梭式窯陶瓷燒制技藝虛擬仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)

李家春

（南昌工學(xué)院，江西 南昌 330108）

一、研究內(nèi)容及定位

（一）研究內(nèi)容

本系統(tǒng)立足于現(xiàn)代新型的間歇式窯爐燃?xì)馑笫礁G燒瓷技藝，以燃?xì)馑笫礁G陶瓷燒成操作工序?yàn)樗{(lán)本，借助VR 交互呈現(xiàn)技術(shù)，依據(jù)景德鎮(zhèn)真實(shí)的梭式窯燒窯場景搭建的全比例實(shí)物設(shè)備數(shù)字化模型及場景空間布局，研究并開發(fā)燃?xì)馑笫礁G燒窯技藝以高仿真、高交互操作的、全程沉浸參與式的虛擬梭式窯燒成操作工序仿真教學(xué)系統(tǒng)，呈現(xiàn)燃?xì)馑笫礁G燒成操作過程中的燒成工作原理、關(guān)鍵燒成設(shè)備結(jié)構(gòu)拆解、場景布局、燒窯操作工序核心技術(shù)。以解決傳統(tǒng)授課中如步驟繁多、燒成周期較長、成本高、危險(xiǎn)大、參與度低等弊端，從而讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過智能操作指導(dǎo)、具體化的操作流程、自主控制燒窯實(shí)驗(yàn)過程，獨(dú)立開展陶瓷梭式窯燒成工序?qū)嶒?yàn)。

（二）項(xiàng)目定位

目前陶瓷燒成技藝由于操作步驟繁多、燒成周期較長、經(jīng)驗(yàn)要求高、危險(xiǎn)因素多等屬高危行業(yè)。傳統(tǒng)陶瓷燒成工序講授主要依靠口頭傳授和燒窯師傅傳帶以及三維動畫漫游等方式，但都會受到場地大小、安全性、體驗(yàn)差等因素限制。本項(xiàng)目將為陶瓷工廠和作坊員工培訓(xùn)、宣傳，以及高等院校陶瓷相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)燒窯工序提供一個(gè)三維數(shù)字化的、高仿真度的、高交互操作的、全程參與式的逼真人機(jī)交互梭式窯燒成實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。讓學(xué)生有效克服梭式窯的燒制過程耗時(shí)長，缺少全程參與、錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的嚴(yán)重后果與燒制過程的局限性，培養(yǎng)學(xué)生們的操作手法和危險(xiǎn)意識以及梭式窯燒成原理的理解。熟悉掌握梭式窯陶瓷燒成的真實(shí)工作環(huán)境，為梭式窯燒成實(shí)踐操作奠定良好基礎(chǔ)。根據(jù)項(xiàng)目定位，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將大綱要求的教學(xué)內(nèi)容融入燒窯工作面的操作工序流程中，劃分梭式窯窯爐升溫規(guī)律理論、燃?xì)馑笫礁G燒窯設(shè)備拆解、燒窯環(huán)境實(shí)景式認(rèn)知、裝窯、燃?xì)馑笫礁G燒窯工序、實(shí)驗(yàn)?zāi)M考核等模塊。

二、燃?xì)馑笫礁G燒制技藝虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

（一）窯爐升溫規(guī)律理論教學(xué)模塊

本模塊是仿真實(shí)操教學(xué)系統(tǒng)中基礎(chǔ)理論教學(xué)模塊，本模塊針對復(fù)雜燃?xì)馑笫礁G燒窯工序中的操作環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)與原理進(jìn)行講解學(xué)習(xí)，包括梭式窯概念、分類、生產(chǎn)系統(tǒng)、窯爐升溫曲線燒制方法、更換液化氣、調(diào)整壓力閥、點(diǎn)火、調(diào)控火焰顏色、燒窯操作安全規(guī)范，危險(xiǎn)意識等理論。教師在講授過程中，搭配VR 設(shè)備，點(diǎn)擊PC 端界面上按鈕，進(jìn)入仿真系統(tǒng)虛擬空間后，可根據(jù)需要從不同視角進(jìn)行切換。分別點(diǎn)擊“教學(xué)目標(biāo)”、“教學(xué)重點(diǎn)”、“難點(diǎn)”圖標(biāo)按鈕，左側(cè)伸出畫布；點(diǎn)擊“教學(xué)內(nèi)容”按鈕，會彈出“梭式概念”、“燒成技術(shù)”兩個(gè)按鈕，再點(diǎn)擊會彈出相關(guān)教學(xué)文字內(nèi)容，可上下滑動進(jìn)行翻頁講解相關(guān)知識點(diǎn)。如圖1

（二）燃?xì)馑笫礁G燒窯設(shè)備拆解模塊

本仿真系統(tǒng)中，設(shè)有梭式窯燒窯設(shè)備拆解模塊，主要包括窯體、燒嘴、汽化爐、窯車、氣化爐工作原理等仿真實(shí)訓(xùn)。該模塊基于Unity3D開發(fā)引擎，依據(jù)景德鎮(zhèn)真實(shí)的梭式窯設(shè)備，導(dǎo)入3dmax 建模軟件中完成次世代模型資源制作，數(shù)字化全比例完整再現(xiàn)梭式窯陶瓷燒成設(shè)備仿真、場景仿真。運(yùn)用動畫技術(shù)、火焰粒子特效、煙霧、對窯爐主體結(jié)構(gòu)拆解、汽化爐工作原理等進(jìn)行沉浸式、交互式呈現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過VR 手柄點(diǎn)擊“梭式窯基本結(jié)構(gòu)”按鈕，轉(zhuǎn)換虛擬場景，通過分別單擊不同設(shè)備名稱按鈕，進(jìn)入到相應(yīng)的設(shè)備虛擬場景界面中，可通過360°自由動態(tài)捕捉選擇與切換視角直播，捕捉梭式窯各設(shè)備結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)，點(diǎn)擊“歸位”按鈕，可以回到初始位置，讓學(xué)生身臨其境的拆解梭式窯設(shè)備，全面認(rèn)知梭式窯生產(chǎn)系統(tǒng)中燃料供給及燃燒設(shè)備、燃燒風(fēng)機(jī)、煙氣－空氣換熱器、調(diào)溫風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)、汽化爐等組成與工作原理。如圖2

