VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)探討

薛巖

摘要：本文主要以VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)為重點進行闡述，首先分析VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計背景，其次從整體組成結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計、創(chuàng)設(shè)虛擬實驗?zāi)Ｐ?、渲染三維模型、運作UI界面幾個方面深入說明并探討VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的思路，進一步闡述VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)的存在價值，讓教學(xué)過程順利進行，旨意在為相關(guān)研究提供參考資料。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗系統(tǒng);VR技術(shù);設(shè)計思路

VR技術(shù)逐步成熟化發(fā)展，應(yīng)用的范圍有所擴展，尤其是教育領(lǐng)域，依托VR技術(shù)的優(yōu)勢強化教學(xué)成效。立足于VR技術(shù)的實際特征，結(jié)合課程結(jié)構(gòu)體系與教學(xué)大綱需求，設(shè)計完整的VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)，促使學(xué)生更多的掌握專業(yè)知識與技能。教師要借助此項技術(shù)給學(xué)生真實呈現(xiàn)仿真實驗過程，提供真實化的實驗設(shè)備操作場景，對學(xué)習(xí)內(nèi)容充分展現(xiàn)，凸顯教學(xué)實踐的多樣性與靈活性。

一、VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計背景

《事故管理與應(yīng)急處置》是一門重要的課程，實驗過程的材料相對特殊，且設(shè)備數(shù)量匱乏，那么不能實現(xiàn)學(xué)生自主操作實驗。利用VR虛擬仿真系統(tǒng)，重現(xiàn)事故產(chǎn)生和發(fā)展過程，學(xué)生通過VR眼鏡了解多樣化的環(huán)境，開展目的性訓(xùn)練活動，擴展學(xué)生對事故知識的掌握范圍。以往的課程教學(xué)，學(xué)生僅僅是死記硬背事故管理的關(guān)鍵點，不能真正掌握事故應(yīng)急處置的原則，對應(yīng)實踐技能培養(yǎng)需求提升。在虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)上，學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺，在平時訓(xùn)練中積累事故管理與處置的環(huán)節(jié)，發(fā)揮潛能適應(yīng)事故處理對學(xué)生處理問題能力的需求，巧妙的處置應(yīng)急事故，讓應(yīng)急事故的處理成效不斷強化。對于“氯氣泄漏事故處置”實驗，明確仿真功能和實現(xiàn)流程，全面體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，學(xué)生可更多的了解氯氣理化特征、儲罐結(jié)構(gòu)與事故處置的要點，針對性采取事故處置方案，提高教學(xué)有效性。并且借助VR虛擬實驗仿真系統(tǒng)，模擬經(jīng)典事故的變動，組織學(xué)生參與人機交互學(xué)習(xí)流程，把自身置于突發(fā)場景與復(fù)雜場景，針對性的訓(xùn)練知識技能，提升學(xué)生對事故危險性的掌握。

二、VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的思路

（一）系統(tǒng)設(shè)計思路。1.整體組成結(jié)構(gòu)。在設(shè)計“氯氣泄漏事故處置”教學(xué)活動中，設(shè)計的仿真實驗系統(tǒng)應(yīng)包含30個學(xué)生，把五人或者六人劃分相同的小組，教師給學(xué)生介紹理論知識，確保理論知識和實踐操作互相結(jié)合，帶給學(xué)生一定的感知和真實體驗，樹立學(xué)生動手實踐意識，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性可提升。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)可劃分三個層面，第一個層面便是用戶操作、第二個層面便是虛擬場景、第三個層面便是數(shù)據(jù)存儲，實際情況如圖一。

其一是用戶操作層，操作層通過VR實踐過程引導(dǎo)學(xué)生進行動作，組織學(xué)生佩戴VR眼鏡加入課程活動，結(jié)合語言表示，學(xué)生利用VR眼鏡觸控板明確UI界面和場景內(nèi)人物操作流程，利用生產(chǎn)辦公室得到液氯泄漏報警資料，隨后按照提示挑選防護裝備，完善液氯泄漏體系，收集廠房中毒人群的信息加以急救處理，全部的操作完成后，學(xué)生自主選取離開是否。其二是虛擬場景層，按照諸多游戲?qū)ο髣?chuàng)設(shè)場景，游戲?qū)ο笊婕敖缑婀潭?，適當(dāng)增加諸多組件，尤其是渲染、腳本、物理與位置等相關(guān)組件。嘗試改變界面外觀，在著色器的運用下渲染顯著的游戲?qū)ο蟪尚А＝Y(jié)合渲染元素畫布以及元素事件，構(gòu)建3D虛擬場景。軟件Unity?3D元素比較多，即文本控件、布局組件、音頻組件、渲染組件與導(dǎo)航組件，控件科學(xué)規(guī)范搭配創(chuàng)設(shè)界面，體現(xiàn)VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)的靈活性與科學(xué)性。其三是實驗信息存儲層，對于存儲層而言，其包含著學(xué)生實踐操作的所有行為數(shù)據(jù)，借助MySQL數(shù)據(jù)庫，能夠測評學(xué)生實驗內(nèi)的報告信息與存儲信息，便于后階段教師把信息數(shù)據(jù)視作評估教學(xué)效率的依據(jù)，時效性優(yōu)化試驗系統(tǒng)功能，內(nèi)化實踐教學(xué)內(nèi)容。

