基于VR技術(shù)構(gòu)建虛擬染色平臺(tái)的探索*
——以泉州紡織服裝職業(yè)學(xué)院為例

劉桃鳳，劉開陽(yáng)，王桂甲，黃曉茵，吳贊敏

（泉州紡織服裝職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362799）

信息技術(shù)的高速發(fā)展為我們的生活工作和學(xué)習(xí)提供多種便利，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)作為該領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)[1]，得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與職業(yè)教育相結(jié)合，特別是將其應(yīng)用到職業(yè)教育的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，有助于職業(yè)教育走出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，為職業(yè)教育注入新的活力。

我國(guó)高度重視VR技術(shù)的教育及應(yīng)用，國(guó)務(wù)院明確提出建設(shè)一大批以校企合作為基礎(chǔ)，集人才培養(yǎng)、繼續(xù)教育、科研創(chuàng)新、科技服務(wù)于一體的專業(yè)集群[2-3]，我院獲批建設(shè)基于紡織染整服裝產(chǎn)業(yè)專業(yè)群的VR/AR實(shí)驗(yàn)基地[4]。

為此，本研究對(duì)經(jīng)技術(shù)改造后的溢流機(jī)進(jìn)行純棉坯布染色的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)研，以行動(dòng)邏輯課程為發(fā)展導(dǎo)向，應(yīng)用VR技術(shù)，以“一看二聽三說(shuō)四為”教學(xué)實(shí)驗(yàn)基本路徑，構(gòu)建了一條適合高職院校專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的路線。

1 VR技術(shù)用于染色課教學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義

2016年福建省明確要大力發(fā)展VR產(chǎn)業(yè)，我院根據(jù)染整企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)況，將VR技術(shù)應(yīng)用到職業(yè)教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，創(chuàng)造逼真形象的模擬工廠生產(chǎn)情境。該情境創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生體驗(yàn)到虛擬的溢流機(jī)中織物上染料的擴(kuò)散、吸附、固著，體驗(yàn)到紡織品染色生產(chǎn)過(guò)程因工藝參數(shù)設(shè)計(jì)而得到不同產(chǎn)品的樂(lè)趣。構(gòu)建染色結(jié)合AR技術(shù)模型還可以為職工技能培訓(xùn)提供方便，同時(shí)也可以為特殊人群接觸色彩、學(xué)習(xí)染色知識(shí)打開大門，虛擬染色平臺(tái)的構(gòu)建也為孩子提供一片彩色空間。大量實(shí)際案例證明，虛擬現(xiàn)實(shí)可以給體驗(yàn)者帶來(lái)身臨其境的感覺，使人能體驗(yàn)到放松、愉悅的積極情緒，從而使體驗(yàn)者能充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力?？偠灾?，虛擬染色平臺(tái)的構(gòu)建，已經(jīng)走出了職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)的新模式，突破了傳統(tǒng)的職業(yè)教育思想觀念，發(fā)展了職業(yè)教育的教學(xué)方法，為職業(yè)教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)注入新的活力[3]。

虛擬染色系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”）的設(shè)計(jì)以技術(shù)全面化、應(yīng)用教學(xué)化、工作過(guò)程系統(tǒng)化、項(xiàng)目典型化四個(gè)方面為主要指導(dǎo)思想[5]，系統(tǒng)引進(jìn)VR龍頭企業(yè)工業(yè)化級(jí)產(chǎn)品體系并融合企業(yè)溢流機(jī)染色過(guò)程，結(jié)合當(dāng)前紡織染整產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)按照VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的要求，模擬溢流機(jī)染色生產(chǎn)的場(chǎng)景，結(jié)合設(shè)施設(shè)備部件、紡織品多形態(tài)以及 VR技術(shù)的體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。系統(tǒng)讓使用者的感知體驗(yàn)與動(dòng)手的結(jié)合、染色工藝與實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)合，在學(xué)生進(jìn)行染色體驗(yàn)方面，既有感官上的沉浸式體驗(yàn)，也有心理上讓人參與其中的超現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)[6-7]。

