基于VR技術(shù)的湘瓷工藝仿真系統設計與實(shí)現*

*基金項目：2020年度湖南省教育廳一般資助科學(xué)研究項目“基于VR技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統設計與開(kāi)發(fā)”（20C0873）

作者簡(jiǎn)介：康美林（1985—）,男，湖南衡東人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院教師，研究方向為系統架構設計、虛擬現實(shí)技術(shù)。

鄧卉（1981—），通訊作者，女，湖南長(cháng)沙人，碩士，湖南科技職業(yè)學(xué)院軟件學(xué)院講師，研究方向為虛擬現實(shí)技術(shù)、藝術(shù)設計、職業(yè)教育。

0   引言

近幾年，湖南陶瓷產(chǎn)業(yè)人才供給不足，影響了市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程^[1]，需要湘瓷設計與制作專(zhuān)業(yè)在人才培養過(guò)程中能夠為湘瓷創(chuàng )新做出貢獻。雖然湖南省陶瓷設計與制作專(zhuān)業(yè)在教學(xué)實(shí)踐中使用了3ds MAX、Maya軟件、陶瓷體驗軟件等計算機輔助技術(shù)，但是存在真實(shí)感不強，缺乏交互操作，同時(shí)受制于嚴苛的制作環(huán)境和設備條件，在湘瓷拉坯過(guò)程中，學(xué)生們無(wú)法對泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，在陶瓷燒制階段，也不易看到燒制時(shí)的釉色變化，難以判斷陶瓷的燒制狀況^[2]。因此，亟待設計和實(shí)現一個(gè)基于VR 技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統，不僅能夠在實(shí)訓過(guò)程中模擬現實(shí)交互操作，而且能夠提升交互感和實(shí)訓效率。

1   相關(guān)工作

在20 世紀80 年代，美國人拉尼爾指出虛擬現實(shí)技術(shù)包含計算機硬件技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、人工智能和傳感器等技術(shù)的最新研究成果^[3]。虛擬現實(shí)技術(shù)具有感知性、交互性、沉浸式的特點(diǎn)^[4-5]，VR 頭戴式顯示系統增強了視覺(jué)空間，有利于提高學(xué)生接受教育知識^[6]，基于虛擬現實(shí)技術(shù)應用的教學(xué)發(fā)展越來(lái)越多^[7]。文獻[8] 提出基于Unity 3D 平臺的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和利用Web3D 技術(shù)結合數據庫技術(shù)實(shí)現了陶瓷產(chǎn)品的三維虛擬展示系統。

目前，國內外運用VR 技術(shù)實(shí)現陶瓷工藝數字化已取得相當數量的成果，但構建基于VR 技術(shù)的陶瓷工藝仿真實(shí)訓系統還是一個(gè)空白。本文提出在陶瓷專(zhuān)業(yè)實(shí)訓教學(xué)中，通過(guò)構建一套基于虛擬現實(shí)技術(shù)的湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統，在教學(xué)實(shí)訓過(guò)程模擬傳統湘瓷工藝嚴苛的物理環(huán)境，提高學(xué)生交互操作的真實(shí)感，提升實(shí)訓教學(xué)的效率，幫助湘瓷設計與制作專(zhuān)業(yè)更好地培養人才。

在湘瓷工藝仿真系統設計與實(shí)現中，選擇Autodesk 3dsMAX、Unity 3D 和VR 設備一體機PICO 為研究工具。Autodesk 3ds MAX 是美國Autodesk 公司開(kāi)發(fā)的一款基于矢量技術(shù)的三維設計軟件，不僅可以制作出逼真的三維模型和動(dòng)畫(huà)，而且在三維可視化動(dòng)畫(huà)和多媒體游戲等領(lǐng)域應用廣泛。

