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慣性動作捕捉技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用的探究

2017-05-30 03:52:29穆璟寶
科技風(fēng) 2017年5期
關(guān)鍵詞:實訓(xùn)教學(xué)高職教育虛擬現(xiàn)實

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)。

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