虛擬現(xiàn)實(shí)在水下機(jī)器人教學(xué)展示中的應(yīng)用

李佳皓　刁宇翔　姜遷里　劉江移　宋大雷

摘? 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，其較高的沉浸感和真實(shí)的體驗(yàn)感，可以使課程教學(xué)更具有實(shí)踐性和互動(dòng)性。近些年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在海洋工程裝備等領(lǐng)域的虛擬仿真、展示功能不斷增強(qiáng)。中國(guó)海洋大學(xué)創(chuàng)新性地在水下機(jī)器人課程教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，起到了較好的效果。文章在探索性應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)水下機(jī)器人課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的效果，并進(jìn)一步提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到海洋工程裝備展示、操作等的探討與思考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬仿真;水下機(jī)器人;海洋工程裝備

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）34-0141-04

Abstract： As a new technology， virtual reality technology has a high sense of immersion and real experience， which can make the course teaching more practical and interactive. In recent years， the virtual simulation and display function of virtual reality technology in marine engineering equipment and other fields has been enhanced. Ocean University of China has creatively introduced virtual reality technology into the course teaching of underwater vehicle， which has played a good role. On the basis of exploring the application of virtual reality technology to improve the teaching of underwater vehicle， this paper summarizes the effect of the application of virtual reality technology. Furthermore， the discussion and thinking of the application of virtual reality technology to the display and operation of marine engineering equipment are put forward.

Keywords： virtual reality technology; virtual simulation; underwater vehicle; marine engineering equipment

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱“VR”）是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，借助相關(guān)輸出的設(shè)備，仿真現(xiàn)實(shí)世界，起到虛擬仿真作用的一種新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以在輸出設(shè)備中還原現(xiàn)實(shí)世界，還可以起到人機(jī)交互的作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入了心理、教學(xué)、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)外的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較早，在心理治療、教學(xué)、娛樂(lè)等虛擬仿真的領(lǐng)域早有廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，早有學(xué)者提出用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)[2]。還有學(xué)者進(jìn)行了一定的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)實(shí)踐，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，提升了教學(xué)課堂的效果[3]。ROV（Remote Operated Vehicle），即水下無(wú)人遙控潛水器，亦即水下機(jī)器人，在海事、海關(guān)、海洋探測(cè)、漁業(yè)、救援、管線探測(cè)和海洋科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)各高校廣泛開(kāi)設(shè)的ROV教學(xué)課程中引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐展開(kāi)說(shuō)明。各高校相關(guān)專業(yè)廣泛開(kāi)展的ROV教學(xué)課程，借助傳統(tǒng)的ppt展示等方式不能起到很好的互動(dòng)效果，進(jìn)行ROV的真實(shí)實(shí)踐等教學(xué)方式又存在成本太高等問(wèn)題。借助新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以對(duì)水下機(jī)器人課程進(jìn)行更好的展示，使學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)水下機(jī)器人的工作過(guò)程，真實(shí)的體驗(yàn)水下機(jī)器人的裝配等過(guò)程，起到更好的教學(xué)實(shí)踐效果。中國(guó)海洋大學(xué)創(chuàng)新性地在ROV的教學(xué)課程中試驗(yàn)性的引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，起到了很好的教學(xué)及展示效果。

水下機(jī)器人的課程教學(xué)注重水下機(jī)器人下潛、工作、回收的過(guò)程以及各個(gè)結(jié)構(gòu)功能的講解。通常的ppt等方式的展示并不能使學(xué)生很好的感受水下機(jī)器人的工作過(guò)程，并且不能通過(guò)交互的方式使學(xué)生進(jìn)行真實(shí)體驗(yàn)并進(jìn)行裝卸、細(xì)節(jié)的觀察等操作。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬能力，計(jì)算機(jī)仿真的水下機(jī)器人體驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢院芎玫刈哌M(jìn)課堂，成為展示水下機(jī)器人的重要途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高仿真性，使其在展示水下機(jī)器人時(shí)更能引起學(xué)生的注意，其交互性可以使學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)進(jìn)行水下機(jī)器人的學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入高校水下機(jī)器人課程的課堂，更好地提升了課堂學(xué)生對(duì)課程的理解。同時(shí)，第一人稱的感受，提升了學(xué)生的沉浸度和真實(shí)感，交互式的操作更使學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)行ROV的組裝工作，提高了教學(xué)的效果。從課堂反饋看，提升了學(xué)生對(duì)課程的興趣，使學(xué)生在有興趣的體驗(yàn)中獲得掌握知識(shí)的樂(lè)趣，并提高了知識(shí)掌握的速度和深度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以作為一種教學(xué)手段和海洋工程裝備、工程項(xiàng)目等的新型展示方式進(jìn)行有益的改進(jìn)、實(shí)踐和探討。

