船舶分油機(jī)虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

摘 要：在互聯(lián)網(wǎng)+教育的不斷融合下，為改善高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件，研究基于3DS max軟件對(duì)船舶分油機(jī)各零部件的三維建模，再利用仿真軟件進(jìn)行配置與渲染，制作船舶分油機(jī)虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)。既能增強(qiáng)學(xué)習(xí)的直觀性、趣味性和互動(dòng)性，又能節(jié)省教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：虛擬拆裝；3D交互系統(tǒng)；船舶分油機(jī)；設(shè)計(jì)與制作

引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在互聯(lián)網(wǎng)+教育的不斷融合下，為改善高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件、改革教學(xué)方法、更新實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容、提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平，把3D虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)訓(xùn)教學(xué)已成為一種趨勢(shì)。船舶分油機(jī)虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)突破了原有課程實(shí)訓(xùn)的界限，不僅節(jié)約了教學(xué)成本，還增加了教學(xué)設(shè)計(jì)性、趣味性及創(chuàng)新性，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維與興趣。虛擬仿真的3D交互系統(tǒng)為學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)分油機(jī)的拆裝創(chuàng)造了良好的條件，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)。

1 現(xiàn)狀分析

（1）國(guó)外研究現(xiàn)狀：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早是由美國(guó)VPL公司Jaron Lanier提出，并逐漸被用于各領(lǐng)域研究。美國(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究主要集中在感知，應(yīng)用軟件和硬件等方面。美國(guó)宇航局（NASA）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站的實(shí)時(shí)仿真，并且建立了衛(wèi)星維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)和空間站訓(xùn)練系統(tǒng)。目前他們正在打造數(shù)百顆虛擬行星，代表在遙遠(yuǎn)的星系內(nèi)圍繞恒星運(yùn)行的天體，到太陽(yáng)系外尋找類似地球的行星。這些虛擬行星將被用軟件“播下”生命的種子，歷經(jīng)千萬年演繹進(jìn)化后，研究生命的發(fā)展軌跡。北卡羅來納大學(xué)（UNC）在分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等方面取得較大成就，并且開發(fā)出幫助用戶在復(fù)雜視景中建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的并行處理系統(tǒng)，叫做像素飛機(jī)（Pixel planes）。美國(guó)布法羅大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室研制成功青蛙解剖軟件，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，實(shí)驗(yàn)員就可“拿起手術(shù)刀”剖開青蛙的皮膚看到其內(nèi)部器官，隨時(shí)通過內(nèi)視鏡觀察青蛙的消化道，或細(xì)致的研究神經(jīng)和血管。英國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家大學(xué)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)用性研究與開發(fā)中也取得了很大的成果。（2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：21世紀(jì)初期，我國(guó)航海類高等高校大學(xué)生也開始了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究并且取得了成果，但是仍然跟歐美國(guó)家有一定的差距。目前，我國(guó)航海類高等學(xué)校的大學(xué)生根據(jù)自身特點(diǎn)和條件，在一系列相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)方面主要取得了以下方面的成就：大連海事大學(xué)、上海海事大學(xué)、集美大學(xué)等航海類高等院校都根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到輪機(jī)模擬器研究中去，實(shí)現(xiàn)了學(xué)員通過電腦虛擬環(huán)境對(duì)機(jī)艙的設(shè)備進(jìn)行操作，大大提高了學(xué)習(xí)效率，但以上研究大多是在2D環(huán)境下進(jìn)行。綜上，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶仿真系統(tǒng)的研究較多，但大多局限于設(shè)備原理和操作過程的演示，比較缺乏拆裝交互性研究。因此，通過船舶分油機(jī)虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，將有助于高職航海類學(xué)生交互和泛在學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效果。