2.功能設(shè)計。其一是硬件系統(tǒng)，VR虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)包含硬件系統(tǒng)，以智慧教室設(shè)備為主，學(xué)生學(xué)習(xí)時運用VR頭盔與眼鏡，通過電子設(shè)備和電子白板了解所學(xué)知識。教學(xué)過程中，相關(guān)硬件設(shè)備彼此之間配合，教師能夠充分講解操作的流程，讓學(xué)生自主解決問題。其二是軟件系統(tǒng)，即VR運用資源以及學(xué)習(xí)內(nèi)容，開發(fā)對應(yīng)的實踐活動與實訓(xùn)內(nèi)容，明確備課環(huán)節(jié)與授課環(huán)節(jié)，借助云端呈現(xiàn)知識體系，定時對課程資源的練習(xí)題進行發(fā)布，得到學(xué)生學(xué)習(xí)反饋信息。

（二）實現(xiàn)思路。1.創(chuàng)設(shè)虛擬實驗?zāi)Ｐ?，在演示真實的環(huán)境中，依托實驗設(shè)備與實驗場景構(gòu)建三維模型，利用軟件Solid?Works對模型進行構(gòu)建，在Deep的轉(zhuǎn)換文件格式設(shè)置下把信息數(shù)據(jù)納入在3D資源文件庫內(nèi)，完成實驗?zāi)Ｐ偷膭?chuàng)設(shè)。2.渲染三維模型，給予已經(jīng)形成的三維模型，依托3D軟件渲染形式充分渲染，實現(xiàn)良好的美化操作。渲染工作有：辦公室中工作者渲染外關(guān)、裝備標(biāo)注，即防化服設(shè)備、橡膠手套設(shè)備與呼吸器設(shè)備;液氯泄漏模塊內(nèi)渲染儲罐、渲染儲罐附近環(huán)境、渲染廠房外風(fēng)向標(biāo)、渲染警戒標(biāo)識。3.運作UI界面。VR虛擬仿真課程實踐，界面選取與人物設(shè)置以及設(shè)備選定，這些都是借助眼鏡呈現(xiàn)的，具體操作是移動界面中的光標(biāo)與眼鏡觸控板，界面有課程標(biāo)題模塊、防護裝備模塊、其他類型設(shè)備模塊、應(yīng)急指令模塊、場景標(biāo)識模塊與結(jié)束提示模塊。對眼鏡界面光標(biāo)進行移動，促使其和UI界面充分重合，后續(xù)觸壓系統(tǒng)邊側(cè)的觸控板，落實界面選定。人物和設(shè)備的選擇，思考中毒人群、需要疏散人群、風(fēng)向標(biāo)項目、螺紋木塞的配置等，移動界面光標(biāo)，讓光標(biāo)和人物與設(shè)備模塊重合，后續(xù)觸壓觸控板，進行中毒人群疏散、廠房周圍人員轉(zhuǎn)移、儲罐泄漏處理、明確風(fēng)向與噴淋稀堿溶液，由此完成VR技術(shù)的虛擬仿真實驗過程，提高課程教學(xué)的質(zhì)量。

三、結(jié)束語

綜上所述，本次分析中進行VR虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計，即便可初步落實基礎(chǔ)功能，在仿真實驗中結(jié)合實踐操作，可學(xué)生具體的應(yīng)用和反饋中， 依舊呈現(xiàn)部分問題。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計不夠全面化，系統(tǒng)僅僅支撐單人學(xué)習(xí)形式，不可實現(xiàn)多人同步操作目的，因此后期應(yīng)深層次的整合與完善。

參考文獻：

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