吳敬兵，范 濤

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070）

目前，隨著虛擬現實技術的迅速發展，高校的虛擬仿真實驗已經作為高校實驗教學研究的重要內容之一[1]。虛擬現實具有沉浸性、交互性及構想性等特點[2]，使其成為信息化時代高校實驗教學不可或缺的一項技術。液位過程控制實驗是過程控制與儀表這一課程的傳統實驗，但受限于實驗設備老舊、教學方式落后以及課時短等問題，學生無法對實驗的原理和流程有清晰的認識。當前，建設液位過程控制虛擬實驗平臺對于完善實驗教學體系，提高實驗教學質量，以及培養學生的創新實踐能力等，具有十分重要的意義[3]。

在此本文采用虛擬現實技術，以3Ds Max 和Solid-Works作為虛擬場景的建模軟件，基于UE4 引擎，設計了虛擬液位過程控制實驗平臺。該實驗平臺目前處于試驗階段，即將在武漢理工大學虛擬仿真實驗室開放。

1 虛擬實驗平臺開發流程

在此采用3Ds Max，SolidWorks 工具繪制三維模型，對繪制的模型進行優化以及渲染后導入到UE4 引擎，結合VS2015 編寫邏輯事件來實現虛擬實驗平臺。具體的步驟是：三維模型的繪制，法線貼圖的制作與烘焙，模型的優化與導入，虛擬場景的搭建及交互設計，光源的設定，以及打包發布到Web 端。整個實驗平臺的開發流程如圖1所示。

圖1 虛擬實驗平臺開發流程Fig.1 Virtual experiment platform development flow chart

1.1 三維建模

三維模型是構建整個實驗平臺的基礎，而所建模型的質量則直接影響虛擬仿真實驗的細膩度和真實感[4]。UE4 提供了例如盒體、椎體、圓柱體等幾何體，用戶可以自定義幾何體的大小以及世界坐標，但相對簡單的幾何體滿足不了此次的實驗需求。

在該實驗平臺開發中，3Ds Max 軟件具有上手較容易，操作簡單高效等優點，符合此次三維建模軟件的要求。3Ds Max 中生成的所有模型在導入UE4 后都將失去原有的材質，故在建模之初，無需給模型賦予材質。為了確保實驗設備的各部分零件在導入UE4 后可以正確組裝，同時也為了給連接各部件的管道的建模提供空間定位，因此需要在3Ds Max中對實驗設備進行裝配。

在將液位過程控制實驗設備除連接管道之外的所有部件模型建立完畢之后，使用3Ds Max 的“文件”>“導入”>“合并”命令，把各部件模型組裝成實驗設備整體模型。根據裝配的效果，對各部件的尺寸進行微調，使之趨于完善。之后，以各部件為參照，繪出連接管道的模型，完成液位過程控制實驗設備建模工作。實驗設備總裝如圖2所示。

圖2 液位控制實驗設備總裝Fig.2 General assembly of liquid level control experimental equipment

1.2 模型的優化

初期建模都為高精度模型，而高精度模型的面數過多，會導致引擎的運行不流暢。其次，未優化的模型在后期的燈光烘焙中也會難以進行。為提高場景顯示的實時性，對場景模型進行優化是非常必要的。

在不改變模型大致形狀的基礎上，適當地減少模型的面數，比如通過刪除對模型外觀效果及作用效果不明顯的面[5]，以及在場景中被遮擋的線和面，都可以達到減少面數的效果。通過模型的優化，提高了引擎的工作效率。

1.3 模型的導入與場景構建

模型的導入屬于UE4的基本操作，在“窗口”欄中選定內容瀏覽器，在此可以建立文件夾，將簡化后的模型通過IMPORT 導入即可，內容瀏覽器管理引擎的材質、動畫、光源，以及視頻等文件。需要強調的是，導入UE4的模型文件是ABC 格式或FBX格式。將模型導入UE4 中后，并附加貼圖材質、UV，整個實驗室初見成型。虛擬實驗室的渲染效果如圖3所示。

圖3 虛擬實驗室渲染效果Fig.3 Rendering effect of virtual laboratory

1.4 交互設計

虛擬實驗中的交互功能設計主要在UE4 中進行，這也是整個虛擬實驗設計最關鍵的部分。在構建好的虛擬實驗室場景中，通過C++代碼和藍圖技術完成對實驗的水流過程仿真、水箱液位變化仿真，以及整體實驗交互功能設計。

1.5 平臺發布

完成虛擬實驗平臺的交互邏輯之后，需要將項目打包發布。當前，UE4 支持Android，Html5，Linux，Windows 等平臺的項目發布。而液位過程控制虛擬實驗平臺將發布到Html5 平臺，構建基于Web 端的虛擬實驗平臺。在UE4 主界面，選擇“文件”>“打包項目”，在選擇“Html5”后，對網頁發布形式相關參數設置即可。初次發布網頁端所需時間較長，對發布成功生成的文件包上傳至搭建的服務器上，即可通過網絡訪問。