Unity 3D 簡(jiǎn)稱(chēng)U3D，由Unity 公司創(chuàng )建的一個(gè)實(shí)時(shí)3D 互動(dòng)平臺，U3D 提供了一套相對完備的解決方案，可以讓開(kāi)發(fā)者在Unity3D 平臺上輕松的構建各種AR 和VR 作品，同時(shí)，U3D 項目支持跨平臺一鍵部署到游戲主機、PC、手機端、各種虛擬現實(shí)設備^[9-10]。近幾年，VR 硬件逐漸向小型化和移動(dòng)化發(fā)展^[11]，VR 一體機PICO 通過(guò)手柄和頭顯能夠實(shí)現六自由度（6DOF）跟蹤，VR 技術(shù)的發(fā)展為學(xué)生提供了更為高度仿真的學(xué)習互動(dòng)環(huán)境^[12-14]。

2   系統設計

2.1 功能分析

湘瓷工藝仿真系統的主要有六大功能：登錄功能、場(chǎng)景展示、漫游功能、湘瓷拉坯、陶瓷燒制、學(xué)情分析。

2.1.1 登錄功能。學(xué)生輸入自己正確的賬號和密碼進(jìn)行校驗，通過(guò)校驗功能驗證后可以登錄仿真系統，登錄成功后系統會(huì )緩存用戶(hù)信息，在實(shí)訓操作過(guò)程中會(huì )可以記錄學(xué)生的學(xué)習操作情況；

2.1.2 場(chǎng)景展示。當佩戴VR 設備登錄成功后，學(xué)生可以感受到真實(shí)的陶瓷制作環(huán)境，處于身臨其境的感覺(jué)；

2.1.3 漫游功能。學(xué)生可以通過(guò)控制VR 設備手柄實(shí)現在虛擬窯爐環(huán)境中隨意移動(dòng)、旋轉和漫游功能，可以沒(méi)有限制地全角度觀(guān)察陶瓷產(chǎn)品；

2.1.4 湘瓷拉坯。學(xué)生利用自身的手部運動(dòng)交互操作模擬對泥料進(jìn)行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，實(shí)時(shí)修改陶瓷制作形狀。

2.1.5 陶瓷燒制。通過(guò)VR設備手柄交互式操作控制溫度，可以模擬溫度的升降，觀(guān)察溫度條變化值；可以觀(guān)察陶瓷燒制過(guò)程中釉料成色的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化，用相關(guān)參數值控制窯爐內所燒制的陶瓷產(chǎn)品，準確把握陶瓷生產(chǎn)和研發(fā)中的各類(lèi)問(wèn)題并作出及時(shí)調整。

2.1.6 學(xué)情分析。通過(guò)采集學(xué)生的實(shí)訓日志操作記錄和課程實(shí)訓成績(jì)記錄，對比分析給實(shí)訓教學(xué)的個(gè)性化數據。

2.2 架構設計

除滿(mǎn)足主要功能需要外，系統設計還需要滿(mǎn)足一些非功能性需求：操作界面的友好性^[15]、系統運行的穩定性^[16]和數據信息的安全性^[17]。針對湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統設計的交互目標如圖1 所示，設計一個(gè)湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統框架，架構整體包含3 層：展示層、服務(wù)接口層、數據持久層。

圖1 湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統架構

展示層使用的技術(shù)棧包含3D 模型文件、Unity3D引擎組件和VR 設備渲染組件等，為場(chǎng)景展示和人機交互提供多維態(tài)圖形展示；服務(wù)層包含控制層（Controller）、服務(wù)層（Service）和數據持久層，控制層提供Rest 服務(wù)接口，展示層可以調用控制層的接口服務(wù)，服務(wù)層主要處理業(yè)務(wù)邏輯，控制事務(wù)管理，確保事務(wù)一致性；數據持久層為平臺提供實(shí)體引擎，實(shí)現與數據庫實(shí)體對象進(jìn)行交互。數據層使用SqlServer 數據庫存儲信息信息，存儲用戶(hù)信息、用戶(hù)操作、用戶(hù)成績(jì)；緩存服務(wù)使用Redis 組件，緩存用戶(hù)的登錄信息，系統日志采集使用Logback 組件，記錄用戶(hù)操作日志，進(jìn)而為個(gè)性化分析提供數據。