通過(guò)該平臺(tái)的建設(shè)，鞏固了學(xué)生理論知識(shí)體系，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從而達(dá)到學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平提升的目的。平臺(tái)的建設(shè)有效緩解了當(dāng)前專業(yè)課教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)不匹配而產(chǎn)生較大差距的現(xiàn)實(shí)困境，達(dá)成培養(yǎng)具有動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和技術(shù)技能型人才的職業(yè)教育目標(biāo)。

2 平臺(tái)開發(fā)設(shè)想

2.1 構(gòu)建系統(tǒng)模型的前期設(shè)想

染色VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將實(shí)際染色工作過(guò)程與VR技術(shù)結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)化開發(fā)，根據(jù)實(shí)際染色工作過(guò)程每道工序的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)場(chǎng)，明確各環(huán)節(jié)參照系、典型工作過(guò)程和普適性工作過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用3ds Max軟件、Inventor軟件和Virtools軟件進(jìn)行構(gòu)建開發(fā)虛擬染色實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.2 虛擬染色系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)想

2.2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)包含虛擬工廠、虛擬設(shè)施設(shè)備、虛擬任務(wù)與材料、虛擬人物、學(xué)習(xí)模塊5個(gè)部分，其中每個(gè)部分下又分別設(shè)置了幾個(gè)子模塊，子模塊各自有具體功能，各子模塊之間互相配合操作使用。

虛擬工廠模塊，通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)際工廠生產(chǎn)環(huán)境的相似的虛擬場(chǎng)景（主要分為外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境2部分），以企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境為主要外部環(huán)境，染色車間為次要外部環(huán)境，以溢流機(jī)機(jī)體、染缸和工作臺(tái)為內(nèi)部環(huán)境，構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景。虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建可以增強(qiáng)系統(tǒng)的沉浸性，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

虛擬設(shè)施設(shè)備模塊，主要從不同的角度、全方位展示染色機(jī)、染缸和工作臺(tái)以及各個(gè)輸送管道的輸送情況的結(jié)構(gòu)。

虛擬任務(wù)與材料模塊，以純棉坯布為例、布面運(yùn)行為視角，根據(jù)工藝參數(shù)的要求加入水、染化料、助劑等原料，并設(shè)置溫度、壓力、浴比等工藝參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，完成工作任務(wù)。后期也可將其中涉及的水、汽等能源列入成本核算范疇，作為參數(shù)進(jìn)行考察和評(píng)價(jià)。

虛擬人物模塊，以給虛擬人設(shè)置交互腳本的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景的漫游體驗(yàn)。通過(guò)選擇可體驗(yàn)不同類型產(chǎn)品的染色過(guò)程，以達(dá)到體驗(yàn)設(shè)施設(shè)備實(shí)際操作、控制的目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)場(chǎng)景切換，可完成場(chǎng)景中的其他系列，如對(duì)漂白、脫色、固色等相關(guān)工序過(guò)程的體驗(yàn)。

學(xué)習(xí)模塊包括染色理論知識(shí)素材、設(shè)施及設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)展示以及生產(chǎn)操作視頻、自主設(shè)計(jì)練習(xí)4大集合，在學(xué)習(xí)模塊中可自主選擇學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識(shí)，觀看染色、漂白、脫色、固色等過(guò)程原理演示視頻，在自我肯定之后進(jìn)行自主設(shè)計(jì)工藝練習(xí)并通過(guò)VR技術(shù)做出虛擬成品。也可以了解設(shè)施設(shè)備、坯布的三維結(jié)構(gòu)，掌握染色原理，以加深其對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解。

該虛擬染色實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，

2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)想

構(gòu)建染色虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按照一般開發(fā)設(shè)計(jì)流程，我們需要分別做好以下幾個(gè)方面的工作。

