李磊

摘要：近些年來虛擬現實技術在國內日益受到重視，并已在航空航天、軍事、工業(yè)、醫(yī)學、教育培訓、娛樂等諸多領域得到了應用。在工程技能培訓領域，隨著計算機技術和仿真技術的發(fā)展，以及教學培訓新理念和新方法研究成果的取得。如何采用先進的仿真技術，利用VR技術使工程技能培訓的效果得到改善，成為一項頗具學術意義和應用前景的研究課題。同時，也為工程技能培訓開辟了新的天地。本文總結了采用VR技術培訓的優(yōu)點和筆者在開發(fā)VR培訓軟件過程中的經驗。

關鍵詞：VR技術；培訓；應用

1、VR技術的特點

VR技術的全稱是虛擬現實技術（Virtual Realit）[1]，是由多種新技術相結合而成。它可以創(chuàng)建一種由計算機生成的虛擬世界，模擬出人類的感官功能，比如視覺、聽覺、觸覺等等。讓人在虛擬世界中運用語言、動作等現實中的交互方式與虛擬世界進行實時的互動，并在這種環(huán)境下體驗仿照現實甚至超越現實狀況的事和物。目前的VR技術通常采用頭戴式顯示器，為用戶提供虛擬世界的的視覺感知。通過使用手持控制器的方式完成與虛擬世界的交互。虛擬內容的提供者可以通過實際需要定制所需的虛擬現實環(huán)境。因此，利用VR技術構建的虛擬世界特別適合技能培訓的應用。

2、基于VR技術培訓的優(yōu)點

培訓對提高安全生產的意識，降低事故風險、強化人員施工技能，提高工程質量有著重要的意義。隨著互聯(lián)網技術的進步，虛擬現實技術等新一代的交互方式的出現，為探索培訓方式打開了新的大門。通傳統(tǒng)培訓方式與虛擬現實技術進行有機結合，實現從書本紙張文字加講授，到聲音視頻結合的多媒體教學，再到虛擬現實培訓的跨越，為傳統(tǒng)培訓痛點提供了一個綜合型解決方案。作為新的科技創(chuàng)新驅動模式，虛擬現實培訓將極大地提升企業(yè)培訓領域的科技創(chuàng)新水平，實現培訓的程序化、標準化與規(guī)范化。提高培訓管理效率、節(jié)約培訓成本、降低安全風險，提高工程質量。區(qū)別于傳統(tǒng)的培訓模式，結合了虛擬現實技術的培訓方式有以下幾大優(yōu)勢：

1.多角度

不同于傳統(tǒng)培訓受訓者觀看方式受制于拍攝方式、角度，采用VR技術的培訓內容采用三維實時動畫演示的方式制作，受訓者本身就相當于“攝像機”，可以自主的在培訓場景中移動，從不同視角觀察，學習培訓內容，受訓者可以多方位、多角度的學習培訓內容。同時，可預置多條“虛擬攝像機”軌道，培訓組織者可以根據需要，靈活切換，從而多角度的講解培訓內容，解決了傳統(tǒng)培訓方式視角單一的問題。

2.易更新

由于新技術、新工藝和新標準的不斷變化，對培訓內容的更新提出了挑戰(zhàn)。VR技術的培訓內容采用三維模型制作，因此有著靈活修改的特性，當知識更新時，原有制作完成培訓內容中的大部分諸如場景、三維模型、虛擬物體、虛擬人物等可直接重用，從而大幅降低內容更新的難度，提高內容更新效率。

3.高仿真

虛擬培訓環(huán)境是建立在現實工作環(huán)境的基礎上的。操作規(guī)則也是基于實際操作規(guī)范，理想的虛擬環(huán)境甚至會使學員難以區(qū)分真假。虛擬培訓環(huán)境的高仿真和雙向互動，提高了培訓的趣味性，激發(fā)了員工參與培訓的熱情，尤為年輕員工所歡迎。

4.低風險

地鐵相關領域中一些重要或高危工作，如土方開挖、起重吊裝、接觸網系統(tǒng)等作業(yè)過程往往伴隨著風險，帶領新員工進行現場實戰(zhàn)，稍有不慎便可能造成生命和財產的損失。VR技術的使用可以有效地規(guī)避這些風險。受訓者可以充分地進行演練，從而迅速提高他們的技能水平。

5.低成本

相較于傳統(tǒng)培訓方式，本培訓系統(tǒng)內容制作采用三維實時動畫制作，一次制作，多次利用，有效解決了傳統(tǒng)培訓內容制作周期長，設備材料成本高等缺點。

6.易組織

VR技術的運用，使培訓不再受制于場地限制，經過簡單布置，學員可以在任何環(huán)境下進行集中練習，并迅速獲得培訓結果。亦可利用其個人碎片時間，多次重復練習，這大大增加了學習時間。

3、基于VR技術培訓的實現

3.1主要應用工具和設備

1.3d Max：3d Max是一個基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，本方案的設備、材料、工具模型均采用3d Max繪制。

