基于VR技術(shù)的湘瓷工藝仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)目：2020年度湖南省教育廳一般資助科學(xué)研究項(xiàng)目“基于VR技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”（20C0873）

作者簡(jiǎn)介：康美林（1985—）,男，湖南衡東人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院教師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

鄧卉（1981—），通訊作者，女，湖南長(zhǎng)沙人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院講師，研究方向?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/虛擬現(xiàn)實(shí)">虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、職業(yè)教育。

0   引言

近幾年，湖南陶瓷產(chǎn)業(yè)人才供給不足，影響了市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程^[1]，需要湘瓷設(shè)計(jì)與制作專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中能夠?yàn)橄娲蓜?chuàng)新做出貢獻(xiàn)。雖然湖南省陶瓷設(shè)計(jì)與制作專業(yè)在教學(xué)實(shí)踐中使用了3ds MAX、Maya軟件、陶瓷體驗(yàn)軟件等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，但是存在真實(shí)感不強(qiáng)，缺乏交互操作，同時(shí)受制于嚴(yán)苛的制作環(huán)境和設(shè)備條件，在湘瓷拉坯過程中，學(xué)生們無法對(duì)泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，在陶瓷燒制階段，也不易看到燒制時(shí)的釉色變化，難以判斷陶瓷的燒制狀況^[2]。因此，亟待設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于VR 技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，不僅能夠在實(shí)訓(xùn)過程中模擬現(xiàn)實(shí)交互操作，而且能夠提升交互感和實(shí)訓(xùn)效率。

1   相關(guān)工作

在20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)人拉尼爾指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、人工智能和傳感器等技術(shù)的最新研究成果^[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有感知性、交互性、沉浸式的特點(diǎn)^[4-5]，VR 頭戴式顯示系統(tǒng)增強(qiáng)了視覺空間，有利于提高學(xué)生接受教育知識(shí)^[6]，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)發(fā)展越來越多^[7]。文獻(xiàn)[8] 提出基于Unity 3D 平臺(tái)的二次開發(fā)技術(shù)和利用Web3D 技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陶瓷產(chǎn)品的三維虛擬展示系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)陶瓷工藝數(shù)字化已取得相當(dāng)數(shù)量的成果，但構(gòu)建基于VR 技術(shù)的陶瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)還是一個(gè)空白。本文提出在陶瓷專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，通過構(gòu)建一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在教學(xué)實(shí)訓(xùn)過程模擬傳統(tǒng)湘瓷工藝嚴(yán)苛的物理環(huán)境，提高學(xué)生交互操作的真實(shí)感，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率，幫助湘瓷設(shè)計(jì)與制作專業(yè)更好地培養(yǎng)人才。

在湘瓷工藝仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，選擇Autodesk 3dsMAX、Unity 3D 和VR 設(shè)備一體機(jī)PICO 為研究工具。Autodesk 3ds MAX 是美國(guó)Autodesk 公司開發(fā)的一款基于矢量技術(shù)的三維設(shè)計(jì)軟件，不僅可以制作出逼真的三維模型和動(dòng)畫，而且在三維可視化動(dòng)畫和多媒體游戲等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

Unity 3D 簡(jiǎn)稱U3D，由Unity 公司創(chuàng)建的一個(gè)實(shí)時(shí)3D 互動(dòng)平臺(tái)，U3D 提供了一套相對(duì)完備的解決方案，可以讓開發(fā)者在Unity3D 平臺(tái)上輕松的構(gòu)建各種AR 和VR 作品，同時(shí)，U3D 項(xiàng)目支持跨平臺(tái)一鍵部署到游戲主機(jī)、PC、手機(jī)端、各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備^[9-10]。近幾年，VR 硬件逐漸向小型化和移動(dòng)化發(fā)展^[11]，VR 一體機(jī)PICO 通過手柄和頭顯能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度（6DOF）跟蹤，VR 技術(shù)的發(fā)展為學(xué)生提供了更為高度仿真的學(xué)習(xí)互動(dòng)環(huán)境^[12-14]。

