基于VR技术的工业生产环境交互技术探讨

摘 要：VR技术将深度学习、计算几何、人机交互领域的知识结合起来，在科研领域、教育领域、影音娱乐等领域具有十分广阔的应用空间，可以设计出数字化头盔、手势识别装置、语音识别等多种设备完成人机交互任务，提高仿真成果，获得更高的生产价值。

关键词：VR技术;工业生产环境;人机交互技术

虚拟现实技术将图像处理、互联网技术、人机交互等功能结合起来，创造出了一种沉浸感较强的环境，使得用户能够沉浸其中，感受到类似于真实世界的情境。VR技术在多个领域均具有较大的应用价值，如科研教育领域、飞行设计领域、电影制作领域等。手势识别技术发展较快，可以运用视觉、听觉、触觉等多种感官控制虚拟环境中的模型，积极运用先进的设备仪器，提高生产过程的安全性。

一、VR技术概述分析

VR技术即为虚拟现实技术，也被称作是灵境技术，是一种重要的多媒体技术运用形式，在计算机科学与技术、传感技术、机器人及人工智能领域中具有极大的应用价值，可以运用3D图形的实时追踪功能确定目标位置，具有较高的触觉及嗅觉灵敏性。该技术在高速运算、行为技术研究等领域发挥着重要作用，加快人们生活的变革速度，给人一种多维立体化的感官世界，在相应的设备辅助下完成信息交互任务。

首先，动态建模技术是VR的关键技术之一，是建立虚拟现实的重要依据。在该技术作用下，可以获得关于实际环境的三维信息，根据实际需要建立虚拟环境数据。在获得关于实际环境的数据信息时，可以运用CAD技术。实际上，在建立关于实际环境的模型信息时，需要运用非接触式的建模技术，提高获取数据的质量与效率。

其次，三维图形的生成过程较为复杂，很难达到实时的目标，需要不断提高刷新频率，提高生成图片的质量，适应图片日益复杂的趋势。

再次，立体显示和传感器的发展是虚拟现实技术交互能力的一个重要体现。为了满足系统发展的需求，需要提高虚拟现实技术的应用价值。例如，在生产数据传输时，可能存在着传输过程延迟、分辨率较低的问题，需要提高追踪精度，扩大追踪范围，开发出高质量的3D显示技术。

另外，在使用虚拟现实技术时，需要选取合适的场合和对象，充分发挥出人类的想象力与创造力，提高应用对象的使用价值，降低人类的劳动强度，提高开发产品的质量。为此，需要研发出更高质量的虚拟现实工具，创建起系统开发平台，提高分布式虚拟现实技术的价值。

最后，系统集成技术也是组成虚拟现实技术的重要部分。系统集成过程需要将VR技术感知到的信息及模型作为重要基础，主要包括信息同步技术、模型制定技术、数据转换技术、数据整理与分析技术、数据识别与合成技术等。

二、VR技术的应用领域分析

首先，在娱乐领域，运用虚拟现实技术能够给用户呈现出较为理想的游戏界面。该领域对于VR技术效果的要求不高，呈现出日益多样化的特点。VR技术的发展十分迅速，存在着多人共同使用的VR娱乐机制，设计开发出了头戴式的显示器，给用户带来了极佳的体验感，不断革新当前娱乐版本，获得了多维度支持。

其次，在军事及航空航天领域，该技术能够模拟出接近真实的应用环境，提高了军事发明与航空发射的精确性，具有十分广阔的应用前景。运用该技术可以在航空及卫星之间建立模拟训练系统，给国内提供重要的教育资源，培养出高技术、高素质的宇航员，为国家发展奠定强有力基础。

再次，在医学领域中，该技术提高了解剖及病理分析过程的精确程度，给外科医生提供了训练机会。运用该技术能够创建出接近实际的人体模型，使得学生能够深入了解人体各种感觉器官。在正式进行外科手术之前，可以运用VR技术模拟手术过程，设计出复杂的手术计划，为患者探寻效果最好的手术方案，提高练习及预测的准确性，提高病人的恢复效率及质量。

