基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)開發(fā)與應用.doc

基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)開發(fā)與應用 陳滿戴鈞 （湖北省科技信息研究院湖北武漢） 摘要：結(jié)合企業(yè)實際培訓需求，提出基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)的總體設計。系統(tǒng)由虛擬場景和培訓功能兩大模塊組成。該系統(tǒng)結(jié)合機電設備和培訓信息數(shù)據(jù)建立培訓、學習、考核可視化三維場景，實現(xiàn)了培訓區(qū)域虛擬漫游，實時導航和設備操作交互控制的功能。系統(tǒng)的運用可以進一步提高企業(yè)對設備的保養(yǎng)維護能力、基礎故障排查能力和檢修能力，減少因設備錯誤使用及操作不當造成的損失。 關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；培訓；系統(tǒng)；交互式；開發(fā) ：G434：51448 隨著信息化技術的快速發(fā)展，越來越多的信息化技術被運用到實際生產(chǎn)中，促進了與制造業(yè)傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，由此引發(fā)了數(shù)字化工廠概念的提出，構建信息化技術高度集成的技能培訓系統(tǒng)已成為我國制造業(yè)信息化領域研究的熱門課題。將虛擬現(xiàn)實技術運用于實際生產(chǎn)培訓，開展構建技能培訓系統(tǒng)的研究便是其中之一。 結(jié)合工廠技能培訓的實際需求，明確工廠操作人員技能培訓的實際難點和重點，研究開發(fā)出基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字化技能培訓系統(tǒng)。并集成運用工業(yè)技術，開發(fā)出具有虛擬場景漫游、實時導航、操作信息展示、考核信息數(shù)據(jù)查詢和實時監(jiān)控等功能為一體的完整的數(shù)字化技能培訓系統(tǒng)。實現(xiàn)了技能培訓的可視化、實用化、智能化目標。 虛擬現(xiàn)實技術 虛擬現(xiàn)實技術中的“現(xiàn)實”泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現(xiàn)的，也可以是實際上難以實現(xiàn)的或根本無法實現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的。 基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)總體設計 技能培訓系統(tǒng)中的個性化模塊設置，可以再現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的任一可視化有序步驟，如產(chǎn)品裝配過程、產(chǎn)品加工過程等，需要人工裝配的大型設備，前期的人員培訓，可能僅有圖片或者裝配卡片形式的培訓方式，不能在有效時間內(nèi)對人員進行系統(tǒng)化的講解，而三維虛擬技能培訓系統(tǒng)中所嵌入的獨立產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)、設備操作模塊，便能形象地對加工、裝配、操作過程進行一個詳細的再還原，對于參訓人員的培訓工作，起到了強有力的輔助甚至主導作用。 虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)將實物通過虛擬現(xiàn)實技術仿真出來，只需一臺電腦就可以完成設備操作、裝配的培訓工作，同時根據(jù)需求在技能培訓中添加考核模塊。這種方式即解決了企業(yè)培訓場地缺乏的難題，也降低了培訓過程中因誤操作對設備的損壞風險。通過虛擬現(xiàn)實技術，模擬不同工藝段的運行原理及操作，可以針對員工所在的工藝段進行對應工藝段的培訓學習。在該虛擬系統(tǒng)的支撐下，可以確保員工在了解不同工藝段的同時，培養(yǎng)故障診斷及基礎檢修的技能。通過虛擬仿真技術對設備的保養(yǎng)維護、基礎故障排查、檢修的培訓系統(tǒng)，可以減少錯誤使用造成的損失。基礎故障排查、檢修培訓可以減少售后維護部門上門維修的費用。 經(jīng)過反復論證與研究，在充分調(diào)研的基礎上，設計出的基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)總體結(jié)構（見圖）。該系統(tǒng)主要由虛擬展示模塊和培訓考核管理模塊構成。虛擬展示模塊的構建采用三維建模技術和虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬環(huán)境，使用戶擁有交互式體驗；培訓考核模塊的建立依托于存儲有培訓過程信息、考核信息等基礎數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，并使用相關計算機技術等實現(xiàn)培訓、學習與考核的可視化、智能化與實用化。 系統(tǒng)中虛擬場景的構建 構建虛擬展示場景，是滿足技能培訓系統(tǒng)具備可視化功能的必要條件。逼真的高精度培訓場景及設備模型并配備合適的場景驅(qū)動，是技能培訓系統(tǒng)建設順利進行的重點工作。 建立培訓場景三維模型 構建培訓場景及設備三維模型的主要工作集中在三維模型數(shù)據(jù)采集與三維建模上，這是實現(xiàn)實景仿真及漫游的基礎。