)域。國外的虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步較早，在心理治療、教學(xué)、娛樂等虛擬仿真的領(lǐng)域早有廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)，早有學(xué)者提出用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)[2]。還有學(xué)者進行了一定的虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)實踐，降低了實驗的成本，提升了教學(xué)課堂的效果[3]。ROV（Remote Operated Vehicle），即水下無人遙控潛水器，亦即水下機器人，在海事、海關(guān)、海洋探測、漁業(yè)、救援、管線探測和海洋科學(xué)研究等各個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文針對各高校廣泛開設(shè)的ROV教學(xué)課程中引進虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐展開說明。各高校相關(guān)專業(yè)廣泛開展的ROV教學(xué)課程，借助傳統(tǒng)的ppt展示等方式不能起到很好的互動效果，進行ROV的真實實踐等教學(xué)方式又存在成本太高等問題。借助新興的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對水下機器人課程進行更好的展示，使學(xué)生身臨其境地體驗水下機器人的工作過程，真實的體驗水下機器人的裝配等過程，起到更好的教學(xué)實踐效果。中國海洋大學(xué)創(chuàng)新性地在ROV的教學(xué)課程中試驗性的引入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，起到了很好的教學(xué)及展示效果。

水下機器人的課程教學(xué)注重水下機器人下潛、工作、回收的過程以及各個結(jié)構(gòu)功能的講解。通常的ppt等方式的展示并不能使學(xué)生很好的感受水下機器人的工作過程，并且不能通過交互的方式使學(xué)生進行真實體驗并進行裝卸、細(xì)節(jié)的觀察等操作。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬能力，計算機仿真的水下機器人體驗?zāi)Ｐ涂梢院芎玫刈哌M課堂，成為展示水下機器人的重要途徑。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的高仿真性，使其在展示水下機器人時更能引起學(xué)生的注意，其交互性可以使學(xué)生通過體驗進行水下機器人的學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入高校水下機器人課程的課堂，更好地提升了課堂學(xué)生對課程的理解。同時，第一人稱的感受，提升了學(xué)生的沉浸度和真實感，交互式的操作更使學(xué)生有機會進行ROV的組裝工作，提高了教學(xué)的效果。從課堂反饋看，提升了學(xué)生對課程的興趣，使學(xué)生在有興趣的體驗中獲得掌握知識的樂趣，并提高了知識掌握的速度和深度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以作為一種教學(xué)手段和海洋工程裝備、工程項目等的新型展示方式進行有益的改進、實踐和探討。

1 教學(xué)模式構(gòu)建

目前，水下機器人課程教學(xué)普遍存在學(xué)生缺乏實踐操作的實驗、缺少水下機器人實物體驗的條件、缺少反復(fù)實踐的實驗條件、學(xué)生缺少自主學(xué)習(xí)能力、學(xué)生上課注意力難以集中等問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的操作實踐，不僅可以節(jié)省操作實踐的成本，還具有反復(fù)性、容錯性。學(xué)生可以反復(fù)的操作、實踐，在組裝、體驗水下機器人的時候也可以出現(xiàn)錯誤的安裝而不必?fù)p壞真實的水下機器人。并且，水下機器人的下潛等工作的實踐難以親身體驗，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以進行現(xiàn)實中不能進行的實踐操作。構(gòu)建虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示的新型課堂，進行水下機器人教學(xué)新思路的探索，是非常具有實際意義的。

1.1 硬件條件

虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入課堂，需要硬件方面的支持。VR所需要的硬件條件，一方面是虛擬現(xiàn)實的處理及輸出設(shè)備;另一方面是足夠的活動空間。中國海洋大學(xué)的水下機器人教學(xué)實踐中，采用的是HTC vive的第二代頭顯（虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器）以及配套的定位器、手柄等，搭配特定顯卡的筆記本電腦，并運用多媒體互動研討教室，提供足夠的活動空間，如圖1所示。目前，一大批高校引進了VR實驗室、VR教室等，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)走進課堂提供了良好的教學(xué)硬件條件。VR設(shè)備朝著小型化、易操作化的方向發(fā)展，隨著技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實的硬件也可以得到普及。

1.2 教學(xué)流程

Margaret Wilson的具身認(rèn)知理論認(rèn)為，心理與所處環(huán)境密切相關(guān)[4]。依據(jù)具身認(rèn)知理論的相關(guān)原理，VR所提供的具身認(rèn)知，可以有效的提高學(xué)生的認(rèn)知認(rèn)識能力，增進課堂效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體驗作為課堂教學(xué)的一種輔助手段，穿插進行于授課過程中，起到很好的體驗效果，如圖2所示，中國海洋大學(xué)開展了虛擬現(xiàn)實的水下機器人教學(xué)及學(xué)生體驗，設(shè)計了相應(yīng)的課堂教學(xué)的流程。課堂的某些需要實踐的時刻可以引入VR的操作體驗，比如講解到水下機器人的下潛時，就可以引入VR體驗，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解水下機器人的下潛過程，同時，水下機器人的下潛現(xiàn)實中很難進行學(xué)生體驗操作，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以起到現(xiàn)實中的實際實驗條件和教學(xué)條件所不能實現(xiàn)的效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課程的某些需要展示的環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生進行虛擬現(xiàn)實的體驗。沉浸的體驗可以增進課堂的認(rèn)知效果，提升水下機器人的具身認(rèn)知操作體驗。