最后，在教育领域中，VR技术能够给学生提供一种生动逼真的学习环境，使得学生自主探索适合自己的教学环境。在科研实验过程中，该技术能够降低科研基金的投入，使得学生获得一种接近真实的体会与感悟，获得理想的实验教学效果。

三、环境交互设计概述

在设计环境交互系统时，需要将用户的需求作为中心，构造出专业化的工业生产环境，从多个行为层次评价生产过程，将产品看作是一个事件，提高思考过程的理论性，运用流程图及状态转化图的方式展现出交互环境的具体内容，掌握更多关于软件及硬件实现的方式。实际上，在使用网站、消费产品及各种服务时，都会获得交互体验。在网络技术不断发展的背景下，新产品种类及交互方式层次日益增加，需要重视大型计算机的研发，使用机器语言创造出可视化的结果，壮大计算机用户队伍，注重交互体验感的提升。

交互设计能够让产品的可用性更强，产生了令人愉悦的产品，符合用户的多种要求与期望，使其能够在了解产品交互功能的同时，获得更多关于人类心理行为特点的知识，提高交互方式的有效性，增强交互结果，扩大交互范围。交互设计涉及多个学科领域，管理人员需要做好沟通与交流工作，在系统与使用者之间建立起有机统一的联系，达到高效使用的目标，提高交互设计质量与效率。交互设计的出现时间较早，最初将其命名为“软面”，在当时具有广泛的应用。

四、VR技术的基本特点分析

（1）VR技术具有沉浸式的特点。沉浸式是VR技术最主要的特点之一，具有临场感应技术特点，为特定客户目标群体提供强有力保障。使用该技术能够促使被动观察向主动参与转化，给用户营造出一个真实的周边环境，使其沉浸到当前创造性氛围中，开展多种具体化的活动。沉浸感属于一种特殊的获取状态，能够获取用户关于虚拟世界的状态特点，调动用户的多种感觉器官，使其参与到触摸与感觉过程中，营造出一种真实世界的感觉，给用户较强的体验感。

（2）VR技术具有交互式的特点。在VR技术环境中，用户个体具有可操作性，能够获得反馈信息，获得人体四肢的具体动作，在基本层面上观察视角变化过程。例如，用户可以運用双手触摸的过程感知到空间中真实存在的物体对象，并将该感受反馈到大脑中，获得与实际交互过程相近的虚拟交互结果，提高VR技术的真实性。

（3）VR技术具备想象性的特点。VR技术能够针对当前开展情境复现处理活动，拓展用户的思维机制，在客观世界中呈现出虚拟的场景，扩大可建构空间，延伸认知覆盖范围。从宏观性视角来看，虚拟现实技术具有想象性的特点，在建构想象场景时具有较大的影响力，对虚拟环境的基本质量具有重要影响，反映了VR技术的真实性。

五、VR在工业领域的探索与应用

VR技术的不断创新与发展使其渗透到各个领域，不少行业尝试与其结合形成新技术，推动行业生产力，如机械、航空航天、汽车等领域，以追求更广阔的发展前景。

VR是现实的虚拟，与多个领域结合产生新技术，在工业方面，如坤天自动化，将此技术运用至零件生产与拆装部位，在某运行系统基础上，增加VR外设，使参加培训人员身临其境。VR不仅仅只应用于游戏娱乐行业，作为现实虚拟技术，其与先进高端行业的融合还有待发展，将现实交互与工业仿真图像结合，形成展示系统，属于工业仿真系统的进步。

（1）提供虚拟装配实验。在VR提供的虛拟可视环境中，可将工业发动机与此结合，展现发动机工作过程，进行虚拟的体验，深入了解。例如，航空发动机的虚拟装配能够直接展示发动机的零件组成和工作状态，结合生产原理，具有高质量、直观、真实的教学体验感受。基于此，可进行发动机零件的重新组装和拆分，在高度贴合现实的条件下不断练习，但传统培训难以达到。基于VR技术的发动机组装和拆卸培训具有较高的安全性和实用性，提升培训效果，降低培训成本。