2.Unity引擎：Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。

3.C#語言：本方案的交互動作及控制均采用C#語言編制。

4.HTC Vive設備：本方案采用成熟的HTC Vive作為交互設備。

3.2VR培訓案例開發(fā)經驗

在VR培訓案例的開發(fā)過程中，采用了理論論證和實際運行測試相結合的方法，不斷優(yōu)化開發(fā)方案，確定了合理的開發(fā)步驟和方法，積累了一下經驗：

1.物體排布

當用戶觀察到場景中的物體時，如果各物體與用戶之間的距離不同，則需要經常調整瞳距，容易產生視覺疲勞。經測試，物體排布距離較為理想的是以用戶為中心，距離用戶在3-10米的區(qū)域內。所以VR培訓案例中物體排布采用以用戶為圓心，盡量圍繞用戶進行排布，并且排布的層次控制在3至4層內以梯次為顯示重點，減少用戶調整瞳距的頻率。

2.暈眩回憶

與現實世界相似，在場景中看到與實際生活中易引起暈眩的虛擬場景，也會引起暈眩。因此，在開發(fā)過程中，應特別避免例如螺旋狀和棋盤狀的出現。此外，過于復雜的貼圖更容易引起眩暈，所以在場景制作中，各三維模型的貼圖應注意避免過于復雜。

3.優(yōu)化模型頂點數

對一個三維模型來說，其頂點數量決定了模型的精細程度，增加頂點數量可以得到更精確的模型。但在項目運行時，CPU會對場景中的所有的頂點位置數據進行計算，然后通知GPU對頂點進行裝配渲染得到一副圖像，最后輸出到顯示設備，此過程不斷進行，每秒輸出的圖像數量成為FPS，而穩(wěn)定的、較高的FPS又決定了畫面的流暢程度。所以太多的頂點可能會導致幀數下降造成畫面卡頓，直接導致暈眩。

所以在VR培訓案例的開發(fā)中需要對場景中出現的三維模型進行優(yōu)化，通過對三維模型的頂點進行整合、重布、刪除非必要面與非可見面、貼圖繪制、Shader編輯等手段降低模型頂點。以本項目中所使用三維模型為例，其原始高精度三維模型頂點數為580萬個，無法直接應用，經過優(yōu)化后為316萬個，同時依然保持了較好的視覺效果。

4. 攝像機控制

眩暈的原因之一是用戶身體獲得的運動信息和從眼睛獲得的信息不一致。在VR培訓過程中用戶使用的顯示設備可以看作攝像機，攝像機隨用戶一起移動以確定用戶看到的圖像，攝像機是否與用戶的運動完全協(xié)調，決定用戶在觀察事物時是否眩暈，因此理想的成像效果是相機與人運動完全同步。

同時為了增加真實感，又要盡量模擬真實的效果。例如現時生活中，人乘坐在汽車上，隨著汽車顛簸，看到的各種景像也應跟著晃動。如果在模擬環(huán)境中駕駛汽車是否模擬顛簸效果，則答案卻是否定的。通過我們對汽車的模擬測試，我們發(fā)現，眩暈感改除了來源于畫面不流暢，還來源于人體與眼睛對運動感受的不統(tǒng)一，在模擬乘車的測試中，共有三名開發(fā)者參與測試，測試中共有兩名開發(fā)者出現眩暈感。在測試過程中，參與測試的人靜止不動，但攝像機的運動會造成人的視覺、身體感知和視覺感知沖突的虛假圖像，從而導致人腦接收信息不一致，從而造成眩暈感。根據此項實驗得出以下結論：首先，對于用戶體驗來說，降低眩暈感是第一需求，真實感是第二位。其次，根據暈眩的原因，以模擬車輛試驗為例，如果體驗者不移動，則攝像機應盡可能保持靜止，以保持畫面與運動同步。

因此VR培訓案例的開發(fā)中，通過以下幾種方式控制攝像機運動：第一，在小范圍移動中，由用戶自主控制，例如，控制攝像機隨用戶頭部運動同步進行旋轉、俯仰、側傾，同時控制攝像機隨用戶自主移動而移動。第二，在大范圍移動中使用“瞬間移動”的方式來進行位移，這種方法的優(yōu)點是位置變化幾乎瞬間完成，讓大腦理解為是外部環(huán)境正在改變，并且沒有運動，從而降低眩暈感。第三，通過盡量使用封閉空間的方式，為用戶提供明確的靜態(tài)參照物，使用戶能明確感知自身位置。

4、結語

借助在VR技術的幫助下，學員具有正常的視覺、聽覺、觸覺、力覺和運動知覺，并對學員的行為動作進行采集和處理，并及時做出相應的反應和反饋?；赩R技術的培訓案例打破了傳統(tǒng)的培訓模式，增強了培訓的吸引力，激發(fā)了學員學習技術的積極性和積極性，避免了傳統(tǒng)培訓所造成的物料浪費大大降低了培訓的難度。結合VR技術培訓，流程更加直觀，避免了施工中容易忽視的問題?？捎行У靥岣吡思夹g人員的實操能力。

參考文獻

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（作者單位：中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司）