云渲染技术在虚拟仿真教学系统中的应用

孙振明，侯运炳，王 雷

（1. 中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京 100083；2. 北京龙软科技股份有限公司，北京 100190）

虚拟仿真技术在教学活动中的应用一直是教育信息化的重要组成部分。为了提高高校实验教学的质量和实践育人的水平，教育部在2013年发出了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[1]，提出利用信息化的重要技术如虚拟现实、多媒体等构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，在满足教学大纲的要求下服务于本科教学[2]。2017年起，教育部开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系[3]。

在虚拟仿真实验教学项目实施过程中，三维虚拟场景的构建及交互操作等应用是常见的虚拟仿真内容。通过对2017年及2018年认定的国家虚拟仿真实验教学项目[4]进行分析发现，三维虚拟仿真实验的主要开发工具为Unity3D平台。目前的虚拟仿真系统仍然普遍存在以下问题：

（1）访问实验过程中需要提前下载安装插件，且打开过程容易出现插件崩溃问题。

（2）部分项目采用了 WebGL展示方式，不再需要插件安装，但是开始实验需要较长的加载时间。

我校在构建采矿与安全虚拟仿真实验室的过程中，对现有技术进行了深入的探讨与研究[5-6]，针对上述存在的问题，利用实时云渲染技术构建了虚拟仿真实验教学项目“综采放顶煤虚拟仿真教学实验”系统，实现了对三维虚拟仿真实验教学资料的无插件且高速访问，提高了学生在使用过程中的体验，为学生提供了一个简洁便利的实验途径。

1 云渲染技术

通常将利用软件从三维模型生成图像的过程称为渲染，渲染广泛应用在仿真模拟、动画视频和电影电视制作等领域[7-9]。渲染业务场景需要GPU显卡实现图形加速及实时渲染，同时需要大量计算、内存或存储。

云渲染则是指将执行渲染任务的应用程序放在云端服务器运行，利用云服务器的高性能计算能力及图形渲染能力，缩短制作周期，提升整体效率[10-11]。

云渲染技术的应用按照数据反馈时效的不同可以分为离线云渲染和实时云渲染两种。

1.1 离线云渲染

离线云渲染将 3D程序放在远程的服务器中，用户通过相关软件将三维模型资源传送到服务器，服务器根据指令执行对应的渲染任务，任务结束后用户下载渲染结果进行查看。

离线渲染为了呈现高真实的画质而不计成本。渲染农场就是一种离线的渲染方法。从诞生之日起，离线渲染就主要是为电影服务的，现在也一直如此[12]。

1.2 实时云渲染

实时云渲染技术是一种以云渲染（云计算）和网络串流技术为基础的云应用。云渲染技术将三维应用程序放在云端服务器运行，并将实时计算获得的渲染结果（视频流+音频流）压缩后通过网络传输给用户，在用户终端进行解码、显示，同时再将用户操作（控制流）传回渲染服务器，最终实现用户和虚拟世界的实时互动。

实时云渲染技术最早在游戏领域以云游戏的方式被提出，行业公认的云游戏诞生于2009年，由OnLive在美国旧金山游戏开发者大会首次推出。云游戏在推出之后若干年内发展缓慢，其根本原因在于网络带宽和延迟的限制，带宽限制了画面传输，延迟无法满足即时游戏的需求。

随着网络技术的发展，原来常用的拨号网络已经逐渐替换为百兆甚至千兆光纤网络，5G牌照也于 2019年6月开始发放，5G的优势在于高带宽和低延迟，这些也正是解决实时云渲染原有瓶颈的关键。

2 虚拟仿真教学系统的建设

2.1 系统建设目标

煤炭是中国的主体能源，而综采放顶煤开采是中国煤矿开采的重要方法，是厚煤层建设高产高效现代化矿井的主要技术途径之一，也是近40年来中国煤炭开采领域取得的重要标志性成果。

但是，由于受到安全、环境、生产繁忙等因素影响，学生难以在真实现代化矿井危险环境进行系统学习。同时，传统的实验教学无法提供模拟开采设备及其配套作业的采煤方法和工艺所需的条件。因此，我校能源与矿业学院组织实施了综采放顶煤虚拟仿真实验教学项目。综采放顶煤虚拟仿真实验的教学目标主要包括：

（1）建立矿井生产系统的真实感知。

（2）掌握综采放顶煤工作面主要设备的结构、工作原理及操作方法。

（3）掌握综采放顶煤工艺各作业工序的技术要点和实际操作。

（4）掌握综采放顶煤工艺技术、流程、方法和循环作业过程。

（5）培养综采放顶煤现场生产组织、管理能力。

2.2 实验教学内容

实验项目还原了大型煤矿的工业广场和井下真实的生产环境等场景，通过构建综采放顶煤工作面生产系统，来模拟工作面采煤机的割煤、推前刮板输送机、移架、液压支架放煤、拉后部刮板输送机的整个作业过程，引导学生在对采煤设备结构、性能及操作方法了解的基础上，按照作业规程和工艺参数，操作采煤设备进行割煤、放煤作业，系统掌握综采放顶煤工艺技术知识。