2 研究意義

本項(xiàng)目主要突出應(yīng)用研究，良好交互和真實(shí)的用戶視覺體驗(yàn)，能夠使學(xué)習(xí)者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與構(gòu)思，是對(duì)學(xué)習(xí)方法與學(xué)習(xí)手段更新的一種嘗試。該系統(tǒng)不僅能充分展示船舶分油機(jī)復(fù)雜的拆裝過程，又能夠節(jié)省教學(xué)資源，滿足交互性、實(shí)時(shí)性和實(shí)用性，提高學(xué)習(xí)效率。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)效性：該交互系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的實(shí)操受到時(shí)間和空間上的制約，學(xué)生可以在課后隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練。（2）安全性：使用船舶分油機(jī)虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)，可以安全地進(jìn)行實(shí)際操作中無法進(jìn)行的故障和突發(fā)事件的訓(xùn)練，而不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，也不會(huì)對(duì)人員構(gòu)成危險(xiǎn)。（3）實(shí)時(shí)性：隨著船舶分油機(jī)的更新?lián)Q代，利用該交互系統(tǒng)只需要更改模型或者重新編寫代碼即可，節(jié)約了設(shè)備更新的費(fèi)用。（4）趣味性：船舶分油機(jī)虛擬拆裝3D交互系統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，很多時(shí)候更像是在玩游戲，具有一定的趣味性，提高了學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（5）新穎性：船舶分油機(jī)虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的實(shí)操課的學(xué)習(xí)模式，推動(dòng)了學(xué)習(xí)模式向著信息化的方向發(fā)展。

3 研究?jī)?nèi)容及過程

以當(dāng)前船舶主流分油機(jī)類型為研究對(duì)象，根據(jù)船舶實(shí)際操作，開發(fā)可用于實(shí)際學(xué)習(xí)的船舶分油機(jī)虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)。其主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）數(shù)據(jù)采集：分油機(jī)的模型要以用戶視覺體驗(yàn)的沉浸感為目標(biāo)，包括模型的材質(zhì)、貼圖等方面，都必須基于真實(shí)的物體，才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。由于課題組成員無法去船上參觀具體設(shè)備，因此必須采集相關(guān)的影像或者圖片資料。數(shù)據(jù)采集也是課題研究的基礎(chǔ)所在。（2）虛擬場(chǎng)景搭建：本課題中的研究對(duì)象是船用分油機(jī)，按照實(shí)際資料搭建出模型，先進(jìn)行區(qū)域劃分，再以各區(qū)域?yàn)閱挝贿M(jìn)行建模，最后再將各部分模型進(jìn)行整合。在最接近真實(shí)物體的前提下，研究出面數(shù)最優(yōu)的建模方法，以減少系統(tǒng)的消耗。（3）貼圖及場(chǎng)景優(yōu)化：貼圖處理的目標(biāo)是用最小的貼圖尺寸顯示最多的內(nèi)容，本課題采用最小化貼圖尺寸、提高貼圖重用度和光影烘焙的方式進(jìn)行貼圖優(yōu)化，在控制貼圖尺寸的同時(shí)保證了貼圖表現(xiàn)內(nèi)容的視覺效果。（4）虛擬3D交互功能：虛擬交互功能是本課題研究的一個(gè)重要部分。在完成搭建虛擬場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中的多視角漫游和碰撞檢測(cè)功能?；诮缑娴慕换ィ粌H完成了現(xiàn)實(shí)世界中的人對(duì)系統(tǒng)的控制，也將虛擬世界中的相關(guān)信息準(zhǔn)確地反映出來，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的交互。通過鍵盤按鍵控制虛擬角色的運(yùn)動(dòng)和攝像機(jī)視點(diǎn)的轉(zhuǎn)換使得對(duì)虛擬世界的觀察更為自由。（5）使用效果評(píng)價(jià)：在具體的教學(xué)過程中進(jìn)行試用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)。

主要研究過程如圖1所示：

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)“船舶分油機(jī)虛擬拆裝的3D交互系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與開發(fā)，加入了交互環(huán)節(jié)，并且以三維立體的形式全方位展示設(shè)備，最大程度上真實(shí)地模擬了分油機(jī)。良好交互和真實(shí)的用戶視覺體驗(yàn)，能夠使學(xué)習(xí)者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與構(gòu)思，是對(duì)學(xué)習(xí)方法與學(xué)習(xí)手段創(chuàng)新的一種嘗試，不僅能夠解決以往理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)脫節(jié)的問題，改善學(xué)習(xí)中許多難以到位或根本學(xué)不到位的弊端。而且節(jié)省教學(xué)資源，滿足交互性、實(shí)用性和趣味性，提高學(xué)習(xí)效能。

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作者簡(jiǎn)介：張帥（1995-），男，高職學(xué)生，研究方向?yàn)樘摂M仿真技術(shù)。

梁恩勝（1980-），男，碩士，講師，研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程。