基于Virtools的虚拟实验教学研究

戚晓利等

摘要：传统实验教学效率低，成本高，安全性差。针对这些不足，本文以辊式破碎机虚拟实验教学平台为例，展示了Virtools在实验教学领域的应用及其开发步骤，开发出的虚拟实验系统具有极强的交互性、灵活性、可扩展性。它显示了虚拟现实技术在虚拟实验领域应用的巨大潜力，为后续的虚拟实验开发提供了解决方法和新思路。

关键词：Virtools；辊式破碎机；虚拟现实；实验教学

中图分类号：G433 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）18-0072-04

前言

实验是教学中的一个重要环节，对提高教学质量、提升学习者兴趣具有重要意义，但限于成本和投入产出比等因素，很多院校的实验课程开设不足，在一定程度上影响了教学质量。如何建设低成本、高效率、功能全面、具有协作性的实验室成为摆在诸多院校面前的一道难题。

目前，传统实验教学环节存在以下三个方面的不足：①在课堂理论教学环节，内容抽象、枯燥，理论与现场脱节，培训效果差；②在实验教学（模型教学）环节，成本高，教学效果不明显；③在电化教学上，缺乏双向交流，教学手段单一，教学效果一般，很多场面无法真正实现。[1]而建立虚拟实验系统是解决这一问题的有效途径。

虚拟现实技术

1.虚拟现实技术的定义

虚拟现实（virtual reality，VR）也称为虚拟灵境或人工环境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是一种先进的数字化人机接口技术，是利用计算机技术生成的一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境。用户通过各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，产生身临其境的交互式视景仿真和信息交流。[2]

2.虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术最初被应用于军事仿真领域，但经过半个世纪的发展，其应用领域越来越广泛。近年来在城市规划、室内设计、工业设计、远程教育等方面也取得了巨大发展。

随着虚拟现实技术的发展，它已经逐步深入到教育的各个领域，在未来必将给教育带来一系列的重大变革。利用虚拟现实技术，学生足不出户便可以完成各种实验，获得和实验室一样的体验。在保证教学效果的前提下，它将极大地节省教学成本。学生在虚拟实验环境下，可以安心地做各种危险实验。在专业技能培训上，虚拟现实技术也能够为学生提供辅助作用，如虚拟驾驶、各种交通规则的模拟、特种机械模拟操作、模拟装备等。[3] [4]a

目前构建虚拟现实系统的方法主要有三种：①直接通过编程实现，如VRML、C++编程软件等；②利用OpenGL图形库编写程序建模，同时添加实时性和交互性功能模块实现；③通过三维建模软件和虚拟现实软件共同实现，目前应用比较广泛的虚拟现实软件有Virtools、Quest3D、EON、Unity3D等。此类软件最大的优点就是功能强大、画面质量高、接口丰富，且支持众多硬件。[5]

采用Virtools技术开发的三维虚拟实验系统，能够模拟真实的实验场景和实验仪器，让用户产生强烈的现场感，同时开发难度小，周期短，易于实现。

Virtools在虚拟实验教学领域的应用

为了详细地展现Virtools的工作流程与功能特点，本文以辊式破碎机虚拟实验教学平台的开发为例进行介绍。

1.总体设计

设计目标：创建一个能够真实还原辊式破碎机工作过程的虚拟工作环境，为相关专业学生、工人和技术人员的培训提供安全、低成本的虚拟试验平台，为指导生产和后续的科学研究提供先进、便捷的手段。

设计流程：参阅相关图纸和实地考察，搜集相关尺寸数据、图片和音频信息，利用Pro/E软件建立辊式破碎机的三维实体模型，然后通过Rhinoceros（犀牛）软件导入3DMAX，接着通过3DMAX软件导入到Virtools软件，在Virtools中进行实时渲染、界面设计、交互脚本编写等交互设置，最后进行发布输出。[6-8]工作流程如图1所示。

