李磊

摘要：近些年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)日益受到重視，并已在航空航天、軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、教育培訓(xùn)、娛樂等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在工程技能培訓(xùn)領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，以及教學(xué)培訓(xùn)新理念和新方法研究成果的取得。如何采用先進(jìn)的仿真技術(shù)，利用VR技術(shù)使工程技能培訓(xùn)的效果得到改善，成為一項(xiàng)頗具學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景的研究課題。同時(shí)，也為工程技能培訓(xùn)開辟了新的天地。本文總結(jié)了采用VR技術(shù)培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)和筆者在開發(fā)VR培訓(xùn)軟件過程中的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；培訓(xùn)；應(yīng)用

1、VR技術(shù)的特點(diǎn)

VR技術(shù)的全稱是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Realit）[1]，是由多種新技術(shù)相結(jié)合而成。它可以創(chuàng)建一種由計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，模擬出人類的感官功能，比如視覺、聽覺、觸覺等等。讓人在虛擬世界中運(yùn)用語言、動(dòng)作等現(xiàn)實(shí)中的交互方式與虛擬世界進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)，并在這種環(huán)境下體驗(yàn)仿照現(xiàn)實(shí)甚至超越現(xiàn)實(shí)狀況的事和物。目前的VR技術(shù)通常采用頭戴式顯示器，為用戶提供虛擬世界的的視覺感知。通過使用手持控制器的方式完成與虛擬世界的交互。虛擬內(nèi)容的提供者可以通過實(shí)際需要定制所需的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。因此，利用VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬世界特別適合技能培訓(xùn)的應(yīng)用。

2、基于VR技術(shù)培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)

培訓(xùn)對提高安全生產(chǎn)的意識，降低事故風(fēng)險(xiǎn)、強(qiáng)化人員施工技能，提高工程質(zhì)量有著重要的意義。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新一代的交互方式的出現(xiàn)，為探索培訓(xùn)方式打開了新的大門。通傳統(tǒng)培訓(xùn)方式與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從書本紙張文字加講授，到聲音視頻結(jié)合的多媒體教學(xué)，再到虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的跨越，為傳統(tǒng)培訓(xùn)痛點(diǎn)提供了一個(gè)綜合型解決方案。作為新的科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)模式，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)將極大地提升企業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新水平，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)的程序化、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。提高培訓(xùn)管理效率、節(jié)約培訓(xùn)成本、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量。區(qū)別于傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式，結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)方式有以下幾大優(yōu)勢：

1.多角度

不同于傳統(tǒng)培訓(xùn)受訓(xùn)者觀看方式受制于拍攝方式、角度，采用VR技術(shù)的培訓(xùn)內(nèi)容采用三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫演示的方式制作，受訓(xùn)者本身就相當(dāng)于“攝像機(jī)”，可以自主的在培訓(xùn)場景中移動(dòng)，從不同視角觀察，學(xué)習(xí)培訓(xùn)內(nèi)容，受訓(xùn)者可以多方位、多角度的學(xué)習(xí)培訓(xùn)內(nèi)容。同時(shí)，可預(yù)置多條“虛擬攝像機(jī)”軌道，培訓(xùn)組織者可以根據(jù)需要，靈活切換，從而多角度的講解培訓(xùn)內(nèi)容，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)方式視角單一的問題。

2.易更新

由于新技術(shù)、新工藝和新標(biāo)準(zhǔn)的不斷變化，對培訓(xùn)內(nèi)容的更新提出了挑戰(zhàn)。VR技術(shù)的培訓(xùn)內(nèi)容采用三維模型制作，因此有著靈活修改的特性，當(dāng)知識更新時(shí)，原有制作完成培訓(xùn)內(nèi)容中的大部分諸如場景、三維模型、虛擬物體、虛擬人物等可直接重用，從而大幅降低內(nèi)容更新的難度，提高內(nèi)容更新效率。

3.高仿真

虛擬培訓(xùn)環(huán)境是建立在現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境的基礎(chǔ)上的。操作規(guī)則也是基于實(shí)際操作規(guī)范，理想的虛擬環(huán)境甚至?xí)箤W(xué)員難以區(qū)分真假。虛擬培訓(xùn)環(huán)境的高仿真和雙向互動(dòng)，提高了培訓(xùn)的趣味性，激發(fā)了員工參與培訓(xùn)的熱情，尤為年輕員工所歡迎。

