基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用.doc

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用 陳滿戴鈞 （湖北省科技信息研究院湖北武漢） 摘要：結(jié)合企業(yè)實(shí)際培訓(xùn)需求，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由虛擬場(chǎng)景和培訓(xùn)功能兩大模塊組成。該系統(tǒng)結(jié)合機(jī)電設(shè)備和培訓(xùn)信息數(shù)據(jù)建立培訓(xùn)、學(xué)習(xí)、考核可視化三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)區(qū)域虛擬漫游，實(shí)時(shí)導(dǎo)航和設(shè)備操作交互控制的功能。系統(tǒng)的運(yùn)用可以進(jìn)一步提高企業(yè)對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)能力、基礎(chǔ)故障排查能力和檢修能力，減少因設(shè)備錯(cuò)誤使用及操作不當(dāng)造成的損失。 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；培訓(xùn)；系統(tǒng)；交互式；開發(fā) ：G434：51448 隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的信息化技術(shù)被運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，促進(jìn)了與制造業(yè)傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，由此引發(fā)了數(shù)字化工廠概念的提出，構(gòu)建信息化技術(shù)高度集成的技能培訓(xùn)系統(tǒng)已成為我國(guó)制造業(yè)信息化領(lǐng)域研究的熱門課題。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)培訓(xùn)，開展構(gòu)建技能培訓(xùn)系統(tǒng)的研究便是其中之一。 結(jié)合工廠技能培訓(xùn)的實(shí)際需求，明確工廠操作人員技能培訓(xùn)的實(shí)際難點(diǎn)和重點(diǎn)，研究開發(fā)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化技能培訓(xùn)系統(tǒng)。并集成運(yùn)用工業(yè)技術(shù)，開發(fā)出具有虛擬場(chǎng)景漫游、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、操作信息展示、考核信息數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能為一體的完整的數(shù)字化技能培訓(xùn)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了技能培訓(xùn)的可視化、實(shí)用化、智能化目標(biāo)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的“現(xiàn)實(shí)”泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊的目的。 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 技能培訓(xùn)系統(tǒng)中的個(gè)性化模塊設(shè)置，可以再現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的任一可視化有序步驟，如產(chǎn)品裝配過程、產(chǎn)品加工過程等，需要人工裝配的大型設(shè)備，前期的人員培訓(xùn)，可能僅有圖片或者裝配卡片形式的培訓(xùn)方式，不能在有效時(shí)間內(nèi)對(duì)人員進(jìn)行系統(tǒng)化的講解，而三維虛擬技能培訓(xùn)系統(tǒng)中所嵌入的獨(dú)立產(chǎn)品生產(chǎn)再現(xiàn)、設(shè)備操作模塊，便能形象地對(duì)加工、裝配、操作過程進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的再還原，對(duì)于參訓(xùn)人員的培訓(xùn)工作，起到了強(qiáng)有力的輔助甚至主導(dǎo)作用。 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)將實(shí)物通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真出來，只需一臺(tái)電腦就可以完成設(shè)備操作、裝配的培訓(xùn)工作，同時(shí)根據(jù)需求在技能培訓(xùn)中添加考核模塊。這種方式即解決了企業(yè)培訓(xùn)場(chǎng)地缺乏的難題，也降低了培訓(xùn)過程中因誤操作對(duì)設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬不同工藝段的運(yùn)行原理及操作，可以針對(duì)員工所在的工藝段進(jìn)行對(duì)應(yīng)工藝段的培訓(xùn)學(xué)習(xí)。在該虛擬系統(tǒng)的支撐下，可以確保員工在了解不同工藝段的同時(shí)，培養(yǎng)故障診斷及基礎(chǔ)檢修的技能。通過虛擬仿真技術(shù)對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)、基礎(chǔ)故障排查、檢修的培訓(xùn)系統(tǒng)，可以減少錯(cuò)誤使用造成的損失?