虛擬現實技術在大型儀器用戶培訓中的應用

徐 召, 胡 寧, 李 昂, 董璐璽, 郭 爽, 許宏山

(1. 南開大學 實驗室設備處, 天津 300071； 2. 南開大學 藥物化學生物學國家重點實驗室, 天津 300071)

大型儀器設備是高校教學、科研的重要條件和基本手段,是培養高素質創新型人才的有力保障,在一定程度上能夠體現學校的辦學能力和科研環境[1-2]。大型儀器設備的開放共享不僅可以提高資源的使用效益和效率,而且可以增進學術交流和學科交叉、推進科學方法與技術的創新。但是,大型儀器設備開放共享的前提條件是使用者能夠正確地操作儀器,因而需要為使用者提供專業、便捷的培訓[3-4]。南開大學通過對大型儀器管理和使用過程中的各個環節進行梳理和分析,提出將虛擬現實技術應用到大型儀器的操作培訓環節,并實際應用于小動物活體成像系統的操作培訓,取得了較好的培訓效果。

1 大型儀器設備操作培訓中的問題及分析

南開大學在大型儀器平臺的運行管理中,非常重視針對學生的大型儀器操作培訓。學生通過教師的培訓指導和一系列嚴格考核后,方可獲得大型儀器設備的獨立操作資格[5]。大型儀器培訓不僅能培養學生的動手能力,而且有利于減輕儀器管理員工作壓力,使傳統一人一機管理模式變為一人多機的管理模式,節省了人力成本。對大型儀器而言,培訓和操作權限的下放還能大大提高儀器的使用率,培訓用戶較多的儀器設備甚至需要24小時連續運轉。

在大型儀器設備平臺運行管理和維護的實踐中,儀器設備管理員對用戶的使用培訓環節尚存在一些問題,不利于大型儀器設備的操作培訓工作。其原因有以下幾點:

(1) 傳統的培訓模式(一對一/一對多,含講解與上機)效率不高,操作練習次數有限,學生掌握的程度也不同,即使經過完整的培訓,仍會有學生出現誤操作的情況；而對于故障率較高的儀器,輕微的誤操作也可能導致儀器設備的嚴重損壞；

(2) 部分儀器維修成本高,用戶、學校與廠家的責任認定不明確,并因此出現維保糾紛；

(3) 使用率很高的儀器設備幾乎無法劃分特定機時用于集體或個人培訓活動,而該類大型儀器設備一旦出現故障,將對教學和科研活動產生很大影響。

2 虛擬現實技術在大型儀器培訓中的優勢

虛擬現實(virtual reality,VR)技術是在計算機仿真技術、計算機圖形學、計算機視覺、人工智能、多媒體技術以及傳感技術的基礎上綜合發展起來的[6]。虛擬現實技術有3個典型的特征:一是沉浸感,用戶可以沉浸于計算機生成的三維虛擬環境中；二是交互性,用戶可以通過VR交互設備與虛擬環境中的對象進行交互,得到近似真實的交互體驗；三是構想性,用戶可以在虛擬環境中構想虛擬的實驗過程[7-9]。

基于以上特征,VR技術為大型儀器操作培訓提供了一種全新的模式。通過構建虛擬的實驗室環境,在虛擬環境中構建虛擬的儀器設備,借助虛擬現實頭盔、手柄及數據手套等硬件設備,學生很容易了解大型儀器設備的各個部件,根據實際的流程規范進行操作,并且不再受限于固定的地點和固定的機時時段。通過虛擬現實技術,可以在虛擬場景中模擬上機操作所發生的故障情景,真實地呈現誤操作的后果以及常見故障的現象,指導學生掌握正確的儀器操作方法,有針對性地訓練學生的應變能力與儀器故障處理技能。

此外,在虛擬環境下進行大型儀器設備操作培訓,既不占用大型儀器的機時,也能夠充分保障學生的安全,并且從根本上消除了培訓過程中因操作不當損壞儀器設備的隱患,從而避免大型儀器設備操作培訓對正常教學和科研活動的影響。