（1）在虚拟环境下漫游工业广场，经副井罐笼下井，沿巷道前往综采放顶煤工作面，了解工业广场建筑物构成，熟悉综采放顶煤工作面生产设备系统。

（2）在三维动态仿真环境下，通过拆解采煤机、放顶煤液压支架、刮板输送机等虚拟采煤设备，学习采煤设备的结构和组成。

（3）通过设备控制面板交互模拟操作拆解采煤机、放顶煤液压支架、刮板输送机等虚拟采煤设备，学习设备的运动控制和工作原理。

（4）在高度仿真的采煤工作面，按照综采放顶煤工艺和作业规程要求，逐一交互操作综采工作面采煤机、液压支架等虚拟设备，进行割煤、推刮板输送机、移架、放顶煤等多工种作业训练，掌握各项作业的技术要点和操作方法。

（5）按照综采放顶煤工艺流程，模拟多工序交互协调作业，按照工作面端部斜切进刀、正常割煤、移架、推前刮板输送机、移架、液压支架放煤、拉后部刮板输送机的顺序，进行综采放顶煤正规循环作业实验，学习综采放顶煤工艺流程与方法、综采工作面采煤机端部斜切进刀、割三角煤、正常割煤、端部割煤的工艺技术，顶煤放出方式、制度和工艺技术方法，采煤、放煤各作业工种协调作业流程和关系。

2.3 系统技术架构

综采放顶煤虚拟仿真教学系统的技术架构如图1所示。

图1 系统技术架构图

支撑教学实验项目运行的系统技术架构可以划分为云端、Web层、终端3个层次，每一层都为其上层提供服务，上下层数据直接互通。

（1）云端是运行的基础层。其中：GPU节点主机存放三维仿真应用程序，主要负责三维仿真程序的云端渲染计算任务，根据用户传入的信息进行对应处理；NAT穿透代理服务器用于解决网页实时通信的数据在端对端传输过程中的问题。

（2）Web层具有为客户提供服务和管理基础云端功能。其中：云节点管理服务负责用户与云端主机的配对和负载、权限管理以及数据提交等；教学实验管理平台提供实验项目介绍、学生信息管理、实验过程记录等内容的Web展示与应用。

（3）终端指用户访问系统所需设备，如个人电脑、便携笔记本等。用户通过通用的浏览器软件，可以登录教学管理实验平台，进行用户登陆、实验内容查阅、实验操作、实验报告提交等。

3 系统运行分析

3.1 系统基本配置

教学实验系统在实际部署过程中，将所有服务划分成了Web服务和渲染服务两大部分，分别部署在两台不同类型的服务器上。

（1）Web服务器。服务器采用的配置为：CPU 6核、内存32 GB、磁盘100 GB、通用显卡。操作系统为CentOS 7.0。

（2）云渲染服务器。采用配置为：CPU Intel Xeon E5-2680 v4（2.4 GHz）6核、内存 56 GB、磁盘200 GB、显存16 GB、GPU型号P100。

系统支持的虚拟仿真实验场景参数为：单场景模型总面数2 000 000面、贴图分辨率1 024×1 024像素、动作反馈时间1 s以内、显示刷新率高于30 Hz、正常显示分辨率1 920×1 080像素。

系统运行效果如图2、图3所示。

图2 浏览器运行整体图

图3 虚拟仿真实验运行图

3.2 运行效率分析

测试环境中本地网络为有线连接的校园网，浏览器使用 ChromeV77版本。从 2018年认定项目[4]中随机选取了2项在线三维虚拟仿真项目进行测试，同时测试了自主研发的综采放顶煤虚拟仿真教学系统。项目内容均在清空浏览器的缓存后首次打开。用时指从打开网页到用户可以对实验系统进行操作所需时间，计时以Chrome浏览器开发者工具中显示的加载时间为准。

具体测试结果如下：

（1）南开大学开发的垃圾焚烧发电资源化利用技术虚拟仿真实验，加载资源139 MB，用时2.7 min。

（2）南京航空航天大学开发的大型建筑结构风洞仿真实验教学项目，加载资源135 MB，用时4.4 min。

（3）综采放顶煤虚拟仿真教学实验项目，加载资源3.1 MB，用时8.19 s。

从以上数据可以明显看出，采用云渲染技术的项目减少了加载过程所需的资源量，因为用户只需要加载系统运行初始的画面截图，而不需要加载系统运行环境、虚拟仿真模型等资源。因此，用户能够等待很少的时间后即可开展实验操作，改善了用户体验。

云渲染技术的应用在提升项目运行效率的同时，仍然存在一定的问题。由于所有渲染工作在服务端、展示内容在客户端，因此，如前文所述，实时的数据交互对带宽要求较高，在复杂的广域网环境中，可能存在由于带宽不足或延时过高导致渲染结果出现界面卡顿、图像不清晰等问题，有待进一步研究与改进。

4 结语

将云渲染技术应用在“综采放顶煤虚拟仿真教学实验”中，使教学实验系统能够快速地展示给学生用户，节约了学生宝贵的学习时间，提升了使用效率。

由于系统运算负载主要在服务器端，学生进行远程学习不必再依赖于较高性能的计算硬件，如高性能处理器、高性能显卡，只需具备基础的视频解压能力即可，因此扩大了仿真系统使用的范围。该成果已与新疆工程学院矿业工程与地质学院采矿工程专业共享，为西部高校建设提供帮助。