基于Blender 建模和Unity3D 場景構(gòu)建的PLC 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

崔健，喻向天，張賽昆，馬冬寶，湯曉華

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 102600；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；3.深圳市物新智能科技有限公司，廣東 深圳 518107）

1 引言

機器視覺作為計算機科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的一個重要分支，已經(jīng)成為了當(dāng)今社會中不可或缺的技術(shù)之一。隨著機器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的教育機構(gòu)和培訓(xùn)機構(gòu)開始注重機器視覺方面的教育和培訓(xùn)。然而，由于機器視覺領(lǐng)域的實驗設(shè)備和工具通常價格昂貴、操作復(fù)雜，以及安全隱患等問題，使得機器視覺實驗教育受到了一定的限制。

虛擬仿真技術(shù)是一種基于計算機圖形學(xué)、計算機視覺、虛擬現(xiàn)實等多種技術(shù)的計算機輔助教育方法。通過虛擬仿真技術(shù)，可以在計算機中建立虛擬實驗環(huán)境，并在該環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗，以達(dá)到節(jié)約成本、安全可靠、多角度觀察等優(yōu)點。因此，虛擬仿真技術(shù)逐漸成為了教育領(lǐng)域中一個非常重要的技術(shù)手段。

基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺是指利用虛擬仿真技術(shù)，通過數(shù)字化模型、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等手段，模擬實際操作環(huán)境，讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實驗和實踐操作，以達(dá)到教學(xué)和實踐的目的。該技術(shù)可以有效地提高實驗教學(xué)的安全性和效率，同時也可以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力。近年來，基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺已經(jīng)成為國內(nèi)外高校和研究機構(gòu)關(guān)注的熱點領(lǐng)域。

國外基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺的研究和應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。美國、加拿大、英國、澳大利亞等國家的高校和研究機構(gòu)，早在20 年前就開始研究和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。比如，美國哈佛大學(xué)的Virtual ChemLab 平臺可以讓學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實驗的虛擬仿真；英國?？巳卮髮W(xué)的Virtual Fieldwork 平臺可以讓學(xué)生進(jìn)行地理實驗的虛擬仿真；澳大利亞昆士蘭大學(xué)的VECCI 平臺可以讓學(xué)生進(jìn)行商業(yè)運營實驗的虛擬仿真。這些平臺不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還可以節(jié)省實驗成本和實驗室場地的使用。

在國內(nèi)，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺的研究和應(yīng)用也在不斷發(fā)展。國內(nèi)許多高校和研究機構(gòu)已經(jīng)開始研究和應(yīng)用這一技術(shù)，例如，中國礦業(yè)大學(xué)的Virtual Campus 平臺可以讓學(xué)生進(jìn)行建筑實驗的虛擬仿真；北京理工大學(xué)的Virtual Lab 平臺可以讓學(xué)生進(jìn)行機械實驗的虛擬仿真；清華大學(xué)的Virtual Medical Education Center 可以讓學(xué)生進(jìn)行醫(yī)療實驗的虛擬仿真。這些平臺不僅可以提高學(xué)生的實踐能力和動手能力，還可以提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

雖然國內(nèi)外在基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺方面的研究和應(yīng)用有所不同，但是兩者都存在一些共同的問題。例如，如何解決虛擬仿真技術(shù)在模擬真實環(huán)境方面的局限性、如何提高虛擬仿真技術(shù)的逼真度和交互性、如何保障學(xué)生的實踐操作安全等問題都需要進(jìn)一步研究和解決。

針對以上問題，本文針對機器視覺領(lǐng)域的教學(xué)需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于機器視覺虛擬仿真的實驗教育平臺。該平臺的核心在于利用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)了機器視覺設(shè)備和工具的模擬，以及機器視覺算法的實踐。具體地，該平臺使用Blender 建模技術(shù)，將各種機器視覺設(shè)備和工具進(jìn)行3D 建模，然后將模型導(dǎo)入到Unity 引擎中。通過使用WPF 構(gòu)建控制端，可以實現(xiàn)對Unity 場景進(jìn)行操控和操作。此外，平臺還模擬PLC 控制運動，從而實現(xiàn)對機器視覺相關(guān)算法的學(xué)習(xí)和實踐。

通過該平臺，學(xué)生可以更加直觀地感受機器視覺設(shè)備和工具的特點和使用方法，學(xué)習(xí)和掌握機器視覺相關(guān)算法和技術(shù)，并在虛擬實驗環(huán)境中進(jìn)行實驗和練習(xí)。該平臺具有操作簡單、成本低、安全可靠、學(xué)習(xí)效果好等優(yōu)點，為學(xué)生提供了一個更加實際、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠幫助學(xué)生更好地理解機器視覺算法的原理和應(yīng)用。

