《电子技术应用》
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基于VR技术的培训系统设计与实现
2018年电子技术应用第10期
刘 进,张鹏望
中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局,云南 大理671000
摘要: 随着计算机技术和虚拟技术的发展,虚拟现实技术已经被广泛的应用到建筑、医学、电力、航空航天、军事等各个领域的培训学习和模拟中。使用虚拟现实技术可以在有限的空间内模拟无限的空间环境,同样可以让很多危险的操作在绝对安全的情况下进行还原,还可以完美地还原各种环境使得体验者进行沉浸式交互体验,而且可以进行反复作业培训,深入学习。介绍了一种基于虚拟现实培训系统的设计与实现方案,此方案已经开始在中国南方电网中推广应用,并取得良好效果。
中图分类号: TP391.9
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182387
中文引用格式: 刘进,张鹏望. 基于VR技术的培训系统设计与实现[J].电子技术应用,2018,44(10):102-105.
英文引用格式: Liu Jin,Zhang Pengwang. The design and implementation of training system based on virtual reality technology[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(10):102-105.
The design and implementation of training system based on virtual reality technology
Liu Jin,Zhang Pengwang
Dali Bureau,CSG EHV Transmission Company,Dali 671000,China
Abstract: With the development of computer technology and virtual technology, virtual reality technology has been widely applied to training, learning and simulation in many fields, such as architecture, medicine, electric power, aerospace, military,etc. By using virtual reality technology, people can simulate a limitless virtual space in a limited real space and people can also restore many dangerous operations in an absolutely safety condition. In the various environments simulated by virtual reality technology, the experiencer can obtain immersive interactive experience, and can keep repeating training, and can study in-depth. This article mainly introduces the design and implementation of the virtual reality training system which has been promoted and applied in China Southern Power Grid Company Limited and has got a good effect.
Key words : virtual reality technology;training;immersive;interactive

0 引言

    很多企业正在面临着昂贵的设备检修学习,传统的培训中使用模拟机进行模拟检修或者使用视频教学的方式进行教学,而模拟机或者真机操作首先会造成设备磨损,并且每次学习后都需要较长的时间进行设备还原等操作[1]。而电力行业中的作业集环境不可确定、作业流程复杂、作业内容危险等各种问题于一体,对作业人员的作业水平要求很高,因此电力行业中的工作人员需要大量的培训来完善提升其工作技能,解决人员在实际作业中遇到的一些问题。但是现实中的培训内容通过对受训人员来说不生动,无法实际操作,不能加深培训印象成了现在电力行业培训的一大难点,在新技术层出不穷的年代,电力行业急需一套针对于此行业培训的新体系。本系统中采用虚拟现实技术是一项具有交互性的且沉浸感极强的人机交互系统,体验者可以通过头戴显示器、定位追踪器等设备于计算机进行交互。通过计算机技术创造一个虚拟世界,通过视觉、听觉等反馈给体验者,使其沉浸其中,并且是一种可交互式仿真环境系统[2-3]。对电力行业不可确定的环境、复杂的作业流程,危险的作业内容进行模拟,让受训人员在沉浸感很强的虚拟世界中的快速提升电力作业技能。使用虚拟现实技术可以把所有设备进行1:1还原模拟,体验者可以直接在虚拟环境中对相应的设备进行学习,并且程序可复用,可以在很短的时间内进行反复操作。

    基于虚拟现实技术的培训系统具有沉浸性、交互性、感知性和安全性等特征,而且传统的培训方式是无法比拟的。目前在现有的行业中很多企业已经使用虚拟现实技术进行员工培训了,而且虚拟现实技术已经成为未来培训的一种趋势。

    很多安全事故在传统的培训中普遍采用视频教学的方式进行灌输培训,而虚拟现实技术可以把历史事故进行完美还原,让员工在安全的环境下进入事故现场进行学习,从而加深对事故的认知和应变能力[4]

    在虚拟现实系统可以在一个有限的空间中制造一个无限空间的人造环境,并且通过三维建模的方式1:1还原真实环境并呈现给体验者,而且多种硬件设备相结合使用可以使体验者完美地沉浸到虚拟世界中进行人机交互[5]。在很多企业中,很多员工可能需要面对不同危险程度的工作,所以熟练的操作技巧、灵敏的反应能力和严谨的安全意识是必不可少的。

1 虚拟现实培训系统的结构

    虚拟现实系统的结构如图1所示,整个系统由使用人员、硬件终端、软件平台、培训环境组成。

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1.1 虚拟现实体验终端

    虚拟现实体验终端目前在国内外推出的比较成熟的产品已经有很多了,其中包括移动端设备、PC端设备以及体感类设备等,如图2所示。具体介绍如下:

