基于VR的食品加工生產線教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

譚江霞程明智劉 龍

(北京印刷學院新媒體學院,北京102600)

餅干加工作為食品加工教學中的重要環(huán)節(jié),是學習和生產焙烤食品加工技術中的重要一環(huán)。但在傳統(tǒng)的生產過程中,由于實習場地限制、設備布局緊湊,生產節(jié)奏快,潛在安全因素多等原因,學生缺乏相應的實習實踐機會,致使相應的焙烤類食品加工技術學習效率低下,影響整體教學質量。

隨著VR技術的發(fā)展,VR技術可作為新的知識載體和認知工具,讓食品加工行業(yè)學習者對現(xiàn)有食品知識進行重構。該技術的出現(xiàn),可高度模擬生產現(xiàn)場環(huán)境與生產線設備,還原真實的生產過程。VR技術還可提供良好的交互體驗,并能夠有效解決傳統(tǒng)食品加工中遇到的問題,調動了食品加工行業(yè)學習的積極性,節(jié)約實訓成本和時間。該技術還可實現(xiàn)考核方式多樣化需求,以及提高食品加工實訓的安全性,從而提高食品加工教學效率。

將VR技術與食品加工教育領域相結合,無疑將會對傳統(tǒng)的食品加工行業(yè)教育帶來革命性的改革。因此本文設計并實現(xiàn)了一個基于VR的餅干生產線教學系統(tǒng),通過餅干加工工藝流程、設備交互學習等模塊,不僅能讓學生在虛擬的空間里獲得真實的感受與體驗,還能幫助教師使用不同的技術來開展教育教學。

1 基于VR的餅干生產線系統(tǒng)設計

餅干加工虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以餅干加工實訓和餅干加工現(xiàn)場為依據(jù),可根據(jù)實際加工流程引導學生完成實訓教學內容,主要包含餅干加工現(xiàn)場三維虛擬場景與加工流程學習功能,系統(tǒng)框架如圖1所示。在虛擬的加工環(huán)境中,以餅干加工生產車間為原型,通過生產環(huán)境與相關加工設備的3D建模、燈光布置等還原餅干生產加工現(xiàn)場。在學習模塊中,根據(jù)VR技術模擬實際的加工流程中的生產過程,并開發(fā)漫游模塊、工藝流程介紹模塊、以及設備交互學習功能模塊。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 餅干生產線系統(tǒng)內容建設

餅干加工系統(tǒng)開發(fā)包括三個部分:虛擬場景搭建、加工過程模擬與設備交互功能實現(xiàn)。

2.1 虛擬場景搭建

在虛擬場景搭建過程中,利用3D max和PS分別制作3D模型以及模型相應的材質,在Unity3D導入制作好的模型和材質,從而搭建出虛擬的餅干加工場景。

(一)模型與材質的制作

根據(jù)餅干加工工廠車間建筑與生產線設備的二維CAD圖紙,首先在3D max中建立基本幾何體,再使用相關編輯工具箱中的各類編輯工具創(chuàng)建三維部件模型,最后根據(jù)單體建筑或設備所組成部件的裝配關系建立其三維模型[1]。為解決相關圖紙創(chuàng)建的三維模型與現(xiàn)實車間的視覺差距相差較大以及三維模型外觀視覺與生產現(xiàn)場差距明顯等問題,需要依據(jù)生產現(xiàn)場的照片或視頻創(chuàng)建三維模型的外觀材質,才能更好地提高虛擬場景的逼真度。而外觀材質包括設備的材料屬性與紋理貼圖這兩部分,其中:材料屬性反映模型表面對光線的作用效果(如金屬光澤、透明度等);紋理貼圖采用圖像模擬模型的復雜外觀,提供真實的表面細節(jié),通過UV坐標將其映射在三維模型表面。以送料機為例,其模型效果如圖2所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實場景中三維模型示例

(二)餅干生產線場景的搭建

將制作的資源(包括:建筑、設備、餅干等3D模型以及相應的材質)導入Unity3D中,根據(jù)生產車間建筑與餅干生產線設備的相對位置信息,在虛擬空間中放置相應的餅干生產線設備,從而創(chuàng)建餅干加工虛擬生產線場景[2-3]。所搭建的虛擬生產線如圖3所示。

圖3 餅干虛擬生產線場景

2.2 餅干動態(tài)生產過程模擬

在餅干生產實習實踐中,學生需要觀察餅干生產工藝流程、設備運行情況以及餅干在加工過程中感官性狀發(fā)生的變化等情況。因此,需要根據(jù)餅干相應的生產工藝流程、相關設備操作以及相應的加工原理等,通過Unity3D模擬餅干動態(tài)生產過程,主要包含設備運作與餅干形態(tài)變化。

(1)設備運作。在實際加工生產過程中,對餅干的加工由組成生產線中的各項設備配合完成。根據(jù)不同餅干的加工工藝不同,執(zhí)行相應的餅干加工動作[4]。

(2)餅干形態(tài)變化。餅干的加工生產以小麥粉為主要原料,加入(或不加入)糖、油及其他輔料,經過調粉、成型、烘烤制成的水分低于6%的松脆食品。在加工過程中小麥粉的形態(tài)會發(fā)生變化。

2.3 餅干生產線生產實習教學功能

為方便師生開展餅干加工生產實習實踐,基于餅干加工生產實習實踐系統(tǒng)中設計并開發(fā)出3D漫游功能以及相應的交互學習功能。在三維虛擬場景中,用戶可佩戴HTC VIVE硬件以及手柄操作來進行交互學習[5-7]。

(一)3D漫游功能

在餅干生產加工的三維虛擬場景中,用戶可通過手柄來實現(xiàn)在生產場景中漫游。在場景中,用戶可近距離觀察動態(tài)生產過程,如加工工藝、設備運作、餅干顏色、狀態(tài)變化等在現(xiàn)場實習時無法觀察到的內容。在該系統(tǒng)中,漫游操作包含行走與位置移動,如圖4所示。用戶可通過點擊VR手柄,顯示位置可移動列表,通過射線選取某一位置可直接到達對應的生產位置。

圖4 場景漫游

(二)交互學習功能

在餅干生產加工現(xiàn)場漫游時,用戶若想深入了解某一設備時,可以通過相應的設備介紹、設備工藝以及設備透視圖來進行學習。用戶可利用射線選擇設備,扣動扳機鍵打開相應的內容進行交互功能的學習。

相關設備的介紹和工藝流程可通過語音和文字進行介紹,有利于用戶對設備進一步的了解。其中介紹內容包括:設備的組成、功能和工藝原理等;相關設備設置透視功能模式,可使設備的外部透明,從而利于觀察設備內部的結構和工作原理。軋面機的交互功能如圖5所示。

圖5 軋面機交互

3 結語

餅干生產線系統(tǒng)以餅干工廠加工現(xiàn)場為原型,采用3D max再現(xiàn)創(chuàng)建餅干生產車間以及餅干加工設備模型,以Unity3D為軟件基礎搭建還原餅干生產場景,模擬相關加工動態(tài)過程以及開發(fā)相應的實習教學功能。該系統(tǒng)設計呈現(xiàn)出沉浸感強,安全系數(shù)高、操作簡單方便等優(yōu)勢,能高度還原餅干生產加工過程。將該系統(tǒng)應用于實際的教學實踐后,提高了學生對生產實習實踐的積極性和興趣,更好地提升了生產實習實踐教學效果和質量。