1.3 虛擬現(xiàn)實體驗

隨著技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體驗日漸變得操作簡單，學(xué)生可以自由快速地體驗VR設(shè)備展示的水下機器人效果。只需要進行簡單的引導(dǎo)和佩戴設(shè)備的幫助，就可以進行VR的展示交互體驗。課堂授課時，由老師組織學(xué)生進行虛擬現(xiàn)實的實踐操作。進行虛擬現(xiàn)實的實際操作，比現(xiàn)實中進行水下機器人實踐高效，學(xué)生都可以獲取教育資源，提升了教學(xué)資源的配置效率，并且可以反復(fù)進行操作，同時與真實實踐相比還保證了學(xué)生的安全，學(xué)生體驗過程如圖3。

2 虛擬現(xiàn)實場景的制作

虛擬現(xiàn)實場景的制作是虛擬現(xiàn)實展示的重要基礎(chǔ)。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個實時三維動畫、游戲開發(fā)、建筑可視化、虛擬仿真等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具。此次使用的虛擬現(xiàn)實場景用Unity3D軟件搭建，采用物理模型仿真、C#程序控制的手段，搭建了虛擬仿真的虛擬現(xiàn)實水下機器人場景，支持水下機器人的下潛、探察、回收等工作的真實體驗，并可以交互式觀察水下機器人的各部分構(gòu)件。

2.1 科考船的搭建

科考船是虛擬現(xiàn)實展示的重要組成。水下機器人的下水等操作需要科考船完成?？瓶即\用3D Max軟件建模完成，輸出為FBX文件并導(dǎo)入到Unity3D虛擬引擎中。虛擬現(xiàn)實體驗采用的科考船是增加了Box Collider碰撞體組件和Rigidbody剛體組件的物理模型，即模型既能與其它含有Box Collider碰撞體的物體發(fā)生相互作用，又可以具有剛體的一般屬性，在Unity3D虛擬引擎中受到自身重力、流體阻力等的影響。勾選Rigidbody中的Use Gravity選項，使物體在虛擬力場中受到重力的影響。并設(shè)置Box Collider中的is Trigger選項，使物體具有碰撞觸發(fā)的屬性。水下機器人下水環(huán)節(jié)由Unity3D的動畫系統(tǒng)錄制完成?？瓶即瑘鼍叭鐖D4所示。

2.2 水下機器人的控制與搭建

水下機器人采用中國海洋大學(xué)自主研制開發(fā)的海底管線檢測水下機器人，運用SolidWorks進行模型的繪制，導(dǎo)入到Unity3D中進行下一步的操作。水下機器人的燈光設(shè)置采用Unity3D的燈光系統(tǒng)，采用spotlight。其中光源設(shè)置實時計算的屬性，Intensity設(shè)置為1。運用C#代碼控制燈光的開關(guān)，即運用C#代碼獲取手柄指令，進行燈光的開關(guān)操作，使學(xué)生體驗水下機器人下潛過程中的照明效果。水下機器人螺旋槳的旋轉(zhuǎn)采用動畫系統(tǒng)錄制。水下機器人螺旋槳產(chǎn)生的氣泡，采用Unity3D的粒子系統(tǒng)。

水下機器人控制的重點在于水下機器人的下潛及回收過程。水下機器人的下潛過程依然采用C#程序控制，通過設(shè)定速度改變物體坐標(biāo)軸坐標(biāo)的方式進行水下機器人的下潛操作。通過手柄的交互可以實現(xiàn)機器人的停止，方便學(xué)生隨時查看下潛中的海洋環(huán)境。水下機器人場景如圖5所示。

2.3 海洋場景搭建

如圖6，海洋場景是獨立的環(huán)境，涉及光的渲染、粒子系統(tǒng)、魚類的設(shè)置等多項工作。海洋場景采用球形的skybox進行渲染。其中，海洋植物、貝殼等按照仿真運用軟件制作導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實引擎中。海洋底部的巖石采用Unity3D地形編輯器，運用貼圖實現(xiàn)真實的巖石紋理，運用Box Collider使其具有真實的質(zhì)感。海底管線的制作采用半埋入海底的形式，水下機器人光照到海底管線時產(chǎn)生反光效果。海底的魚類運動控制采用C#編寫語句，采用虛設(shè)物體的方式配合C#程序?qū)崿F(xiàn)魚類的隨機生成。

3 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到海洋工程裝備的教學(xué)展示中是一項創(chuàng)新性的工作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以起到更好的展示效果，還具有低成本、可重復(fù)、容錯性強、安全性高、操作簡單等優(yōu)勢。本文用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示海洋工程裝備中的水下機器人，只是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的一個實例，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種高沉浸度和交互性較強的展示方式，可以應(yīng)用到項目展示、課程教學(xué)、實踐操作等多項海洋工程裝備或其它學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域中。教學(xué)中的實際試驗中發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用可以有效地活躍課堂的氣氛、降低學(xué)生體驗教學(xué)資源的門檻、增加學(xué)生實踐體驗課程內(nèi)容的機會、保護學(xué)生實踐操作中的安全，相比于成本極高且不容易操作的實際實踐操作，是一種高效低成本的展示技術(shù)。開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課堂展示應(yīng)用研究可以促進教學(xué)新思路的進步。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不應(yīng)當(dāng)作為單獨的一種技術(shù)，開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用研究，在信息時代具有廣闊的前景和實際的意義。

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