虛擬現實技術與大型儀器培訓結合的重點是突破傳統培訓模式,將傳統培訓中經常出現的問題作為關切點,以培養學生的實際動手操作能力為出發點,利用虛擬現實培訓模式,為學生在科學研究中熟練使用大型儀器設備提供幫助[10]。

3 小動物活體成像系統虛擬培訓系統設計

小動物活體成像系統主要是應用可見光方法,對用于活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究[11],能夠滿足不同領域的研究需求。通過對藥物化學生物學國家重點實驗室大型儀器培訓情況的充分調研,選取操作步驟清晰、培訓需求較多的小動物活體成像系統作為對象,結合虛擬現實技術設計并實現基于虛擬現實的培訓系統。

3.1 系統設計

要利用虛擬現實技術實現小動物活體成像系統的操作培訓,首先要根據培訓要求設計實驗步驟,然后分析和記錄實驗環節中用到的設備模型和實驗場景,并進行等比例建模,最后將這些模型導入Unity3D開發平臺,通過編程實現整個實驗環節的操作。培訓系統包含學習模式、培訓模式和考核模式,用戶可以在不同的模式下完成不同的培訓任務。在考核模式下,系統將通過學校信息門戶驗證用戶信息,根據用戶完成操作的情況和分數設置規則給出用戶的培訓成績[12]。系統總體設計框架見圖1。

圖1 小動物活體成像虛擬培訓框架設計

3.2 關鍵技術

3.2.1 系統模型設計與制作

系統建模工作主要包括大型儀器設備建模和虛擬環境建模兩方面的內容。采用3ds Max和Maya作為建模工具,創建小動物活體成像系統主要的設備模型和環境模型；設備及實驗場景模型數據交換格式采用FBX[13-14]。所建立的模型有以下技術要求:

(1) 模型比例為1∶1,保證VR設備中的場景內容符合使用者的視覺比例；

(2) 濾光片直徑精度≤0.2 cm,場景模型分層校對,能在虛擬場景中分層拆解；

(3) 設備貼圖紋理為PNG格式,紋理長、寬為2n像素值。

3.2.2 系統功能開發

系統采用Unity3D作為開發引擎。作為跨平臺應用程序開發引擎，Unity3D能充分、實時地處理大量的三維模型,保證學生在培訓過程中的良好體驗，并能有效避免眩暈。

基于Unity3D引擎實現實驗室場景的組合與切換,通過程序腳本控制場景之間的跳轉和場景中對象的移動、旋轉等動作。通過碰撞檢測算法實時響應場景中模型的碰撞,實現物理仿真過程。借助虛擬顯示頭盔及手柄,可以在虛擬場景中模擬打開暗室門,進行取下發射光濾光片輪盤、取出濾光片槽和安裝輪盤等操作。通過腳本編程和數據庫技術,系統自動計算和存儲學生的培訓成績[15]。成績合格的學生可以正常上機操作,而成績不合格的學生可以重新參加培訓。系統培訓的主要實驗步驟如圖2所示。

圖2 虛擬培訓操作過程

3.2.3 系統操作

系統采用HTC Vive虛擬顯示設備和一臺高性能計算機(顯卡支持1080P)作為運行主機。參訓學生通過HTC手柄作為人機交互工具,使用頭戴式HTC頭盔沉浸于虛擬實驗環境中,在激光定位器的識別范圍內(5 m×5 m)進行儀器設備培訓操作。具體操作示意如圖3所示。

圖3 虛擬現實培訓系統操作示意圖

4 結語

基于虛擬現實技術的小動物活體成像操作培訓系統是虛擬現實技術在大型儀器培訓中的成功應用,是新技術與傳統業務的結合。該系統實現了對小動物活體成像系統培訓過程實際操作步驟的仿真,突破了傳統培訓受到的時間和空間限制,緩解了培訓工作的壓力。通過虛擬培訓系統,可以讓學生更方便地了解大型儀器、學習儀器操作使用方法,培養了學生獨立上機操作的能力。基于虛擬現實的培訓方式也為其他大型儀器的培訓工作提供了可借鑒的經驗。