1 教學(xué)模式構(gòu)建

目前，水下機(jī)器人課程教學(xué)普遍存在學(xué)生缺乏實(shí)踐操作的實(shí)驗(yàn)、缺少水下機(jī)器人實(shí)物體驗(yàn)的條件、缺少反復(fù)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)條件、學(xué)生缺少自主學(xué)習(xí)能力、學(xué)生上課注意力難以集中等問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作實(shí)踐，不僅可以節(jié)省操作實(shí)踐的成本，還具有反復(fù)性、容錯(cuò)性。學(xué)生可以反復(fù)的操作、實(shí)踐，在組裝、體驗(yàn)水下機(jī)器人的時(shí)候也可以出現(xiàn)錯(cuò)誤的安裝而不必?fù)p壞真實(shí)的水下機(jī)器人。并且，水下機(jī)器人的下潛等工作的實(shí)踐難以親身體驗(yàn)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中不能進(jìn)行的實(shí)踐操作。構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示的新型課堂，進(jìn)行水下機(jī)器人教學(xué)新思路的探索，是非常具有實(shí)際意義的。

1.1 硬件條件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入課堂，需要硬件方面的支持。VR所需要的硬件條件，一方面是虛擬現(xiàn)實(shí)的處理及輸出設(shè)備;另一方面是足夠的活動(dòng)空間。中國(guó)海洋大學(xué)的水下機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐中，采用的是HTC vive的第二代頭顯（虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器）以及配套的定位器、手柄等，搭配特定顯卡的筆記本電腦，并運(yùn)用多媒體互動(dòng)研討教室，提供足夠的活動(dòng)空間，如圖1所示。目前，一大批高校引進(jìn)了VR實(shí)驗(yàn)室、VR教室等，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)走進(jìn)課堂提供了良好的教學(xué)硬件條件。VR設(shè)備朝著小型化、易操作化的方向發(fā)展，隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件也可以得到普及。

1.2 教學(xué)流程

Margaret Wilson的具身認(rèn)知理論認(rèn)為，心理與所處環(huán)境密切相關(guān)[4]。依據(jù)具身認(rèn)知理論的相關(guān)原理，VR所提供的具身認(rèn)知，可以有效的提高學(xué)生的認(rèn)知認(rèn)識(shí)能力，增進(jìn)課堂效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn)作為課堂教學(xué)的一種輔助手段，穿插進(jìn)行于授課過(guò)程中，起到很好的體驗(yàn)效果，如圖2所示，中國(guó)海洋大學(xué)開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)的水下機(jī)器人教學(xué)及學(xué)生體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的課堂教學(xué)的流程。課堂的某些需要實(shí)踐的時(shí)刻可以引入VR的操作體驗(yàn)，比如講解到水下機(jī)器人的下潛時(shí)，就可以引入VR體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解水下機(jī)器人的下潛過(guò)程，同時(shí)，水下機(jī)器人的下潛現(xiàn)實(shí)中很難進(jìn)行學(xué)生體驗(yàn)操作，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以起到現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件和教學(xué)條件所不能實(shí)現(xiàn)的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程的某些需要展示的環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。沉浸的體驗(yàn)可以增進(jìn)課堂的認(rèn)知效果，提升水下機(jī)器人的具身認(rèn)知操作體驗(yàn)。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn)日漸變得操作簡(jiǎn)單，學(xué)生可以自由快速地體驗(yàn)VR設(shè)備展示的水下機(jī)器人效果。只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的引導(dǎo)和佩戴設(shè)備的幫助，就可以進(jìn)行VR的展示交互體驗(yàn)。課堂授課時(shí)，由老師組織學(xué)生進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐操作。進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)際操作，比現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行水下機(jī)器人實(shí)踐高效，學(xué)生都可以獲取教育資源，提升了教學(xué)資源的配置效率，并且可以反復(fù)進(jìn)行操作，同時(shí)與真實(shí)實(shí)踐相比還保證了學(xué)生的安全，學(xué)生體驗(yàn)過(guò)程如圖3。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作是虛擬現(xiàn)實(shí)展示的重要基礎(chǔ)。Unity3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、游戲開(kāi)發(fā)、建筑可視化、虛擬仿真等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開(kāi)發(fā)工具。此次使用的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景用Unity3D軟件搭建，采用物理模型仿真、C#程序控制的手段，搭建了虛擬仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)水下機(jī)器人場(chǎng)景，支持水下機(jī)器人的下潛、探察、回收等工作的真實(shí)體驗(yàn)，并可以交互式觀察水下機(jī)器人的各部分構(gòu)件。

