虚拟现实技术在大型仪器用户培训中的应用

徐 召, 胡 宁, 李 昂, 董璐玺, 郭 爽, 许宏山

(1. 南开大学 实验室设备处, 天津 300071； 2. 南开大学 药物化学生物学国家重点实验室, 天津 300071)

大型仪器设备是高校教学、科研的重要条件和基本手段,是培养高素质创新型人才的有力保障,在一定程度上能够体现学校的办学能力和科研环境[1-2]。大型仪器设备的开放共享不仅可以提高资源的使用效益和效率,而且可以增进学术交流和学科交叉、推进科学方法与技术的创新。但是,大型仪器设备开放共享的前提条件是使用者能够正确地操作仪器,因而需要为使用者提供专业、便捷的培训[3-4]。南开大学通过对大型仪器管理和使用过程中的各个环节进行梳理和分析,提出将虚拟现实技术应用到大型仪器的操作培训环节,并实际应用于小动物活体成像系统的操作培训,取得了较好的培训效果。

1 大型仪器设备操作培训中的问题及分析

南开大学在大型仪器平台的运行管理中,非常重视针对学生的大型仪器操作培训。学生通过教师的培训指导和一系列严格考核后,方可获得大型仪器设备的独立操作资格[5]。大型仪器培训不仅能培养学生的动手能力,而且有利于减轻仪器管理员工作压力,使传统一人一机管理模式变为一人多机的管理模式,节省了人力成本。对大型仪器而言,培训和操作权限的下放还能大大提高仪器的使用率,培训用户较多的仪器设备甚至需要24小时连续运转。

在大型仪器设备平台运行管理和维护的实践中,仪器设备管理员对用户的使用培训环节尚存在一些问题,不利于大型仪器设备的操作培训工作。其原因有以下几点:

(1) 传统的培训模式(一对一/一对多,含讲解与上机)效率不高,操作练习次数有限,学生掌握的程度也不同,即使经过完整的培训,仍会有学生出现误操作的情况；而对于故障率较高的仪器,轻微的误操作也可能导致仪器设备的严重损坏；

(2) 部分仪器维修成本高,用户、学校与厂家的责任认定不明确,并因此出现维保纠纷；

(3) 使用率很高的仪器设备几乎无法划分特定机时用于集体或个人培训活动,而该类大型仪器设备一旦出现故障,将对教学和科研活动产生很大影响。

2 虚拟现实技术在大型仪器培训中的优势

虚拟现实(virtual reality,VR)技术是在计算机仿真技术、计算机图形学、计算机视觉、人工智能、多媒体技术以及传感技术的基础上综合发展起来的[6]。虚拟现实技术有3个典型的特征:一是沉浸感,用户可以沉浸于计算机生成的三维虚拟环境中；二是交互性,用户可以通过VR交互设备与虚拟环境中的对象进行交互,得到近似真实的交互体验；三是构想性,用户可以在虚拟环境中构想虚拟的实验过程[7-9]。

基于以上特征,VR技术为大型仪器操作培训提供了一种全新的模式。通过构建虚拟的实验室环境,在虚拟环境中构建虚拟的仪器设备,借助虚拟现实头盔、手柄及数据手套等硬件设备,学生很容易了解大型仪器设备的各个部件,根据实际的流程规范进行操作,并且不再受限于固定的地点和固定的机时时段。通过虚拟现实技术,可以在虚拟场景中模拟上机操作所发生的故障情景,真实地呈现误操作的后果以及常见故障的现象,指导学生掌握正确的仪器操作方法,有针对性地训练学生的应变能力与仪器故障处理技能。

此外,在虚拟环境下进行大型仪器设备操作培训,既不占用大型仪器的机时,也能够充分保障学生的安全,并且从根本上消除了培训过程中因操作不当损坏仪器设备的隐患,从而避免大型仪器设备操作培训对正常教学和科研活动的影响。

