基于VR的传热综合仿真实验设计

吴丹　何明昌　高利新　王陈培　周竞

关键词：虚拟仿真；3DMAX；传热综合；实验

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）02-0090-03

1 概述

VR虚拟仿真技术，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一项新兴技术。该技术利用三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象形状尺寸建立模型以及场景，再根据需求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光，当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面[1]。随着画面的不断变化，用户也可以参与其中。VR颠覆了用户的感官体验，为用户营造沉浸式氛围，以高度“仿真”的“复现”效果，给人以身临其境之感，实现对用户感官的多重刺激，最大限度地在计算机及相关设备的支持下呈现出了真实情景[2]。

由于VR虚拟仿真技术具有很好的仿真与互动效果，使得该技术在教学方面应用得到快速发展，例如通过三维建模渲染技术还原各种机械设备的工作原理、内部结构、工艺流程等，使学生对机械设备、内部构造相关知识点一目了然，容易理解和掌握相关知识点。

国外对于虚拟现实技术的研究较国内起步较早，虚拟仿真在教学上的应用也比较成熟，国内少部分高校这几年也迅速跟上。但大部分高校现在的教学手段大多还局限于板书+PPT，实验教学也是采用传统的实验室，学生在实验室里只能在实验过程中接触到实验设备外围，而设备的内部构造及其组成则无法看到、触摸到，还有大量的损坏性实验或危险性实验，由于成本因素、危险因素无法进行，实验教学不能形象地体现设备的结构、工作原理、工艺过程等，不利于实验教学，学生学起来枯燥、烦琐，知识也很难掌握。为此开发了一套仿真实验系统，其中传热综合实验是比较成功的一项实验，学生使用后感觉逼真，交互性强，对知识点有很好的把控，该仿真实验已经成功申报浙江省级仿真实验教学一流课程。

传热综合实验主要用于工业生产过程中，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行两者之间的热量交换，这种交换叫作间壁式换热。间壁式传热实验以前一直用传统实验教学完成，但存在非常多的问题，如实验教学成本过高、安全系数低、操作灵活性差，实验器材维护也非常困难。而通过系统的VR技术建立传热综合实验，学生只需佩戴头盔、手持设备等少量相关设备，就能沉浸实验中，很快理解并掌握相关热传原理，实验效果大大提升。

2 系统需求分析

在VR传热综合虚拟仿真教学实验项目设计中，系统充分考虑VR传热综合实验虚拟教学要求，并统筹考虑各部分建设内容之间的层次关系，以便项目形成一个有机的整体，让学生进行仿真实验时能一气呵成。为此系统采用先进的体系架构，并与现有系统具有良好的接口和高度兼容，在数据处理方面，通过数据库系统满足大容量数据存储和高速查询，以保证系统的安全性和稳定性，软件至少在三年内满足相关热传仿真实验应用，系统更新时，所有数据都可以通过恰当的迁移和转换便可以完整无误地转入新的系统中。

通过上面的分析，基于整个实验流程，围绕综合传热实验步骤，系统利用VR技术，把该项目设计分为展示层、业务层、数据层三部分，如图1所示。

3 系统设计与实现

3.1 技术环境

系统用AMD64作为系统平台，建模采用Unity 3D 以及3DMAX进行模型开发，在功能上采用3DMAX进行实验的建模，使用Unity 3D结合Vuforia插件创造出仿真实验室。完善仿真实验项目功能后，将其用Uni?ty 3D结合于项目要求。数据存储方面，因MySQL充分利用Ubuntu的优点，所以系统用MySQL作为后台的数据库。

3.2 安全性能设计

考虑到系统集成以及实现各子系统的管理，以达到信息最大限度地共享，也便于今后系统的扩充及增容，系统预留了一些功能扩展接口。在安全方面，系统中所选用的各个功能子系统设备都具有开放的通讯接口，后台管理系统搭建在内部局域网中以保安全，同时设计一套严格的权限认证机制，对一些重要数据进行MD5加密存储，保证用户访问站点时系统安全。

3.3 系统前台设计

系统把整个系统分为功能选择、场景漫游、实验模式三个部分。

（1）功能选择

根据菜单功能，用户选择相应功能，可以选择重新开始实验或者继续上一次操作实验，也可以通过VR手柄按下扳机键确定是否可以相应操作以及相关按钮可否进行触碰，还可以按下手柄上的grip按钮再次唤醒相关选择界面等。

（2）场景漫游

该功能主要是划分实验区域，通过面对场景地面按下手柄pad键就能进行位置传送，绿色区域为可到达区域，即可操作区域，橙色区域为不可到达区域，即不可操作区域。

（3）实验模式

實验模式即学生进行仿真实验时可使用的操作方式，系统设计了分解模式、触碰模式、拆卸模式共三种实验模式供用户操作选择。

分解模式：该模式下用户在视频引领下进行分解操作，视频指引的每一步都有操作提示。在这个模式中，实验仪器的相应部分会出现箭头与文字提示，用户按照每一步提示即可进行相应的实验操作。在仿真实验室的右侧，是学生调节数据和记录数据的地方，可以通过表格直观地观察实验所得数据，帮助学生进行后续的总结。此模式主要用分解实验的每一步操作并掌握VR设备的使用，是学生学习和演练的详细过程，用于学生初级入门实验，如图2所示。

