郭 倩，張 璐，張福楊，劉善德，孫農(nóng)亮

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

在高等教育改革過(guò)程中，學(xué)校逐漸重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)人才培養(yǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已逐步從重實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，向著以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心的個(gè)性化、層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和平臺(tái)的構(gòu)建發(fā)展[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)過(guò)程中具有重要地位和特殊作用[3]。目前本科超快激光實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程只是當(dāng)作理論課程的補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)課時(shí)往往不夠充足，導(dǎo)致學(xué)生并不能很好地掌握超快激光實(shí)驗(yàn)的操作步驟和技能。目前，VR結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠模擬出光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需要的場(chǎng)景，學(xué)生也可以通過(guò)VR來(lái)體驗(yàn)虛擬的視覺環(huán)境效果[4]。將虛擬現(xiàn)實(shí)與超快激光實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不僅可以輔助教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[5]，還可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備費(fèi)用，產(chǎn)生更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，改變枯燥的教學(xué)場(chǎng)景，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)產(chǎn)生重大影響。

1 超快激光實(shí)驗(yàn)的教學(xué)難點(diǎn)

超快激光的出現(xiàn)為人類探索世界提供了嶄新的工具，伴隨其超短脈寬產(chǎn)生的超高峰值功率及超寬頻譜特性在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、光通訊、醫(yī)療及軍事等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。因此，在光電類專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，讓其從實(shí)驗(yàn)中感知超快激光如何產(chǎn)生具有重要的意義。然而，在具體開設(shè)超快激光實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)大量的現(xiàn)實(shí)困難。首先，激光實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)超凈的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；其次，需要半導(dǎo)體激光器、光束耦合系統(tǒng)、激光晶體及多維高精度光學(xué)調(diào)整架等大量的光學(xué)元器件。這些無(wú)疑是需要大量的財(cái)力支撐，保守估計(jì)一套超快激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭設(shè)需要花費(fèi)人民幣20萬(wàn)以上。除此之外，超快激光實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生素質(zhì)要求較高，學(xué)生在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)前，需要有光學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)且對(duì)基本的光學(xué)器件設(shè)計(jì)、光路調(diào)整技巧都有較好的理解和把握。因而，在目前看來(lái)，想讓所有光電類專業(yè)本科生到超凈實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行超快激光實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)可以很好地解決上述問(wèn)題。1)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的超快激光實(shí)驗(yàn)仿真可以大大節(jié)省成本，一次性投入，學(xué)生就可以利用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，從而避免了沒(méi)有經(jīng)過(guò)提前培訓(xùn)的學(xué)生由于操作不當(dāng)?shù)葐?wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生的無(wú)意的損壞，保護(hù)了實(shí)驗(yàn)器材。2)在該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置一些光路調(diào)整提示及報(bào)錯(cuò)引導(dǎo)操作，讓學(xué)生身臨其境學(xué)習(xí)光路及光學(xué)元器件的調(diào)整方法，從而使學(xué)生能夠清楚地明白實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟及做出哪些行為是不對(duì)的。通過(guò)這樣的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在身臨其境的條件下，快速掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)，之后再去進(jìn)行實(shí)物操作，大大減少了實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)的概率，對(duì)學(xué)生及學(xué)校都是有益的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)在超快激光實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)，可以利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成一種模擬仿真環(huán)境，用戶可以通過(guò)傳感設(shè)備進(jìn)行交互，為用戶產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真[6-7]。

VR技術(shù)用于構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境具有以下4個(gè)特點(diǎn)。

1)交互性。即用戶通過(guò)三維交互設(shè)備，如Kinect及Oculus Rift等，直接操控虛擬環(huán)境中的對(duì)象，使得虛擬環(huán)境中的對(duì)象實(shí)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。

2)沉浸感。當(dāng)帶上虛擬頭盔時(shí)，用戶感覺不到自身所處的環(huán)境，完全“融進(jìn)”了虛擬的環(huán)境中。

3)自主性。用戶可以利用三維交互設(shè)備對(duì)虛擬空間中的物體做自主運(yùn)動(dòng)。

4)感知性。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)系統(tǒng)具有視、聽、觸等多種感知信息的能力。

2.2 超快激光實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的超快激光實(shí)驗(yàn)，以UE4虛幻引擎為技術(shù)平臺(tái)，制作儀器模型及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并提供了二維/三維的交互接口，使數(shù)據(jù)手套、鍵盤及VR頭盔等交互設(shè)備可以通過(guò)電腦接口與該實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)相連接，從而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到身臨其境的仿真效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)融合了現(xiàn)實(shí)與虛擬技術(shù)，一些在課堂難以進(jìn)行的光學(xué)實(shí)驗(yàn)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以看到其中的光學(xué)變化。并且，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)并不會(huì)使光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器遭到破壞，節(jié)省了學(xué)校購(gòu)買儀器的費(fèi)用。

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)景及實(shí)驗(yàn)儀器模塊設(shè)計(jì)

UE4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三維建模是一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟。在本文的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，單純地利用虛幻引擎UE4進(jìn)行建模，既省去了從其他建模軟件建模后導(dǎo)出到UE4的復(fù)雜步驟，又可以很好地做到對(duì)各個(gè)儀器的可視化藍(lán)圖編程。

在本文實(shí)驗(yàn)中，操作對(duì)象主要有長(zhǎng)臂鏡架及五軸位移臺(tái)等精密儀器。因此虛擬仿真儀器要求與實(shí)物的外觀和尺寸保持高度一致。

