虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電機實驗教學中的應(yīng)用

王大虎　寧彤

摘? 要： 基于虛擬仿真的思想，以電機教學設(shè)備為原型，使用3dsMax和Unity3D軟件設(shè)計開發(fā)電機實驗仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)交互性能良好，能對設(shè)備結(jié)構(gòu)和實驗原理進行直觀的展示，幫助學生理解內(nèi)容抽象的知識，同時也能提供給學生不限時間的使用學習，有效地提高了學生的學習興趣和學習效率。

關(guān)鍵詞： 電機實驗; Unity3D; 虛擬仿真; 3ds Max

中圖分類號：TM33? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）05-48-04

Application of virtual reality technology in motor experimental teaching

Wang Dahu， Ning Tong

Abstract： Based on the idea of virtual simulation， taking the motor teaching equipment as a prototype， a motor experimental teaching system is designed and developed with 3ds Max and Unity3D. The results show that this system has a good interaction and can visually display the device structure and experimental principles， which effectively improves students’ learning interest and learning efficiency.

Key words： motor experiment; Unity3D; virtual reality; 3ds Max

引言

電機作為一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置，既可生產(chǎn)電能也能產(chǎn)生機械能，用以滿足生產(chǎn)生活需要，電機因此特性在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中起到了極其重要的作用。

電機學課程具有較強的工程性，理論知識的學習必須依據(jù)工程實際，但傳統(tǒng)教學以文字、圖片和視頻為主，教材大多較為成熟系統(tǒng)化，結(jié)構(gòu)圖高度符號化，理論學習較為困難?，F(xiàn)階段實驗教學多為引領(lǐng)式，雖在一定程度上確保了實驗的科學客觀性以及操作安全性，但是對于學生自主學習習慣的養(yǎng)成缺乏引導(dǎo)[1]。針對傳統(tǒng)教學方式單一化的問題，張文娟等[2]提出借助多媒體技術(shù)在原有基礎(chǔ)上進行改革，增加了二維、三維動畫部分，實現(xiàn)了理論和實物教學的結(jié)合，但該方法交互性較差。2018年董立巖教授[3]借助Unity3D開發(fā)平臺設(shè)計開發(fā)了基于Unity3D的電機拖動實驗仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)為解決實驗的危險性和教學成本高等問題提供了一種較好的思路。虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)綜合了多門技術(shù)，拓寬了人機交互通道，提高了圖像信息的認知度，體現(xiàn)了多媒體技術(shù)的進步[4]。

綜上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出高集成性和強交互性，因此在教育培訓行業(yè)有著極大的發(fā)展?jié)摿?，本文借助該門技術(shù)，使用3ds Max和Adobe PhotoShop軟件搭建電機實驗室場景，在Unity3d平臺上借助C#編程語言開發(fā)系統(tǒng)交互腳本[5]，借助該電機虛擬仿真教學系統(tǒng)，較好的解決了教學上設(shè)備受限的問題[6]。

1 電機實驗仿真教學設(shè)計

1.1 實驗選材

開發(fā)電機教學系統(tǒng)，應(yīng)首先進行實物設(shè)備素材拍攝。本文選用電機實驗教學常用設(shè)備DDSZ-1型電機及電氣技術(shù)實驗裝置，該裝置可用于變壓器空載和短路實驗;直流電動機起動、調(diào)速;異步電動機基本性能診斷檢查等實驗。

1.2 實驗教學系統(tǒng)的設(shè)計過程

1.2.1 實驗教學系統(tǒng)的模塊設(shè)計

該實驗教學系統(tǒng)的設(shè)計初期目標在于使學生對電機實驗原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)有更加深入的了解，借助新興技術(shù)手段提高學習興趣。該實驗室系統(tǒng)初步設(shè)計如下四個模塊[7]。

⑴ 場景漫游模塊。在搭建的虛擬實驗室場景中進行漫游，在該場景下實現(xiàn)對實驗室環(huán)境以及實驗設(shè)備外形結(jié)構(gòu)的近距離觀察。

