基于VR的傳熱綜合仿真實驗設計

吳丹　何明昌　高利新　王陳培　周競

關鍵詞：虛擬仿真；3DMAX；傳熱綜合；實驗

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）02-0090-03

1 概述

VR虛擬仿真技術，是近年來隨著計算機軟硬件技術的發展而產生的一項新興技術。該技術利用三維動畫軟件在計算機中首先建立一個虛擬的世界，設計師在這個虛擬的三維世界中按照要表現的對象形狀尺寸建立模型以及場景，再根據需求設定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其他動畫參數，最后按要求為模型賦上特定的材質，并打上燈光，當這一切完成后就可以讓計算機自動運算，生成最后的畫面[1]。隨著畫面的不斷變化，用戶也可以參與其中。VR顛覆了用戶的感官體驗，為用戶營造沉浸式氛圍，以高度“仿真”的“復現”效果，給人以身臨其境之感，實現對用戶感官的多重刺激，最大限度地在計算機及相關設備的支持下呈現出了真實情景[2]。

由于VR虛擬仿真技術具有很好的仿真與互動效果，使得該技術在教學方面應用得到快速發展，例如通過三維建模渲染技術還原各種機械設備的工作原理、內部結構、工藝流程等，使學生對機械設備、內部構造相關知識點一目了然，容易理解和掌握相關知識點。

國外對于虛擬現實技術的研究較國內起步較早，虛擬仿真在教學上的應用也比較成熟，國內少部分高校這幾年也迅速跟上。但大部分高校現在的教學手段大多還局限于板書+PPT，實驗教學也是采用傳統的實驗室，學生在實驗室里只能在實驗過程中接觸到實驗設備外圍，而設備的內部構造及其組成則無法看到、觸摸到，還有大量的損壞性實驗或危險性實驗，由于成本因素、危險因素無法進行，實驗教學不能形象地體現設備的結構、工作原理、工藝過程等，不利于實驗教學，學生學起來枯燥、煩瑣，知識也很難掌握。為此開發了一套仿真實驗系統，其中傳熱綜合實驗是比較成功的一項實驗，學生使用后感覺逼真，交互性強，對知識點有很好的把控，該仿真實驗已經成功申報浙江省級仿真實驗教學一流課程。

傳熱綜合實驗主要用于工業生產過程中，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進行兩者之間的熱量交換，這種交換叫作間壁式換熱。間壁式傳熱實驗以前一直用傳統實驗教學完成，但存在非常多的問題，如實驗教學成本過高、安全系數低、操作靈活性差，實驗器材維護也非常困難。而通過系統的VR技術建立傳熱綜合實驗，學生只需佩戴頭盔、手持設備等少量相關設備，就能沉浸實驗中，很快理解并掌握相關熱傳原理，實驗效果大大提升。

2 系統需求分析

在VR傳熱綜合虛擬仿真教學實驗項目設計中，系統充分考慮VR傳熱綜合實驗虛擬教學要求，并統籌考慮各部分建設內容之間的層次關系，以便項目形成一個有機的整體，讓學生進行仿真實驗時能一氣呵成。為此系統采用先進的體系架構，并與現有系統具有良好的接口和高度兼容，在數據處理方面，通過數據庫系統滿足大容量數據存儲和高速查詢，以保證系統的安全性和穩定性，軟件至少在三年內滿足相關熱傳仿真實驗應用，系統更新時，所有數據都可以通過恰當的遷移和轉換便可以完整無誤地轉入新的系統中。

通過上面的分析，基于整個實驗流程，圍繞綜合傳熱實驗步驟，系統利用VR技術，把該項目設計分為展示層、業務層、數據層三部分，如圖1所示。

3 系統設計與實現

3.1 技術環境

系統用AMD64作為系統平臺，建模采用Unity 3D 以及3DMAX進行模型開發，在功能上采用3DMAX進行實驗的建模，使用Unity 3D結合Vuforia插件創造出仿真實驗室。完善仿真實驗項目功能后，將其用Uni?ty 3D結合于項目要求。數據存儲方面，因MySQL充分利用Ubuntu的優點，所以系統用MySQL作為后臺的數據庫。

3.2 安全性能設計

考慮到系統集成以及實現各子系統的管理，以達到信息最大限度地共享，也便于今后系統的擴充及增容，系統預留了一些功能擴展接口。在安全方面，系統中所選用的各個功能子系統設備都具有開放的通訊接口，后臺管理系統搭建在內部局域網中以保安全，同時設計一套嚴格的權限認證機制，對一些重要數據進行MD5加密存儲，保證用戶訪問站點時系統安全。

3.3 系統前臺設計

系統把整個系統分為功能選擇、場景漫游、實驗模式三個部分。

（1）功能選擇

根據菜單功能，用戶選擇相應功能，可以選擇重新開始實驗或者繼續上一次操作實驗，也可以通過VR手柄按下扳機鍵確定是否可以相應操作以及相關按鈕可否進行觸碰，還可以按下手柄上的grip按鈕再次喚醒相關選擇界面等。

