虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王大虎　寧彤

摘? 要： 基于虛擬仿真的思想，以電機(jī)教學(xué)設(shè)備為原型，使用3dsMax和Unity3D軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)交互性能良好，能對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行直觀的展示，幫助學(xué)生理解內(nèi)容抽象的知識(shí)，同時(shí)也能提供給學(xué)生不限時(shí)間的使用學(xué)習(xí)，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)實(shí)驗(yàn); Unity3D; 虛擬仿真; 3ds Max

中圖分類號(hào)：TM33? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）05-48-04

Application of virtual reality technology in motor experimental teaching

Wang Dahu， Ning Tong

Abstract： Based on the idea of virtual simulation， taking the motor teaching equipment as a prototype， a motor experimental teaching system is designed and developed with 3ds Max and Unity3D. The results show that this system has a good interaction and can visually display the device structure and experimental principles， which effectively improves students’ learning interest and learning efficiency.

Key words： motor experiment; Unity3D; virtual reality; 3ds Max

引言

電機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置，既可生產(chǎn)電能也能產(chǎn)生機(jī)械能，用以滿足生產(chǎn)生活需要，電機(jī)因此特性在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中起到了極其重要的作用。

電機(jī)學(xué)課程具有較強(qiáng)的工程性，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)必須依據(jù)工程實(shí)際，但傳統(tǒng)教學(xué)以文字、圖片和視頻為主，教材大多較為成熟系統(tǒng)化，結(jié)構(gòu)圖高度符號(hào)化，理論學(xué)習(xí)較為困難。現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為引領(lǐng)式，雖在一定程度上確保了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)客觀性以及操作安全性，但是對(duì)于學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成缺乏引導(dǎo)[1]。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式單一化的問(wèn)題，張文娟等[2]提出借助多媒體技術(shù)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改革，增加了二維、三維動(dòng)畫部分，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)物教學(xué)的結(jié)合，但該方法交互性較差。2018年董立巖教授[3]借助Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于Unity3D的電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)為解決實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和教學(xué)成本高等問(wèn)題提供了一種較好的思路。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)綜合了多門技術(shù)，拓寬了人機(jī)交互通道，提高了圖像信息的認(rèn)知度，體現(xiàn)了多媒體技術(shù)的進(jìn)步[4]。

綜上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出高集成性和強(qiáng)交互性，因此在教育培訓(xùn)行業(yè)有著極大的發(fā)展?jié)摿Γ疚慕柚撻T技術(shù)，使用3ds Max和Adobe PhotoShop軟件搭建電機(jī)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，在Unity3d平臺(tái)上借助C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)交互腳本[5]，借助該電機(jī)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，較好的解決了教學(xué)上設(shè)備受限的問(wèn)題[6]。

1 電機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)選材

開(kāi)發(fā)電機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)首先進(jìn)行實(shí)物設(shè)備素材拍攝。本文選用電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用設(shè)備DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可用于變壓器空載和短路實(shí)驗(yàn);直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速;異步電動(dòng)機(jī)基本性能診斷檢查等實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期目標(biāo)在于使學(xué)生對(duì)電機(jī)實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)有更加深入的了解，借助新興技術(shù)手段提高學(xué)習(xí)興趣。該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)如下四個(gè)模塊[7]。

⑴ 場(chǎng)景漫游模塊。在搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，在該場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備外形結(jié)構(gòu)的近距離觀察。

⑵ 三維動(dòng)畫模塊。該模塊旨在以動(dòng)畫視頻的形式講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，并展示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的基本工作內(nèi)容。

⑶ 實(shí)驗(yàn)設(shè)備拆裝模塊。該模塊用于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所需用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及主要用途的了解，可以對(duì)工作原理有更加直觀的認(rèn)知。

⑷ 實(shí)驗(yàn)操作模塊。該模塊用以學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)，該模塊下會(huì)有系統(tǒng)自動(dòng)提示實(shí)驗(yàn)操作重難點(diǎn)以及操作注意事項(xiàng)，在保證操作的規(guī)范性基礎(chǔ)上，給與學(xué)生最大程度上的自由操作空間。

1.2.2 設(shè)計(jì)流程

虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)各模塊及總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先收集和整理有關(guān)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的資料，如設(shè)備照片、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟等，然后使用3ds Max軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行初步建模及模型優(yōu)化，再結(jié)合資料對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理部分進(jìn)行動(dòng)畫制作，最后將處理好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，并完成整個(gè)系統(tǒng)的交互功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)UI頁(yè)面設(shè)計(jì)[8]。

