摘 要：慣性動作捕捉技術(shù)作為動作捕捉領(lǐng)域的后起之秀，憑借其低廉的價格，對使用者、操作環(huán)境要求更低，發(fā)展迅速，也讓具有更強交互性的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于各個行業(yè)成為可能。文章分析了目前國內(nèi)高職院校船舶建造專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的困境，如教學(xué)方法落后，授課過程與實際崗位銜接不夠緊密等，探究利用基于慣性動作捕捉的虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高高職院校的教學(xué)效果的技術(shù)與方法。

關(guān)鍵詞：高職教育；慣性動作捕捉；虛擬現(xiàn)實；實訓(xùn)教學(xué)

國內(nèi)高職院校船舶建造工程專業(yè)主要培養(yǎng)目標(biāo)是“生產(chǎn)、制造、服務(wù)和管理第一線的技術(shù)應(yīng)用型創(chuàng)新人才”，其培養(yǎng)的人才除應(yīng)具有一定的理論知識外，還需要具有較強的實踐動手能力。

目前，我國船舶建造專業(yè)人才的培養(yǎng)，大多延續(xù)著 “以教促學(xué)”的傳統(tǒng)教學(xué)方法，但由于這種教學(xué)方法與實際工作情境相差較大，且實訓(xùn)教學(xué)條件受到限制，致使學(xué)生所學(xué)與未來工作所需要存在較大偏離，導(dǎo)致用人單位在招收畢業(yè)生后仍需要花費較長的時間對其進行培訓(xùn)，不能夠滿足現(xiàn)代船舶企業(yè)對技術(shù)應(yīng)用型專門人才的迫切需求[ 1 ]。針對這種情況，例如船舶裝配實訓(xùn)，目前國內(nèi)大多數(shù)高職學(xué)校的教學(xué)方法是制作紙質(zhì)的船體結(jié)構(gòu)模型，避開由于實訓(xùn)場地、設(shè)備、經(jīng)費的制約，但由于實船的建造工藝是鋼制焊接結(jié)構(gòu)，而且構(gòu)件數(shù)量多、體積大，這與縮小比例的由膠水粘制而成的船體模型是截然不同的，因此，學(xué)生無法真正認(rèn)知船舶建造的實際過程，距離實際的生產(chǎn)崗位相差較遠，影響極大的教學(xué)的有效性。

而近年來隨著虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的迅速發(fā)展，例如HTC Vive ，索尼的 Playstation VR等VR眼鏡已能夠較好的實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實漫游。動作捕捉作為一門新興的技術(shù)出現(xiàn)，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)仿真軟件所使用的鍵盤、鼠標(biāo)，與VR技術(shù)所建立的三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境建立更好的互動關(guān)系。不僅能夠讓學(xué)生它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，甚至沉浸在該環(huán)境當(dāng)中。而且能夠與授課教師、其他學(xué)生建立良好的互動以及即時的教學(xué)反饋，代替“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的含意

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及其理論早在上世紀(jì)60、70年代就已提出，隨著近年來計算機、電子、移動通信等技術(shù)的發(fā)展，使其進一步完善并得到更廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)主要是通過傳感眼鏡（或者頭盔），借助可穿戴設(shè)備對數(shù)據(jù)進行反饋，創(chuàng)造一個多源信息的虛擬世界，該空間可以與用戶進行深度的交互并且能夠積極反饋，從而在視覺、聽覺、觸覺等獲得接近真實世界的感受。

良好的交互性能帶來強烈的臨場感，用戶在模擬環(huán)境中，能夠感到虛擬世界是真實存在的。在這種環(huán)境中，學(xué)生就像玩游戲一樣，一邊享受感官沖擊，一邊接收知識，練就本領(lǐng)[ 2 ]。