（2）場景漫游

該功能主要是劃分實驗區域，通過面對場景地面按下手柄pad鍵就能進行位置傳送，綠色區域為可到達區域，即可操作區域，橙色區域為不可到達區域，即不可操作區域。

（3）實驗模式

實驗模式即學生進行仿真實驗時可使用的操作方式，系統設計了分解模式、觸碰模式、拆卸模式共三種實驗模式供用戶操作選擇。

分解模式：該模式下用戶在視頻引領下進行分解操作，視頻指引的每一步都有操作提示。在這個模式中，實驗儀器的相應部分會出現箭頭與文字提示，用戶按照每一步提示即可進行相應的實驗操作。在仿真實驗室的右側，是學生調節數據和記錄數據的地方，可以通過表格直觀地觀察實驗所得數據，幫助學生進行后續的總結。此模式主要用分解實驗的每一步操作并掌握VR設備的使用，是學生學習和演練的詳細過程，用于學生初級入門實驗，如圖2所示。

觸碰模式：該模式下學生進行獨立觸碰實驗操作，最后給予實驗評分。該模式下沒有操作提示，且沒有視頻操作提示，用戶根據之前在普通模式中學到的內容進行觸碰實驗操作，完成實驗后點擊屏幕下面的評分按鈕，就能對此次實驗操作進行評判并給出分數顯示，用戶還可以一鍵生成實驗報告，此模式主要用于學生在基本掌握了相關原理及相關步驟后進行，也可用于學生實驗考核，如圖3、圖4所示。

拆卸模式：在該模式下，通過穿戴一套實驗設備進行操作，用手柄去觸碰實驗設備相應部件，部件發出黃色的光，此時可按下扳機按鈕拖動物體進行安裝及移動拆卸。學生利用VR手柄對各組件進行拆卸，通過相關操作，學生可很快認識實驗器材及各個組成部分，并可進行相關拆卸實驗操作，非常直觀生動，該模式主要用于學生對機械的安裝與拆卸，如圖5所示。

3.4 后臺架構設計

系統后臺基于WebGL 語言實現，Web 圖形庫（Web Graphics Library，Web GL）是一種3D繪圖協議，它將Java Script和Open GL ES結合在一起，HTML5中的Canvas元素提供硬件3D加速渲染，可以使開發人員在任意兼容的瀏覽器里展示2D圖形、3D場景和模型等，還能創建復雜的導航和數據視覺化。Web GL 可被用于創建具有復雜3D結構的網站頁面，甚至可以用來設計3D網頁游戲[3]。數據存儲方面，系統使用MySql，MySql可以說是目前最為流行的開源數據庫管理系統軟件，是一個多用戶、多線程的SQL數據庫服務器[4]。Mysql開放源碼，快捷靈活、穩定和容易使用等優點決定了其在中小型管理系統應用的優勢。為了提高數據庫訪問性能和后期大數據分析，系統還引入Redis非關系型數據庫，在服務器和數據庫之間使用緩存技術，以保證數據庫主從備份、讀寫分離。項目中還可能存在大量的需要上傳和下載照片和視頻，為此系統選擇騰訊的開放云存儲服務，同時為了提升各個地區的下載體驗，系統還引入CDN，客戶端通過API Service和服務端交換數據，圖片和視頻的下載直接通過CDN。

3.5 相關功能實現

根據傳熱綜合實驗教學設備圖紙建立三維模型，再利用三維建模進行虛擬設計，建立實驗零件的三維素材庫，包括器材以及器材的套管換熱器、發生器及風機等素材，同時制作傳熱綜合實驗教學視頻，然后根據現有實驗流程制作三維演示動畫。

1）圖像處理

對采集的照片，系統用Photoshop軟件進行處理，制作建模所用貼圖，然后進行軟件系統版面設計。

2）建模渲染

用三維制作軟件3D Max對套管換熱器、發生器及風機等，建立鍋爐零件三維1：1還原建模，制作材質貼圖，燈光布置，再根據設備的結構、原理和操作，制作攝像機動畫，人物動畫，操作動畫等，最后渲染出一系列的三維虛擬圖像序列。

3）視頻制作

由于Sony Vegas軟件提供的視頻特效非常豐富。可為某一片段或某一個鏡頭添加特效。大部分特效均開放， 通過關鍵幀控制可實現特效的動態變化；還可以軌道合成。提供了無限的音視頻軌道， 視頻具有合成模式、合成度、特效、軌道運動控制等。軌道合成模式與PS層疊加模式類似；軌道特效控制是為視頻增加不同的特效， 并對特效的變化進行控制;軌道的透明度可由合成度進行控制；軌道運動控制可實現視頻二維、三維合成。音軌主要是針對音量大小、聲音特效及聲音錄制等進行處理；最后， 字幕處理。視頻編輯中字幕處理不可缺少， Sony Vegas軟件配備的字幕功能操作非常簡單靈活， 在字幕編輯中， 同樣可應用視頻各種編輯特效[5]。綜上所述，系統用Vegas來制作各種視頻動畫。

4）編程合成

Virtools 是一款強大的虛擬現實開發軟件，可用于制作具有沉浸感的虛擬環境，讓參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺等各種感官信息，是一種新研發的人機交互系統。它具備豐富的行為模塊，根據模塊的搭配可以實現多種功能，在三維教育類游戲的開發方面具有突出優勢[6]。因此系統用Virtools作為開發工具，編程制作人機交互系統。

4 結束語

VR傳熱綜合仿真實驗，可以給學生帶來逼真的教學實驗，實驗流程可逐步分解，且自動生成實驗數據，非常方便。VR傳熱綜合虛擬仿真教學實驗不但幫學生避免了實驗可能帶來的危險，還節省了大量的實驗材料，仿真實驗不會對環境產生危害，而且實驗能反復進行，在當今高校中非常實用，具有廣泛的推廣價值。