2 實(shí)驗(yàn)室三維建模

本文中描述的虛擬電機(jī)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景主要包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型、實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型以及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模型。建模過(guò)程中需要遵照一定的操作規(guī)范，這樣才能夠確保建模精度，以此增強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的真實(shí)感。

下面以DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置為對(duì)象，對(duì)三維建模進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 使用3ds建立模型

3ds Max軟件作為美國(guó)Autodesk旗下的一款基于PC端的三維動(dòng)畫制作軟件，旨在通過(guò)逼真的三維模型和強(qiáng)大的物理引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境的模擬，該軟件具備強(qiáng)大的功能板塊，且操作簡(jiǎn)單、容易上手，因此應(yīng)用廣泛，隨著時(shí)代的發(fā)展，該軟件也逐漸應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。三維建模需要做到力爭(zhēng)還原實(shí)物細(xì)節(jié)，確保模型能夠在視覺(jué)效果上與實(shí)物相近[9]。圖2所示為DDSZ-1型實(shí)驗(yàn)裝置。

建模的基本步驟：首先觀察分析物體的結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜物體進(jìn)行各部件單獨(dú)建模，對(duì)單一結(jié)構(gòu)物體可進(jìn)行整體建模。第一步根據(jù)設(shè)備部件外形選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)幾何體，如長(zhǎng)方體、圓柱體等，根據(jù)實(shí)際比例設(shè)置參數(shù)的大小;第二步按照層級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)先順序先從較大部件進(jìn)行建模，即將該部分幾何體轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，并通過(guò)頂點(diǎn)、邊線等不同操作層級(jí)對(duì)幾何體進(jìn)行擠出、倒角等修改，不斷調(diào)整參數(shù)以達(dá)到實(shí)際物體的外觀形狀;最后將各部分組件進(jìn)行位置移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等操作，還原真實(shí)物體結(jié)構(gòu)。已建模型如圖3所示。

2.2 優(yōu)化處理

由初步模型圖可見(jiàn)，雖然完成了對(duì)設(shè)備外形的還原，但為了增強(qiáng)使用過(guò)程的真實(shí)感，還需對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理：

⑴ 對(duì)模型文件賦予材質(zhì)貼圖，要增加模型的真實(shí)感，需要對(duì)模型的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行貼圖處理，這里使用PhotoShop軟件對(duì)設(shè)備實(shí)物進(jìn)行貼圖裁取并做出優(yōu)化處理，將貼圖通過(guò)材質(zhì)球賦予到模型表面;適當(dāng)調(diào)整模型本身的光照效果，增設(shè)局部光源和整體光源，改變自身光反射參數(shù)，使模型更具真實(shí)感。優(yōu)化處理后的模型如圖4所示。

⑵ 優(yōu)化處理后的模型具有更真實(shí)的視覺(jué)效果，但對(duì)細(xì)節(jié)的過(guò)度刻畫會(huì)使模型的面數(shù)陡增，在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中會(huì)出現(xiàn)卡頓的情況，因此需要對(duì)模型部分面做遮擋剔除，并借助烘焙技術(shù)[10]將模型外觀細(xì)節(jié)加到簡(jiǎn)化處理過(guò)的模型上，保證模型精度的基礎(chǔ)上保證系統(tǒng)流程運(yùn)行。

3 三維場(chǎng)景交互

3.1 基于Unity3D平臺(tái)的人機(jī)交互

選用Unity3D引擎作為系統(tǒng)交互開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因?yàn)閁nity作為Unity Technologies開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)游戲引擎，對(duì)圖形渲染管道做出了高度的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，其最大的好處是允許配置較低的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)流暢的場(chǎng)景漫游、交互式動(dòng)畫等，且能夠構(gòu)造出高質(zhì)量的三維仿真系統(tǒng)和沉浸感更強(qiáng)的模擬體驗(yàn)環(huán)境。模型搭建完成后，將其轉(zhuǎn)換成FBX格式文件，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互，從而完成預(yù)期目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)的效果圖如圖5所示。

3.2 碰撞檢測(cè)技術(shù)

文中的系統(tǒng)交互包括對(duì)實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程等內(nèi)容的三維展示、使用者拾取實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)拆裝觀察操作。前者使用按鈕以及文本框組件，并編寫腳本即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，而后者涉及到物體間的接觸，需要借助碰撞檢測(cè)技術(shù)[11]對(duì)使用者的操作行為進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算檢測(cè)，防止出現(xiàn)交互時(shí)虛擬物體之間相互穿透的異常現(xiàn)象，例如場(chǎng)景漫游時(shí)“穿越”墻體和地面等，并能選中物體對(duì)其進(jìn)行拆裝和結(jié)構(gòu)觀察。