（三）燃?xì)馑笫礁G燒成工序流程實(shí)踐仿真模塊

本模塊包括景德鎮(zhèn)燒窯環(huán)境實(shí)景式認(rèn)知體驗(yàn)、裝窯仿真、梭式窯陶瓷燒成角色代入式實(shí)操、考試模擬等模塊。模塊中涵蓋實(shí)驗(yàn)場地安全須知、燒窯操作安全規(guī)范，危險(xiǎn)突發(fā)狀況處理指導(dǎo)手冊、裝窯介紹、燒窯工序操作流程指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告書等。學(xué)生通過點(diǎn)擊界面上的“梭式窯燒制仿真體驗(yàn)”按鈕，轉(zhuǎn)換進(jìn)入模擬景德鎮(zhèn)梭式窯燒窯作坊真實(shí)場景而構(gòu)建的3D虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中開展燃?xì)馑笫礁G燒成工序操作實(shí)踐。

1.景德鎮(zhèn)燒窯環(huán)境實(shí)景式認(rèn)知體驗(yàn)

景德鎮(zhèn)燒窯環(huán)境漫游以第三人稱視角漫游方式，結(jié)合語音播報(bào)引導(dǎo)，進(jìn)行燒窯場所漫游，“真實(shí)”體驗(yàn)景德鎮(zhèn)梭式窯燒窯環(huán)境。學(xué)生通過左手扣動射線點(diǎn)擊UI，右手貝塞爾曲線瞬移和觸摸等進(jìn)行快速跳轉(zhuǎn)和定位，了解液化氣操作間、窯爐操作間的主要設(shè)備布置。準(zhǔn)確識別窯體、燒嘴、汽化爐、窯車、燃料供給及燃燒設(shè)備、燃燒風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)等布局。

2.裝窯仿真實(shí)訓(xùn)

該模塊學(xué)生可根據(jù)所燒陶瓷產(chǎn)品的規(guī)格、釉料溫度需求,自主確定所采用碼腳、棚板尺寸規(guī)格,位置等，在裝窯時(shí),要求棚板、碼腳平衡,牢固,裝一層碼一層,注意產(chǎn)品裝載高度勿碰到窯爐內(nèi)的熱電偶。裝窯操作完成后,結(jié)合動畫技術(shù)，通過VR 手柄拖動窯車送入梭式窯內(nèi)，關(guān)上窯門，完成裝窯仿真操作工序，讓學(xué)生體驗(yàn)裝窯的規(guī)律與方法。

3.燃?xì)馑笫礁G燒窯工序角色代入式仿真

燃?xì)馑笫礁G燒窯工序?qū)嵅僖詿G老藝人角色扮演為核心，借助HTC VIVE 眼鏡和手柄交互模擬操作梭式窯燒成設(shè)備。學(xué)生參照燒窯流程指導(dǎo)書，通過手柄交互操控液化氣罐閥門、截止閥、氣壓表、氣化爐、燒嘴、煙氣－空氣換熱器、調(diào)溫風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)等,結(jié)合智能操作指導(dǎo)，模擬梭式窯陶瓷燒制工序全流程，包括燒窯前檢查準(zhǔn)備、汽化爐升溫、窯體烘干、低溫階段、氧化階段、還原階段、保溫階段、冷卻階段等操作工序的交互仿真。培養(yǎng)學(xué)生們的操作手法和危險(xiǎn)意識以及燒窯操作流程。如圖3（a-b）

圖3 燃?xì)馑笫礁G燒窯工序仿真

4.考核模擬

考核包括理論考核和實(shí)訓(xùn)考核兩個(gè)方面部分。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多套陶瓷燒成知識試題庫，學(xué)生通過進(jìn)入“課堂知識考核”模塊，系統(tǒng)將隨機(jī)抽取20道的陶瓷燒成知識試題進(jìn)行課堂互動與練習(xí)。從而達(dá)到對梭式窯燒成工序的關(guān)鍵流程和安全注意事項(xiàng)考核的目的。學(xué)生也可以進(jìn)入“實(shí)操考核”，學(xué)生將在關(guān)閉智能操作指導(dǎo)下，開展自主控制燒窯實(shí)驗(yàn)過程，系統(tǒng)將判斷燒窯工序中步驟操作的正確性，記錄操作過程，得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。

三、總結(jié)

本系統(tǒng)立足于現(xiàn)代新型的間歇式窯爐燃?xì)馑笫礁G燒瓷技藝，以燃?xì)馑笫礁G燒成操作工序?yàn)樗{(lán)本，借助VR交互技術(shù)，結(jié)合動畫技術(shù)、粒子特效技術(shù)，呈現(xiàn)燃?xì)馑笫礁G燒成操作過程中的燒成工作原理、關(guān)鍵燒成設(shè)備結(jié)構(gòu)拆解、燒窯操作工序核心技術(shù)和關(guān)鍵步驟等數(shù)字化交互仿真實(shí)訓(xùn)功能，從而有效克服陶瓷作坊、高校等傳統(tǒng)燒窯講授方式的弊端。