（2）进行虚拟规划设计。在工厂设计初期，设计师可利用VR技术将设计图纸变现，即通过现实虚拟展示设计完成后的工厂概况。某行业针对化工领域开发出VR应用，通过此应用可将设计图中工厂完整还原，从各个角度观察，或身临其境检查各个楼层的消防摆设和供电设备布置。设计师能够从实际建设场景中发现设计漏洞并进行改进，将最终设计成果交由各个部门审理，使审查过程直观准确，感受真实建筑概貌，进行公正评判。

（3）培训训练体验。风力发电是新型能源的应用成果，风力发电组往往建设位置较高，距离地面约几十米，因此建造难度较大，且实际作业空间狭小，带来了极大施工隐患。VR技术的应用可使工作人员在虚拟环境中准确了解具体设备、装置的准确摆放位置，在全真沉浸式学习观摩中，掌握各类发电机零件型号和组装流程，了解电气元件的工作原理，大大提升工业培训效果。

六、VR在工业领域的应用案例

（1）VR+汽车工业。VR在汽车行业领域渗透较深，如汽车图纸设计、制造、零件组装、销售等。在汽车售卖过程中，可利用此技术使顾客身临其境体验汽车发动后驾驶体验感，直观了解汽车。在汽车内饰方面，借助VR技术可以更好安装各种配件，使整体设计更加合理、便捷。若无具体设计，可使用现实虚拟技术，全方位观察汽车车体，进行细节调整修改。目前，福特公司已采取VR技术进行汽车安全性能测试，将虚拟技术以人体工程学结合。通过体验中收集到的数据进行建模使用计算机预测汽车驾驶过程中的冲撞减缓程度。并且，VR技术还可进行疲劳测试，测量生产线上工人，帮助其识别过度劳累，提醒及时休息调整身体状况，避免产生安全和健康隐患。

（2）VR+船舶制造。VR技术还可应用于船舶制造，其虚拟仿真系统可以将船舶模型通过先进计算机技术展现，最大程度还原、模拟船舶船体及各种零件，在虚拟场景中对船舶进行二次设计修改、维修、制造、零件组装、船体性能测试等，实现三维化立体展示，降低生产船舶与实际需求的差异，在船舶维修保养、操作安全培训、市场宣传等多方面具有较高应用价值和发展空间。

（3）VR+科研教学。在工业科研教学领域，VR技术通过实现可视化环境教学，助力科研教学开展。高校将虚拟现实技术与科研结合时，虚拟学习场景能展现科研实验，验证实验原理，反映真实实验步骤和结果形成，通过细致、真实的场景还原科学原理，例如，在小麦制粉加工过程中，从原料筛选、清洗、烘干等步骤，最后生产出成品粉需要一系列设备及加工工艺，学校等比例还原生产过程建设实训环境成本造价比较高，通过VR技术模拟生产过程，身临其境的学习环境让学生学习加工工艺，拆解设备了解其工作原理，相比抽象、空洞的理论学习效果更佳。

（4）虚拟参观工厂实景。VR工厂展示通过虚拟技术向用户展现工厂全貌，高度还原真实工厂内部设施，避免了现场参观自身体力的疲劳，很直观地体会到科技感与真实性可吸引更多客户前来参观体验，增加工厂订单数量和实际收益。

VR的应用场景和应用领域众多，在工业的应用逐渐增加，新技术与新功能不断开发完善，工业VR技术能为生产销售等各个环节提供更好的辅助效果。

七、VR技术在工业生产环境中的应用分析

（1）在先进制造领域的运用。在先进制造领域中，虚拟现实技术发挥着重要作用，可以设计出高质量的虚拟工业产品，将其投入生产过程中，并运用先进技术展示出来。虚拟现实技术能够增强产品性能，优化产品内部结构，提高产品质量，降低生产成本，提高生产成功率。例如，在汽车制造过程中，可以运用虚拟现实技术将各种零件组装在一起，创建出一个3D汽车模型。在安装过程中，可能会发现模型零件中存在的缺陷与不足，需要及时采取针对性的策略进行优化及改进，降低实际生产过程中出现安全事故的概率。同时，设计人员可以通过改变参数信息调整汽车的舒适度，模拟出真实的驾驶效果，提高故障演示的真实性，提高汽车制造过程的安全性与可靠性。