2.模型建立

（1）建立三维模型

虚拟现实技术以实体模型作为基础，实体模型的建立是整个系统的关键之一。由于Virtools不具备三维建模能力，因此模型只能通过其他三维建模软件导入，如3DMAX、MAYA等。3DMAX虽然建模功能强大，但是对尺寸精度要求比较高，使机械类产品建模较为困难。基于上述考虑，本文使用Pro/E软件建立辊式破碎机三维实体模型，然后导入3DMAX。

（2）Pro/E模型导入3DMAX

首先将.prt格式文件转换成.stp格式文件导入到Rhinoceros中，然后在Rhinoceros中转换成.3ds格式文件后再导入到3DMAX文件中。虽然导入过程比较烦琐，但是通过.stp和.3ds格式文件的转换，在最大程度上保存了实体模型原有的数据信息，后期渲染效果也比较理想。

（3）3DMAX模型导入Virtools

在导入3DMAX后，开始进行各零部件的装配。然后将3DMAX模型直接导入Virtools，在Virtools中进行材质和灯光的设置。采用这种方法可以实时渲染，虚拟效果也更加真实。通过3DMax Exporter插件将.max格式文件转换成.nmo格式文件，然后导入Virtools中。

（4）材质和灯光的设置

在Virtools中直接导入的模型是黑色的，因为在3DMAX中没有设置灯光，所以在Virtools中的第一步任务就是设置灯光和材质。Virtools中灯光有Point（点光源）、Spot（聚光灯）和Directional（平行光）三种类型，它们需要合理搭配使用，才能建立逼真的现实光影环境。灯光的建立主要是设置合理的位置和强度参数，要注意勾选specula（反光）选项，这样才能让材质在后面渲染时呈现高光反射的特性，更加逼真，但这同时也会消耗更多的计算机资源。

灯光建立完成后是建立材质。在Virtools中材质主要包括模型材质和图片材质两种类型。模型材质是破碎机零部件的材质，其贴图主要通过拍照和Photoshop软件共同完成；图片材质主要是虚拟交互时一些界面和标识的材质，其贴图主要通过Photoshop软件制作完成。注意更改贴图图片的尺寸大小，以降低文件的大小，提高读取速度。Virtools是以2的次方来记录图片的尺寸，并会以2的次方自动设定图片的容量，以降低文件的容量。例如，在本案例中，使用的某一贴图尺寸为878×137 32bits，这时Virtools会将其自动改成1024×256 32bits，文件占用内存大小就是1024KB，很显然这会增大文件的容量，对系统显示存储不利。而手动设置图片尺寸，将其改为512×128 32bits，此时文件的大小为256KB，不仅显示质量没有降低太多，而且图片所占的容量也大大减小。[9] [10]

3.场景驱动

（1）标签和界面

为了更好地辅助培训人员熟悉破碎机的结构，我们编写了如图2（a）所示的脚本，效果是当鼠标指针指向某一部件时就可以显示某一部件的名称，鼠标移开时隐藏名称。名称是以2D frame形式显示的。后面提到的界面、操作说明都是以show、hide两种脚本来完成的。

（2）摄像机的设置

为了能有更加全面的虚拟体验，视角的移动和旋转必不可少，在Virtools中视角的改变是通过改变摄像机的位置和姿态来实现的，我们因此编写了如图2（d）、图2（f）所示的脚本。在图2（d）中，关键是Mouse Camera Orbit，该BB（Building Block行为模块）使摄像机可以沿着某一轨道进行旋转，从而使视角进行旋转。在图2（f）中，Virtools没有直接移动摄像机的BB，而是按住鼠标中键进行触发，因为在按下鼠标中键后，系统通过Get Mouse Displacement能不断地获得鼠标移动的位移量，然后将获得的位移量通过Multiplication进行数量转换，转换成合适的位移量进行输出，关键是这个输出的位移量不是输出给摄像机，而是输出给摄像机的参考目标3D frame，这时就可以实现摄像机跟随鼠标的移动而移动。