2   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

湘瓷工藝仿真系統(tǒng)的主要有六大功能：登錄功能、場(chǎng)景展示、漫游功能、湘瓷拉坯、陶瓷燒制、學(xué)情分析。

2.1.1 登錄功能。學(xué)生輸入自己正確的賬號(hào)和密碼進(jìn)行校驗(yàn)，通過校驗(yàn)功能驗(yàn)證后可以登錄仿真系統(tǒng)，登錄成功后系統(tǒng)會(huì)緩存用戶信息，在實(shí)訓(xùn)操作過程中會(huì)可以記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)操作情況；

2.1.2 場(chǎng)景展示。當(dāng)佩戴VR 設(shè)備登錄成功后，學(xué)生可以感受到真實(shí)的陶瓷制作環(huán)境，處于身臨其境的感覺；

2.1.3 漫游功能。學(xué)生可以通過控制VR 設(shè)備手柄實(shí)現(xiàn)在虛擬窯爐環(huán)境中隨意移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和漫游功能，可以沒有限制地全角度觀察陶瓷產(chǎn)品；

2.1.4 湘瓷拉坯。學(xué)生利用自身的手部運(yùn)動(dòng)交互操作模擬對(duì)泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，實(shí)時(shí)修改陶瓷制作形狀。

2.1.5 陶瓷燒制。通過VR設(shè)備手柄交互式操作控制溫度，可以模擬溫度的升降，觀察溫度條變化值；可以觀察陶瓷燒制過程中釉料成色的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化，用相關(guān)參數(shù)值控制窯爐內(nèi)所燒制的陶瓷產(chǎn)品，準(zhǔn)確把握陶瓷生產(chǎn)和研發(fā)中的各類問題并作出及時(shí)調(diào)整。

2.1.6 學(xué)情分析。通過采集學(xué)生的實(shí)訓(xùn)日志操作記錄和課程實(shí)訓(xùn)成績(jī)記錄，對(duì)比分析給實(shí)訓(xùn)教學(xué)的個(gè)性化數(shù)據(jù)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

除滿足主要功能需要外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要滿足一些非功能性需求：操作界面的友好性^[15]、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性^[16]和數(shù)據(jù)信息的安全性^[17]。針對(duì)湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交互目標(biāo)如圖1 所示，設(shè)計(jì)一個(gè)湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)框架，架構(gòu)整體包含3 層：展示層、服務(wù)接口層、數(shù)據(jù)持久層。

圖1 湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

展示層使用的技術(shù)棧包含3D 模型文件、Unity3D引擎組件和VR 設(shè)備渲染組件等，為場(chǎng)景展示和人機(jī)交互提供多維態(tài)圖形展示；服務(wù)層包含控制層（Controller）、服務(wù)層（Service）和數(shù)據(jù)持久層，控制層提供Rest 服務(wù)接口，展示層可以調(diào)用控制層的接口服務(wù)，服務(wù)層主要處理業(yè)務(wù)邏輯，控制事務(wù)管理，確保事務(wù)一致性；數(shù)據(jù)持久層為平臺(tái)提供實(shí)體引擎，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)層使用SqlServer 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息信息，存儲(chǔ)用戶信息、用戶操作、用戶成績(jī)；緩存服務(wù)使用Redis 組件，緩存用戶的登錄信息，系統(tǒng)日志采集使用Logback 組件，記錄用戶操作日志，進(jìn)而為個(gè)性化分析提供數(shù)據(jù)。

3   系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選取VR 設(shè)備一體機(jī)PICO 為展示載體，學(xué)生通過佩戴和操作VR 設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過程的學(xué)習(xí)。

