*基金項(xiàng)目：2020年度湖南省教育廳一般資助科學(xué)研究項(xiàng)目“基于VR技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”（20C0873）

作者簡介：康美林（1985—）,男，湖南衡東人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院教師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

鄧卉（1981—），通訊作者，女，湖南長沙人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院講師，研究方向?yàn)?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/虛擬現(xiàn)實(shí)">虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計、職業(yè)教育。

0   引言

近幾年，湖南陶瓷產(chǎn)業(yè)人才供給不足，影響了市場化和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程^[1]，需要湘瓷設(shè)計與制作專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中能夠?yàn)橄娲蓜?chuàng)新做出貢獻(xiàn)。雖然湖南省陶瓷設(shè)計與制作專業(yè)在教學(xué)實(shí)踐中使用了3ds MAX、Maya軟件、陶瓷體驗(yàn)軟件等計算機(jī)輔助技術(shù)，但是存在真實(shí)感不強(qiáng)，缺乏交互操作，同時受制于嚴(yán)苛的制作環(huán)境和設(shè)備條件，在湘瓷拉坯過程中，學(xué)生們無法對泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，在陶瓷燒制階段，也不易看到燒制時的釉色變化，難以判斷陶瓷的燒制狀況^[2]。因此，亟待設(shè)計和實(shí)現(xiàn)一個基于VR 技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，不僅能夠在實(shí)訓(xùn)過程中模擬現(xiàn)實(shí)交互操作，而且能夠提升交互感和實(shí)訓(xùn)效率。

1   相關(guān)工作

在20 世紀(jì)80 年代，美國人拉尼爾指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含計算機(jī)硬件技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)、人工智能和傳感器等技術(shù)的最新研究成果^[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有感知性、交互性、沉浸式的特點(diǎn)^[4-5]，VR 頭戴式顯示系統(tǒng)增強(qiáng)了視覺空間，有利于提高學(xué)生接受教育知識^[6]，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)發(fā)展越來越多^[7]。文獻(xiàn)[8] 提出基于Unity 3D 平臺的二次開發(fā)技術(shù)和利用Web3D 技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陶瓷產(chǎn)品的三維虛擬展示系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外運(yùn)用VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)陶瓷工藝數(shù)字化已取得相當(dāng)數(shù)量的成果，但構(gòu)建基于VR 技術(shù)的陶瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)還是一個空白。本文提出在陶瓷專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，通過構(gòu)建一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在教學(xué)實(shí)訓(xùn)過程模擬傳統(tǒng)湘瓷工藝嚴(yán)苛的物理環(huán)境，提高學(xué)生交互操作的真實(shí)感，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率，幫助湘瓷設(shè)計與制作專業(yè)更好地培養(yǎng)人才。

在湘瓷工藝仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)中，選擇Autodesk 3dsMAX、Unity 3D 和VR 設(shè)備一體機(jī)PICO 為研究工具。Autodesk 3ds MAX 是美國Autodesk 公司開發(fā)的一款基于矢量技術(shù)的三維設(shè)計軟件，不僅可以制作出逼真的三維模型和動畫，而且在三維可視化動畫和多媒體游戲等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

Unity 3D 簡稱U3D，由Unity 公司創(chuàng)建的一個實(shí)時3D 互動平臺，U3D 提供了一套相對完備的解決方案，可以讓開發(fā)者在Unity3D 平臺上輕松的構(gòu)建各種AR 和VR 作品，同時，U3D 項(xiàng)目支持跨平臺一鍵部署到游戲主機(jī)、PC、手機(jī)端、各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備^[9-10]。近幾年，VR 硬件逐漸向小型化和移動化發(fā)展^[11]，VR 一體機(jī)PICO 通過手柄和頭顯能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度（6DOF）跟蹤，VR 技術(shù)的發(fā)展為學(xué)生提供了更為高度仿真的學(xué)習(xí)互動環(huán)境^[12-14]。