本文的主要工作包括以下幾個方面：

（1）利用Blender 建模技術(shù)，將機器視覺設(shè)備和工具進(jìn)行3D 建模，并導(dǎo)入到Unity 引擎中，構(gòu)建機器視覺虛擬仿真場景。

（2）用WPF 構(gòu)建控制端，實現(xiàn)對Unity 場景的操控和操作，包括對機器視覺設(shè)備和工具的控制、對PLC 的控制以及實驗數(shù)據(jù)的收集和展示等功能。

（3）通過實驗測試，驗證了該平臺的可行性和有效性，證明了該平臺可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和參與度。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第二部分介紹了機器視覺虛擬仿真的相關(guān)技術(shù)；第三部分詳細(xì)介紹了本文設(shè)計和實現(xiàn)的基于機器視覺虛擬仿真的實驗教育平臺的設(shè)計思路和技術(shù)細(xì)節(jié)；第四部分對該平臺的實驗結(jié)果進(jìn)行了評估和分析；最后，第五部分為本文的結(jié)論部分，總結(jié)了本文的主要工作和成果，并提出了后續(xù)工作的展望和建議。

2 相關(guān)技術(shù)和工具介紹

2.1 機器視覺算法

機器視覺算法是一種通過數(shù)字圖像處理和計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)對圖像中的信息進(jìn)行分析和處理的技術(shù)。機器視覺算法可以實現(xiàn)對圖像中的物體進(jìn)行檢測、跟蹤、識別和分類等任務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用前景，如智能交通、智能制造和智能醫(yī)療等領(lǐng)域。機器視覺算法中常用的技術(shù)包括圖像處理、特征提取、目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤和圖像分類等。

2.2 blender 建模技術(shù)

Blender 建模技術(shù)是實現(xiàn)機器視覺虛擬仿真場景的重要工具之一。通過Blender 建模技術(shù)，可以將機器視覺設(shè)備和工具進(jìn)行3D 建模，包括相機、光源、傳感器、機械臂等。建模完成后，將模型導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn)格式，如FBX、OBJ 或DAE 格式，再導(dǎo)入到Unity 引擎中，實現(xiàn)虛擬場景的構(gòu)建。

2.3 Unity 引擎

Unity 引擎是實現(xiàn)機器視覺虛擬仿真場景的關(guān)鍵工具之一。通過Unity 引擎，可以將Blender 建模的模型導(dǎo)入到場景中，并添加材質(zhì)、紋理和動畫等效果。同時，Unity 還支持多種腳本語言，如C#和JavaScript 等，可以實現(xiàn)場景中的交互和控制。

2.4 WPF 技術(shù)

WPF（Windows Presentation Foundation） 是 一種微軟公司開發(fā)的用戶界面框架，可以用于創(chuàng)建基于Windows 操作系統(tǒng)的客戶端應(yīng)用程序。WPF 技術(shù)具有強大的可視化效果和交互性能，支持多種數(shù)據(jù)綁定和樣式模板等高級特性，可以實現(xiàn)復(fù)雜的用戶界面設(shè)計和開發(fā)。

在機器視覺虛擬仿真教育平臺中，我們采用WPF 技術(shù)構(gòu)建控制端，對Unity 場景進(jìn)行操控。通過WPF 技術(shù)，可以實現(xiàn)豐富的用戶界面設(shè)計和交互功能，包括按鈕、滑塊、文本框、復(fù)選框等控件，以及數(shù)據(jù)綁定和事件處理等高級特性。

以上是機器視覺虛擬仿真教育平臺中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和工具的詳細(xì)介紹。這些技術(shù)和工具的結(jié)合，為機器視覺虛擬仿真教育平臺的設(shè)計和實現(xiàn)提供了有力的支持和保障。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本章節(jié)將詳細(xì)介紹機器視覺虛擬仿真教育平臺的系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

機器視覺虛擬仿真教育平臺的系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個方面。

3.1.1整體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用了基于機器視覺虛擬仿真的實驗教育平臺，其整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由3 部分組成，分別為建模渲染模塊、Unity 控制模塊和WPF 控制模塊。

3.1.2建模渲染模塊

本模塊采用Blender 建模工具進(jìn)行模型的建立和設(shè)計，通過導(dǎo)出FBX 文件的方式將模型導(dǎo)入到Unity 中，并在Unity 中進(jìn)行場景的渲染和動畫效果的設(shè)置。具體流程如下：

