云渲染技術(shù)在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫振明，侯運(yùn)炳，王 雷

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2. 北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190）

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用一直是教育信息化的重要組成部分。為了提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和實(shí)踐育人的水平，教育部在2013年發(fā)出了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[1]，提出利用信息化的重要技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在滿足教學(xué)大綱的要求下服務(wù)于本科教學(xué)[2]。2017年起，教育部開(kāi)展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開(kāi)放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系[3]。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，三維虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建及交互操作等應(yīng)用是常見(jiàn)的虛擬仿真內(nèi)容。通過(guò)對(duì)2017年及2018年認(rèn)定的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[4]進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要開(kāi)發(fā)工具為Unity3D平臺(tái)。目前的虛擬仿真系統(tǒng)仍然普遍存在以下問(wèn)題：

（1）訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要提前下載安裝插件，且打開(kāi)過(guò)程容易出現(xiàn)插件崩潰問(wèn)題。

（2）部分項(xiàng)目采用了 WebGL展示方式，不再需要插件安裝，但是開(kāi)始實(shí)驗(yàn)需要較長(zhǎng)的加載時(shí)間。

我校在構(gòu)建采礦與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了深入的探討與研究[5-6]，針對(duì)上述存在的問(wèn)題，利用實(shí)時(shí)云渲染技術(shù)構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料的無(wú)插件且高速訪問(wèn)，提高了學(xué)生在使用過(guò)程中的體驗(yàn)，為學(xué)生提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔便利的實(shí)驗(yàn)途徑。

1 云渲染技術(shù)

通常將利用軟件從三維模型生成圖像的過(guò)程稱為渲染，渲染廣泛應(yīng)用在仿真模擬、動(dòng)畫視頻和電影電視制作等領(lǐng)域[7-9]。渲染業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要GPU顯卡實(shí)現(xiàn)圖形加速及實(shí)時(shí)渲染，同時(shí)需要大量計(jì)算、內(nèi)存或存儲(chǔ)。

云渲染則是指將執(zhí)行渲染任務(wù)的應(yīng)用程序放在云端服務(wù)器運(yùn)行，利用云服務(wù)器的高性能計(jì)算能力及圖形渲染能力，縮短制作周期，提升整體效率[10-11]。

云渲染技術(shù)的應(yīng)用按照數(shù)據(jù)反饋時(shí)效的不同可以分為離線云渲染和實(shí)時(shí)云渲染兩種。

1.1 離線云渲染

離線云渲染將 3D程序放在遠(yuǎn)程的服務(wù)器中，用戶通過(guò)相關(guān)軟件將三維模型資源傳送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的渲染任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后用戶下載渲染結(jié)果進(jìn)行查看。

離線渲染為了呈現(xiàn)高真實(shí)的畫質(zhì)而不計(jì)成本。渲染農(nóng)場(chǎng)就是一種離線的渲染方法。從誕生之日起，離線渲染就主要是為電影服務(wù)的，現(xiàn)在也一直如此[12]。

1.2 實(shí)時(shí)云渲染

實(shí)時(shí)云渲染技術(shù)是一種以云渲染（云計(jì)算）和網(wǎng)絡(luò)串流技術(shù)為基礎(chǔ)的云應(yīng)用。云渲染技術(shù)將三維應(yīng)用程序放在云端服務(wù)器運(yùn)行，并將實(shí)時(shí)計(jì)算獲得的渲染結(jié)果（視頻流+音頻流）壓縮后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶，在用戶終端進(jìn)行解碼、顯示，同時(shí)再將用戶操作（控制流）傳回渲染服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)用戶和虛擬世界的實(shí)時(shí)互動(dòng)。

實(shí)時(shí)云渲染技術(shù)最早在游戲領(lǐng)域以云游戲的方式被提出，行業(yè)公認(rèn)的云游戲誕生于2009年，由OnLive在美國(guó)舊金山游戲開(kāi)發(fā)者大會(huì)首次推出。云游戲在推出之后若干年內(nèi)發(fā)展緩慢，其根本原因在于網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的限制，帶寬限制了畫面?zhèn)鬏敚舆t無(wú)法滿足即時(shí)游戲的需求。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)常用的撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸替換為百兆甚至千兆光纖網(wǎng)絡(luò)，5G牌照也于 2019年6月開(kāi)始發(fā)放，5G的優(yōu)勢(shì)在于高帶寬和低延遲，這些也正是解決實(shí)時(shí)云渲染原有瓶頸的關(guān)鍵。