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    (1)移动端设备

    大多数移动端虚拟现实设备都只有方向追踪,通过嵌入式陀螺仪来跟踪方向,并且交互外设相对较少,所以比较适合进行展示类课件体验。

    (2)PC端设备

    PC端虚拟现实设备中比较成熟的采用的都是使用方向追踪+位置追踪,通过位置追踪设备捕获到体验者的实际位置,并且同步到虚拟场景中,依托强大的计算机系统和交互类配件来进行人机交互。

    (3)体感设备

    在虚拟现实环境中可以通过程序来完美的模拟出一些失重、移动、旋转等效果,而体验者通过显示设备可以在视觉上感知出相应的效果,但是人的大脑往往会因思想和肢体不协调而导致一些效果无法深刻地感受,此时结合一些可以使人肢体上也得到相应感受的动感设备可以大幅度增加体验者的体验效果,从而使得培训效果更佳。

1.2 虚拟现实培训课件技术

    虚拟现实课件的底层技术包括了虚拟现实建模技术与虚拟现实场景开发技术两模块,两者缺一不可。通过构建的虚拟模型搭建出虚拟的场景,而在场景终的拿、走、放等一系列的动作则是需要有场景开发技术的参与,二者相辅相成,才能完成虚拟与现实的结合。

1.2.1 虚拟现实建模技术

    虚拟现实技术是一个由计算机在数字空间中模拟真是世界的展示形式,为了突出其真实的沉浸感,建模技术起到了非常重要的作用。

    首先是几何建模:在形状上虚拟现实建模采用的是真实环境资源采集,或者直接使用工业制作图纸设计出来的1:1还原的模型,在外观上采用的是真实设备的外观色泽进行材质收集,并且附加在模型上,使得体验者在虚拟世界中可以直观地看到一个被还原的真实世界。

    其次是动作模型:几何模型可以给人一个静态的虚拟环境,而附加上动作特征之后才会使得环境更为真实,移动、旋转、缩放、改变外形以及一些类人动作是必不可缺的,使用真实动作还原给虚拟世界添加真实性。

    最后是物理建模:在几何模型和动作模型相结合的状态下,虚拟的环境已经可以给人一种真实的身临其境的感觉了,但是为了模拟出真实环境中由于一些误操作等原因造成的严重后果,此时需要使用一些物理特性(包括惯性、重力、硬度、变形等)和粒子系统(包括火焰、冰雪、风雨、山河、湖泊等)现象,使得虚拟世界可以更真实地还原一个生态系统。

1.2.2 虚拟现实课件开发平台

    为实现需要的功能,通过计算机技术将这些资源整合成一个三维、可视化、可交互的虚拟现实软件,首先需要根据业务进行资源整合。

    首先进行场景设计、交互流程设计、原型设计、视觉设计、建模设计、声音、角色等。

    然后选择开发设计需要的工具:Photoshop、3dsMax、MAYA、C4D、Unity3D等。制作过程中遵循交互、视觉、声音、反馈等设计原则并建立对应软件的设计规范,根据需要制作的软件选择适合每个环节的人员进行指责划分进行实施制作。

    最后制作完成后进行系统测试,根据初始需求进行功能测试保证每一个环节的合理、符合实际并且可以满足需求。

    本文以使用Unity3D引擎进行虚拟现实程序开发为例进行描述,采用的Unity3D引擎开发的大致流程如图3所示。

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    (1)首先确定培训内容,根据内容进行需求收集和分析,根据需求对相应的业务进行了解学习,然后根据业务内容和需求制定详细的设计方案。

    (2)进行美术资源收集,根据培训内容收集对应的美术素材,包括模型收集、材质收集以及动作收集等。

    (3)进行美术制作,使用3DMAX进行建模,同时使用PS等工具进行材质贴图制作,然后再需要动作的模型上添加骨骼动画,最后导出Unity所支持的FBX格式或者OBJ格式。

    (4)将建立好的模型进行场景搭建,首先对场景进行搭建,然后根据实际环境进行灯光搭建,根据不同的平台进行模型类别设计,然后进行场景环境优化以达到最佳效果,最后进行镜头效果处理并使用头盔进行实际效果展示。

    (5)程序设计,根据教学内容进行交互效果设计,包括主动交互和被动交互,根据展示平台进行SDK选择,涉及到交互的需要根据实际动作和交互内容进行交互设计,最后和培训系统进行对接。