；A(chǔ)故障排查、檢修培訓(xùn)可以減少售后維護(hù)部門上門維修的費(fèi)用。 經(jīng)過反復(fù)論證與研究，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（見圖）。該系統(tǒng)主要由虛擬展示模塊和培訓(xùn)考核管理模塊構(gòu)成。虛擬展示模塊的構(gòu)建采用三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，使用戶擁有交互式體驗(yàn)；培訓(xùn)考核模塊的建立依托于存儲(chǔ)有培訓(xùn)過程信息、考核信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，并使用相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)、學(xué)習(xí)與考核的可視化、智能化與實(shí)用化。 系統(tǒng)中虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建 構(gòu)建虛擬展示場(chǎng)景，是滿足技能培訓(xùn)系統(tǒng)具備可視化功能的必要條件。逼真的高精度培訓(xùn)場(chǎng)景及設(shè)備模型并配備合適的場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)，是技能培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)順利進(jìn)行的重點(diǎn)工作。 建立培訓(xùn)場(chǎng)景三維模型 構(gòu)建培訓(xùn)場(chǎng)景及設(shè)備三維模型的主要工作集中在三維模型數(shù)據(jù)采集與三維建模上，這是實(shí)現(xiàn)實(shí)景仿真及漫游的基礎(chǔ)。在制作場(chǎng)景虛擬模型、虛擬展示場(chǎng)景模型的過程中，影像、圖像信息的采集很重要。影像、圖像采集的清晰程度和質(zhì)量好壞，將直接影響制作出的模型的展示效果、模型制作的精細(xì)程度。 采集數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能采集區(qū)域及設(shè)備的全貌，如果采集的環(huán)境不允許，可以分多個(gè)角度采集多張圖像照片，盡最大可能把它的全貌準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來，這樣建模時(shí)只通過幾張照片就可以了解建模對(duì)象的整體面貌、所要表達(dá)的細(xì)節(jié)及重點(diǎn)。采集建模對(duì)象細(xì)節(jié)部分時(shí)，要具體到每個(gè)立面及細(xì)節(jié)特征。在采集細(xì)節(jié)及重點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，要根據(jù)物體等級(jí)的劃分考慮需詳細(xì)采集的區(qū)域及要建模的區(qū)域。 三維模型可以被劃分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。靜態(tài)模型是靜止不運(yùn)動(dòng)的模型，如培訓(xùn)場(chǎng)景等；動(dòng)態(tài)模型是具有運(yùn)動(dòng)屬性的實(shí)體模型，如各種設(shè)備等。靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型在建造的過程中，采取分離獨(dú)立建模的原則。具體地說，以布置規(guī)劃設(shè)計(jì)圖，車間設(shè)備布置圖等圖紙資料為依據(jù)，建立真實(shí)坐標(biāo)基礎(chǔ)上的三維空間場(chǎng)景模型；其中動(dòng)態(tài)模型以設(shè)備圖紙等資料為參考。最終建立的培訓(xùn)場(chǎng)景及設(shè)備三維模型（見圖）。 虛擬場(chǎng)景驅(qū)動(dòng) 建好的三維模型是相對(duì)獨(dú)立的，僅僅是實(shí)物三維尺寸的立體表述，尚未被激活，實(shí)現(xiàn)真正意義上的相互關(guān)聯(lián)。要實(shí)現(xiàn)最終的漫游、導(dǎo)航及交互控制，就需要在實(shí)時(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)工具平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)可以以任意角度對(duì)虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行觀察的功能。 技能培訓(xùn)系統(tǒng)中虛擬場(chǎng)景要給用戶帶來漫游觀看、任意角度觀看的感官體驗(yàn)，使客戶獲取身臨其境的感覺。這就需要對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)是在三維互動(dòng)仿真平臺(tái)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。即虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，是一款由中視典獨(dú)立開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。它支持自動(dòng)漫游開發(fā)、手動(dòng)漫游開發(fā)。漫游軌跡可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)支持更深層次的開發(fā)，擴(kuò)展性好。 