2   系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能分析

湘瓷工藝仿真系統(tǒng)的主要有六大功能：登錄功能、場景展示、漫游功能、湘瓷拉坯、陶瓷燒制、學(xué)情分析。

2.1.1 登錄功能。學(xué)生輸入自己正確的賬號和密碼進(jìn)行校驗(yàn)，通過校驗(yàn)功能驗(yàn)證后可以登錄仿真系統(tǒng)，登錄成功后系統(tǒng)會緩存用戶信息，在實(shí)訓(xùn)操作過程中會可以記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)操作情況；

2.1.2 場景展示。當(dāng)佩戴VR 設(shè)備登錄成功后，學(xué)生可以感受到真實(shí)的陶瓷制作環(huán)境，處于身臨其境的感覺；

2.1.3 漫游功能。學(xué)生可以通過控制VR 設(shè)備手柄實(shí)現(xiàn)在虛擬窯爐環(huán)境中隨意移動、旋轉(zhuǎn)和漫游功能，可以沒有限制地全角度觀察陶瓷產(chǎn)品；

2.1.4 湘瓷拉坯。學(xué)生利用自身的手部運(yùn)動交互操作模擬對泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，實(shí)時修改陶瓷制作形狀。

2.1.5 陶瓷燒制。通過VR設(shè)備手柄交互式操作控制溫度，可以模擬溫度的升降，觀察溫度條變化值；可以觀察陶瓷燒制過程中釉料成色的實(shí)時狀態(tài)變化，用相關(guān)參數(shù)值控制窯爐內(nèi)所燒制的陶瓷產(chǎn)品，準(zhǔn)確把握陶瓷生產(chǎn)和研發(fā)中的各類問題并作出及時調(diào)整。

2.1.6 學(xué)情分析。通過采集學(xué)生的實(shí)訓(xùn)日志操作記錄和課程實(shí)訓(xùn)成績記錄，對比分析給實(shí)訓(xùn)教學(xué)的個性化數(shù)據(jù)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

除滿足主要功能需要外，系統(tǒng)設(shè)計還需要滿足一些非功能性需求：操作界面的友好性^[15]、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性^[16]和數(shù)據(jù)信息的安全性^[17]。針對湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計的交互目標(biāo)如圖1 所示，設(shè)計一個湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)框架，架構(gòu)整體包含3 層：展示層、服務(wù)接口層、數(shù)據(jù)持久層。

圖1 湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

展示層使用的技術(shù)棧包含3D 模型文件、Unity3D引擎組件和VR 設(shè)備渲染組件等，為場景展示和人機(jī)交互提供多維態(tài)圖形展示；服務(wù)層包含控制層（Controller）、服務(wù)層（Service）和數(shù)據(jù)持久層，控制層提供Rest 服務(wù)接口，展示層可以調(diào)用控制層的接口服務(wù)，服務(wù)層主要處理業(yè)務(wù)邏輯，控制事務(wù)管理，確保事務(wù)一致性；數(shù)據(jù)持久層為平臺提供實(shí)體引擎，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫實(shí)體對象進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)層使用SqlServer 數(shù)據(jù)庫存儲信息信息，存儲用戶信息、用戶操作、用戶成績；緩存服務(wù)使用Redis 組件，緩存用戶的登錄信息，系統(tǒng)日志采集使用Logback 組件，記錄用戶操作日志，進(jìn)而為個性化分析提供數(shù)據(jù)。

3   系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選取VR 設(shè)備一體機(jī)PICO 為展示載體，學(xué)生通過佩戴和操作VR 設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過程的學(xué)習(xí)。