虚拟现实技术与大型仪器培训结合的重点是突破传统培训模式,将传统培训中经常出现的问题作为关切点,以培养学生的实际动手操作能力为出发点,利用虚拟现实培训模式,为学生在科学研究中熟练使用大型仪器设备提供帮助[10]。

3 小动物活体成像系统虚拟培训系统设计

小动物活体成像系统主要是应用可见光方法,对用于活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究[11],能够满足不同领域的研究需求。通过对药物化学生物学国家重点实验室大型仪器培训情况的充分调研,选取操作步骤清晰、培训需求较多的小动物活体成像系统作为对象,结合虚拟现实技术设计并实现基于虚拟现实的培训系统。

3.1 系统设计

要利用虚拟现实技术实现小动物活体成像系统的操作培训,首先要根据培训要求设计实验步骤,然后分析和记录实验环节中用到的设备模型和实验场景,并进行等比例建模,最后将这些模型导入Unity3D开发平台,通过编程实现整个实验环节的操作。培训系统包含学习模式、培训模式和考核模式,用户可以在不同的模式下完成不同的培训任务。在考核模式下,系统将通过学校信息门户验证用户信息,根据用户完成操作的情况和分数设置规则给出用户的培训成绩[12]。系统总体设计框架见图1。

图1 小动物活体成像虚拟培训框架设计

3.2 关键技术

3.2.1 系统模型设计与制作

系统建模工作主要包括大型仪器设备建模和虚拟环境建模两方面的内容。采用3ds Max和Maya作为建模工具,创建小动物活体成像系统主要的设备模型和环境模型；设备及实验场景模型数据交换格式采用FBX[13-14]。所建立的模型有以下技术要求:

(1) 模型比例为1∶1,保证VR设备中的场景内容符合使用者的视觉比例；

(2) 滤光片直径精度≤0.2 cm,场景模型分层校对,能在虚拟场景中分层拆解；

(3) 设备贴图纹理为PNG格式,纹理长、宽为2n像素值。

3.2.2 系统功能开发

系统采用Unity3D作为开发引擎。作为跨平台应用程序开发引擎，Unity3D能充分、实时地处理大量的三维模型,保证学生在培训过程中的良好体验，并能有效避免眩晕。

基于Unity3D引擎实现实验室场景的组合与切换,通过程序脚本控制场景之间的跳转和场景中对象的移动、旋转等动作。通过碰撞检测算法实时响应场景中模型的碰撞,实现物理仿真过程。借助虚拟显示头盔及手柄,可以在虚拟场景中模拟打开暗室门,进行取下发射光滤光片轮盘、取出滤光片槽和安装轮盘等操作。通过脚本编程和数据库技术,系统自动计算和存储学生的培训成绩[15]。成绩合格的学生可以正常上机操作,而成绩不合格的学生可以重新参加培训。系统培训的主要实验步骤如图2所示。

图2 虚拟培训操作过程

3.2.3 系统操作

系统采用HTC Vive虚拟显示设备和一台高性能计算机(显卡支持1080P)作为运行主机。参训学生通过HTC手柄作为人机交互工具,使用头戴式HTC头盔沉浸于虚拟实验环境中,在激光定位器的识别范围内(5 m×5 m)进行仪器设备培训操作。具体操作示意如图3所示。

图3 虚拟现实培训系统操作示意图

4 结语

基于虚拟现实技术的小动物活体成像操作培训系统是虚拟现实技术在大型仪器培训中的成功应用,是新技术与传统业务的结合。该系统实现了对小动物活体成像系统培训过程实际操作步骤的仿真,突破了传统培训受到的时间和空间限制,缓解了培训工作的压力。通过虚拟培训系统,可以让学生更方便地了解大型仪器、学习仪器操作使用方法,培养了学生独立上机操作的能力。基于虚拟现实的培训方式也为其他大型仪器的培训工作提供了可借鉴的经验。