2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

煤炭是中國(guó)的主體能源，而綜采放頂煤開(kāi)采是中國(guó)煤礦開(kāi)采的重要方法，是厚煤層建設(shè)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的主要技術(shù)途徑之一，也是近40年來(lái)中國(guó)煤炭開(kāi)采領(lǐng)域取得的重要標(biāo)志性成果。

但是，由于受到安全、環(huán)境、生產(chǎn)繁忙等因素影響，學(xué)生難以在真實(shí)現(xiàn)代化礦井危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法提供模擬開(kāi)采設(shè)備及其配套作業(yè)的采煤方法和工藝所需的條件。因此，我校能源與礦業(yè)學(xué)院組織實(shí)施了綜采放頂煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。綜采放頂煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)主要包括：

（1）建立礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的真實(shí)感知。

（2）掌握綜采放頂煤工作面主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作方法。

（3）掌握綜采放頂煤工藝各作業(yè)工序的技術(shù)要點(diǎn)和實(shí)際操作。

（4）掌握綜采放頂煤工藝技術(shù)、流程、方法和循環(huán)作業(yè)過(guò)程。

（5）培養(yǎng)綜采放頂煤現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織、管理能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還原了大型煤礦的工業(yè)廣場(chǎng)和井下真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境等場(chǎng)景，通過(guò)構(gòu)建綜采放頂煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，來(lái)模擬工作面采煤機(jī)的割煤、推前刮板輸送機(jī)、移架、液壓支架放煤、拉后部刮板輸送機(jī)的整個(gè)作業(yè)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)采煤設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能及操作方法了解的基礎(chǔ)上，按照作業(yè)規(guī)程和工藝參數(shù)，操作采煤設(shè)備進(jìn)行割煤、放煤作業(yè)，系統(tǒng)掌握綜采放頂煤工藝技術(shù)知識(shí)。

（1）在虛擬環(huán)境下漫游工業(yè)廣場(chǎng)，經(jīng)副井罐籠下井，沿巷道前往綜采放頂煤工作面，了解工業(yè)廣場(chǎng)建筑物構(gòu)成，熟悉綜采放頂煤工作面生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)。

（2）在三維動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境下，通過(guò)拆解采煤機(jī)、放頂煤液壓支架、刮板輸送機(jī)等虛擬采煤設(shè)備，學(xué)習(xí)采煤設(shè)備的結(jié)構(gòu)和組成。

（3）通過(guò)設(shè)備控制面板交互模擬操作拆解采煤機(jī)、放頂煤液壓支架、刮板輸送機(jī)等虛擬采煤設(shè)備，學(xué)習(xí)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制和工作原理。

（4）在高度仿真的采煤工作面，按照綜采放頂煤工藝和作業(yè)規(guī)程要求，逐一交互操作綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架等虛擬設(shè)備，進(jìn)行割煤、推刮板輸送機(jī)、移架、放頂煤等多工種作業(yè)訓(xùn)練，掌握各項(xiàng)作業(yè)的技術(shù)要點(diǎn)和操作方法。

（5）按照綜采放頂煤工藝流程，模擬多工序交互協(xié)調(diào)作業(yè)，按照工作面端部斜切進(jìn)刀、正常割煤、移架、推前刮板輸送機(jī)、移架、液壓支架放煤、拉后部刮板輸送機(jī)的順序，進(jìn)行綜采放頂煤正規(guī)循環(huán)作業(yè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)綜采放頂煤工藝流程與方法、綜采工作面采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、割三角煤、正常割煤、端部割煤的工藝技術(shù)，頂煤放出方式、制度和工藝技術(shù)方法，采煤、放煤各作業(yè)工種協(xié)調(diào)作業(yè)流程和關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

支撐教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)可以劃分為云端、Web層、終端3個(gè)層次，每一層都為其上層提供服務(wù)，上下層數(shù)據(jù)直接互通。

（1）云端是運(yùn)行的基礎(chǔ)層。其中：GPU節(jié)點(diǎn)主機(jī)存放三維仿真應(yīng)用程序，主要負(fù)責(zé)三維仿真程序的云端渲染計(jì)算任務(wù)，根據(jù)用戶傳入的信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理；NAT穿透代理服務(wù)器用于解決網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)在端對(duì)端傳輸過(guò)程中的問(wèn)題。