    制作完成后根据所需平台和交互内容对整个内容进行优化配置,然后输出对应的平台版本,根据所需平台进行相应的测试工作。

1.3 虚拟现实课件管理平台

    虚拟现实课件管理平台架构图如图4所示。

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    由图4可以看出,虚拟现实课件管理平台包括系统功能、资源管理、培训管理3个主要功能。培训管理将培训计划、培训教室、培训课程、培训过程及结果透明化,使培训管理人员和参与培训人员都有一个整体的培训了解和把控,旨在提升培训质量,提高培训效果;资源管理实现对课件内容的管理功能以及课件发布功能,对课件等资源进行统一管理,同时实现对培训过程终端的控制功能,包含课件等资源的下载、播放暂停等功能;系统基础功能模块实现对参与培训人员和培训管理人员的基础管理功能,并实现培训计划、培训教室、培训成绩管理以及统计分析等功能。

    (1)系统功能

    系统功能由用户管理、角色管理和权限控制三部分组成。

    相关企业可以通过用户管理来添加删除参训人员与指导人员。

    根据参训人员的工作来进行角色管理达到术业专攻的目的。

    根据相关角色和用户来进行权限分配,指导师会有指导权限,而参训人员也有相应的操作权限。

    (2)资源管理

    需要根据企业发展和规划可以随时进行课件的增删改查,所以作为一个完整的系统,课件的管理是不可缺少的。

    为了避免参训设备的繁琐操作,在相应权限的终端上进行课件推送发布可以使得参训人员更直接地对相应的课程进行学习。

    为了更好地对参训人员进行指导学习,指导人员可以和参训人同步进行观看,而指导人可以控制参训人员所操作的终端以达到更好的观看学习效果。

    (3)培训管理

    参训人员在训练过程中,指导人员可以通过相应的面板来管理参训人员的实时进度或者掌握情况等信息。

1.4 培训环境

    虚拟现实培训系统的培训环境包括基础环境与教室环境两大部分,两个环境确定了培训的规模、成效等,下面是对两个环境的详细描述。

1.4.1 虚拟现实培训系统基础环境

    虚拟现实的基础系统由服务器、网络设施、数据库、操作系统、基础软件组成。其中服务器的操作系统为Windows Server,部署mySql数据库,采用两台机架式服务器,实现双机热备功能。网络环境采用千兆以太网络,保证每个VR终端的接入带宽不低于1 000 Mb/s。

1.4.2 虚拟现实培训系统教室环境

    虚拟现实培训的教室环境分为虚拟现实展示类教室与虚拟现实交互类教室两大类,具体描述如下:

    (1)虚拟现实展示类教室

    展示类教室通常不需要预留交互空间,体验者只需要带上设备进行展示内容观看即可,所以该类型教室单人使用面积只需要1 m2左右。

    (2)虚拟现实交互类教室

    交互类教室可根据虚拟现实设备进行场地规划,由于涉及到体验者的自由移动空间以及交互空间,所以建议空间最好不小于2 m×2 m。

2 电力行业应用

    本套虚拟现实培训系统中的交互式培训体系经过在中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局的应用,得到了公司内受训员工的一致好评。本次交互式培训体系的硬件应用参数与行业内的对比如表1所示。

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    通过参数比较可知,该虚拟现实硬件设备领先于行业要求标准,为以后的培训课件应用打下了扎实的基础。

3 结束语

    在电力行业中学习培训是避免事故发生的有效方法之一,也是有效提升工作能力的方法之一,而使用虚拟现实技术进行培训可以使得许多真实环境下难以实现的培训变成可能,并且给培训带来了质的改革。本文介绍了该款虚拟现实系统的组成结构,并阐述了一款虚拟现实技术培训系统在企业培训中相对传统培训的一些优势,后期在与培训切合的课件上进行一系列的内容积累,会使该培训系统更加完善。

参考文献

[1] 刚家林.虚拟现实技术在电力培训中的应用[J].科技创新导报,2016,13(23):102-102.

[2] 陈琦丽,李波,蔡建平.虚拟现实技术及其应用[J].凿岩机械气动工具,2000(3):40-42.

[3] 刘璐,李继鸣,张宁.基于物联网技术的虚拟现实管理平台的研究与实现[J].数字通信世界,2016(8):108.

[4] 徐忠,石磊.虚拟现实技术在教育培训的应用[J].广播电视信息,2008(12):25,34-36.

[5] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):238-240.



作者信息:

刘  进,张鹏望

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局,云南 大理671000)