汽車類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3D眩暈癥問題研究

劉樹峰，張廣玲，李光提，呂釗欽，李玉道

汽車類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3D眩暈癥問題研究

劉樹峰，張廣玲*，李光提，呂釗欽，李玉道

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中不斷推廣和應(yīng)用，相較于汽車專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，虛擬仿真教學(xué)模式具有結(jié)構(gòu)形象直觀、強(qiáng)化實(shí)踐效果、降低實(shí)訓(xùn)成本的優(yōu)點(diǎn)，但在教學(xué)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生較為嚴(yán)重的3D眩暈癥，大大影響教學(xué)效果和推廣使用。文章結(jié)合教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐和汽車類專業(yè)課程特點(diǎn)分析3D眩暈癥產(chǎn)生的原因，并為虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作和教學(xué)模式推廣提供參考。

汽車；實(shí)踐教學(xué)；虛擬仿真；3D眩暈癥

前言

汽車類專業(yè)教學(xué)注重理論知識和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，在汽車類專業(yè)教學(xué)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1-3]。尤其是汽車類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摗⑵囋\斷與維修、汽車電器與電子技術(shù)等課程教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺[4]，豐富了專業(yè)課程實(shí)踐內(nèi)容，虛擬仿真教學(xué)模式在加深學(xué)生對汽車構(gòu)造原理的理解與掌握方面擁有極大的優(yōu)勢[5]，同時(shí)也有能縮短實(shí)訓(xùn)周期、豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、強(qiáng)化教學(xué)效果、降低實(shí)驗(yàn)成本等優(yōu)點(diǎn)[6]。

我校針對車輛工程、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化等專業(yè)的培養(yǎng)需要，從2014年開始，依托國家級“農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”平臺分別構(gòu)建“汽車拆裝”“汽車檢測與維修”“發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性”三個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺，結(jié)合不同的汽車專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以及實(shí)踐方法選擇虛實(shí)分段、虛實(shí)交替、虛實(shí)融合等多種教學(xué)模式開展實(shí)踐教學(xué)，取得了較好的實(shí)踐教學(xué)效果。

但在近幾年的虛擬仿真教學(xué)模式應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了自由度不足的技術(shù)障礙，以及有不利于培養(yǎng)動(dòng)手能力、協(xié)作能力，缺少師生互動(dòng)等缺點(diǎn)之外，還會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生較為嚴(yán)重的3D眩暈癥[7]，嚴(yán)重降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并給學(xué)生身心造成一定傷害，大大影響了虛擬仿真教學(xué)模式在汽車類專業(yè)教學(xué)工程的推廣和應(yīng)用[8]。

1 3D眩暈癥不適癥狀統(tǒng)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車類專業(yè)教學(xué)模式的廣泛應(yīng)用，雖然可以為學(xué)生提供豐富的沉浸式體驗(yàn)，但是使用過程中會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生眩暈、惡心、嘔吐等不適癥狀，這些癥狀統(tǒng)稱為3D眩暈癥[8]，3D眩暈癥也成為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)一步推廣使用的限制因素[9]。

為了解3D眩暈癥對學(xué)生的影響程度，通過對我校車輛工程專業(yè)兩個(gè)班級56名學(xué)生正常虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程后不適癥狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)為汽車拆裝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺，實(shí)訓(xùn)時(shí)間為4個(gè)學(xué)時(shí)，每個(gè)學(xué)時(shí)為45分鐘，每學(xué)時(shí)之間有10分鐘課間休息（課間休息要求學(xué)生室外休息）。具體不適癥狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 學(xué)生不適癥狀統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過4個(gè)學(xué)時(shí)的虛擬仿真教學(xué)后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：大部分的學(xué)生產(chǎn)生了眼睛疲勞，有43人；全身不適和頭暈癥狀也較多，分別為28人和19人；出現(xiàn)較為嚴(yán)重癥狀惡心的有9人；3D眩暈癥造成更嚴(yán)重情況嘔吐的1人；其他癥狀中，出汗和嗜睡分別為3人和4人。

眼睛疲勞應(yīng)該是由于長時(shí)間注視電腦屏幕，虛擬仿真畫面與視覺長時(shí)間交互造成的視覺疲勞，而全身不適可能與久坐和3D眩暈癥均有關(guān)，頭暈則主要是由于3D顯示設(shè)備比平面顯示設(shè)備更容易誘發(fā)眩暈。綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以很容易發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的3D眩暈癥，長時(shí)間注視屏幕和久坐也會造成學(xué)生眼睛疲勞和全身不適。虛擬仿真教學(xué)過程中應(yīng)該采取措施減少或避免3D眩暈癥的產(chǎn)生，進(jìn)一步減少對學(xué)生的身體可能造成的傷害。

