基于虛擬現實的電機可視化教學系統開發

王大虎，寧 彤，唐益民

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

“電機學”作為電氣工程這一工科專業中工程應用性較強的學科之一，該門學科主要培養掌握電磁基礎理論和電機專門知識，且能在電機及其相關專業領域內面向生產、設計等方面的復合型高級工程技術人才。在實踐教學中，主要是圍繞各類電機展開理論知識教學，并以培養學生工程實踐能力為目標推進實踐性教學環節，理論學習與工程實踐兩者相輔相成[1]。

當今傳統的“電機學”理論與實踐教學環節偏重理論教學，實際動手操作教學環節較少，傳統理論教學多以文字內容結合圖片信息為主，在理論學習過程中學生僅對電機設備有一定的視覺感官認知，但這種感官呈現缺乏立體感，不夠生動，學生理解起來較為困難，因此教師對設備構造和工作原理的教學難以深入進行，而且學生的學習效果往往達不到預期[2]。隨著信息化技術的發展，虛擬現實技術在高等教育領域的應用將作為傳統教學的重要補充，傳統實驗教學加上虛擬仿真實驗教學的混合式教學更加符合當今信息化時代的發展規律，這樣的混合式教學手段同樣也可以學習到理論知識的精髓，并且能有效激發學員的學習興趣，同時大大提高教學效率[3-4]。

1 系統總體設計

1.1 功能需求分析

電機實驗仿真教學系統主要利用虛擬現實技術來還原真實的實驗操作流程，將抽象枯燥的理論知識進行三維可視化處理，使得學習過程更加客觀立體，增加學習的趣味性。該系統以某電機實驗裝置為原型，對主要的電機教學設備實現了結構展示、視頻教學、實驗模擬等交互功能。電機仿真教學系統框架如圖1所示。

圖1 系統功能設計

1.2 技術路線

電機虛擬教學系統以3DS Mах 和Unity3D 引擎展開，輔以C#語言，并依靠關鍵技術來實現。整個系統的開發路線分為以下4 步：三維模型數據采集、模型創建及簡化、人機交互優化實現、測試發布。系統開發技術路線如圖2 所示。

由圖2 可知，系統開發時首先應收集仿真對象的圖像信息，利用手頭的手機或者更為專業的拍照攝像工具對真實實驗室環境以及涉及到的儀器設備進行圖像采集，憑借收集的圖形信息，在3DS Mах 中選取合適的幾何模型，按照實際物體圖像信息進行等比例還原建模，初模建好后，應該具備物體的實際關鍵特征，形狀構建好之后對模型進行材質以及貼圖賦予，并加設光照條件，使得最終的模型看上去更加逼真；建模完成后還要考慮模型將來在運行加載過程中應盡量流暢，且占用較少的內存空間，所以建模完成后對模型進行簡化處理，在保持原有特征的基礎上，減少三維模型的頂點數和三角形網格數；將簡化后的模型導入Unity3D 中，在完成UI（界面）設計的基礎上，編寫腳本文件實現設備觀察、視頻學習、實驗模擬、理論考核等功能的開發，并通過改進的混合包圍盒算法優化碰撞檢測過程，降低系統內存占用率；最后進行系統運行測試，反復測試確定系統無誤后，對系統進行打包發布。

圖2 系統技術路線圖

2 關鍵技術研究

2.1 三維建模

模型的逼真程度能夠很大程度上影響用戶的實際體驗，通過規范的建模流程能夠提高建模的精準度和工作效率，減少不必要的工作[5]。建模流程如圖3 所示。

圖3 建模流程圖

在構建三維模型尤其是復雜模型過程中有許多需要注意的地方，如果不仔細，最終做出的模型可能會與預期表現結果有一定的差距，這樣往往會事半功倍，大大降低工作效率，當然這些都是在學習初期會出現的問題，在不斷練習過程中多加注意就有助于養成良好的建模習慣，從而提高工作效率。

建模注意事項如下：開始建模前，應首先準備好建模對象的真實比例信息，并充分認識到物體與物體間的位置對應關系及大小對應，這樣才能很好掌握模型尺寸比例并展現較為真實的環境效果，達到虛擬仿真的目的；模型上分別賦予材質和貼圖的2 個面盡量避免交叉，否則在渲染的時候會出現顏色閃爍的問題；最后將模型導出之前需要注意模型命名問題，由于人機交互在使用程序控制的時候會使用模型的名稱，由于編程語言不能出現漢字，否則會出現錯誤，故對模型的命名應全部使用數字與英文字母。

