徐 召, 胡 寧, 李 昂, 董璐璽, 郭 爽, 許宏山

(1. 南開(kāi)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備處, 天津 300071； 2. 南開(kāi)大學(xué) 藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300071)

大型儀器設(shè)備是高校教學(xué)、科研的重要條件和基本手段,是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的有力保障,在一定程度上能夠體現(xiàn)學(xué)校的辦學(xué)能力和科研環(huán)境[1-2]。大型儀器設(shè)備的開(kāi)放共享不僅可以提高資源的使用效益和效率,而且可以增進(jìn)學(xué)術(shù)交流和學(xué)科交叉、推進(jìn)科學(xué)方法與技術(shù)的創(chuàng)新。但是,大型儀器設(shè)備開(kāi)放共享的前提條件是使用者能夠正確地操作儀器,因而需要為使用者提供專(zhuān)業(yè)、便捷的培訓(xùn)[3-4]。南開(kāi)大學(xué)通過(guò)對(duì)大型儀器管理和使用過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理和分析,提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到大型儀器的操作培訓(xùn)環(huán)節(jié),并實(shí)際應(yīng)用于小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的操作培訓(xùn),取得了較好的培訓(xùn)效果。

1 大型儀器設(shè)備操作培訓(xùn)中的問(wèn)題及分析

南開(kāi)大學(xué)在大型儀器平臺(tái)的運(yùn)行管理中,非常重視針對(duì)學(xué)生的大型儀器操作培訓(xùn)。學(xué)生通過(guò)教師的培訓(xùn)指導(dǎo)和一系列嚴(yán)格考核后,方可獲得大型儀器設(shè)備的獨(dú)立操作資格[5]。大型儀器培訓(xùn)不僅能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,而且有利于減輕儀器管理員工作壓力,使傳統(tǒng)一人一機(jī)管理模式變?yōu)橐蝗硕鄼C(jī)的管理模式,節(jié)省了人力成本。對(duì)大型儀器而言,培訓(xùn)和操作權(quán)限的下放還能大大提高儀器的使用率,培訓(xùn)用戶較多的儀器設(shè)備甚至需要24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

在大型儀器設(shè)備平臺(tái)運(yùn)行管理和維護(hù)的實(shí)踐中,儀器設(shè)備管理員對(duì)用戶的使用培訓(xùn)環(huán)節(jié)尚存在一些問(wèn)題,不利于大型儀器設(shè)備的操作培訓(xùn)工作。其原因有以下幾點(diǎn):

(1) 傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式(一對(duì)一/一對(duì)多,含講解與上機(jī))效率不高,操作練習(xí)次數(shù)有限,學(xué)生掌握的程度也不同,即使經(jīng)過(guò)完整的培訓(xùn),仍會(huì)有學(xué)生出現(xiàn)誤操作的情況；而對(duì)于故障率較高的儀器,輕微的誤操作也可能導(dǎo)致儀器設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞；

(2) 部分儀器維修成本高,用戶、學(xué)校與廠家的責(zé)任認(rèn)定不明確,并因此出現(xiàn)維保糾紛；

(3) 使用率很高的儀器設(shè)備幾乎無(wú)法劃分特定機(jī)時(shí)用于集體或個(gè)人培訓(xùn)活動(dòng),而該類(lèi)大型儀器設(shè)備一旦出現(xiàn)故障,將對(duì)教學(xué)和科研活動(dòng)產(chǎn)生很大影響。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大型儀器培訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展起來(lái)的[6]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有3個(gè)典型的特征:一是沉浸感,用戶可以沉浸于計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境中；二是交互性,用戶可以通過(guò)VR交互設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互,得到近似真實(shí)的交互體驗(yàn)；三是構(gòu)想性,用戶可以在虛擬環(huán)境中構(gòu)想虛擬的實(shí)驗(yàn)過(guò)程[7-9]。

基于以上特征,VR技術(shù)為大型儀器操作培訓(xùn)提供了一種全新的模式。通過(guò)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,在虛擬環(huán)境中構(gòu)建虛擬的儀器設(shè)備,借助虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、手柄及數(shù)據(jù)手套等硬件設(shè)備,學(xué)生很容易了解大型儀器設(shè)備的各個(gè)部件,根據(jù)實(shí)際的流程規(guī)范進(jìn)行操作,并且不再受限于固定的地點(diǎn)和固定的機(jī)時(shí)時(shí)段。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以在虛擬場(chǎng)景中模擬上機(jī)操作所發(fā)生的故障情景,真實(shí)地呈現(xiàn)誤操作的后果以及常見(jiàn)故障的現(xiàn)象,指導(dǎo)學(xué)生掌握正確的儀器操作方法,有針對(duì)性地訓(xùn)練學(xué)生的應(yīng)變能力與儀器故障處理技能。