3.1 模型設(shè)計與制作

通過調(diào)研長沙窯的結(jié)構(gòu)，基于數(shù)字化方式采集和設(shè)計長沙窯原型，運(yùn)用3ds MAX 三維軟件設(shè)計制作出三維虛擬窯爐的空間模型。實(shí)地考察主要物體對象的三個基本視圖：主視圖、俯視圖和左視圖的尺寸，拍照記錄材質(zhì)，利用3ds MAX 三維建模技術(shù)對主要場景對象按尺寸大小比例進(jìn)行建模，利用三維軟件給對象設(shè)置材質(zhì)。在系統(tǒng)模型設(shè)計中，主要三維模型對象包含窯、瓷器、建筑物、地形、樹、船等元素。在模型制作過程中，盡量基于標(biāo)準(zhǔn)幾何物體設(shè)計模型。在實(shí)現(xiàn)窯、船這類大模型的過程中，采用多邊形編輯技術(shù)，面數(shù)涉及多，將消耗較大的計算機(jī)渲染資源，為了降低系統(tǒng)資源開銷，同時又確保模型的精確程度和高保真效果，實(shí)現(xiàn)過程中合理降低和刪除模型的不可見面數(shù)。

為了能夠體現(xiàn)物體對象的真實(shí)色彩和凹凸真實(shí)感，給模型對象設(shè)置適量的材質(zhì)貼圖，設(shè)置法線體現(xiàn)模型的凹凸真實(shí)感。最后，將3D MAX 制作的模型文件和材質(zhì)貼圖文件一起打包導(dǎo)出放在同一個目錄文件下，模型文件的擴(kuò)展名設(shè)置為fbx 格式，以便于適應(yīng)Unity 外部資源格式要求。

3.2 場景制作

本系統(tǒng)采用Unity 2020 版本創(chuàng)建項(xiàng)目和場景，新建的項(xiàng)目需要設(shè)置Graphics API，由于PICO 設(shè)備不支持Vulkan，僅支持OpenGLES2 和OpenGLES3，因此需選擇合適的多線程渲染模式。

在新建的陶瓷燒制場景中，主要設(shè)計3 個區(qū)域：制胚區(qū)、燒制區(qū)和廢料區(qū)。首先需要將模型設(shè)計與制作環(huán)節(jié)中的fbx 格式外部資源文件夾作為外部資源導(dǎo)入到Unity3D 引擎相應(yīng)的文件夾中，確保分類一致性，然后在場景中拖拽資源對象到場景視圖，在檢視窗口調(diào)整地形、建筑物、窯、船、海、樹等對象的位置、旋轉(zhuǎn)和大小，完成三個區(qū)域的布局開發(fā)，最后給模型調(diào)整設(shè)置好材質(zhì)貼圖，陶瓷燒制場景如圖2 所示。

圖2 陶瓷燒制場景圖

在場景開發(fā)過程中，可以利用粒子系統(tǒng)模擬火焰效果，設(shè)置動態(tài)視覺效果，設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以利用引擎自身的組件構(gòu)建場景，比如使用Unity UI 組件中的Image 組件、Text 組件、InputField 組件、Button按鈕等組件，通過設(shè)置組件參數(shù)，調(diào)整組件的位置，搭建登錄場景。利用動態(tài)管理多場景技術(shù)對場景進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化，提升場景之間的切換性能和效果。

3.3 交互功能

Unity 框架提供一套API 類庫和事件系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本信息數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，編寫c#腳本實(shí)現(xiàn)調(diào)用VR 設(shè)備的SDK 接口控制人機(jī)交互。用戶登錄系統(tǒng)時，用戶輸入賬號和密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，系統(tǒng)需要通過監(jiān)聽事件系統(tǒng)獲取到UI 輸入框和交互按鈕的變化事件，再回調(diào)函數(shù)中擴(kuò)展功能，通過編寫腳本事件訪問數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫用戶信息進(jìn)行對比校驗(yàn)，驗(yàn)證用戶是否合法，認(rèn)證成功，通過編寫場景加載方法切換進(jìn)入主場景，同時用戶認(rèn)證的信息寫入緩存系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)漫游功能時，給空對象設(shè)置角色控制器、剛體組件，添加攝像機(jī)組件，通過編寫腳本擴(kuò)展組件，實(shí)現(xiàn)控制角色控制器的前、后、左、右移動功能。針對模擬現(xiàn)實(shí)生活中人物不能穿透建筑物等功能，使用Unity引擎的碰撞組件，給模型對象設(shè)置Mesh Colider 等組件就能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測和觸發(fā)檢測功能。通過編寫腳本組件控制Unity3D 音頻的播放和關(guān)閉、音頻音量的大小變化，為場景增加聲效。