3.1 模型設(shè)計(jì)與制作

通過調(diào)研長(zhǎng)沙窯的結(jié)構(gòu)，基于數(shù)字化方式采集和設(shè)計(jì)長(zhǎng)沙窯原型，運(yùn)用3ds MAX 三維軟件設(shè)計(jì)制作出三維虛擬窯爐的空間模型。實(shí)地考察主要物體對(duì)象的三個(gè)基本視圖：主視圖、俯視圖和左視圖的尺寸，拍照記錄材質(zhì)，利用3ds MAX 三維建模技術(shù)對(duì)主要場(chǎng)景對(duì)象按尺寸大小比例進(jìn)行建模，利用三維軟件給對(duì)象設(shè)置材質(zhì)。在系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中，主要三維模型對(duì)象包含窯、瓷器、建筑物、地形、樹、船等元素。在模型制作過程中，盡量基于標(biāo)準(zhǔn)幾何物體設(shè)計(jì)模型。在實(shí)現(xiàn)窯、船這類大模型的過程中，采用多邊形編輯技術(shù)，面數(shù)涉及多，將消耗較大的計(jì)算機(jī)渲染資源，為了降低系統(tǒng)資源開銷，同時(shí)又確保模型的精確程度和高保真效果，實(shí)現(xiàn)過程中合理降低和刪除模型的不可見面數(shù)。

為了能夠體現(xiàn)物體對(duì)象的真實(shí)色彩和凹凸真實(shí)感，給模型對(duì)象設(shè)置適量的材質(zhì)貼圖，設(shè)置法線體現(xiàn)模型的凹凸真實(shí)感。最后，將3D MAX 制作的模型文件和材質(zhì)貼圖文件一起打包導(dǎo)出放在同一個(gè)目錄文件下，模型文件的擴(kuò)展名設(shè)置為fbx 格式，以便于適應(yīng)Unity 外部資源格式要求。

3.2 場(chǎng)景制作

本系統(tǒng)采用Unity 2020 版本創(chuàng)建項(xiàng)目和場(chǎng)景，新建的項(xiàng)目需要設(shè)置Graphics API，由于PICO 設(shè)備不支持Vulkan，僅支持OpenGLES2 和OpenGLES3，因此需選擇合適的多線程渲染模式。

在新建的陶瓷燒制場(chǎng)景中，主要設(shè)計(jì)3 個(gè)區(qū)域：制胚區(qū)、燒制區(qū)和廢料區(qū)。首先需要將模型設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)中的fbx 格式外部資源文件夾作為外部資源導(dǎo)入到Unity3D 引擎相應(yīng)的文件夾中，確保分類一致性，然后在場(chǎng)景中拖拽資源對(duì)象到場(chǎng)景視圖，在檢視窗口調(diào)整地形、建筑物、窯、船、海、樹等對(duì)象的位置、旋轉(zhuǎn)和大小，完成三個(gè)區(qū)域的布局開發(fā)，最后給模型調(diào)整設(shè)置好材質(zhì)貼圖，陶瓷燒制場(chǎng)景如圖2 所示。

圖2 陶瓷燒制場(chǎng)景圖

在場(chǎng)景開發(fā)過程中，可以利用粒子系統(tǒng)模擬火焰效果，設(shè)置動(dòng)態(tài)視覺效果，設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以利用引擎自身的組件構(gòu)建場(chǎng)景，比如使用Unity UI 組件中的Image 組件、Text 組件、InputField 組件、Button按鈕等組件，通過設(shè)置組件參數(shù)，調(diào)整組件的位置，搭建登錄場(chǎng)景。利用動(dòng)態(tài)管理多場(chǎng)景技術(shù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化，提升場(chǎng)景之間的切換性能和效果。

3.3 交互功能

Unity 框架提供一套API 類庫(kù)和事件系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本信息數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，編寫c#腳本實(shí)現(xiàn)調(diào)用VR 設(shè)備的SDK 接口控制人機(jī)交互。用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，用戶輸入賬號(hào)和密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，系統(tǒng)需要通過監(jiān)聽事件系統(tǒng)獲取到UI 輸入框和交互按鈕的變化事件，再回調(diào)函數(shù)中擴(kuò)展功能，通過編寫腳本事件訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)用戶信息進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，驗(yàn)證用戶是否合法，認(rèn)證成功，通過編寫場(chǎng)景加載方法切換進(jìn)入主場(chǎng)景，同時(shí)用戶認(rèn)證的信息寫入緩存系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)漫游功能時(shí)，給空對(duì)象設(shè)置角色控制器、剛體組件，添加攝像機(jī)組件，通過編寫腳本擴(kuò)展組件，實(shí)現(xiàn)控制角色控制器的前、后、左、右移動(dòng)功能。針對(duì)模擬現(xiàn)實(shí)生活中人物不能穿透建筑物等功能，使用Unity引擎的碰撞組件，給模型對(duì)象設(shè)置Mesh Colider 等組件就能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測(cè)和觸發(fā)檢測(cè)功能。通過編寫腳本組件控制Unity3D 音頻的播放和關(guān)閉、音頻音量的大小變化，為場(chǎng)景增加聲效。