⑴ 前期素材準(zhǔn)備工作

在企業(yè)中，使用3D掃描和Iventor構(gòu)建三維實(shí)體模型，包括構(gòu)建虛擬工廠、設(shè)施設(shè)備、材料、學(xué)習(xí)視頻等素材；用VR編輯器對(duì)虛擬場(chǎng)景、事件編輯、多媒體資源整合、VR外設(shè)頭盔和手柄等硬件應(yīng)用、VR 全景拍攝和編輯；使用photoshop創(chuàng)建貼圖素材，并在3ds Max中對(duì)模型及場(chǎng)景進(jìn)行渲染、數(shù)字影像及虛擬場(chǎng)景合成、對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)化處理，和其他需要準(zhǔn)備的素材。

⑵ 實(shí)驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)工作

將系統(tǒng)模型導(dǎo)入到Virtools中，利用Virtools中交互引擎提供的VSL語(yǔ)言編程，對(duì)系統(tǒng)需要的相關(guān)詳細(xì)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和編輯后，即可以著手使用Virtools進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的交互腳本設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能。通過(guò)引入合作公司的VR關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行工藝、參數(shù)、選項(xiàng)等功能的設(shè)定，構(gòu)建其他三維加工設(shè)備模型和其他場(chǎng)景模型，并且在虛擬染色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬人物在漫游時(shí)需要進(jìn)行選擇染色控件及相關(guān)多機(jī)型、各類型工藝、不用原料的選擇操作等，最后完成目標(biāo)的過(guò)程。

⑶ 對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和優(yōu)化工作

在系統(tǒng)構(gòu)建完成時(shí)，由學(xué)生和教師以及非專業(yè)人士進(jìn)行系統(tǒng)操作，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、結(jié)構(gòu)框架、可操作性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，按提出建議和意見再次對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)相對(duì)成熟后將該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出發(fā)布，投入實(shí)際教學(xué)。

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

創(chuàng)設(shè)的虛擬染色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本達(dá)到教學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求，該系統(tǒng)為染整專業(yè)中染色課程操作技能實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的教學(xué)模式。

圖1 紡織品虛擬染色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也兼顧了在專業(yè)理論教學(xué)過(guò)程的一些不足，以學(xué)生為主導(dǎo)，使學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目導(dǎo)入的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，系統(tǒng)中植入大量豐富的學(xué)習(xí)資料，體驗(yàn)者可以通過(guò)點(diǎn)選模式切換子模塊的功能操作進(jìn)行選擇、查找素材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基本工藝流程及參數(shù)限值，并嵌入部門實(shí)際生產(chǎn)中成熟的產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)練，為學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)的延伸及思維的拓展提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

系統(tǒng)具有較強(qiáng)的交互功能，角色切換給學(xué)生帶來(lái)全新的體驗(yàn)，用戶界面操作相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的界面直觀、簡(jiǎn)潔、務(wù)實(shí)，方便讓體驗(yàn)者了解整個(gè)染色生產(chǎn)過(guò)程及其工作環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的紡織品染色的課程的三維教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)生學(xué)習(xí)染色專業(yè)知識(shí)、體驗(yàn)紡織品染色過(guò)程、強(qiáng)化專業(yè)技能水平提供了新的平臺(tái)。該系統(tǒng)在運(yùn)行上對(duì)操作軟硬件環(huán)境基本沒(méi)有特殊要求，除了本系統(tǒng)研發(fā)構(gòu)建需要的資金外，無(wú)附加支出。在實(shí)際操作過(guò)程中，只需要使用鼠標(biāo)、鍵盤、頭盔、手柄等即可完成紡織品染色的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，根據(jù)不同的工藝及參數(shù)選擇得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以作為學(xué)生實(shí)際技能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高了實(shí)驗(yàn)安全性。同時(shí)學(xué)生課余也可使用該系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)和技能操作練習(xí)，為學(xué)生畢業(yè)實(shí)習(xí)和工作提供預(yù)練場(chǎng)所。