二、慣性動作捕捉技術(shù)的意義

2012年電影《阿凡達》在全球熱播，詹姆斯·卡梅隆導(dǎo)演苦等14年才在動作捕捉這一技術(shù)的幫助下，讓他的“藍精靈”活靈活現(xiàn)的出現(xiàn)在大銀幕上。動作捕捉技術(shù)，是一種旨在捕捉人體動作的新技術(shù)，在人體運動學(xué)原理基礎(chǔ)上，建立人體運動算法，借助事先安置在捕捉對象上的傳感器采集身體部位的姿態(tài)動作數(shù)據(jù)，同時將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X內(nèi)，經(jīng)過一定算法對所采集數(shù)據(jù)進行人體動作姿態(tài)還原[ 3 ]。

目前動作捕捉系統(tǒng)種類較多，以傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)為主流，慣性動作捕捉式雖晚于光學(xué)式出現(xiàn)，但相對與光學(xué)式動作捕捉，慣性式具有價格比較便宜，準(zhǔn)備工作簡單、對場地要求較低，不存在遮擋問題，操作更方便，擁有完全實時的數(shù)據(jù)計算和回傳機制等諸多優(yōu)點[ 4 ]，更加適合應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)當(dāng)中。

慣性動作捕捉即在運動物體的重要節(jié)點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設(shè)備，傳感器設(shè)備捕捉目標(biāo)物體的運動數(shù)據(jù)，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理設(shè)備中，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正、處理后，反饋給已生成的虛擬三維環(huán)境，使環(huán)境做出相應(yīng)的改變，從而產(chǎn)生如同真實環(huán)境的感受和體驗。

三、VR慣性動作捕捉技術(shù)對高職船舶建造專業(yè)實訓(xùn)的意義

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建接近真實船舶生產(chǎn)的情境，應(yīng)用動作捕捉技術(shù)讓學(xué)生與該空間建立深度互動，完成船舶三維設(shè)計、船舶構(gòu)件加工、部件、分段、總段建造、船臺搭載、管系安裝場景搭建等，實現(xiàn)課堂教學(xué)真實化，教學(xué)內(nèi)容與實際崗位高度對接，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，破解傳統(tǒng)船舶專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的困局，促進專業(yè)教學(xué)目標(biāo)的達成，明顯提高教學(xué)效果。

（一）應(yīng)用VR慣性動作捕捉技術(shù)突破船舶專業(yè)實訓(xùn)困境

高職院校船舶工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生核心課程包括：船舶結(jié)構(gòu)裝配、船舶放樣、手工電弧焊、CAD/CAM操作等課程。傳統(tǒng)的教學(xué)中，普遍存在三方面問題：

其一，傳統(tǒng)以講授為主的教學(xué)方式，學(xué)生很少會去考慮實際問題并想辦法去解決，致使學(xué)生的實際動手能力和對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力比較薄弱；

其二，傳統(tǒng)實訓(xùn)，由于參與人數(shù)較多，且造船生產(chǎn)需要多工種參與配合，時常由于到實訓(xùn)條件的限制，而無法開設(shè)一些必要的實訓(xùn)項目；

其三，造船屬于重工業(yè)，建造需要大型的加工、起重等設(shè)備，既需要專業(yè)的操作人員又存在諸多安全隱患，所以雖然開設(shè)了手工電弧焊實訓(xùn)，但由于條件限制學(xué)生無法進行船體結(jié)構(gòu)方面的焊接實訓(xùn)，而對于船體結(jié)構(gòu)的裝配焊接的認(rèn)知還只能停留在理論知識和紙質(zhì)模型的層面上。

通過計算機軟件構(gòu)建三維動畫虛擬設(shè)計、虛擬船體結(jié)構(gòu)裝配實訓(xùn)情境，結(jié)合慣性動作技術(shù)，學(xué)生能夠在虛擬的環(huán)境下選擇的裝配焊接工具，由于是在虛擬的環(huán)境下，設(shè)備的種類非常多，而即使選擇不合理，操作不規(guī)范，也不會發(fā)生危險，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生所選擇的工藝方法甚至是操作動作做出合理的反饋，真正做到身臨其境，沉浸于學(xué)習(xí)當(dāng)中，達到人人參與、 人人動手的目標(biāo)和事半功倍的效果，突破傳統(tǒng)教學(xué)的困境。