實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng) 為了快速、精確地定位培訓(xùn)場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象，就必須要引入一套實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)。首先要設(shè)置規(guī)劃導(dǎo)航圖導(dǎo)航圖以二維區(qū)域設(shè)計(jì)及平面布置圖、設(shè)備圖紙資料等作為參照依據(jù)，設(shè)置精確度較高的、坐標(biāo)，并同三維場(chǎng)景的、坐標(biāo)綁定，使兩套坐標(biāo)成為唯一對(duì)應(yīng)。當(dāng)在實(shí)時(shí)導(dǎo)航圖上點(diǎn)擊某一個(gè)對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)捕捉到該對(duì)象的坐標(biāo)，然后通過該坐標(biāo)在三維場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)綁定的坐標(biāo)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景中的實(shí)際位置，然后將展示的漫游場(chǎng)景窗口漫游至該位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航的功能。實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)（見圖）。 培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用 培訓(xùn)系統(tǒng)中的設(shè)備具有一定的真實(shí)感（見圖4），以三維多功能激光加工機(jī)為例，該加工機(jī)操作面板被真實(shí)虛擬再現(xiàn)，培訓(xùn)中采用動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)交互操作方式。系統(tǒng)可以模擬再現(xiàn)設(shè)備操作時(shí)的多種常見故障現(xiàn)象，通過植入故障，觀察故障現(xiàn)象，測(cè)試各相關(guān)部件的工作情況從而排除故障，提高參訓(xùn)人員設(shè)備保養(yǎng)、故障排查與檢修的能力。培訓(xùn)系統(tǒng)交互式操作界面。 培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用模式（見圖5）主要有以下三種：講解模式：通過文字、語音、動(dòng)畫、圖片等多種途徑講解操作過程；訓(xùn)練模式：通過文字、語音、錯(cuò)誤提示等，按照要求完成操作流程；考核模式：給定要求，通過自主操作，完成操作，并給予評(píng)分及點(diǎn)評(píng)。 結(jié)語 構(gòu)建完成后的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能培訓(xùn)系統(tǒng)，通過穩(wěn)定性測(cè)試后，可以按照企業(yè)所需格式，部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，或輸出為或者形式，獨(dú)立使用或者上載至企業(yè)網(wǎng)站聯(lián)網(wǎng)使用。多樣化的格式及部署選擇，可以豐富技能培訓(xùn)手段，提高培訓(xùn)效果，方便培訓(xùn)工作的開展。技能培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)用可以進(jìn)一步提高企業(yè)對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)能力、基礎(chǔ)故障排查能力、檢修能力，提高人員的技能素質(zhì)，降低設(shè)備維護(hù)檢修成本，減少設(shè)備錯(cuò)誤使用造成的損失。 參考文獻(xiàn) 李春泉，尚玉玲，胡春楊云制造的體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，（） 陳滿，曹國(guó)，何渡，等三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工廠三維導(dǎo)覽系統(tǒng)建模中的應(yīng)用微型機(jī)與應(yīng)用，（） 武亞峰，林在康，楊曉威，等基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化礦井系統(tǒng)煤炭科技，（） 孫潔香，黎曉東，楊書評(píng)，等制造產(chǎn)業(yè)集群信息化協(xié)同服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)思想及運(yùn)行模式分析制造業(yè)自動(dòng)化，（） 曹國(guó)中小企業(yè)信息化建設(shè)模式探討科技進(jìn)步與對(duì)策，（） 唐自力二維碼與移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)在高校固定資產(chǎn)管理中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，（） 7王國(guó)乾面向福建制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群構(gòu)建公共信息服務(wù)平臺(tái)海峽科學(xué)，（） 8朱記偉，解建倉，李建勛，等面向產(chǎn)業(yè)集群的中小企業(yè)信息化創(chuàng)新服務(wù)支撐模式以寶雞中國(guó)鈦谷為例科技管理研