（2）在安全监测领域的运用。安全生产是工业生产的一个重要目标。在确保工业安全生产的过程中，虚拟现实技术发挥着重要的价值。例如，在煤炭工业生产过程中，可以运用VR技术完成对生产过程的监测与培训任务，模拟出真实化的作业情境，利用传感器、摄像头等装置搜集关于矿井生产的信息，将其输入真实工业生产情境中，在虚拟生产系统的作用下进行扫描与观察，了解实时的生产环境，掌握瓦斯浓度的动态变化过程，确保设备的正常运行，提高生产过程的安全性与可靠性。同时，运用VR技术可以进行危急情况下的模拟演练，在3D空间内展示出矿井生产环境，在指挥员的指导作用下，完成人员疏散任务，了解逃生通道的位置分布状况。在真实化的模拟场景下，工作人员可以更加清晰地了解内部环境构造，开展多人协同救援活动，自觉调整观察视角，提高生产工人的疏散效率。

八、基于VR技术的工业生产环境交互技术探讨

在虚拟化的生产环境中，人机交互技术十分重要。VR技术具有新型的人机接口，可以使参与者完全沉浸在计算机生成的虚拟世界当中，给用户提供了一条和虚拟世界联系的通道，使得用户能够在虚拟世界中操纵3D物体模型，并完成实时的操作反应。例如，音频系统、视频系统、红外线追踪系统、触觉感知系统等均为VR技术实现人机交互目标的重要基础。

當前，虚拟现实技术取得了较大的进展，在理论层面上引入了BP神经网络、贝叶斯估计、深度学习理论等知识，提高了语音识别、面部识别及手势识别的精确程度，由此衍生出较多所属技术手段。传统的人机交互设备包括鼠标、键盘、游戏手柄、运动手环等，在VR技术基础上，更多立体化的视觉产品进入人们的视野。例如，头戴显示器、液晶保护器等设备都能够提高虚拟工业生产环境中人机交互的灵敏程度，更加广泛地应用到生产过程中，具有很高的使用价值。

人机交互界面是发挥虚拟现实技术价值的重要途径。需要将设备操作指令和具体的使用说明语言输入设备中，使得用户能够直接阅读，并按照说明书顺序进行执行操作。在具有参数配置的互动式操作手册作用下，学生能够了解人机交互过程的实际过程，给设备输入相应的操作参数，提高学生的警惕程度。

结语

综上所述，VR技术是计算机科学与技术领域的重要技术之一，在实际生产过程中具有重大应用价值，能够改善工业产品的制造情况，提高生产活动的精确性，获得良好的经济效益。该技术能够满足当今时代高精度、高科技性及高强度的生产需求，有效改善了生产成果，具有巨大的发展应用空间。

参考文献：

[1]孙茜，周国春.VR技术在研学旅行中的应用——以鄂东南地区中小学生红色旅游研学旅行为例[J].湖北理工学院学报（人文社会科学版），2018，35（03）：83-86.

[2]蔺国梁，曹宇佳，包亚飞.基于三维建模与VR技术融合的古建筑漫游与交互研究——以嘉峪关关城为例[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2020，34（01）：71-75.

[3]王雪，徐文文，高泽红，王志军.虚拟现实技术的教学应用能提升学习效果吗？——基于教学设计视角的38项实验和准实验的元分析[J].远程教育杂志，2019，37（06）：61-71.

基金项目：2021年度校级课题《高职院校粮油食品专业群虚拟仿真实训中心建设研究与实践》研究成果（编号：2021026）

作者简介：张倩（1975— ），女，汉族，山东德州人，济南大学计算机应用硕士，副教授，德州职业技术学院教师，研究方向：教育信息化、职业教育管理。