⑵ 三維動畫模塊。該模塊旨在以動畫視頻的形式講解實驗原理和實驗步驟，并展示實驗開始前的基本工作內(nèi)容。

⑶ 實驗設(shè)備拆裝模塊。該模塊用于實驗開始前對本次實驗所需用到的實驗設(shè)備進行結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及主要用途的了解，可以對工作原理有更加直觀的認知。

⑷ 實驗操作模塊。該模塊用以學生自主進行實驗操作練習，該模塊下會有系統(tǒng)自動提示實驗操作重難點以及操作注意事項，在保證操作的規(guī)范性基礎(chǔ)上，給與學生最大程度上的自由操作空間。

1.2.2 設(shè)計流程

虛擬試驗系統(tǒng)各模塊及總體設(shè)計流程如圖1所示，首先收集和整理有關(guān)電機實驗的資料，如設(shè)備照片、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實驗原理和操作步驟等，然后使用3ds Max軟件對實驗設(shè)備進行初步建模及模型優(yōu)化，再結(jié)合資料對實驗步驟、實驗原理部分進行動畫制作，最后將處理好的模型導(dǎo)入Unity3D中，并完成整個系統(tǒng)的交互功能設(shè)計和系統(tǒng)UI頁面設(shè)計[8]。

2 實驗室三維建模

本文中描述的虛擬電機實驗室場景主要包括實驗設(shè)備模型、實驗臺模型以及實驗室環(huán)境模型。建模過程中需要遵照一定的操作規(guī)范，這樣才能夠確保建模精度，以此增強虛擬實驗室環(huán)境的真實感。

下面以DDSZ-1型電機及電氣技術(shù)實驗裝置為對象，對三維建模進行簡單介紹。

2.1 使用3ds建立模型

3ds Max軟件作為美國Autodesk旗下的一款基于PC端的三維動畫制作軟件，旨在通過逼真的三維模型和強大的物理引擎來實現(xiàn)對真實環(huán)境的模擬，該軟件具備強大的功能板塊，且操作簡單、容易上手，因此應(yīng)用廣泛，隨著時代的發(fā)展，該軟件也逐漸應(yīng)用于教學領(lǐng)域。三維建模需要做到力爭還原實物細節(jié)，確保模型能夠在視覺效果上與實物相近[9]。圖2所示為DDSZ-1型實驗裝置。

建模的基本步驟：首先觀察分析物體的結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜物體進行各部件單獨建模，對單一結(jié)構(gòu)物體可進行整體建模。第一步根據(jù)設(shè)備部件外形選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)幾何體，如長方體、圓柱體等，根據(jù)實際比例設(shè)置參數(shù)的大小;第二步按照層級結(jié)構(gòu)優(yōu)先順序先從較大部件進行建模，即將該部分幾何體轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，并通過頂點、邊線等不同操作層級對幾何體進行擠出、倒角等修改，不斷調(diào)整參數(shù)以達到實際物體的外觀形狀;最后將各部分組件進行位置移動和旋轉(zhuǎn)等操作，還原真實物體結(jié)構(gòu)。已建模型如圖3所示。

2.2 優(yōu)化處理

由初步模型圖可見，雖然完成了對設(shè)備外形的還原，但為了增強使用過程的真實感，還需對模型進行優(yōu)化處理：

⑴ 對模型文件賦予材質(zhì)貼圖，要增加模型的真實感，需要對模型的細節(jié)部分進行貼圖處理，這里使用PhotoShop軟件對設(shè)備實物進行貼圖裁取并做出優(yōu)化處理，將貼圖通過材質(zhì)球賦予到模型表面;適當調(diào)整模型本身的光照效果，增設(shè)局部光源和整體光源，改變自身光反射參數(shù)，使模型更具真實感。優(yōu)化處理后的模型如圖4所示。