3   系統實(shí)現

系統選取VR 設備一體機PICO 為展示載體，學(xué)生通過(guò)佩戴和操作VR 設備實(shí)現實(shí)訓過(guò)程的學(xué)習。

3.1 模型設計與制作

通過(guò)調研長(cháng)沙窯的結構，基于數字化方式采集和設計長(cháng)沙窯原型，運用3ds MAX 三維軟件設計制作出三維虛擬窯爐的空間模型。實(shí)地考察主要物體對象的三個(gè)基本視圖：主視圖、俯視圖和左視圖的尺寸，拍照記錄材質(zhì)，利用3ds MAX 三維建模技術(shù)對主要場(chǎng)景對象按尺寸大小比例進(jìn)行建模，利用三維軟件給對象設置材質(zhì)。在系統模型設計中，主要三維模型對象包含窯、瓷器、建筑物、地形、樹(shù)、船等元素。在模型制作過(guò)程中，盡量基于標準幾何物體設計模型。在實(shí)現窯、船這類(lèi)大模型的過(guò)程中，采用多邊形編輯技術(shù)，面數涉及多，將消耗較大的計算機渲染資源，為了降低系統資源開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)又確保模型的精確程度和高保真效果，實(shí)現過(guò)程中合理降低和刪除模型的不可見(jiàn)面數。

為了能夠體現物體對象的真實(shí)色彩和凹凸真實(shí)感，給模型對象設置適量的材質(zhì)貼圖，設置法線(xiàn)體現模型的凹凸真實(shí)感。最后，將3D MAX 制作的模型文件和材質(zhì)貼圖文件一起打包導出放在同一個(gè)目錄文件下，模型文件的擴展名設置為fbx 格式，以便于適應Unity 外部資源格式要求。

3.2 場(chǎng)景制作

本系統采用Unity 2020 版本創(chuàng )建項目和場(chǎng)景，新建的項目需要設置Graphics API，由于PICO 設備不支持Vulkan，僅支持OpenGLES2 和OpenGLES3，因此需選擇合適的多線(xiàn)程渲染模式。

在新建的陶瓷燒制場(chǎng)景中，主要設計3 個(gè)區域：制胚區、燒制區和廢料區。首先需要將模型設計與制作環(huán)節中的fbx 格式外部資源文件夾作為外部資源導入到Unity3D 引擎相應的文件夾中，確保分類(lèi)一致性，然后在場(chǎng)景中拖拽資源對象到場(chǎng)景視圖，在檢視窗口調整地形、建筑物、窯、船、海、樹(shù)等對象的位置、旋轉和大小，完成三個(gè)區域的布局開(kāi)發(fā)，最后給模型調整設置好材質(zhì)貼圖，陶瓷燒制場(chǎng)景如圖2 所示。

圖2 陶瓷燒制場(chǎng)景圖

在場(chǎng)景開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以利用粒子系統模擬火焰效果，設置動(dòng)態(tài)視覺(jué)效果，設置相關(guān)參數進(jìn)行優(yōu)化，也可以利用引擎自身的組件構建場(chǎng)景，比如使用Unity UI 組件中的Image 組件、Text 組件、InputField 組件、Button按鈕等組件，通過(guò)設置組件參數，調整組件的位置，搭建登錄場(chǎng)景。利用動(dòng)態(tài)管理多場(chǎng)景技術(shù)對場(chǎng)景進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，提升場(chǎng)景之間的切換性能和效果。