2.1 科考船的搭建

科考船是虛擬現(xiàn)實(shí)展示的重要組成。水下機(jī)器人的下水等操作需要科考船完成。科考船運(yùn)用3D Max軟件建模完成，輸出為FBX文件并導(dǎo)入到Unity3D虛擬引擎中。虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)采用的科考船是增加了Box Collider碰撞體組件和Rigidbody剛體組件的物理模型，即模型既能與其它含有Box Collider碰撞體的物體發(fā)生相互作用，又可以具有剛體的一般屬性，在Unity3D虛擬引擎中受到自身重力、流體阻力等的影響。勾選Rigidbody中的Use Gravity選項(xiàng)，使物體在虛擬力場(chǎng)中受到重力的影響。并設(shè)置Box Collider中的is Trigger選項(xiàng)，使物體具有碰撞觸發(fā)的屬性。水下機(jī)器人下水環(huán)節(jié)由Unity3D的動(dòng)畫系統(tǒng)錄制完成。科考船場(chǎng)景如圖4所示。

2.2 水下機(jī)器人的控制與搭建

水下機(jī)器人采用中國(guó)海洋大學(xué)自主研制開(kāi)發(fā)的海底管線檢測(cè)水下機(jī)器人，運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行模型的繪制，導(dǎo)入到Unity3D中進(jìn)行下一步的操作。水下機(jī)器人的燈光設(shè)置采用Unity3D的燈光系統(tǒng)，采用spotlight。其中光源設(shè)置實(shí)時(shí)計(jì)算的屬性，Intensity設(shè)置為1。運(yùn)用C#代碼控制燈光的開(kāi)關(guān)，即運(yùn)用C#代碼獲取手柄指令，進(jìn)行燈光的開(kāi)關(guān)操作，使學(xué)生體驗(yàn)水下機(jī)器人下潛過(guò)程中的照明效果。水下機(jī)器人螺旋槳的旋轉(zhuǎn)采用動(dòng)畫系統(tǒng)錄制。水下機(jī)器人螺旋槳產(chǎn)生的氣泡，采用Unity3D的粒子系統(tǒng)。

水下機(jī)器人控制的重點(diǎn)在于水下機(jī)器人的下潛及回收過(guò)程。水下機(jī)器人的下潛過(guò)程依然采用C#程序控制，通過(guò)設(shè)定速度改變物體坐標(biāo)軸坐標(biāo)的方式進(jìn)行水下機(jī)器人的下潛操作。通過(guò)手柄的交互可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的停止，方便學(xué)生隨時(shí)查看下潛中的海洋環(huán)境。水下機(jī)器人場(chǎng)景如圖5所示。

2.3 海洋場(chǎng)景搭建

如圖6，海洋場(chǎng)景是獨(dú)立的環(huán)境，涉及光的渲染、粒子系統(tǒng)、魚類的設(shè)置等多項(xiàng)工作。海洋場(chǎng)景采用球形的skybox進(jìn)行渲染。其中，海洋植物、貝殼等按照仿真運(yùn)用軟件制作導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中。海洋底部的巖石采用Unity3D地形編輯器，運(yùn)用貼圖實(shí)現(xiàn)真實(shí)的巖石紋理，運(yùn)用Box Collider使其具有真實(shí)的質(zhì)感。海底管線的制作采用半埋入海底的形式，水下機(jī)器人光照到海底管線時(shí)產(chǎn)生反光效果。海底的魚類運(yùn)動(dòng)控制采用C#編寫語(yǔ)句，采用虛設(shè)物體的方式配合C#程序?qū)崿F(xiàn)魚類的隨機(jī)生成。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到海洋工程裝備的教學(xué)展示中是一項(xiàng)創(chuàng)新性的工作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以起到更好的展示效果，還具有低成本、可重復(fù)、容錯(cuò)性強(qiáng)、安全性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。本文用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示海洋工程裝備中的水下機(jī)器人，只是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種高沉浸度和交互性較強(qiáng)的展示方式，可以應(yīng)用到項(xiàng)目展示、課程教學(xué)、實(shí)踐操作等多項(xiàng)海洋工程裝備或其它學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域中。教學(xué)中的實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以有效地活躍課堂的氣氛、降低學(xué)生體驗(yàn)教學(xué)資源的門檻、增加學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)課程內(nèi)容的機(jī)會(huì)、保護(hù)學(xué)生實(shí)踐操作中的安全，相比于成本極高且不容易操作的實(shí)際實(shí)踐操作，是一種高效低成本的展示技術(shù)。開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂展示應(yīng)用研究可以促進(jìn)教學(xué)新思路的進(jìn)步。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不應(yīng)當(dāng)作為單獨(dú)的一種技術(shù)，開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用研究，在信息時(shí)代具有廣闊的前景和實(shí)際的意義。

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