（1）在Blender 中進(jìn)行機械臂和物體的建模和設(shè)計。

（2）將Blender 中的模型導(dǎo)出為FBX 文件。

（3）在Unity 中導(dǎo)入Blender 中導(dǎo)出的FBX 文件，設(shè)置物體的貼圖、材質(zhì)、動畫等屬性，創(chuàng)建PLC 的運動軌跡和物體的運動路徑。

3.1.3Unity 控制模塊

本模塊主要是在Unity 中進(jìn)行模型拼接，并編寫C#腳本對模型進(jìn)行控制以及與WPF 控制端進(jìn)行通信。具體流程如下：

（1）對從Blender 導(dǎo)入的模型進(jìn)行拼接，獲取其相對位置等信息，以及設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)器等相應(yīng)部件。

（2）編寫C#腳本，實現(xiàn)模型上的相關(guān)代碼邏輯，并賦予給對應(yīng)的模型。以及在腳本中通過TCP/IP 協(xié)議與WPF 中的程序進(jìn)行通信，實現(xiàn)用戶對場景中模型的控制信息回傳。

3.1.4WPF 控制模塊

本模塊采用WPF（Windows Presentation Foundation）技術(shù)進(jìn)行界面的設(shè)計和實現(xiàn)，用戶可以通過控制端對機臺模型生成過程和PLC 運動進(jìn)行控制。具體流程如下：

（1）在Visual Studio 中創(chuàng)建WPF 應(yīng)用程序。

（2）設(shè)計控制端的界面，包括生成控制界面、PLC控制界面等。

（3）通過TCP/IP 協(xié)議與Unity 中的控制程序進(jìn)行通信，實現(xiàn)用戶對場景中模型的控制。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1硬件環(huán)境

本系統(tǒng)的硬件環(huán)境主要包括1 臺運行Windows 10 操作系統(tǒng)的個人電腦。

3.2.2軟件環(huán)境

本系統(tǒng)的軟件環(huán)境主要包括Blender、Unity、Visual Studio 等軟件。

3.2.3系統(tǒng)實現(xiàn)流程

本系統(tǒng)實現(xiàn)的流程如下：

（1）在Blender 中進(jìn)行物體的建模和設(shè)計，包括物體的每個部位和物體的形狀、大小、質(zhì)地等屬性。

相機鏡頭光源模型，如圖2 所示。

圖2 相機鏡頭光源模型

機臺模型，如圖3 所示。

物體模型，如圖4 所示。

圖3 機臺模型

圖4 物體模型

（2）將Blender 中的模型導(dǎo)出為FBX 文件。

（3）在Unity 中導(dǎo)入Blender 中導(dǎo)出的FBX 文件，設(shè)置物體的貼圖、材質(zhì)、動畫等屬性，創(chuàng)建PLC 的運動軌跡和物體的運動路徑，在Unity 中的場景如圖5 所示。

圖5 Unity 場景圖

（4）在Visual Studio 中創(chuàng)建WPF 應(yīng)用程序，設(shè)計控制端的界面，包括生成控制、PLC 運動控制等，控制端界面如圖6 所示。

圖6 控制端界面

（5）通過TCP/IP 協(xié)議與Unity 中的控制程序進(jìn)行通信，實現(xiàn)用戶對場景中物體的控制，包括控制機臺的生成、控制PLC 的運動等。

（6）在Unity 中編寫控制程序，通過TCP/IP 協(xié)議與WPF 進(jìn)行通信，實現(xiàn)控制指令的回傳。

4 實驗與測試

為了驗證本系統(tǒng)的可行性和實用性，我們進(jìn)行了一系列的實驗和測試。下面是實驗的具體內(nèi)容和結(jié)果。

4.1 機臺生成控制實驗

該實驗旨在讓用戶掌握機臺的整體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)所要做的案例，選擇對應(yīng)模型。實驗主要分為以下幾個部分：

（1）機臺設(shè)置部分。機臺設(shè)置界面如圖7 所示，在生成控制里的機臺設(shè)置界面，用戶可以在部位選擇中，按照機臺的整體結(jié)構(gòu)生成機臺模型，如圖8 所示，圖中為機臺在Unity 場景中的生成順序。

圖7 機臺設(shè)置界面

（2）物體設(shè)置部分。物體設(shè)置界面如圖9 所示，在生成完機臺的模型后，在生成控制里的物體設(shè)置界面，用戶可以在物體類型中，根據(jù)所要做的案例，選擇對應(yīng)模型，如圖10 所示，圖中為在Unity 場景中選擇不同物體的模型效果。