在實(shí)現(xiàn)湘瓷拉坯功能中，基于VR 設(shè)備的SDK 編寫交互設(shè)計，通過交互腳本獲取VR 設(shè)備的動作變化實(shí)現(xiàn)對泥料的操作。在陶瓷燒制功能實(shí)現(xiàn)中，交互腳本擴(kuò)展組件實(shí)現(xiàn)溫度的升高或降低變化，同時溫度條的紅條數(shù)值發(fā)生變化，火焰粒子的大小也跟隨變化，當(dāng)溫度或時間達(dá)到一定閾值時，燒制時的釉色將會發(fā)生變化，學(xué)生容易判斷陶瓷的燒制狀況。

在實(shí)現(xiàn)學(xué)情分析功能中，學(xué)生的功能操作記錄都通過編寫的框架腳本組件記錄保存寫入數(shù)據(jù)庫表中，實(shí)訓(xùn)操作成績寫入成績表中，學(xué)生的日志操作通過Logback組件記錄到文本文件，通過結(jié)合用戶信息和操作信息，生成實(shí)訓(xùn)教學(xué)的提供個性化報告數(shù)據(jù)。

3.4 交互優(yōu)化

Unity 提供了動態(tài)碰撞檢測、觸發(fā)檢測和射線檢測3種檢查方式，本系統(tǒng)針對三維空間的溫度控制采用射線檢測和碰撞檢測兩種方式先后判斷是否命中目標(biāo)系統(tǒng)測試，最后在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中采用優(yōu)化射線檢測的方式，其中假定Origin 是射線的源點(diǎn)，Direct 代表射線的方向，射線可表示為P(t)=Origin + t * Direct，射線碰撞檢測實(shí)現(xiàn)如下：

4   應(yīng)用分析

將應(yīng)用部署到VR 設(shè)備，學(xué)生們帶上VR 設(shè)備一體機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制的陶瓷燒造工藝流程。本文對原陶瓷體驗(yàn)軟件和VR 湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，對班級30 位同學(xué)采用問卷調(diào)查，統(tǒng)計其對實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)和時間效率的滿意度評分，采用百分比值，結(jié)果取平均值，評價結(jié)果如表1 所示。

表1 滿意度平均分對比

從表1 可見，學(xué)生們對于湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的滿意度明顯高于原陶瓷體驗(yàn)軟件。

本文另外對湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的碰撞檢測與優(yōu)化射線檢查兩種方法在時間和交互成功次數(shù)上進(jìn)行比較，每個算法選取10 組用戶，操作交互功能10 次，時間的結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，成功率結(jié)果取百分比值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 交互時間對比

表3 交互成功率對比

從表2 可見，優(yōu)化射線檢測的交互速度明顯快于碰撞檢測，能夠進(jìn)一步的提高交互效率。從表3 可見，優(yōu)化射線檢測的交互穩(wěn)定性優(yōu)于碰撞檢測。通過上述實(shí)驗(yàn)對比分析，可見本系統(tǒng)優(yōu)于原陶瓷體驗(yàn)軟件，本系統(tǒng)選擇的優(yōu)化射線檢測優(yōu)化提高了交互效率和質(zhì)量。

5   結(jié)束語

本文對湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的VR技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計一個湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，最后將湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)部署到VR 一體機(jī)PICO 設(shè)備上。湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了湘瓷工藝嚴(yán)苛的物理環(huán)境，具有沉浸感，交互效率高，提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）