干法水泥生产工艺虚拟教学平台的研究与实现

吴敬兵， 蒋敦纯(武汉理工大学 机电工程学院， 武汉 430070)

0 引 言

近年来，虚拟现实技术已经在许多领域发挥着的重要作用[1]。由于虚拟现实的沉浸性、交互性和构想性的特点，在教学领域，应用该技术开发的虚拟教学平台能够让操作者在课堂中就产生身临生产现场的感觉[2]。这种虚拟教学模式[3]结合了理论教学和现场体验，对解决普通高等院校实验教学环节的突出矛盾[4]具有很强的经济性和实用性价值，并成为现代教育领域中的一项重要应用[5]。

水泥是建材行业的支柱产业之一。而当前国内各大院校建材专业(水泥方向)的教学仍然使用依靠文字、图片的教学方式。在水泥厂的参观实习环节，往往受制于安全因素的制约，无法对生产设备的工作原理有更加深入细致的认识。因此研制干法水泥生产虚拟现实教学平台具有现实意义[6]。

1 关键技术

1.1 Unigine

Uigine拥有逼真的三维渲染效果和强大的物理模块。高效率和良好的架构使其成为一个高度可扩展的解决方案。Unigine的可视化编辑器UnigineEditor给虚拟场景的管理提供极大的便捷。UnigineEditor拥有以下功能：管理对象、效果和灯光；编辑物理特性；精细调整、渲染设置等。UnigineScript是Unigine的脚本语言，这是一种类似于C++语法的脚本语言，拥有内置3D数学，内置调试器和性能分析器等功能模块。

1.2 场景建模及优化技术

三维模型是虚拟场景的基础，模型的真实程度将决定虚拟场景的沉浸效果[7]。为此，在湖北某水泥厂实地参观并查阅了相关资料后通过水泥厂设计中的三维设计[8]方法，计算了工艺设备的设备参数，并对设备进行了选型。根据这些参数在SolidWorks中进行工艺设备建模。

考虑到机械设备模型的特征复杂以及拥有大量的细小的结构，必将在绘制场景时消耗大量资源。因此，寻找一种优化三维模型以减少拟合模型外观的三角面数量[9]的方法是十分必要的。鉴于CAD的建模方法和模型格式，提出了基于SolidWorks的二次开发以实现模型特征识别及减除的优化方法。具体实现步骤为：遍历模型的所有几何特征，并获取各种特征类型的参数，根据这些参数数据选择性删除部分不必要特征，以达到模型优化的目的。

1.3 交互技术

允许用户使用交互设备与虚拟环境进行实时交互是虚拟漫游系统最重要的特性之一[10]。干法水泥生产工艺虚拟教学平台选用无线手柄作为用来接收来自用户的信息和命令[11]的输入设备，并采用了红外光学位置追踪解决方案对无线手柄在现实三维环境中的位置进行追踪。基于虚拟现实外围设备网络(Virtual-Reality Peripheral Network，VRPN)[12]提供在虚拟现实系统中实现应用程序与外围物理设备之间的网络透明接口[13]，实现对无线手柄的响应监听和位置追踪。

教学平台的主菜单界面可被无线手柄按键呼出，始终显示在视口相机前方，可通过点击触发相应的交互内容；为提高平台的沉浸性效果，部分交互内容绑定在场景模型中，当用户在虚拟环境中到达这些场景模型附近时，该类可交互模型显示高亮光以提示可通过点击触发。无论是主菜单界面还是可交互场景模型，基本原理都是在场景中添加的三维模型。用户使用无线手柄点击，是通过射线拾取目标模型，根据模型节点名称以及部分自定义的节点属性信息而触发相应的使用UnigineScript实现的交互响应内容。

2 功能模块设计

2.1 三维漫游功能

系统虚拟场景具有自由漫游和路径漫游两种漫游方式[14]。自由漫游功能允许用户通过交互设备控制相机按照漫游操作器的方式改变位置和朝向。路径漫游是允许操作者按照既定路径实现在场景中漫游的功能。该功能的实现方法是在场景中新建一个相机Camera，以关键帧动画方式插入相机位置、朝向的关键帧，生成动画文件，在响应内容中加载该动画文件。