在實(shí)現(xiàn)湘瓷拉坯功能中，基于VR 設(shè)備的SDK 編寫交互設(shè)計(jì)，通過交互腳本獲取VR 設(shè)備的動(dòng)作變化實(shí)現(xiàn)對(duì)泥料的操作。在陶瓷燒制功能實(shí)現(xiàn)中，交互腳本擴(kuò)展組件實(shí)現(xiàn)溫度的升高或降低變化，同時(shí)溫度條的紅條數(shù)值發(fā)生變化，火焰粒子的大小也跟隨變化，當(dāng)溫度或時(shí)間達(dá)到一定閾值時(shí)，燒制時(shí)的釉色將會(huì)發(fā)生變化，學(xué)生容易判斷陶瓷的燒制狀況。

在實(shí)現(xiàn)學(xué)情分析功能中，學(xué)生的功能操作記錄都通過編寫的框架腳本組件記錄保存寫入數(shù)據(jù)庫(kù)表中，實(shí)訓(xùn)操作成績(jī)寫入成績(jī)表中，學(xué)生的日志操作通過Logback組件記錄到文本文件，通過結(jié)合用戶信息和操作信息，生成實(shí)訓(xùn)教學(xué)的提供個(gè)性化報(bào)告數(shù)據(jù)。

3.4 交互優(yōu)化

Unity 提供了動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)、觸發(fā)檢測(cè)和射線檢測(cè)3種檢查方式，本系統(tǒng)針對(duì)三維空間的溫度控制采用射線檢測(cè)和碰撞檢測(cè)兩種方式先后判斷是否命中目標(biāo)系統(tǒng)測(cè)試，最后在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中采用優(yōu)化射線檢測(cè)的方式，其中假定Origin 是射線的源點(diǎn)，Direct 代表射線的方向，射線可表示為P(t)=Origin + t * Direct，射線碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)如下：

4   應(yīng)用分析

將應(yīng)用部署到VR 設(shè)備，學(xué)生們帶上VR 設(shè)備一體機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制的陶瓷燒造工藝流程。本文對(duì)原陶瓷體驗(yàn)軟件和VR 湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)班級(jí)30 位同學(xué)采用問卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)其對(duì)實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)和時(shí)間效率的滿意度評(píng)分，采用百分比值，結(jié)果取平均值，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示。

表1 滿意度平均分對(duì)比

從表1 可見，學(xué)生們對(duì)于湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的滿意度明顯高于原陶瓷體驗(yàn)軟件。

本文另外對(duì)湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)與優(yōu)化射線檢查兩種方法在時(shí)間和交互成功次數(shù)上進(jìn)行比較，每個(gè)算法選取10 組用戶，操作交互功能10 次，時(shí)間的結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，成功率結(jié)果取百分比值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 交互時(shí)間對(duì)比

表3 交互成功率對(duì)比

從表2 可見，優(yōu)化射線檢測(cè)的交互速度明顯快于碰撞檢測(cè)，能夠進(jìn)一步的提高交互效率。從表3 可見，優(yōu)化射線檢測(cè)的交互穩(wěn)定性優(yōu)于碰撞檢測(cè)。通過上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，可見本系統(tǒng)優(yōu)于原陶瓷體驗(yàn)軟件，本系統(tǒng)選擇的優(yōu)化射線檢測(cè)優(yōu)化提高了交互效率和質(zhì)量。

5   結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的VR技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一個(gè)湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后將湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)部署到VR 一體機(jī)PICO 設(shè)備上。湘瓷工藝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了湘瓷工藝嚴(yán)苛的物理環(huán)境，具有沉浸感，交互效率高，提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）