虛擬現實技術在鉗工實訓中的應用研究

許波 何軍

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

1 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，簡稱VR）是近些年來發展的一種高新技術，它包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入/輸出技術等。虛擬現實技術中的“虛擬”是指利用計算機模擬產生一個三維的虛擬場景，這個虛擬場景可以是根據實際存在的任何事物或環境構造的，也可以是由制設計者憑空想象出來的。人們可以通過傳感輔助設備與構造的虛擬場景中的事物進行交互，使人們對虛擬場景產生一種身臨其境的感覺。本文主要論述如何利用手持式智能終端設備研制開發一款軟件和一個與之配套的VR盒子，通過這一裝置構建一個虛擬的實訓環境，在這個虛擬的環境中進行鉗工職業技能實訓。

2 實現原理

利用Cardboard SDK等相關軟件構建一個虛擬的鉗工實訓環境。操作人員佩戴VR頭盔顯示器（由VR盒子與手持式智能終端設備組成），利用操控手柄（可制成一定的形狀，如鋸弓、板銼等）對虛擬環境下的虛擬工件模型進行鋸、銼等操作，如進行圓棒鋸割、平面鋸割、薄管鋸割、深縫鋸割等項目練習。通過VR頭盔顯示器把虛擬手臂操作鋸弓的形態和鋸弓的運行軌跡顯示出來，并通過操控手柄產生的力回饋反應當前的操作狀態，以使操作者掌握起鋸的方法，熟練掌握鋸割速度、壓力、往復長度等訓練要點糾正鋸割姿勢與操作方法。

3 實現方法

3.1 VR場景的建立

用Cardboard SDK來構建虛擬環境。Cardboard平臺提供的開發工具Cardboard SDK插件是一款極具創意的產品，由手持式智能終端設備內部的傳感器支持，它僅需硬紙板和兩片透鏡就能打造移動平臺上的VR體驗。用它構建可以實時采集頭部的轉動和操作手柄的動作，這樣頭部轉動和手機轉動同步，可以從不同角度觀察虛擬鋸弓或銼刀的運動狀態。在Unity下，在頭部（Main Camera）前面加上一個半透明的Plane組件，接收到的回傳圖像就是顯示在這里。做成半透明，是為了不遮擋觀察3D環境（如鋸弓或銼刀的運動軌跡）。

3.2 三維模型的建立

在三維幾何建模中，有多種建模軟件可以使用，對于有精確尺寸要求的三維造型設計，通常使用AutoCAD、Pto/E、SolicWorks等CAD軟件。由于AutoCAD具有建模精確接口轉換靈活等優點，本文采用AutoCAD軟件作為幾何建模階段的建模平臺，建立模型。由于CAD模型不能直接用于虛擬維修訓練系統，因此必須在已有CAD模型基礎之上構建VR模型。將CAD模型文件格式轉化到某種虛擬現實建模軟件支持的中間交換格式，然后利用已有的虛擬現實建模軟件對其進行重建，從而實現從三維CAD裝配模型到VR模型間的轉換。該方案不需進行軟件的開發，而且不依賴于某種特點的CAD軟件平臺。

3.3 虛擬操控

用集成藍牙BLE。通過藍牙連接操作手柄上的動捕設備，使用手臂動作捕捉的硬件，來獲取想要捕捉的動作，實現虛擬手臂和現實手臂的同步。手柄上還可以增設按鍵用以調用一些簡單功能。把手機變成一個http服務器，需要提供兩個訪問端口（Port）：一個端口接收控制指令，并回復客戶端；另一個端口在收到客戶端請求時回傳一幀攝像頭圖像搭建手機和單片機之間的USB通信。

4 結語

隨著我國素質教育的不斷推廣和深入，以學生為主體的教育模式成為了現代教育改革的必然趨勢。在現代教育技術中，尤其是虛擬現實技術，可以有效地將視聽功能和計算機主動交互功能進行有機的結合，使教學內容與客觀事物的本身相接近，用具體、生動、形象的方式呈現給學生，給予學生最直觀的感官體驗。“鉗工實訓”是一門具有較強實踐性的專業課程，傳統的教學模式已經無法滿足學生對知識的理解。隨看現代信息技術的高速發展，教學技術和手段也變得多樣化，為教學增添了更多的趣味性。虛擬現實技術集圖形、文字、聲音、動畫、影視于一體，豐富了教學資源，使得知識信息的容量不斷增大，內容也更加充實形象，使得原本枯燥泛味的”鉗工實訓“教學課堂，變得更加的生動活潑。并且現代教育技術有效地克服了傳統教學中知識結構線性化的缺陷，使得知識的呈現方式變得更加的多樣化，可以將教材的內容中所涉及的事物、現象和過程生動的、直觀地呈現在課堂上，進而讓學生在事物的再現、發展和變化中學習掌握抽象的理論知識，激發學生的學習主動性和積極性，加深學生對知識的理解。