VR电工培训系统建模设计

刘江

摘 要：虚拟现实技术是当今社会发展的一个热点技术，由于其具有极高的“沉浸性”，所以近几年在社会的各个领域内都有它的身影。本文将虚拟现实技术和高职教育进行了有机融合，开发了一套VR电工培训系统，并在本文中重点对建模部分进行了详细论述。经过实践证明，该平台具有良好的界面以及平稳的运行能力，能够极大的满足学生和教师的培训要求。

关键词：虚拟现实技术；电工培训系统；建模；VR；培训要求

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.212

随着科技的日新月异，传统的培训系统已经不能满足当前社会的发展趋势。因此，基于unity 3D的培训系统越来越受到人们的重视。它以其独有的沉浸感迅速的占领了市场。本文在进行了详细的VR 3D市场调研后，结合职业技术学院学生的独有特点，开发了一套虚拟式的电工培训系统。在该VR系统中，建模是第一步也是至关重要的一步，本文将详细阐述电工培训系统的建模设计过程。

0 引言

高职教育主要是为社会培养一线的技术工人，因此高职学生的技术能力是当前高职教育培养的重中之重。作为电气类专业的学生，结合电气类人才培养方案，维修电工考试则是他们必须经过的一环。通过维修电工的培训，可以让他们全面掌握当前社会的主流配盘技术和熟练的PLC编程能力。但是由于实训室条件有限，再加上学生人数增多，使得很多学生在实操方面往往不能够得到充分的锻炼。因此，结合目前维修电工的现状，本文开发了一套面向高职学生的有特色的虚拟维修电工培训系统。通过该系统的培训，学生可以反复观看操作步骤及复习内容直至完全掌握。因此，该虚拟实训平台是在传统教学方式的基础上，进行了改革和延伸，使得该平台能够更适合当前的高职学情和高职学生的发展，也能更好的为教师所服务，减轻教师繁重的工作量。

1 电工培训系统建模架构要求

区别于传统的培训系统，基于VR的电工培训系统要求可以在PC端进行运行和展示，因此其必须具备一定的灵活性。体现在建模方面的主要特点是：

（1）低面数模型（每个模型不超过10000面）；

（2）控制贴图的使用量和分辨率，如若必须使用贴图，贴图的尺寸尽量要小；多张贴图可以拼合一张贴图使用；

（3）渲染烘焙光照贴图时候，应合理分布3D模型的父子关系。

2 电工培训系统技术指标要求

整体培训系统应达到的功能指标如下：

（1）稳定性和可靠性。由于该虚拟电工培训系统主要面向于高职教学工作，而且该系统是循环使用，所以要求它能每天平稳运行8个小时，这样才能确保教学工作顺利进行，并且它的可靠性要求高，故障恢复时间也必须短。同时必须具备较高的容错能力，保证局部出错不影响全系统的正常工作。

（2）响应能力。由于虚拟现实技术要求进行快速响应，因此该系统必须实时刷新展示模型，刷新率达到60Hz以上，满足30帧/s的视频输出能力；交互操作响应时间在0.2s内响应；数据获取/数据传输响应在1s内完成。

（3）建模要求。保证对物体3D模型建设的高精度要求，使得建模之后的物体光泽、透明度、物理属性及物体表面纹路，与真实物体基本一致。

（4）界面要求。由于该产品主要面向学生和教师，所以虚拟电工維修培训系统必须要求其产品应界面友好、易用且可维护性强。

3 功能要求

培训人员可以通过虚拟现实操作设备对虚拟配盘进行操作，要求学生能自主在虚拟培训平台上进行电机正反转的配盘连线实验，主要包括控制电路的连接和主电路的连接。控制电路主要采用虚拟式的继电器、熔断器、电线、按钮等内容。主电路则采用三相异步电动机。在学生进行操作的同时，在虚拟操作平台上实时进行连线，并方便学生观察。

4 电子器件三维建模技术

由于该维修电工培训系统主要是建立在虚拟环境下的，所以3D建模是所有环节的第一步。3D建模技术主要是对配盘中所采用的电子元件进行建模，在建模的过程中要满足一定要求，这样才能使得系统能够平稳的运行。

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

三维模型网格数据的获取可应用3dsMax软件来完成，而要完成这类电子器件的建模以及虚拟环境平台的搭建，更多的时候还需Photoshop和Unity3D作为辅助。三维模型网格需要UV纹理贴图，而纹理贴图的建立需要将电子器件的实物还原成照片并转化为素材，这时需要强大的制图软件PS来完成，而当模型数据和贴图都具备的情况下，通过三维软件的渲染引擎将模型和贴图导出到虚拟仿真平台中，三者有机结合可有效地提高数据获取的效率。

本实训平台的建模效果如图1所示。

5 结论

根据以上的分析可知，经过一系列的建模，可以得到面数优化、兼容性强的建模，这些模型都是后期VR开发的关键性技术。既方便学生观察实际电阻，又保证了平台的平稳运行。

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项目来源：内蒙古自治区高等学校科学研究项目NJZY18294。