3.3 交互功能

Unity 框架提供一套API 類(lèi)庫和事件系統，系統的基本信息數據以結構化形式存儲在數據庫中，編寫(xiě)c#腳本實(shí)現調用VR 設備的SDK 接口控制人機交互。用戶(hù)登錄系統時(shí)，用戶(hù)輸入賬號和密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，系統需要通過(guò)監聽(tīng)事件系統獲取到UI 輸入框和交互按鈕的變化事件，再回調函數中擴展功能，通過(guò)編寫(xiě)腳本事件訪(fǎng)問(wèn)數據庫，與數據庫用戶(hù)信息進(jìn)行對比校驗，驗證用戶(hù)是否合法，認證成功，通過(guò)編寫(xiě)場(chǎng)景加載方法切換進(jìn)入主場(chǎng)景，同時(shí)用戶(hù)認證的信息寫(xiě)入緩存系統。在實(shí)現漫游功能時(shí)，給空對象設置角色控制器、剛體組件，添加攝像機組件，通過(guò)編寫(xiě)腳本擴展組件，實(shí)現控制角色控制器的前、后、左、右移動(dòng)功能。針對模擬現實(shí)生活中人物不能穿透建筑物等功能，使用Unity引擎的碰撞組件，給模型對象設置Mesh Colider 等組件就能夠實(shí)現碰撞檢測和觸發(fā)檢測功能。通過(guò)編寫(xiě)腳本組件控制Unity3D 音頻的播放和關(guān)閉、音頻音量的大小變化，為場(chǎng)景增加聲效。

在實(shí)現湘瓷拉坯功能中，基于VR 設備的SDK 編寫(xiě)交互設計，通過(guò)交互腳本獲取VR 設備的動(dòng)作變化實(shí)現對泥料的操作。在陶瓷燒制功能實(shí)現中，交互腳本擴展組件實(shí)現溫度的升高或降低變化，同時(shí)溫度條的紅條數值發(fā)生變化，火焰粒子的大小也跟隨變化，當溫度或時(shí)間達到一定閾值時(shí)，燒制時(shí)的釉色將會(huì )發(fā)生變化，學(xué)生容易判斷陶瓷的燒制狀況。

在實(shí)現學(xué)情分析功能中，學(xué)生的功能操作記錄都通過(guò)編寫(xiě)的框架腳本組件記錄保存寫(xiě)入數據庫表中，實(shí)訓操作成績(jì)寫(xiě)入成績(jì)表中，學(xué)生的日志操作通過(guò)Logback組件記錄到文本文件，通過(guò)結合用戶(hù)信息和操作信息，生成實(shí)訓教學(xué)的提供個(gè)性化報告數據。

3.4 交互優(yōu)化

Unity 提供了動(dòng)態(tài)碰撞檢測、觸發(fā)檢測和射線(xiàn)檢測3種檢查方式，本系統針對三維空間的溫度控制采用射線(xiàn)檢測和碰撞檢測兩種方式先后判斷是否命中目標系統測試，最后在系統實(shí)現中采用優(yōu)化射線(xiàn)檢測的方式，其中假定Origin 是射線(xiàn)的源點(diǎn)，Direct 代表射線(xiàn)的方向，射線(xiàn)可表示為P(t)=Origin + t * Direct，射線(xiàn)碰撞檢測實(shí)現如下：

4   應用分析

將應用部署到VR 設備，學(xué)生們帶上VR 設備一體機實(shí)現人機交互控制的陶瓷燒造工藝流程。本文對原陶瓷體驗軟件和VR 湘瓷工業(yè)仿真系統進(jìn)行對比分析，對班級30 位同學(xué)采用問(wèn)卷調查，統計其對實(shí)訓體驗和時(shí)間效率的滿(mǎn)意度評分，采用百分比值，結果取平均值，評價(jià)結果如表1 所示。

表1 滿(mǎn)意度平均分對比

從表1 可見(jiàn)，學(xué)生們對于湘瓷工業(yè)仿真系統的滿(mǎn)意度明顯高于原陶瓷體驗軟件。

本文另外對湘瓷工業(yè)仿真系統的碰撞檢測與優(yōu)化射線(xiàn)檢查兩種方法在時(shí)間和交互成功次數上進(jìn)行比較，每個(gè)算法選取10 組用戶(hù)，操作交互功能10 次，時(shí)間的結果取平均值，實(shí)驗結果如表2，成功率結果取百分比值，實(shí)驗結果如表2 所示。

