UE4 虚拟现实技术在工作过程案例开发中的应用

2022-11-17张科强池雄飞

无线互联科技 2022年10期

张科强，池雄飞

（鄂尔多斯职业学院，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

近年来,随着计算机技术的快速发展,虚拟现实技术在高校实训教学、科学研究、生产设计及安全培训等领域得到广泛应用。在高职院校中,供配电、汽修装配等专业课程教学存在购置成本高、危险系数大、设备结构复杂、更新较快的问题,严重制约了这些专业的实践教学效果,而虚拟现实技术可以较好地解决这些难题,学生们可以在虚拟平台上“身临其境”的完成各类技能训练,提高实践教学质量。

1 虚拟现实技术在高职实践教学中应用的必要性

在中高职学校的实践性较强的课程教学中,受各种条件限制,学生只能接受静态教学,缺少实践的临场性,缺少实践的互动性,如供配电实践教学等。主要原因是实践教学所需的设备成本高,设备数量、设备放置场地不能满足教学的要求,在电力设备运行时,电压、电流较高,实践操作可能会威胁到学生的人身安全。运用虚拟现实技术建立虚拟教学平台可以较好地解决以上的问题。学生在虚拟教学平台上佩戴交互设备,可以在模拟的现实场景中,对设备的结构和运行原理进行感知认识,提高学习的兴趣。将虚拟现实技术应用到实践教学中有着以下优点［1］。

1.1 降低教学成本

虚拟现实教学平台的教学运行成本比现实实践设备的运行维护成本低。以供配电实训室为例,一般配置2 台高压断路器电柜,在做拆装实训时,学生只能分组操作,如果一组有3 个学生,只够6 个学生练习,而实际教学班级人数至少在15 人以上,实际电气设备满足不了实训要求。另外,由于断路器设备结构比较复杂,学生在拆装实训时,容易造成设备损坏,导致后面的学生无法进行实训。通过将虚拟现实教学软件安装在PC 机上,让所有学生进行一对一的实践操作,不仅可以提高学生实践操作的感知和拆装效率,而且不存在设备损坏的现象。

1.2 提高教学安全性

在实践操作实训中,老师和学生经常面临人身安全问题。比如10 kV 供配电操作,由于电压比较高,学生如果不按照操作规程来操作,很有可能会发生触电事故。有些设备结构复杂、体积庞大,容易发生磕碰事故。而虚拟现实教学软件可以保证学生在“身临其境”操作的同时避免出现安全事故。因此,虚拟现实教学既可以保证学生完成实践操作,又可以保障学生的人身安全。

1.3 提高实训升级改造能力

随着国家制造业的产业升级,生产设备也在进行升级,且升级时间间隔将越来越短,为了与实际岗位操作设备保持一致,实验实训设备必须进行更换,而大部分学校由于费用等原因无法及时更换,导致学生所学与实际操作要求相脱节。而虚拟现实教学平台可以做到实时设备更新,且成本相对较低。因此,虚拟现实教学不仅可以提高教学与实际岗位操作的契合度,还能提高实训室升级改造的能力。

1.4 丰富教学模式

丰富教学模式是提高教学质量的重要途径之一。学生在虚拟现实教学平台实训操作时,不会有人身安全和损坏设备的问题,可以提前在虚拟现实平台上预习演练新课的内容,发现自己存在的问题。老师主要在课堂上解决学生的提问,这种授课模式就是“反转课堂”,可以有效提高学生听课质量。虚拟现实教学平台不受时间、地点的限制,对顶岗实习学生和企业学生可以采用远程线上教学,学生一边听课一边在虚拟现实平台上操作,极大地降低了学校授课成本。

2 虚拟现实案例开发总体设计

本文以高压开关柜的高压断路器操作实训为例,陈述虚拟现实高压断路器操作实训案例的开发流程。开发分为软件和硬件两部分,软件主要包括用3DMAX等软件开发设备模型,用Unreal Engine 软件开发虚拟场景、互动操作等功能。硬件包括头盔显示器、图形工作站、大型显示器等,硬件系统直接选型选用使操作者体会到虚拟现实体验的效果。通过软件开发和佩戴硬件完成一个交互性强、沉浸感体验好的教学案例。

为了使学生全面掌握高压开关柜的高压断路器的主要结构和操作规程,本案例的功能结构分为结构演示模块、结构拆装模块和手动模拟操作模块。学生可以在3 个模块之间任意切换,自由选择学习。结构演示模块通过爆炸图或语音完成高压断路器的主要结构及功能的讲解。结构拆装模块通过对设备有序的分解和组合展示高压断路器拆装流程。手动模拟操作模块是教学案例的核心功能模块,学生沉浸在与实际工作相近的场景中,模拟体验设备操作,并能无限次的模拟操作,极大地提高了学生操作的感知体验感,有效提高了学生的实际操作能力。

3 虚拟现实案例开发流程

系统开发流程可以分为以下阶段: 建立优化模型、场景搭建和模型渲染阶段、设备结构展示、拆装和手动模拟操作等交互性功能开发阶段。

3.1 建立优化模型

建立优化模型,主要工作是建立设备模型和对设备模型的处理。三维建模软件有Pro/E,UG,Maya 等,这些软件建立的模型,很多时候内存较大,如果直接导入UE 软件中,会导致虚拟现实案例运行出现卡顿、丢帧等现象,影响学生操作的体验感。所以模型不能直接导入UE 软件中,在导入之前,需要用3DMAX 软件对模型进行一些处理［2］。