在制作場景虛擬模型、虛擬展示場景模型的過程中，影像、圖像信息的采集很重要。影像、圖像采集的清晰程度和質(zhì)量好壞，將直接影響制作出的模型的展示效果、模型制作的精細程度。 采集數(shù)據(jù)時，盡可能采集區(qū)域及設備的全貌，如果采集的環(huán)境不允許，可以分多個角度采集多張圖像照片，盡最大可能把它的全貌準確地表現(xiàn)出來，這樣建模時只通過幾張照片就可以了解建模對象的整體面貌、所要表達的細節(jié)及重點。采集建模對象細節(jié)部分時，要具體到每個立面及細節(jié)特征。在采集細節(jié)及重點數(shù)據(jù)的時候，要根據(jù)物體等級的劃分考慮需詳細采集的區(qū)域及要建模的區(qū)域。 三維模型可以被劃分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型。靜態(tài)模型是靜止不運動的模型，如培訓場景等；動態(tài)模型是具有運動屬性的實體模型，如各種設備等。靜態(tài)模型與動態(tài)模型在建造的過程中，采取分離獨立建模的原則。具體地說，以布置規(guī)劃設計圖，車間設備布置圖等圖紙資料為依據(jù)，建立真實坐標基礎上的三維空間場景模型；其中動態(tài)模型以設備圖紙等資料為參考。最終建立的培訓場景及設備三維模型（見圖）。 虛擬場景驅(qū)動 建好的三維模型是相對獨立的，僅僅是實物三維尺寸的立體表述，尚未被激活，實現(xiàn)真正意義上的相互關聯(lián)。要實現(xiàn)最終的漫游、導航及交互控制，就需要在實時場景驅(qū)動工具平臺上進行開發(fā)，實現(xiàn)可以以任意角度對虛擬場景中的對象進行觀察的功能。 技能培訓系統(tǒng)中虛擬場景要給用戶帶來漫游觀看、任意角度觀看的感官體驗，使客戶獲取身臨其境的感覺。這就需要對虛擬場景進行驅(qū)動，該驅(qū)動是在三維互動仿真平臺環(huán)境下實現(xiàn)的。即虛擬現(xiàn)實平臺，是一款由中視典獨立開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權的直接面向三維美工的虛擬現(xiàn)實軟件。它支持自動漫游開發(fā)、手動漫游開發(fā)。漫游軌跡可以根據(jù)實際需要進行設置。同時支持更深層次的開發(fā)，擴展性好。 實時導航系統(tǒng) 為了快速、精確地定位培訓場景中的實體對象，就必須要引入一套實時導航系統(tǒng)。首先要設置規(guī)劃導航圖導航圖以二維區(qū)域設計及平面布置圖、設備圖紙資料等作為參照依據(jù)，設置精確度較高的、坐標，并同三維場景的、坐標綁定，使兩套坐標成為唯一對應。當在實時導航圖上點擊某一個對象時，系統(tǒng)會自動捕捉到該對象的坐標，然后通過該坐標在三維場景中對應綁定的坐標，計算出對應的三維場景中的實際位置，然后將展示的漫游場景窗口漫游至該位置，實現(xiàn)實時導航的功能。實時導航系統(tǒng)（見圖）。 培訓系統(tǒng)應用 培訓系統(tǒng)中的設備具有一定的真實感（見圖4），以三維多功能激光加工機為例，該加工機操作面板被真實虛擬再現(xiàn)，培訓中采用動態(tài)的實時交互操作方式。系統(tǒng)可以模擬再現(xiàn)設備操作時的多種常見故障現(xiàn)象，通過植入故障，觀察故障現(xiàn)象，測試各相關部件的工作情況從而排除故障，提高參訓人員設備保養(yǎng)、故障排查與檢修的能力。培訓系統(tǒng)交互式操作界面。 培訓系統(tǒng)的應用模式（見圖5）主要有以下三種：講解模式：通過文字、語音、動畫、圖片等多種途徑講解操作過程；訓練模式：通過文字、語音、錯誤提示等，按照要求完成操作流程；考核模式：給定要求，通過自主操作，完成操作，并給予評分及點評。 結(jié)語 構建完成后的基于虛擬現(xiàn)實技術的技能培訓系統(tǒng)，通過穩(wěn)定性測試后，可以按照企業(yè)所需格式，部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，或輸出為或者形式，獨立使用或者上載至企業(yè)網(wǎng)站聯(lián)網(wǎng)使用。多樣化的格式及部署選擇，可以豐富技能培訓手段，提高培訓效果，方便培訓工作的開展。技能培訓系統(tǒng)的運用可以進一步提高企業(yè)對設備的保養(yǎng)維護能力、基礎故障排查能力、檢修能力，提高人員的技能素質(zhì)，降低設備維護檢修成本，減少設備錯誤使用造成的損失。 參考文獻 李春泉，尚玉玲，胡春楊云制造的體系結(jié)構及其關鍵技術研究組合機床與自動化加工技術，（） 陳滿，曹國，何渡，等三維數(shù)據(jù)采集技術在工廠三維導覽系統(tǒng)建模中的應用微型機與應用，（） 武亞峰，林在康，楊曉威，等基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字化礦井系統(tǒng)煤炭科技，（） 孫潔香，黎曉東，楊書評，等制造產(chǎn)業(yè)集群信息化協(xié)同服務平臺設計思想及運行模式分析制造業(yè)自動化，（） 曹國中小企業(yè)信息化建設模式探討科技進步與對策，（） 唐自力二維碼與移動互聯(lián)技術在高校固定資產(chǎn)管理中的應用計算機光盤軟件與應用，（） 7王國乾面向福建制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群構建公共信息服務平臺海峽科學，（） 8朱記偉，解建倉，李建勛，等面向產(chǎn)業(yè)集群的中小企業(yè)信息化創(chuàng)新服務支撐模式以寶雞中國鈦谷為例科技管理研