Unity3D中的碰撞檢測(cè)基于層次包圍盒算法，主要分為AABB立方體邊界框檢測(cè)、OBB定向包圍盒以及包圍球三種。針對(duì)本文中的實(shí)驗(yàn)室模型，層次包圍盒法通過(guò)使用構(gòu)造簡(jiǎn)單且體積略大于模型的長(zhǎng)方體作為包圍盒，碰撞檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析計(jì)算包圍盒與物體之間的相交情況，綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，AABB邊界框檢測(cè)算法在保證系統(tǒng)交互時(shí)碰撞檢測(cè)計(jì)算的一定準(zhǔn)度的前提下，實(shí)時(shí)計(jì)算量較小，能夠在硬件設(shè)備條件有限的環(huán)境下流暢運(yùn)行。

3.3 虛擬交互腳本程序

在Unity3D中要想實(shí)現(xiàn)交互功能，不僅需要給模型物體添加相關(guān)組件，同樣需要編寫相關(guān)的運(yùn)行程序，該系統(tǒng)使用C#語(yǔ)言進(jìn)行交互腳本程序的編寫。

整個(gè)系統(tǒng)中最重要的交互功能體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、參數(shù)信息等進(jìn)行觀察了解。通過(guò)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)物體可實(shí)現(xiàn)拾取和拆裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)該功能的部分代碼如下：

void Update（）

{ if （Input.GetMouseButton （0））

//表示獲取鼠標(biāo)左鍵作為輸入值，用以選中并移動(dòng)物體

{ //將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成世界坐標(biāo)

Vector3 temp=Camera.main.ScreenToWorldPoint

（new Vector3（Input.mousePosition.x， Input

.mousePosition.y， 10））;

transform.position=temp;

}

else if （Input .GetMouseButton （1））

//表示獲取鼠標(biāo)右鍵作為輸入值，用以旋轉(zhuǎn)物體

{ //getaxis（"mouse x"）獲取鼠標(biāo)移動(dòng)的距離

x += Input.GetAxis（"Mouse X"） * xSpeed * 0.02f;

y -= Input.GetAxis（"Mouse Y"） * ySpeed * 0.02f;

y = ClampAngle（y， yMinLimit， yMaxLimit）;

Quaternion ratation = Quaternion.Euler（y， x， 0）;

transform.rotation = ratation;

}

else if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）！=0）

{ //鼠標(biāo)滑動(dòng)滾輪 縮放所選物體

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）<0）

{ //范圍值限定

if （Camera.main.fieldOfView <= 100）

Camera.main.fieldOfView += 2;

if （Camera.main.orthographicSize <= 20）

Camera.main.orthographicSize += 0.5f;

}

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）>0）

{ //范圍值限定

if （Camera.main.fieldOfView > 2）

Camera.main.fieldOfView -= 2;

if （Camera.main.orthographicSize >= 1）

Camera.main.orthographicSize -= 0.5f;

}

}

4 系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，圖6所示為系統(tǒng)主頁(yè)面，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分為四個(gè)模塊：場(chǎng)景展示模塊、實(shí)驗(yàn)設(shè)備展示模塊、設(shè)備裝拆模塊和工作原理模塊[12]。通過(guò)點(diǎn)擊各模塊窗口，進(jìn)入其展示模塊。測(cè)試后各模塊功能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)測(cè)試完后，在Unity3D中在Project視圖下進(jìn)行Assets資源包的打包，在Build Setting中進(jìn)行發(fā)布配置，借助Unity軟件強(qiáng)大的系統(tǒng)兼容性可以滿足該系統(tǒng)在各大平臺(tái)下的運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

VR技術(shù)的不斷更新發(fā)展為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和電力行業(yè)培訓(xùn)帶來(lái)了極大的便利，本文借助強(qiáng)大的3ds Max建模軟件和Unity3D開(kāi)發(fā)引擎，構(gòu)建了一個(gè)較為完整的虛擬電機(jī)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)的人機(jī)交互，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方法單一、偏重于理論教學(xué)和實(shí)際操作教學(xué)部分課時(shí)較短等缺陷，很好的利用了VR這一高新技術(shù)手段，為工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)增添了趣味性，并在最大程度上避免了因場(chǎng)地和設(shè)備使用時(shí)間受限而導(dǎo)致學(xué)習(xí)勁頭不高的問(wèn)題，從而提高學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率。

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收稿日期：2021-05-25

作者簡(jiǎn)介：王大虎（1969-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

通訊作者：寧彤（1997-），男，河南人，河南理工大學(xué)電氣工程碩士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。