2 實驗平臺功能模塊設計

液位過程控制虛擬實驗平臺應滿足過程控制與檢測儀表課程的實驗需求，面向對象為高校的學生和老師。該實驗平臺中，采用模塊化的設計思想，將實驗平臺分為四大模塊：實驗指導書模塊、演示功能模塊、操作功能模塊和實驗報告模塊。平臺功能模塊如圖4所示。

各模塊的功能如下：

1）實驗指導書模塊 將液位過程控制實驗的實驗原理及目的、實驗操作規范以及實驗方法整合成PDF 文檔形式，保存在UE4的內容瀏覽器的文件夾中。在實驗操作開始前，學生可以通過學習實驗指導書模塊，熟悉該實驗的實驗流程。

2）實驗演示模塊 添加教學演示功能可以使學生更快地掌握虛擬實驗平臺的操作方法，節省時間成本。該模塊的設計主要為視頻演示和文字演示功能，視頻演示功能使用藍圖技術實現，將原先錄制好的教學視頻放入UE4 所創建的 “文件媒體源”中，并打開“媒體播放器”選擇該視頻，最后在目標網格體上創建材質，通過藍圖技術實現此功能，視頻播放功能藍圖如圖5所示。文字演示功能包括內容提示、倍速播放、進度條等UI 界面功能的設計。

圖4 平臺功能模塊Fig.4 Platform function module

圖5 視頻演示藍圖Fig.5 Video presentation blueprint

3）實驗操作模塊 該模塊與實驗演示模塊相似，不同的是，需要學生親自動手操作液位過程控制實驗。學生親自操作實驗，可以加深對實驗的理解和記憶。實驗操作模塊有5 個步驟：實驗前的設備檢查；打開電磁閥和泵前閥；打開總電源和單相2的電源開關；設定需要控制的中水箱的高度；記錄實驗數據和階躍曲線。在該模塊中，學生可以通過鼠標點擊完成實驗，亦可通過VR 眼鏡和手柄完成實驗。實驗操作模塊如圖6所示。

4）考核模塊 在考核模塊中，學生自己撰寫實驗報告并將記錄的實驗曲線提交到系統，系統可根據操作的正確與否在后臺自動計算成績。

圖6 實驗操作模塊流程Fig.6 Flow chart of experimental operation module

3 關鍵技術

3.1 Blueprint 藍圖可視化腳本

Blueprint 藍圖是UE4 特有的程序編輯器，是一類完整的腳本系統。其工作原理是通過系統中的引線將節點、事件、函數以及變量按照邏輯順序連接[6]，實現開發者需求的功能。

藍圖系統包括類藍圖、控件藍圖、角色藍圖、關卡藍圖等類型，在實現交互功能時，往往需要用到各種藍圖以及藍圖之間的通信功能。類藍圖可以看作為被定義的具有各種功能的集合體，是最為常用的一類藍圖；控件藍圖用于創建虛幻示意圖形（UMG）UI，如2D 界面或3D 控件；角色藍圖中包含了對角色動作及相關數據的設置，此外，還可以在其中定義軟件的運行命令等；關卡藍圖是一種特殊藍圖類型，可以充當關卡范圍內的全局事件圖形。藍圖之間的通信功能則可以使得各個藍圖之間的數據進行互通，相互建立聯系。

此外，Blueprint 支持與C++的通信和轉換[7]，比如當開發者遇到復雜的事件驅動開發和一些物理模擬時，由于藍圖是在虛擬機上運行工作，需要消耗更多的CPU 性能，而將藍圖代碼轉化為原生C++代碼進行編譯和運行會解決此問題。

3.2 水流材質的實現

在虛擬液位過程控制實驗中，實驗現象特效的逼真程度是決定實驗真實度的關鍵因素。而在該實驗中，主要體現在對中水箱的液位變化和管道中的水流的效果分析與實現。

UE4 引擎提供基于物理渲染的材質系統，通過綜合使用多種函數和材質功能節點制作形成水流材質。在實現水材質藍圖中，Lerp 函數和Panner，Fresnel 等節點有著關鍵作用。Panner 節點與表示漣漪的貼圖互相作用，給人以一種水正在移動的感覺；Lerp 函數又稱線性插值函數，用于實現2 個值之間的平滑過渡。在藍圖中的作用則是使光線在網格體上的折射自然地轉變。而Fresnel 節點是指光照基于觀察者的角度來形成不同強度反射的現象。

4 結語

采用虛擬現實技術，結合單回路液位控制實驗教學大綱，利用UE4 引擎，開發出一套液位過程控制虛擬實驗平臺，實現了對水流過程和水箱液位變化的仿真。虛擬液位過程控制實驗，解決了傳統的液位控制實驗設備少、設備老化、可重復度低等問題，充分發揮了VR 的技術優勢，提高了實驗教學的效率。實驗平臺達到了預期效果，未來將進一步完善內容以及功能，如鍋爐溫度變化仿真、優化對學生的考核方式等。