(1) 优化模型。原始设备模型一般结构复杂,面数、线数多。在虚拟现实案例运行时,会影响处理器的速度,出现卡顿、掉帧等问题,影响学生操作的体验感,所以原始设备模型要在不影响设备功能和结构的前提下进行减面、减线处理,缩小模型的容量。

(2) 模型UV 展开。当设备表面的纹理和图案比较复杂时,需要对模型进行UV 展开,将一个三维模型展开成一张二维平面,将一张贴图放置在二维平上,通过调整二维平在贴图上的位置,展示设备表面的纹理和图案,从而提升设备外形或场景的逼真度。将处理好的模型以FBX 格式文件导入UE 软件。

3.2 场景搭建和模型渲染

(1) 场景搭建。虚拟现实技术在教学应用中最大的优势是让学生在虚拟的场景中完成教学。所以虚拟现实案例需要模拟出一个高压开关柜的高压断路器操作的虚拟场景,与真实的高压开关柜的高压断路器所处的配电室场景比较接近,这样学生在操作时,能够感觉自己在真实的配电室操作,使学生获得更好的感知体验。

(2) 光照设置。 UE 软件的光照设置会极大影响虚拟现实场景的虚拟体验效果。对于供配电室的虚拟场景,使用直射的人造灯作为光源,使供配电室的采光效果优于其他位置,更好的模拟出真实的供配电室的光影效果。

(3) 材质包制作。模型材质会影响设备外形材质的真实感,会影响设备或构件的虚拟的体验效果。为了提升学生实训对设备的操作或视觉体验效果,可以从实际设备上提取材质贴图或自己制作材质［3］。

3.3 人机交互功能的开发

3.3.1 虚拟现实人机交互设计思路

虚拟现实人机交互设计的核心是将操作者虚拟到虚拟场景中,将操作者的动作在虚拟场景中表现出来,并且让操作者体验到操作的效果［4］。

虚拟交互设计。定义操作体验者的虚拟化身,同时将硬件的虚拟头盔和虚拟手柄绑定后,虚拟化身集成操作体验者所使用的头盔、手柄具有的“上下、左右、前后”的移动和转动；操作体验者利用虚拟现实手柄向虚拟现实环境发送操作指令,使虚拟场景按指令发生变化。虚拟化身将虚拟场景变化实时传输给体验者,从而实现操作体验者与虚拟现实环境的交互。

操作体验者的虚拟漫游功能设计。虚拟现实体验者在虚拟环境中上下、左右、前后移动,这种位置改变定义为虚拟漫游。在虚拟现实场景中,虚拟漫游有平动和瞬间跳跃两种。平动功能以虚拟化身的视角正前方为基准,从前后、上下、左右6 个方向进行平移。本漫游方式最大的特点是体验者可以移动到虚拟场景中的任何位置,所以具有很好的移动能力,但缺点是使操作体验者有不舒服的感觉,比如有的体验者会感到“头晕”。虚拟漫游的另一种移动是瞬间跳跃,这是最常见的人物运动方式之一,它最大的优点是跳跃前后,人物瞬间的位置发生变化,这种位置的移动方式能够有效避免平动漫游使体验者感觉不舒服的问题。在虚拟现实设计系统时,根据不同的情况,将两种漫游功能配合使用,以便体验者获得最佳体验感。

3.3.2 设备结构展示功能设计

在虚拟现实场景中通过爆炸图来展示设备的基本结构。爆炸图根据结构顺序依次爆炸展示,可以结合文字或语音讲解,使实训操作者详细了解设备的主要结构和运行原理。实训操作者也可以通过漫游移动方式到设备前仔细观察或直接进入设备内部更详细地了解设备的基本结构。

3.3.3 设备拆装功能设计

在装配设备时,实训操作者通过手柄指向要装配的部件,部件成亮度状态,实训操作者按住手柄扳机选中部件,并按装配的方向对部件进行移动,直到部件到达装配位置,松开手柄扳机,完成一次装配。实训操作者按照装配手册依次组装部件。在以上装配过程中部件以自由移动模式装配。在装配训练时,若部件装配的要求是按轴线装配,就要沿坐标轴移动模式进行装配。沿坐标轴移动模式装配:手柄射线指向要移动的部件时,按下手柄上规定的按键后再按下手柄扳机,这时在部件中心位置会显示自身直角坐标轴,此时,该部件不再进行自由移动,将手柄射线指向某一坐标轴方向,按下手柄扳机对部件进行拖拉,部件将沿指定的坐标轴移动。沿坐标轴移动模式是模拟吊车、起重机等设备的工业装配的操作。

3.3.4 手动模拟操作设计

为了模拟设备的装配或操作顺序,设计设置了设备各部件的装配顺序或设备操作顺序,实训操作者必须按照装配或操作顺序来操作,如果操作有误,会出现文字或语音等提示。实训操作者通过虚拟现实系统可以无限制的模拟训练装配或操作技术,极大地提高了实训操作的安全性和有效性。