圖8 機臺生成過程

圖10 不同物體模型效果圖

圖9 物體設(shè)置界面

（3）視角設(shè)置部分。視角設(shè)置界面如圖11 所示，在生成完對應(yīng)的物體模型后，在生成控制里的視角設(shè)置界面，用戶在視角選擇中，可以選擇外部視角，模擬第一人稱視角；也可以選擇相機視角，模擬相機的成像效果。如圖12 所示，為選擇機械零件物體后，選擇相機視角所看到的效果圖。

圖12 相機視角效果圖

圖11 視角設(shè)置界面

實驗結(jié)果表明，可以有效地提高用戶對機臺以及機臺上的物體的熟悉程度。

4.2 PLC 控制實驗

該實驗旨在模擬PLC 運動控制。如圖13 所示，在PLC 控制的參數(shù)設(shè)置界面中，有回零、運動設(shè)置和控制設(shè)置3 個選項。

圖13 參數(shù)設(shè)置界面

（1）回零。在Unity 場景中設(shè)置左下角的坐標(biāo)為(0,0)，選中回零選項時，PLC 會控制托盤平臺回到(0,0)，如圖14 所示。

（2）運動設(shè)置。在選中運動設(shè)置選項時，可以對X、Y、Z、R（旋轉(zhuǎn)）4 個軸向進(jìn)行設(shè)置，而Unity 場景中的PLC會控制托盤平臺移動到相應(yīng)的位置，外置θ 軸也會調(diào)整高度和旋轉(zhuǎn)角度，如圖15 所示。

圖15 運動設(shè)置效果圖

（3）控制設(shè)置。在選中控制設(shè)置選項時，可以控制信號燈和吸嘴的開關(guān)，以及獲取當(dāng)前的位置，會在PLC控制的軸位置界面中顯示X、Y、Z、R（旋轉(zhuǎn)）4 個軸向的當(dāng)前位置，如圖16 所示。

圖14 回零效果圖

圖16 軸位置界面

表1顯示了10 組不同X、Y、Z 運動坐標(biāo)對應(yīng)的真實數(shù)據(jù)和實驗測量的結(jié)果，可以看出真實值和實驗值相差較小，且實驗值在真實值±0.1 范圍內(nèi)變化。因此實驗結(jié)果表明，虛擬仿真實驗平臺的PLC 控制運動結(jié)果足夠準(zhǔn)確，用戶可以通過PLC 控制界面的一系列操作，準(zhǔn)確模擬PLC 運動控制過程，有效提高PLC 運動的控制能力和精度。

表1 真實值和實驗值的對比

4.3 用戶體驗調(diào)查

為了進(jìn)一步了解用戶對本系統(tǒng)的使用情況和滿意度，我們進(jìn)行了用戶實際體驗調(diào)查。調(diào)查對象為若干名機械工程專業(yè)和計算機專業(yè)的大學(xué)生。調(diào)查結(jié)果表明，大部分用戶認(rèn)為本系統(tǒng)操作簡單、功能齊全、體驗流暢，并且可以有效地提高實際操作能力和動手能力。

以上實驗和測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以有效地提高用戶物體運動控制能力和精度，同時可以提供更加真實的視覺體驗，達(dá)到了實驗教育的目的。

5 結(jié)論與展望

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于機器視覺虛擬仿真的實驗教育平臺。該平臺結(jié)合了Blender、Unity、WPF 和PLC等技術(shù)和工具，提供了一種新的教育方式，可以為用戶提供更加真實的視覺體驗和更加靈活的操作控制，達(dá)到了實驗教育的目的。

在系統(tǒng)設(shè)計方面，我們基于機器視覺的虛擬仿真技術(shù)，將Blender 中的物體模型導(dǎo)入到Unity 中，并利用WPF 技術(shù)構(gòu)建控制端，實現(xiàn)了用戶對物體的實時操控和控制PLC 運動的功能。在系統(tǒng)實現(xiàn)方面，我們通過對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，同時為用戶提供了一個友好的操作界面。

通過實驗和測試，我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以有效地提高用戶的物體運動控制能力和精度，同時可以提供更加真實的視覺體驗。用戶可以在模擬場景中自由探索、學(xué)習(xí)和實踐，不受時間、空間和設(shè)備限制，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果。

在未來，我們將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，增加更多的實驗案例和控制模式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。我們還將探索更加先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，如增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實等，為用戶提供更加真實的學(xué)習(xí)體驗。同時，我們也將積極與機械工程和自動化領(lǐng)域的教育機構(gòu)合作，將本系統(tǒng)應(yīng)用到實際的教學(xué)中，為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的教育資源。最終，我們期望該系統(tǒng)能夠成為機械工程和自動化領(lǐng)域教育的重要工具，推動教育的創(chuàng)新和發(fā)展。