⑵ 優(yōu)化處理后的模型具有更真實的視覺效果，但對細節(jié)的過度刻畫會使模型的面數(shù)陡增，在導(dǎo)入Unity3D中會出現(xiàn)卡頓的情況，因此需要對模型部分面做遮擋剔除，并借助烘焙技術(shù)[10]將模型外觀細節(jié)加到簡化處理過的模型上，保證模型精度的基礎(chǔ)上保證系統(tǒng)流程運行。

3 三維場景交互

3.1 基于Unity3D平臺的人機交互

選用Unity3D引擎作為系統(tǒng)交互開發(fā)平臺，因為Unity作為Unity Technologies開發(fā)的跨平臺游戲引擎，對圖形渲染管道做出了高度的優(yōu)化改進設(shè)計，其最大的好處是允許配置較低的硬件設(shè)備實現(xiàn)流暢的場景漫游、交互式動畫等，且能夠構(gòu)造出高質(zhì)量的三維仿真系統(tǒng)和沉浸感更強的模擬體驗環(huán)境。模型搭建完成后，將其轉(zhuǎn)換成FBX格式文件，導(dǎo)入Unity3D平臺，設(shè)計人機交互，從而完成預(yù)期目標。實驗室模型導(dǎo)入Unity3D平臺的效果圖如圖5所示。

3.2 碰撞檢測技術(shù)

文中的系統(tǒng)交互包括對實驗原理以及實驗過程等內(nèi)容的三維展示、使用者拾取實驗設(shè)備進行單獨拆裝觀察操作。前者使用按鈕以及文本框組件，并編寫腳本即可實現(xiàn)相應(yīng)功能，而后者涉及到物體間的接觸，需要借助碰撞檢測技術(shù)[11]對使用者的操作行為進行實時計算檢測，防止出現(xiàn)交互時虛擬物體之間相互穿透的異?，F(xiàn)象，例如場景漫游時“穿越”墻體和地面等，并能選中物體對其進行拆裝和結(jié)構(gòu)觀察。

Unity3D中的碰撞檢測基于層次包圍盒算法，主要分為AABB立方體邊界框檢測、OBB定向包圍盒以及包圍球三種。針對本文中的實驗室模型，層次包圍盒法通過使用構(gòu)造簡單且體積略大于模型的長方體作為包圍盒，碰撞檢測時，系統(tǒng)實時分析計算包圍盒與物體之間的相交情況，綜合考慮系統(tǒng)運行環(huán)境，AABB邊界框檢測算法在保證系統(tǒng)交互時碰撞檢測計算的一定準度的前提下，實時計算量較小，能夠在硬件設(shè)備條件有限的環(huán)境下流暢運行。

3.3 虛擬交互腳本程序

在Unity3D中要想實現(xiàn)交互功能，不僅需要給模型物體添加相關(guān)組件，同樣需要編寫相關(guān)的運行程序，該系統(tǒng)使用C#語言進行交互腳本程序的編寫。

整個系統(tǒng)中最重要的交互功能體現(xiàn)實現(xiàn)使用者對設(shè)備結(jié)構(gòu)、參數(shù)信息等進行觀察了解。通過移動和旋轉(zhuǎn)物體可實現(xiàn)拾取和拆裝設(shè)備，實現(xiàn)該功能的部分代碼如下：

void Update（）

{ if （Input.GetMouseButton （0））

//表示獲取鼠標左鍵作為輸入值，用以選中并移動物體

{ //將屏幕坐標轉(zhuǎn)化成世界坐標

Vector3 temp=Camera.main.ScreenToWorldPoint

（new Vector3（Input.mousePosition.x， Input

.mousePosition.y， 10））;

transform.position=temp;

}

else if （Input .GetMouseButton （1））

//表示獲取鼠標右鍵作為輸入值，用以旋轉(zhuǎn)物體

{ //getaxis（"mouse x"）獲取鼠標移動的距離

x += Input.GetAxis（"Mouse X"） * xSpeed * 0.02f;

y -= Input.GetAxis（"Mouse Y"） * ySpeed * 0.02f;

y = ClampAngle（y， yMinLimit， yMaxLimit）;

Quaternion ratation = Quaternion.Euler（y， x， 0）;

transform.rotation = ratation;