4.低風(fēng)險(xiǎn)

地鐵相關(guān)領(lǐng)域中一些重要或高危工作，如土方開挖、起重吊裝、接觸網(wǎng)系統(tǒng)等作業(yè)過程往往伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，帶領(lǐng)新員工進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)戰(zhàn)，稍有不慎便可能造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失。VR技術(shù)的使用可以有效地規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)。受訓(xùn)者可以充分地進(jìn)行演練，從而迅速提高他們的技能水平。

5.低成本

相較于傳統(tǒng)培訓(xùn)方式，本培訓(xùn)系統(tǒng)內(nèi)容制作采用三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作，一次制作，多次利用，有效解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)內(nèi)容制作周期長，設(shè)備材料成本高等缺點(diǎn)。

6.易組織

VR技術(shù)的運(yùn)用，使培訓(xùn)不再受制于場地限制，經(jīng)過簡單布置，學(xué)員可以在任何環(huán)境下進(jìn)行集中練習(xí)，并迅速獲得培訓(xùn)結(jié)果。亦可利用其個(gè)人碎片時(shí)間，多次重復(fù)練習(xí)，這大大增加了學(xué)習(xí)時(shí)間。

3、基于VR技術(shù)培訓(xùn)的實(shí)現(xiàn)

3.1主要應(yīng)用工具和設(shè)備

1.3d Max：3d Max是一個(gè)基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，本方案的設(shè)備、材料、工具模型均采用3d Max繪制。

2.Unity引擎：Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。

3.C#語言：本方案的交互動(dòng)作及控制均采用C#語言編制。

4.HTC Vive設(shè)備：本方案采用成熟的HTC Vive作為交互設(shè)備。

3.2VR培訓(xùn)案例開發(fā)經(jīng)驗(yàn)

在VR培訓(xùn)案例的開發(fā)過程中，采用了理論論證和實(shí)際運(yùn)行測試相結(jié)合的方法，不斷優(yōu)化開發(fā)方案，確定了合理的開發(fā)步驟和方法，積累了一下經(jīng)驗(yàn)：

1.物體排布

當(dāng)用戶觀察到場景中的物體時(shí)，如果各物體與用戶之間的距離不同，則需要經(jīng)常調(diào)整瞳距，容易產(chǎn)生視覺疲勞。經(jīng)測試，物體排布距離較為理想的是以用戶為中心，距離用戶在3-10米的區(qū)域內(nèi)。所以VR培訓(xùn)案例中物體排布采用以用戶為圓心，盡量圍繞用戶進(jìn)行排布，并且排布的層次控制在3至4層內(nèi)以梯次為顯示重點(diǎn)，減少用戶調(diào)整瞳距的頻率。

2.暈?；貞?/p>

與現(xiàn)實(shí)世界相似，在場景中看到與實(shí)際生活中易引起暈眩的虛擬場景，也會引起暈眩。因此，在開發(fā)過程中，應(yīng)特別避免例如螺旋狀和棋盤狀的出現(xiàn)。此外，過于復(fù)雜的貼圖更容易引起眩暈，所以在場景制作中，各三維模型的貼圖應(yīng)注意避免過于復(fù)雜。

3.優(yōu)化模型頂點(diǎn)數(shù)

對一個(gè)三維模型來說，其頂點(diǎn)數(shù)量決定了模型的精細(xì)程度，增加頂點(diǎn)數(shù)量可以得到更精確的模型。但在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，CPU會對場景中的所有的頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后通知GPU對頂點(diǎn)進(jìn)行裝配渲染得到一副圖像，最后輸出到顯示設(shè)備，此過程不斷進(jìn)行，每秒輸出的圖像數(shù)量成為FPS，而穩(wěn)定的、較高的FPS又決定了畫面的流暢程度。所以太多的頂點(diǎn)可能會導(dǎo)致幀數(shù)下降造成畫面卡頓，直接導(dǎo)致暈眩。