（3）破碎作业

本案例虚拟交互中，机器的操作是核心部分，主要有控制柜按钮、阀块扳手等操作，辊子、下料装置、联轴器等运转过程。我们采用直接在Virtools中驱动物体模型的方法，编写了如图2（e）所示的脚本。将rotate变成循环的方式，延迟时间改成0，这样可以避免切换时卡顿的问题。在这个过程中加入Bezier Progression模块，对旋转和移动的变化速度进行调节，能使显示效果更加真实、自然。[11]

除了机器本身的操作外，还使用了Virtools的粒子系统来模拟破碎物料，如上页图2（g）、图2（d）所示，以展示物料从下料装置到辊子破碎这段加工过程。本案例选用平面粒子系统，粒子是从平面发射的。

（4）辅助信息

本案例中使用了声音文件，使操作者可以更加真实地体验现场的工作环境。声音源文件来自现场录音，主要包括破碎声音、电机声音和泵站声音，脚本如图2（c）所示。图2（b）所示的脚本，是通过脚本逻辑关系对操作步骤和错误信息等进行提示和修正，使整个系统的使用更加人性化。

4.操作界面

系统的界面如上页图3所示。图3（a）是主界面，共有三个功能按钮，分别是功能介绍、操作说明和虚拟演示。功能介绍主要是介绍该操作平台的功能和使用范围，操作说明是在操作时介绍相关硬件的使用方法，如图3（b）所示。虚拟演示按钮是进入图3（c）所示的操作界面，在此界面中通过下方的菜单栏可以进行查看操作步骤、调节音量和返回主界面的操作。

5.系统发布

系统制作完成以后，如果保存成.cmo格式文件，则只能通过安装有Virtools程序的计算机打开；如果需要推广应用，则需要转换成通用格式。主要有两种方法：一种是将整个系统以.vmo格式保存，再以HTML文件格式保存成另外一份，通过Virtools Web Player插件发布到网络上；另一种是将系统文件转换成.exe可执行文件，以方便在Windows平台上使用。本文选择的是后一种方法。

结语

本文以Virtools为基础，开发了安全、低成本的辊式破碎机虚拟操作平台，它既能打破时空的限制，增加实践认知的灵活性和安全性，又能获得真实的体验效果，为相关专业学生、工人和技术人员的培训提供安全、低成本的解决方案。虚拟现实技术未来将在虚拟实验领域发挥巨大的潜力和作用。

参考文献：

[1]蔡武，陈果，朱志敏，等.基于3DMax和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计[J].煤炭工程，2011（1）：111-113.

[2][3]刘向群，吴彬.虚拟现实案例教程：基于Quest3D/VR-Platform/Virtools项目[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[4]徐英欣，杨建文，张安鹏.Virtools虚拟互动设计实例解析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012，7.

[5]丁帆，胡小强.基于Virtools的实验教学应用与研究[J].科技广场，2012（8）：32-34.

[6]肖武，吴静谧，冉慧丽，等.基于Virtools的氨合成塔模拟及虚拟系统构建[J].实验室研究与探索，2013，32（8）：68-71.

[7]肖武，李焕，张永策，等.基于Virtools的精馏过程模拟及虚拟实验室开发[J].实验室研究与探索，2012，31（7）：284-288.

[8]刘毅.基于Virtools的虚拟实验开发[J].无线互联科技，2012（5）：174-176.

[9]宁芳，蔡大林，韩栋.基于Virtools的采矿虚拟实践教学系统[J].煤矿安全，2012，43（8）：107-109.

[10]傅招国，王天威，倪小鹏，林砺宗.基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用[J].计算机工程与科学，2012，34（6）：97-100.

[11]杨清文，房施东，杨光，吴硕.基于Virtools的某火箭炮技术检查训练仿真研究[J].计算机测量与控制，2012，20（2）：407-410.