2 汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3D眩暈癥原因

針對3D眩暈癥的成因主要有毒素誘發(fā)、眼球震顫假說、感官?zèng)_突、姿勢不穩(wěn)四個(gè)主流理論[10]。研究發(fā)現(xiàn)3D眩暈癥也有個(gè)體差異，其影響因素有年齡、性別、種族、可塑性和適應(yīng)性等。而對于汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)容易造成較為嚴(yán)重的3D眩暈癥，主要是有以下幾方面原因。

2.1 場景特征復(fù)雜強(qiáng)烈

汽車系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多、應(yīng)用場景復(fù)雜，導(dǎo)致汽車類虛擬仿真系統(tǒng)場景中面片數(shù)量多、特征復(fù)雜強(qiáng)烈。大部分汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)過程中過度追求模型精度[11]，使用高精度的汽車模型和零部件模型，會導(dǎo)致整個(gè)仿真系統(tǒng)當(dāng)中面片數(shù)量過多，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于部分大型網(wǎng)絡(luò)游戲的面片數(shù)量。研究表明，虛擬仿真系統(tǒng)中面片數(shù)量和場景特征過于復(fù)雜會直接導(dǎo)致3D眩暈癥的產(chǎn)生。

2.2 感官?zèng)_突較為強(qiáng)烈

汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，尤其是汽車拆裝類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，其中存在大量的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)操作[12]，以及視角角度和遠(yuǎn)近距離調(diào)整操作，這會造成人的視覺感官聚焦沖突，人眼會隨著虛擬場景的變化不斷調(diào)整不同感官聚焦區(qū)域，容易造成人眼的眩暈疲勞。汽車虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)常采用的開放式視野，操作時(shí)以全面視野進(jìn)行展現(xiàn)，造成人眼視野過大，人眼為不斷捕捉聚焦信息位置，需要頻繁調(diào)整眼部神經(jīng)，長時(shí)間操作也會產(chǎn)生頭疼、眼睛疲勞等癥狀。

2.3 室內(nèi)場景較多

汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)為了追求貼近真實(shí)汽車環(huán)境，大多將系統(tǒng)設(shè)置為室內(nèi)場景，而教學(xué)系統(tǒng)加上室內(nèi)環(huán)境[13]，面片數(shù)量會大大增加。仿真系統(tǒng)中汽車零部件在室內(nèi)場景中進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作，汽車零部件與室內(nèi)場景中的背景距離不斷改變，會造成眼球內(nèi)視覺輻輳，加重視覺疲勞。而且由于仿真系統(tǒng)位于室內(nèi)場景，為增大人眼短時(shí)間內(nèi)的信息量，信息量太大會造成劇烈的視覺沖突，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的眩暈感。

2.4 技術(shù)與算法層面

目前的汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中較多關(guān)注仿真程度和工作應(yīng)用，不注重防眩暈技術(shù)與算法的使用，也缺乏虛擬仿真系統(tǒng)質(zhì)量的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對仿真系統(tǒng)中的場景轉(zhuǎn)換速度、面片數(shù)量、尋找目標(biāo)角度等防炫目控制技術(shù)和算法研究應(yīng)用較少。

2.5 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)時(shí)間過長

虛擬仿真教學(xué)學(xué)時(shí)依然采用傳統(tǒng)理論和實(shí)踐教學(xué)時(shí)間，采用45分鐘教學(xué)學(xué)時(shí)，每學(xué)時(shí)之間休息10分鐘。而虛擬仿真教學(xué)一般歸類為實(shí)踐教學(xué)，采用較為集中的學(xué)習(xí)方式，每次教學(xué)安排4學(xué)時(shí)，甚至達(dá)到8學(xué)時(shí)。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)時(shí)間過長，課間休息時(shí)間過短，也會造成學(xué)生無法得到充分休息，加重眩暈癥的產(chǎn)生。

3 汽車類虛擬仿真系統(tǒng)降低3D眩暈癥措施

3.1 嚴(yán)格控制場景特征

針對汽車結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景復(fù)雜的問題，不能盲目追求汽車模型的精度，在滿足使用的情況下來降低汽車零部件模型精度，減少仿真系統(tǒng)中面片數(shù)量。針對汽車拆裝類虛擬仿真系統(tǒng)可以采用分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同系統(tǒng)拆裝設(shè)置所需拆裝系統(tǒng)較高模型精度，其他系統(tǒng)降低模型精度。

3.2 減少感官?zèng)_突操作

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)減少或簡化旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等操作，除零部件結(jié)構(gòu)觀察檢驗(yàn)等必要步驟設(shè)置旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)格控制其他操作過程中頻繁地旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。盡量避免采用開放式視野，操作過程中采用縮小視野展現(xiàn)，減少其他背景信息量沖擊視覺感官。通過放大操作模型視域，減少人眼頻繁視野區(qū)域調(diào)整和聚焦，減緩視覺疲勞。