所以在VR培訓(xùn)案例的開發(fā)中需要對場景中出現(xiàn)的三維模型進(jìn)行優(yōu)化，通過對三維模型的頂點(diǎn)進(jìn)行整合、重布、刪除非必要面與非可見面、貼圖繪制、Shader編輯等手段降低模型頂點(diǎn)。以本項(xiàng)目中所使用三維模型為例，其原始高精度三維模型頂點(diǎn)數(shù)為580萬個(gè)，無法直接應(yīng)用，經(jīng)過優(yōu)化后為316萬個(gè)，同時(shí)依然保持了較好的視覺效果。

4. 攝像機(jī)控制

眩暈的原因之一是用戶身體獲得的運(yùn)動(dòng)信息和從眼睛獲得的信息不一致。在VR培訓(xùn)過程中用戶使用的顯示設(shè)備可以看作攝像機(jī)，攝像機(jī)隨用戶一起移動(dòng)以確定用戶看到的圖像，攝像機(jī)是否與用戶的運(yùn)動(dòng)完全協(xié)調(diào)，決定用戶在觀察事物時(shí)是否眩暈，因此理想的成像效果是相機(jī)與人運(yùn)動(dòng)完全同步。

同時(shí)為了增加真實(shí)感，又要盡量模擬真實(shí)的效果。例如現(xiàn)時(shí)生活中，人乘坐在汽車上，隨著汽車顛簸，看到的各種景像也應(yīng)跟著晃動(dòng)。如果在模擬環(huán)境中駕駛汽車是否模擬顛簸效果，則答案卻是否定的。通過我們對汽車的模擬測試，我們發(fā)現(xiàn)，眩暈感改除了來源于畫面不流暢，還來源于人體與眼睛對運(yùn)動(dòng)感受的不統(tǒng)一，在模擬乘車的測試中，共有三名開發(fā)者參與測試，測試中共有兩名開發(fā)者出現(xiàn)眩暈感。在測試過程中，參與測試的人靜止不動(dòng)，但攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)會造成人的視覺、身體感知和視覺感知沖突的虛假圖像，從而導(dǎo)致人腦接收信息不一致，從而造成眩暈感。根據(jù)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：首先，對于用戶體驗(yàn)來說，降低眩暈感是第一需求，真實(shí)感是第二位。其次，根據(jù)暈眩的原因，以模擬車輛試驗(yàn)為例，如果體驗(yàn)者不移動(dòng)，則攝像機(jī)應(yīng)盡可能保持靜止，以保持畫面與運(yùn)動(dòng)同步。

因此VR培訓(xùn)案例的開發(fā)中，通過以下幾種方式控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)：第一，在小范圍移動(dòng)中，由用戶自主控制，例如，控制攝像機(jī)隨用戶頭部運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、俯仰、側(cè)傾，同時(shí)控制攝像機(jī)隨用戶自主移動(dòng)而移動(dòng)。第二，在大范圍移動(dòng)中使用“瞬間移動(dòng)”的方式來進(jìn)行位移，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是位置變化幾乎瞬間完成，讓大腦理解為是外部環(huán)境正在改變，并且沒有運(yùn)動(dòng)，從而降低眩暈感。第三，通過盡量使用封閉空間的方式，為用戶提供明確的靜態(tài)參照物，使用戶能明確感知自身位置。

4、結(jié)語

借助在VR技術(shù)的幫助下，學(xué)員具有正常的視覺、聽覺、觸覺、力覺和運(yùn)動(dòng)知覺，并對學(xué)員的行為動(dòng)作進(jìn)行采集和處理，并及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)和反饋?；赩R技術(shù)的培訓(xùn)案例打破了傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式，增強(qiáng)了培訓(xùn)的吸引力，激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)技術(shù)的積極性和積極性，避免了傳統(tǒng)培訓(xùn)所造成的物料浪費(fèi)大大降低了培訓(xùn)的難度。結(jié)合VR技術(shù)培訓(xùn)，流程更加直觀，避免了施工中容易忽視的問題?？捎行У靥岣吡思夹g(shù)人員的實(shí)操能力。

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（作者單位：中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司）