}

else if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）！=0）

{ //鼠標滑動滾輪 縮放所選物體

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）<0）

{ //范圍值限定

if （Camera.main.fieldOfView <= 100）

Camera.main.fieldOfView += 2;

if （Camera.main.orthographicSize <= 20）

Camera.main.orthographicSize += 0.5f;

}

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）>0）

{ //范圍值限定

if （Camera.main.fieldOfView > 2）

Camera.main.fieldOfView -= 2;

if （Camera.main.orthographicSize >= 1）

Camera.main.orthographicSize -= 0.5f;

}

}

4 系統(tǒng)測試與發(fā)布

在系統(tǒng)設(shè)計完成之后，需要對系統(tǒng)性能進行測試，圖6所示為系統(tǒng)主頁面，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求分為四個模塊：場景展示模塊、實驗設(shè)備展示模塊、設(shè)備裝拆模塊和工作原理模塊[12]。通過點擊各模塊窗口，進入其展示模塊。測試后各模塊功能基本滿足設(shè)計要求。

系統(tǒng)測試完后，在Unity3D中在Project視圖下進行Assets資源包的打包，在Build Setting中進行發(fā)布配置，借助Unity軟件強大的系統(tǒng)兼容性可以滿足該系統(tǒng)在各大平臺下的運行。

5 結(jié)束語

VR技術(shù)的不斷更新發(fā)展為實驗教學和電力行業(yè)培訓帶來了極大的便利，本文借助強大的3ds Max建模軟件和Unity3D開發(fā)引擎，構(gòu)建了一個較為完整的虛擬電機實驗室場景，并設(shè)計實現(xiàn)了基礎(chǔ)的人機交互，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)教學方法單一、偏重于理論教學和實際操作教學部分課時較短等缺陷，很好的利用了VR這一高新技術(shù)手段，為工科學生的實驗教學環(huán)節(jié)增添了趣味性，并在最大程度上避免了因場地和設(shè)備使用時間受限而導(dǎo)致學習勁頭不高的問題，從而提高學習熱情和學習效率。

參考文獻（References）：

[1] 宋戰(zhàn)鋒，劉濤.《電機學》教學方法改革探究[J].中國電力教育，

2021（1）：66-67

[2] 張文娟，張志剛.多媒體技術(shù)在《電機學》中的改革與實踐[J].

中國電力教育，2017（8）：71-73

[3] 董立巖，王越群，李永麗.基于Unity3D的電機拖動仿真系統(tǒng)[J].

吉林大學學報（信息科學版），2018，36（5）：456-459

[4] 周前祥，姜世忠，姜國華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展[J].

計算機仿真，2003（7）：1-4，93

[5] 王大虎，陳俠，高會爭.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在PLC燃氣鍋爐培訓系

統(tǒng)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學報，2017，29（12）：3010-3015

[6] 李舒明.虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)在實訓教學中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].海

峽科技與產(chǎn)業(yè)，2018（8）：85-87

[7] 閆紀紅，張奮揚.虛擬可重組制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化模塊開發(fā)[J].

實驗室研究與探索，2013，32（7）：81-86，98

[8] 殷復(fù)鵬，鄧曉紅，張雷.基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設(shè)[J].

實驗技術(shù)與管理，2020，37（6）：259-262

[9] 王大虎，高會爭，陳俠.基于Quest3D的變電站仿真培訓系統(tǒng)[J].

中國電力，2016，49（9）：62-65

[10] 李永強，牛路標，楊莎莎，等.大型仿古建筑三維精細建模方

法研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2015，34（5）：640-644

[11] 和莉，劉惠義.碰撞檢測技術(shù)在三維交互漫游系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].

計算機技術(shù)與發(fā)展，2006（6）：92-94

[12] 李婷婷，余慶軍.虛擬交互系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計

算機技術(shù)與發(fā)展，2017，27（12）：124-127

收稿日期：2021-05-25

作者簡介：王大虎（1969-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

通訊作者：寧彤（1997-），男，河南人，河南理工大學電氣工程碩士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)。