此外,在虛擬環(huán)境下進(jìn)行大型儀器設(shè)備操作培訓(xùn),既不占用大型儀器的機(jī)時(shí),也能夠充分保障學(xué)生的安全,并且從根本上消除了培訓(xùn)過(guò)程中因操作不當(dāng)損壞儀器設(shè)備的隱患,從而避免大型儀器設(shè)備操作培訓(xùn)對(duì)正常教學(xué)和科研活動(dòng)的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與大型儀器培訓(xùn)結(jié)合的重點(diǎn)是突破傳統(tǒng)培訓(xùn)模式,將傳統(tǒng)培訓(xùn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題作為關(guān)切點(diǎn),以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力為出發(fā)點(diǎn),利用虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)模式,為學(xué)生在科學(xué)研究中熟練使用大型儀器設(shè)備提供幫助[10]。

3 小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)主要是應(yīng)用可見(jiàn)光方法,對(duì)用于活體狀態(tài)下的生物過(guò)程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究[11],能夠滿足不同領(lǐng)域的研究需求。通過(guò)對(duì)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型儀器培訓(xùn)情況的充分調(diào)研,選取操作步驟清晰、培訓(xùn)需求較多的小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)作為對(duì)象,結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)的操作培訓(xùn),首先要根據(jù)培訓(xùn)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟,然后分析和記錄實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中用到的設(shè)備模型和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,并進(jìn)行等比例建模,最后將這些模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái),通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操作。培訓(xùn)系統(tǒng)包含學(xué)習(xí)模式、培訓(xùn)模式和考核模式,用戶可以在不同的模式下完成不同的培訓(xùn)任務(wù)。在考核模式下,系統(tǒng)將通過(guò)學(xué)校信息門(mén)戶驗(yàn)證用戶信息,根據(jù)用戶完成操作的情況和分?jǐn)?shù)設(shè)置規(guī)則給出用戶的培訓(xùn)成績(jī)[12]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 小動(dòng)物活體成像虛擬培訓(xùn)框架設(shè)計(jì)

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與制作

系統(tǒng)建模工作主要包括大型儀器設(shè)備建模和虛擬環(huán)境建模兩方面的內(nèi)容。采用3ds Max和Maya作為建模工具,創(chuàng)建小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)主要的設(shè)備模型和環(huán)境模型；設(shè)備及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)交換格式采用FBX[13-14]。所建立的模型有以下技術(shù)要求:

(1) 模型比例為1∶1,保證VR設(shè)備中的場(chǎng)景內(nèi)容符合使用者的視覺(jué)比例；

(2) 濾光片直徑精度≤0.2 cm,場(chǎng)景模型分層校對(duì),能在虛擬場(chǎng)景中分層拆解；

(3) 設(shè)備貼圖紋理為PNG格式,紋理長(zhǎng)、寬為2n像素值。

3.2.2 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)采用Unity3D作為開(kāi)發(fā)引擎。作為跨平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)引擎，Unity3D能充分、實(shí)時(shí)地處理大量的三維模型,保證學(xué)生在培訓(xùn)過(guò)程中的良好體驗(yàn)，并能有效避免眩暈。

基于Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的組合與切換,通過(guò)程序腳本控制場(chǎng)景之間的跳轉(zhuǎn)和場(chǎng)景中對(duì)象的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。通過(guò)碰撞檢測(cè)算法實(shí)時(shí)響應(yīng)場(chǎng)景中模型的碰撞,實(shí)現(xiàn)物理仿真過(guò)程。借助虛擬顯示頭盔及手柄,可以在虛擬場(chǎng)景中模擬打開(kāi)暗室門(mén),進(jìn)行取下發(fā)射光濾光片輪盤(pán)、取出濾光片槽和安裝輪盤(pán)等操作。通過(guò)腳本編程和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算和存儲(chǔ)學(xué)生的培訓(xùn)成績(jī)[15]。成績(jī)合格的學(xué)生可以正常上機(jī)操作,而成績(jī)不合格的學(xué)生可以重新參加培訓(xùn)。系統(tǒng)培訓(xùn)的主要實(shí)驗(yàn)步驟如圖2所示。

圖2 虛擬培訓(xùn)操作過(guò)程

3.2.3 系統(tǒng)操作

系統(tǒng)采用HTC Vive虛擬顯示設(shè)備和一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)(顯卡支持1080P)作為運(yùn)行主機(jī)。參訓(xùn)學(xué)生通過(guò)HTC手柄作為人機(jī)交互工具,使用頭戴式HTC頭盔沉浸于虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,在激光定位器的識(shí)別范圍內(nèi)(5 m×5 m)進(jìn)行儀器設(shè)備培訓(xùn)操作。具體操作示意如圖3所示。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)操作示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的小動(dòng)物活體成像操作培訓(xùn)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大型儀器培訓(xùn)中的成功應(yīng)用,是新技術(shù)與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的結(jié)合。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)培訓(xùn)過(guò)程實(shí)際操作步驟的仿真,突破了傳統(tǒng)培訓(xùn)受到的時(shí)間和空間限制,緩解了培訓(xùn)工作的壓力。通過(guò)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng),可以讓學(xué)生更方便地了解大型儀器、學(xué)習(xí)儀器操作使用方法,培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立上機(jī)操作的能力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)方式也為其他大型儀器的培訓(xùn)工作提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。