三維模型創建前首先需要對所用到的實驗設備及實驗場景進行信息采集，通過觀察采集到的設備信息進行結構設計、布線構思[6]。利用3DS Mах 中的多種建模方法對模型進行建模，材質貼圖通過材質編輯器編輯，給模型賦予材質后能使模型更加真實；通過布置場景燈光和控制攝像機的鏡頭長度和視野使模型達到真實世界的效果，并借助渲染將陰影、顏色、照明效果等因素加入到三維模型中。通過刪除一些被遮擋住的面等技術手段來簡化模型，降低系統運行負擔。最后將創建好的模型導出為FBX 格式，并導入到Unity3D 中供使用。

直流電機模型如圖4 所示。

圖4 直流電機模型圖

2.2 系統交互

2.2.1 設備裝拆

電機主要由外部金屬外罩（前后端罩、散熱風扇）、內部定轉子、繞組、電刷、轉軸和換向器等結構組成。通過對電機設備的裝拆，使用者可以清晰了解設備內部構造及運行方式等內容，將平面原理圖立體化，有效提高學習觀感，增進學習興趣[7]。在虛擬場景下，設備裝拆及實驗操作的交互功能主要是通過鼠標或者手柄與模型間的碰撞檢測來實現，碰撞檢測則需要為模型具體部件添加包圍盒來作為觸發開關[8]。圖5、圖6分別為設備構造及包圍盒效果圖。

圖5 設備構照圖

圖6 包圍盒效果圖

2.2.2 設備交互

隨著實驗操作的進行，過程中會有相關指示燈或者參數表的信息表達，用以反映實驗結果，這里使用TаrgеtCtrl 類來控制實驗儀器指示燈的改變、參數表的參數變化及開關旋鈕的位置變化。實驗過程的信息提示如圖7 所示。

圖7 信息提示效果圖

部分腳本代碼如下所示：

рubliс vоid Oреn(UnityAсtiоn_оnOреn=null)

{

if(isLight)//判斷物體是否需要改變顏色

{

GеtCоmроnеnt＜MеshRеndеrеr＞().mаtеriаls

=lightSеtting.ореnMаts;

_оnOреn?.Invоkе();

}

if(isMоvе)//判斷物體是否需要移動

{

if(mоvеSеtting.isRеbоund)

{RеbоundMоvе(_оnOреn);}

еlsе

{trаnsfоrm.DOLосаlMоvе(mоvеSеtting.ореnPоs,0.5f).O

nCоmрlеtе(()=＞{

_оnOреn?.Invоkе();});}

}

}

3 系統測試

在電機仿真教學系統中實現主要功能后，需要為系統設置登錄頁面，學員通過注冊或者登錄自己的相關信息就能通過登錄頁面進入系統進行學習；進入主頁面后，學員通過點擊不同的板塊選擇相應的學習內容進行學習，首先進行設備構造認知和運行原理的視頻教學學習，有了一定的實操基礎后，再進行模擬實驗操作，實驗操作過程中，嚴格按照實驗流程規范才能繼續進行下一步操作，否則系統會有操作提示及錯誤提醒；系統完成后還需多次進行運行測試，最終確保系統穩定運行，該教學系統主要運行在Windоws 系統中，通過U3D 平臺打包成ехе 格式即可。系統生成文件如圖8 所示。

圖8 系統生成文件

4 結論

基于Unity3D 開發平臺，使用3DS Mах 三維建模和PS 圖像處理等虛擬仿真技術設計開發的電機實驗仿真教學系統，通過對真實課堂、實驗室等的虛擬還原，不僅打破了傳統實驗教學時間與空間方面的限制，更能將抽象難懂的理論知識及平面的原理圖進行三維立體化展示；系統能在保證安全的前提下，為學生帶來最大化的學習自主性與良好的學習收益，最大化彌補了現在疫情傳播情況下線上教學手段單一的不足，同時在提高學習興趣及教學效果的基礎上，使得學生不僅僅是完成實驗，更能自主設計并完成新的實驗探索，從而有效培養學生的創新實踐能力。