触碰模式：该模式下学生进行独立触碰实验操作，最后给予实验评分。该模式下没有操作提示，且没有视频操作提示，用户根据之前在普通模式中学到的内容进行触碰实验操作，完成实验后点击屏幕下面的评分按钮，就能对此次实验操作进行评判并给出分数显示，用户还可以一键生成实验报告，此模式主要用于学生在基本掌握了相关原理及相关步骤后进行，也可用于学生实验考核，如图3、图4所示。

拆卸模式：在该模式下，通过穿戴一套实验设备进行操作，用手柄去触碰实验设备相应部件，部件发出黄色的光，此时可按下扳机按钮拖动物体进行安装及移动拆卸。学生利用VR手柄对各组件进行拆卸，通过相关操作，学生可很快认识实验器材及各个组成部分，并可进行相关拆卸实验操作，非常直观生动，该模式主要用于学生对机械的安装与拆卸，如图5所示。

3.4 后台架构设计

系统后台基于WebGL 语言实现，Web 图形库（Web Graphics Library，Web GL）是一种3D绘图协议，它将Java Script和Open GL ES结合在一起，HTML5中的Canvas元素提供硬件3D加速渲染，可以使开发人员在任意兼容的浏览器里展示2D图形、3D场景和模型等，还能创建复杂的导航和数据视觉化。Web GL 可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏[3]。数据存储方面，系统使用MySql，MySql可以说是目前最为流行的开源数据库管理系统软件，是一个多用户、多线程的SQL数据库服务器[4]。Mysql开放源码，快捷灵活、稳定和容易使用等优点决定了其在中小型管理系统应用的优势。为了提高数据库访问性能和后期大数据分析，系统还引入Redis非关系型数据库，在服务器和数据库之间使用缓存技术，以保证数据库主从备份、读写分离。项目中还可能存在大量的需要上传和下载照片和视频，为此系统选择腾讯的开放云存储服务，同时为了提升各个地区的下载体验，系统还引入CDN，客户端通过API Service和服务端交换数据，图片和视频的下载直接通过CDN。

3.5 相关功能实现

根据传热综合实验教学设备图纸建立三维模型，再利用三维建模进行虚拟设计，建立实验零件的三维素材库，包括器材以及器材的套管换热器、发生器及风机等素材，同时制作传热综合实验教学视频，然后根据现有实验流程制作三维演示动画。

1）图像处理

对采集的照片，系统用Photoshop软件进行处理，制作建模所用贴图，然后进行软件系统版面设计。

2）建模渲染

用三维制作软件3D Max对套管换热器、发生器及风机等，建立锅炉零件三维1：1还原建模，制作材质贴图，灯光布置，再根据设备的结构、原理和操作，制作摄像机动画，人物动画，操作动画等，最后渲染出一系列的三维虚拟图像序列。

3）视频制作

由于Sony Vegas软件提供的视频特效非常丰富。可为某一片段或某一个镜头添加特效。大部分特效均开放， 通过关键帧控制可实现特效的动态变化；还可以轨道合成。提供了无限的音视频轨道， 视频具有合成模式、合成度、特效、轨道运动控制等。轨道合成模式与PS层叠加模式类似；轨道特效控制是为视频增加不同的特效， 并对特效的变化进行控制;轨道的透明度可由合成度进行控制；轨道运动控制可实现视频二维、三维合成。音轨主要是针对音量大小、声音特效及声音录制等进行处理；最后， 字幕处理。视频编辑中字幕处理不可缺少， Sony Vegas软件配备的字幕功能操作非常简单灵活， 在字幕编辑中， 同样可应用视频各种编辑特效[5]。综上所述，系统用Vegas来制作各种视频动画。

4）编程合成

Virtools 是一款強大的虚拟现实开发软件，可用于制作具有沉浸感的虚拟环境，让参与者生成诸如视觉、听觉、触觉等各种感官信息，是一种新研发的人机交互系统。它具备丰富的行为模块，根据模块的搭配可以实现多种功能，在三维教育类游戏的开发方面具有突出优势[6]。因此系统用Virtools作为开发工具，编程制作人机交互系统。

4 结束语

VR传热综合仿真实验，可以给学生带来逼真的教学实验，实验流程可逐步分解，且自动生成实验数据，非常方便。VR传热综合虚拟仿真教学实验不但帮学生避免了实验可能带来的危险，还节省了大量的实验材料，仿真实验不会对环境产生危害，而且实验能反复进行，在当今高校中非常实用，具有广泛的推广价值。