3.3 采用室外場景

除特別教學(xué)需要采用室內(nèi)場景外，汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)以室外場景為主，不應(yīng)過分注重教學(xué)外景的設(shè)計(jì)，而應(yīng)該注重汽車結(jié)構(gòu)原理等教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。大部分對場景無特別需要的教學(xué)環(huán)節(jié)均應(yīng)優(yōu)先選擇室外場景進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過單一環(huán)境場景，來減少仿真系統(tǒng)的面片數(shù)量、場景特征和降低場景和模型之間的感官?zèng)_突，從而最大程度避免眩暈癥的產(chǎn)生。

3.4 構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)體系

通過構(gòu)建完善的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)體系，規(guī)范仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)開發(fā)單位對防炫目技術(shù)與算法的使用，以及積極開展虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3D眩暈癥問題研究，建立虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范，從制度層面規(guī)范虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，降低仿真系統(tǒng)眩暈癥問題影響。

3.5 優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)時(shí)長

為了提高虛擬仿真教學(xué)效果，減少3D眩暈癥對教學(xué)和學(xué)生身心的影響，應(yīng)該嚴(yán)格控制虛擬仿真教學(xué)時(shí)長。縮短每學(xué)時(shí)時(shí)間，學(xué)時(shí)時(shí)間應(yīng)該控制在30分鐘以內(nèi)；延長課間休息時(shí)間，或者采取靈活休息時(shí)間控制，保證教學(xué)時(shí)長的同時(shí)，由學(xué)生自主安排休息時(shí)間；避免采取連堂教學(xué)方式，采取分段教學(xué)方式來控制單次教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)長；此外，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)該增設(shè)學(xué)習(xí)時(shí)長控制系統(tǒng)，超過學(xué)習(xí)時(shí)長應(yīng)能夠提醒或強(qiáng)制要求學(xué)生休息。

4 結(jié)論

針對汽車類專業(yè)學(xué)生虛擬仿真教學(xué)中出現(xiàn)的嚴(yán)重3D眩暈癥問題原因進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過4個(gè)學(xué)時(shí)虛擬仿真教學(xué)后，大部分的學(xué)生產(chǎn)生了眼睛疲勞、全身不適、頭暈癥狀、出汗、嗜睡等3D眩暈癥癥狀，甚至個(gè)別學(xué)生還出現(xiàn)了惡心嘔吐等較為嚴(yán)重癥狀。3D眩暈癥會對汽車類虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用和進(jìn)一步推廣使用造成重要的影響。

根據(jù)3D眩暈癥形成理論，結(jié)合汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，分析引起學(xué)生產(chǎn)生3D眩暈癥的主要原因有場景特征復(fù)雜強(qiáng)烈、感官?zèng)_突較為強(qiáng)烈、室內(nèi)場景較多、技術(shù)與算法層面、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)時(shí)間過長等。

本文從開發(fā)技術(shù)層面提出了汽車類虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)需要嚴(yán)格控制場景特征、減少感官?zèng)_突操作、采用室外場景等建議，并結(jié)合教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐和汽車類專業(yè)課程特點(diǎn)提出了構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)體系、優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)時(shí)長等措施，來降低3D眩暈癥對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對汽車類虛擬仿真教學(xué)的影響，并為虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和教學(xué)推廣使用提供參考，以期虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用中3D眩暈癥的嚴(yán)重問題能夠引起廣泛關(guān)注。

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Research on 3D Vertigo of Virtual Simulation Teaching System for Automobile Specialty

LIU Shufeng, ZHANG Guangling*, LI Guangti, LV Zhaoqin, LI Yudao

( College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Shandong Taian 271018 )

Virtual reality technology is constantly promoted and applied in professional teaching. Compared with the traditional teaching mode of automobile specialty, virtual simulation teaching mode has the advantages of intuitive structure, strengthening practical effect and reducing training cost. However, in the process of teaching application, it is found that virtual reality technology will cause students to have more serious 3D vertigo, which greatly affects the teaching effect and promotion use. This paper analyzes the causes of 3D vertigo combined with the teaching practice and the characteristics of automobile professional courses, and provides a reference for the design and production of virtual simulation system and the promotion of teaching mode.

Automobile; Practice teaching; Virtual simulation; 3D vertigo

G642.0

A

1671-7988(2022)02-140-04

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1671-7988(2022)02-140-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.032

劉樹峰（1990—），男，博士研究生，就讀于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)研究。

張廣玲（1986—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，就職于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)檐囕v專業(yè)實(shí)踐教學(xué)研究。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)2020年度“十三五”第三批校級教改項(xiàng)目（編號XM202016）資助；山東省園藝機(jī)械與裝備實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)支持項(xiàng)目。