2.2 文字、图片和视频的显示

通过在场景中的显示文字、图片和视频的形式向用户提供工艺介绍信息，既利用了传统教学资源，也符合人机交互友好的原则。该功能允许操作者在使用漫游功能的同时，显示的文字、图片和视频能够跟随视口相机移动，始终对于用户视角可见。该功能的实现方法是：将图片和文字贴在场景中的三维模型节点Board上。先获取当前视口相机的世界坐标矩阵tranform_camera。并获取和计算相机的三个单位方向向量vec_direction，vec_up，vec_right。而上文中提到的相对于视口相机的固定位置vec_offset(x0，y0，z0)正是通过以vec_direction，vec_up，vec_right这个单位方向向量建立的坐标系表示的。那么Board的世界坐标矩阵则可以表示为：(vec_direction *x0+vec_up *y0+vec_right *z0)+ tranform_camera。

图1 公告板世界坐标计算示意图

以上设置三维模型世界坐标始终相对于视口相机处于固定位置的方法，同样会被使用以实现主菜单界面跟随用户移动并始终显示在用户视口前方的功能。

2.3 快速定位功能

当用户希望快速到达虚拟水泥生产线的某一特定生产环节时，快速定位功能就显得尤为必要。快速定位功能的实现方法是预先获取相机目标位置的世界坐标数据，存储在配置文件中。在交互内容中先获取当前视口相机，将目标坐标数据设置为当前相机的世界位置坐标。在这项功能的实现时需要预先完成一个可以实现获取当前相机并记录并存储该相机世界位置坐标的功能插件。

3 虚拟水泥厂交互平台的详细开发

虚拟教学平台的开发需要从需求分析入手，设计教学平台各模块实现的功能。具体则需要综合运用水泥厂设计，三维建模和虚拟现实等技术。平台开发流程如图2所示。

3.1 数据采集

为了展现还原度很高的干法水泥生产工艺虚拟环境，需要采集现实世界的数据以支撑虚拟世界的建立。对湖北某水泥厂现场工艺设备外观参数进行测量，或运用水泥厂的设计方法设计设备的重要参数，为设备建模提供数据基础。并使用数码相机拍摄清晰的照片，使用图像处理软件制作成场景模型的材质贴图，使虚拟场景更加真实以增加用户在虚拟场景中的沉浸感[15]。

3.2 建模及导入

该虚拟教学平台使用的水泥工艺生产线模型主要分为工艺设备模型、地形地貌和建筑物模型。由于平台的核心目的是展示干法水泥工艺原理，所以使用建模软件SolidWorks对设备进行精密建模。而地形地貌和建筑物的模型较大，精度要求也不高，采用了使用3d Max的建模方式。将所有模型导入到UnigineEditor中，对场景中节点进行规范化命名并梳理节点父子级，将提升虚拟场景管理的便捷性。水泥厂场景如图3所示。

图2 平台开发流程图 图3 水泥厂场景图

3.3 交互界面的设计与实现

交互平台中用户界面的交互按钮分为3级。主交互界面以水泥工艺流程为设计原型。主交互界面如图4所示，主要有两种功能：单击定位至按钮对应的生产环节地理位置，隐藏主交互界面并呼出对应流程环节的2级交互界面。2级交互界面是根据各个流程环节的具体需要实现的功能设计的,如图5所示。当单击主交互界面的特定工艺环节按钮时呼出2级交互界面，移动光标至2级交互界面的特定内容按钮，呼出3级交互界面。3级交互界面的按钮有以下两种功能：触发相应的交互内容，点击“返回”按钮时返回主交互界面并清空3级交互界面按钮触发的交互内容效果。图6所示是按钮触发的设备拆卸效果图。

3.4 交互内容的实现

该平台的交互内容主要分为3种：流程漫游教学、工艺环节讲解、重要设备讲解。

流程漫游教学是按照新型干法水泥生产工艺流程路径的漫游教学，并配有音频向用户介绍各生产环节的工作原理和原料在各流程环节的状态。这项内容是通过在应用流程漫游技术的同时载入并播放音频文件的方法实现的。

工艺环节讲解是向用户介绍水泥各个生产环节的具体内容，如相关重要设备的工作原理及物料在设备中的状态。

图4 主交互界面图 图5 二级交互界面

重要设备讲解是设置在中控室三维交互按钮的交互内容，主要通过播放视频向操作者介绍水泥生产中一些重要设备的工作原理，如颚式破碎机，球磨机等。中控室交互按钮如图7所示。

图6 设备拆卸效果 图7 中控室交互按钮

4 结 语

干法水泥生产虚拟现实教学平台综合运用了新型干法水泥工艺设计，SolidWorks和3d Max在建模、材质和贴图、灯光、渲染，基于Unigine引擎的虚拟交互平台开发等相关技术。教学平台的开发基于数据采集、模型建立、交互界面设计和交互内容的实现等技术手段，实现了三维场景虚拟漫游，三维公告板显示文字、图片和视频，快速定位及模型动画的加载和实时播放。

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