（2）Web層具有為客戶提供服務(wù)和管理基礎(chǔ)云端功能。其中：云節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)負(fù)責(zé)用戶與云端主機(jī)的配對(duì)和負(fù)載、權(quán)限管理以及數(shù)據(jù)提交等；教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹、學(xué)生信息管理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄等內(nèi)容的Web展示與應(yīng)用。

（3）終端指用戶訪問(wèn)系統(tǒng)所需設(shè)備，如個(gè)人電腦、便攜筆記本等。用戶通過(guò)通用的瀏覽器軟件，可以登錄教學(xué)管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行用戶登陸、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容查閱、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交等。

3 系統(tǒng)運(yùn)行分析

3.1 系統(tǒng)基本配置

教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際部署過(guò)程中，將所有服務(wù)劃分成了Web服務(wù)和渲染服務(wù)兩大部分，分別部署在兩臺(tái)不同類型的服務(wù)器上。

（1）Web服務(wù)器。服務(wù)器采用的配置為：CPU 6核、內(nèi)存32 GB、磁盤100 GB、通用顯卡。操作系統(tǒng)為CentOS 7.0。

（2）云渲染服務(wù)器。采用配置為：CPU Intel Xeon E5-2680 v4（2.4 GHz）6核、內(nèi)存 56 GB、磁盤200 GB、顯存16 GB、GPU型號(hào)P100。

系統(tǒng)支持的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景參數(shù)為：?jiǎn)螆?chǎng)景模型總面數(shù)2 000 000面、貼圖分辨率1 024×1 024像素、動(dòng)作反饋時(shí)間1 s以內(nèi)、顯示刷新率高于30 Hz、正常顯示分辨率1 920×1 080像素。

系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2、圖3所示。

圖2 瀏覽器運(yùn)行整體圖

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行圖

3.2 運(yùn)行效率分析

測(cè)試環(huán)境中本地網(wǎng)絡(luò)為有線連接的校園網(wǎng)，瀏覽器使用 ChromeV77版本。從 2018年認(rèn)定項(xiàng)目[4]中隨機(jī)選取了2項(xiàng)在線三維虛擬仿真項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)測(cè)試了自主研發(fā)的綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。項(xiàng)目?jī)?nèi)容均在清空瀏覽器的緩存后首次打開(kāi)。用時(shí)指從打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)到用戶可以對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行操作所需時(shí)間，計(jì)時(shí)以Chrome瀏覽器開(kāi)發(fā)者工具中顯示的加載時(shí)間為準(zhǔn)。

具體測(cè)試結(jié)果如下：

（1）南開(kāi)大學(xué)開(kāi)發(fā)的垃圾焚燒發(fā)電資源化利用技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加載資源139 MB，用時(shí)2.7 min。

（2）南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)的大型建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，加載資源135 MB，用時(shí)4.4 min。

（3）綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加載資源3.1 MB，用時(shí)8.19 s。

從以上數(shù)據(jù)可以明顯看出，采用云渲染技術(shù)的項(xiàng)目減少了加載過(guò)程所需的資源量，因?yàn)橛脩糁恍枰虞d系統(tǒng)運(yùn)行初始的畫面截圖，而不需要加載系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、虛擬仿真模型等資源。因此，用戶能夠等待很少的時(shí)間后即可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作，改善了用戶體驗(yàn)。

云渲染技術(shù)的應(yīng)用在提升項(xiàng)目運(yùn)行效率的同時(shí)，仍然存在一定的問(wèn)題。由于所有渲染工作在服務(wù)端、展示內(nèi)容在客戶端，因此，如前文所述，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互對(duì)帶寬要求較高，在復(fù)雜的廣域網(wǎng)環(huán)境中，可能存在由于帶寬不足或延時(shí)過(guò)高導(dǎo)致渲染結(jié)果出現(xiàn)界面卡頓、圖像不清晰等問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

將云渲染技術(shù)應(yīng)用在“綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)”中，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠快速地展示給學(xué)生用戶，節(jié)約了學(xué)生寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)間，提升了使用效率。

由于系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)載主要在服務(wù)器端，學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)不必再依賴于較高性能的計(jì)算硬件，如高性能處理器、高性能顯卡，只需具備基礎(chǔ)的視頻解壓能力即可，因此擴(kuò)大了仿真系統(tǒng)使用的范圍。該成果已與新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院采礦工程專業(yè)共享，為西部高校建設(shè)提供幫助。