表2 交互時(shí)間對比

表3 交互成功率對比

從表2 可見(jiàn)，優(yōu)化射線(xiàn)檢測的交互速度明顯快于碰撞檢測，能夠進(jìn)一步的提高交互效率。從表3 可見(jiàn)，優(yōu)化射線(xiàn)檢測的交互穩定性?xún)?yōu)于碰撞檢測。通過(guò)上述實(shí)驗對比分析，可見(jiàn)本系統優(yōu)于原陶瓷體驗軟件，本系統選擇的優(yōu)化射線(xiàn)檢測優(yōu)化提高了交互效率和質(zhì)量。

5   結束語(yǔ)

本文對湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統的VR技術(shù)進(jìn)行研究，設計一個(gè)湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統架構，對系統進(jìn)行設計與實(shí)現，最后將湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統部署到VR 一體機PICO 設備上。湘瓷工藝仿真實(shí)訓系統模擬了湘瓷工藝嚴苛的物理環(huán)境，具有沉浸感，交互效率高，提高了實(shí)訓教學(xué)的效率。

參考文獻：

[1] 余嵐.淺談湘瓷產(chǎn)品的創(chuàng )新研發(fā)[J].藝術(shù)科技,2016(11):51.

[2] 何東平.VR陶瓷燒造仿真技術(shù)創(chuàng )新探索——論虛擬現實(shí)在傳統鈞瓷非遺燒制技藝中的作用[J].河南科技.2019(22):11-14.

[3] 喻曉和.虛擬現實(shí)技術(shù)基礎教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

[4] 謝晶妮,張茂軍.虛擬現實(shí)發(fā)展趨勢展望[J].Computer Engineer,2002(7):1-2.

[5] 陳璟.虛擬現實(shí)技術(shù)在基礎教育中的應用及對策分析[J].普洱學(xué)院學(xué)報,2020(6):130-132.

[6] CAI S,HE Y,CUI H,et al.Effectiveness of three-dimensional printed and virtual reality models in learning the morphology of craniovertebral junction deformities: a multicentre,randomised controlled study[J].BMJ Open,2020,10(9):e036853.

[7] 趙靜,孟沌超,王其歡,等.基于虛擬現實(shí)的青貯玉米飼料化模擬系統仿真[J].計算機應用,2019,39(S2):211-215.

[8] 朱欣娟,吳雪,李濟,等.個(gè)性化定制產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)及實(shí)現[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2017(6):165-168.

[9] 高全力,陳銘,高嶺,等.基于虛擬現實(shí)技術(shù)的知識樹(shù)系統仿真設計與實(shí)現[J].西安工程大學(xué)學(xué)報,2021(3):93-99.

[10] 伍雙.面向虛擬教育的 VR 內容制作系統的設計與實(shí)現[D].廣州:廣東技術(shù)師范大學(xué),2019.

[11] 趙曉松.基于Untiy3D的可視化虛擬仿真實(shí)驗平臺的設計與開(kāi)發(fā)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2017.

[12] 邵偉,李曄.Unity VR虛擬現實(shí)完全自學(xué)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019.

[13] 孟小冬.大數據背景下鏈路網(wǎng)絡(luò )敏感數據防竊取方法[J].西安工程大學(xué)學(xué)報,2019,33(2):212-217.

[14] 郭巍,武平,蘇穎,等.基于虛擬現實(shí)的實(shí)時(shí)貼圖在環(huán)境修復的研究[J].電子設計工程,2018,26(14):10-13

[15] 劉川.用戶(hù)界面友好與應用程序設計[J].計算機產(chǎn)品與流通,2018(4):136-136.

[16] 張軍.穩定性平臺:系統穩定運行的保障者[J].程序員,2014(1):75-77.

[17] 朱艷龍.移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò )數據信息安全性檢測仿真[J].計算機仿真,2018,35(5):418-421.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）