（二）借助VR動作捕捉技術(shù)營造良性實訓(xùn)互動。

VR慣性動作捕捉技術(shù)不同于虛擬仿真軟件，學(xué)生僅僅通過鍵盤和鼠標(biāo)進行操作船舶建造，與真實的生產(chǎn)情境相去甚遠，學(xué)習(xí)熱情不高。VR慣性動作捕捉技術(shù)不僅能夠通過VR眼鏡讓學(xué)習(xí)者進入一個更加真實的三維虛擬環(huán)境，注意力較集中，而且可以通過慣性動作系統(tǒng)與虛擬環(huán)境建立良好的互動關(guān)系，大大增加參與者的存在感，使模擬環(huán)境達到以假亂真的程度。

例如船舶結(jié)構(gòu)裝配實訓(xùn)課程，在虛擬空間里，學(xué)生可以從數(shù)據(jù)庫中選擇各種規(guī)格的船體構(gòu)件，并通過揮舞安裝在手臂的感應(yīng)器對船體結(jié)構(gòu)進行選擇、旋轉(zhuǎn)、移動等操作，甚至可以通過移動腳步實現(xiàn)在自己建造的船體結(jié)構(gòu)中漫游，查看自己的產(chǎn)品，盡情發(fā)揮自己想象力，大膽實踐。

（三）通過VR動作捕捉技術(shù)建立即時的實訓(xùn)反饋

相對于光學(xué)式動作捕捉，慣性式動作捕捉不僅造價便宜很多，而且不會存在遮擋性的問題。這就使得學(xué)生以組為單位，對一個項目進行合理分工，共同完成教學(xué)任務(wù)成為可能。同時，慣性捕捉系統(tǒng)所得到的學(xué)生的動作數(shù)據(jù)信息幾乎的即時的，學(xué)習(xí)小組之間的成員可以即時的得到對方的操作信息進行即時的配合協(xié)調(diào)，教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的操作是否正確進行即時的評估，糾正錯誤，而授課教師也可通過系統(tǒng)即時的與學(xué)生進行交流指導(dǎo)。因此在教學(xué)過程中不單單對學(xué)生的操作能力進行培養(yǎng)，還包括根據(jù)不同環(huán)境收集及處理信息的能力、與其他人通力合作解決問題的能力、創(chuàng)新能力等，有利于學(xué)生各方面能力的全面發(fā)展。

近年來，基于光學(xué)式的動作捕捉技術(shù)由于其高昂的成本及復(fù)雜的操作技術(shù)使得其目前還僅限于影視制作方面的應(yīng)用，但諸如《權(quán)利的游戲》這種熱門電視劇已采用慣性動作捕捉技術(shù)，足見慣性動捕技術(shù)有著不可估量的巨大潛力，相對于光學(xué)動作捕捉，慣性動作捕捉以其相對低廉的造價，更好的適用性，讓其作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的利器，進入高職院校教學(xué)成為可能，對提高教學(xué)效果、讓教學(xué)過程更加的生動形象、互動性更強，反饋更加及時，培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和職業(yè)能力的人才產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻：

[1] 李金國，楊林生，李云貴.虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高職模具實訓(xùn)教學(xué)的有效性研究[J].職教論壇，2010（3）：70-71

[2] 陳浩磊，鄒湘軍，陳燕（1），陳燕（2），劉天湖.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J].科技論文在線2011（01）.

[3] 尹釗.動作捕捉在影視作品中的應(yīng)用[J].影視制作，2010（11）.

[4] 李曉丹，肖明，曾莉.人體動作捕捉技術(shù)綜述以及一種新的動作捕捉方案陳述[J].中國西部科技，2011（15）.

作者簡介：

穆璟寶（1987-），男，漢族，遼寧大連人，本科，助教，研究方向：造船工程技術(shù)。