UE4自身強(qiáng)大的模型構(gòu)建及渲染能力，完全可以達(dá)到光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器仿真的要求。如圖1所示，為五軸位移臺(tái)的制作模型。

圖1 五軸位移臺(tái)模型

虛擬仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)包括操作對(duì)象、操作環(huán)境及場(chǎng)景的漫游設(shè)計(jì)等，主要營(yíng)造一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)室條件或氛圍。本文利用UE4模擬出一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，具體包括各種實(shí)驗(yàn)儀器、光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室必備的白板及滅火器等。當(dāng)用戶搭配使用相關(guān)交互設(shè)備時(shí)，極大地增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)效果，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室全景圖2

2.4 多通道人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)交互是實(shí)現(xiàn)用戶與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交換的通路，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心之一[6]。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互使用鍵盤、二自由度的鼠標(biāo)，而隨著人工智能、模式識(shí)別及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的飛速發(fā)展，研究新型的、自然的、符合人的交流習(xí)慣的交互方式成為近幾年的研究熱點(diǎn)，如人體姿勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別及手勢(shì)識(shí)別等[8]。由于手勢(shì)識(shí)別是自然交互中的一種非常重要的交互方式，這種方式是非接觸性的、自然的，因此基于手勢(shì)識(shí)別的交互方式是未來(lái)人機(jī)交互的發(fā)展趨勢(shì)[9]。

本文提供了二維/三維交互接口。一種是傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤交互。另一種是利用數(shù)據(jù)手套、深度相機(jī)Kinect[10]、Leap Motion及虛擬頭盔[11]等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互。如圖3所示，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互框架。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互框架

通過(guò)在虛擬實(shí)驗(yàn)室空間中加入虛擬手，利用磁定位傳感器精確地定位出真實(shí)手在三維空間中的位置，并與虛擬手關(guān)節(jié)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，便可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取。用戶可通過(guò)Kinect等三維交互工具，利用手勢(shì)識(shí)別(真實(shí)手張開動(dòng)作代表“觸碰”，真實(shí)手閉合/握拳動(dòng)作代表“抓取”)操作虛擬手。本實(shí)驗(yàn)將虛擬手和虛擬儀器之間加入碰撞響應(yīng)功能，即當(dāng)虛擬手“抓取”到虛擬儀器的某個(gè)部位時(shí)，虛擬儀器會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。如圖4所示，當(dāng)虛擬手“抓取”到五軸位移臺(tái)的橫滾軸時(shí)，手向上運(yùn)動(dòng)代表將橫滾軸向前翻滾，手向下運(yùn)動(dòng)代表將橫滾軸向后翻滾，如圖4所示。

圖4 虛擬手與儀器交互

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入一項(xiàng)檢測(cè)功能。當(dāng)用虛擬手“觸碰”LD泵浦儀的按鈕，觸發(fā)一束激光，若激光準(zhǔn)確的穿過(guò)腔鏡(凹凸鏡)中心時(shí)，激光會(huì)透過(guò)腔鏡，如果沒(méi)有透過(guò)凹凸腔鏡的中心，則激光不會(huì)穿過(guò)腔鏡，被腔鏡“擋住”，虛擬仿真界面就會(huì)出現(xiàn)“Ajustment Error!”，直到激光準(zhǔn)確地穿過(guò)腔鏡中心，警告才會(huì)消失，如圖5所示。

圖5 激光觸碰儀器

由于本實(shí)驗(yàn)中的不同腔鏡有不同的功能，在制作腔鏡時(shí)，分別給不同的腔鏡添加不同的標(biāo)簽，以觸發(fā)不同的效果來(lái)進(jìn)行光路模擬。當(dāng)激光打在不同性質(zhì)的腔鏡上時(shí)，偏光角將實(shí)時(shí)變化[12]。

最后將Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔連接到此UE4實(shí)驗(yàn)工程中，獲取用戶頭部的旋轉(zhuǎn)方向信息，并反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再將刷新后的畫面實(shí)時(shí)反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。

2.5 用戶界面模塊設(shè)計(jì)

三維用戶界面是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互最主要的界面形式，三維交互任務(wù)在三維用戶界面設(shè)計(jì)中處于核心地位[6]。UE4為用戶提供了強(qiáng)大的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，利用Widget Blueprint，在 eventgraph中使用藍(lán)圖可視化腳本進(jìn)行編寫，設(shè)計(jì)出仿真實(shí)驗(yàn)的主界面、實(shí)驗(yàn)步驟界面、運(yùn)行界面及仿真模型交互界面。其中的仿真模型交互界面即為當(dāng)虛擬手“觸碰”虛擬儀器或用鼠標(biāo)對(duì)虛擬儀器進(jìn)行點(diǎn)擊操作時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)相關(guān)儀器的名稱及介紹。該部分通過(guò)類的繼承來(lái)完成而并非單獨(dú)制作各個(gè)器件的UI，在后期的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)自定義儀器名稱，大大提高了效率。并且通過(guò)制作一系列UI界面，縮短了用戶需要查資料、翻書本的時(shí)間，增強(qiáng)了實(shí)用性，如圖6所示。

圖6 UI交互-儀器名稱

用戶界面UI設(shè)計(jì)的主要框架如圖7所示。

圖7 UI交互界面框架

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)

由于基于UE4制作的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)布在Windows、Linux及iOS等多種應(yīng)用系統(tǒng)中，學(xué)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行安裝使用，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows1064位，所用的三維交互設(shè)備為Kinect2.0。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，我們帶上虛擬頭盔Oculus Rift DK2，如圖8所示，為測(cè)試實(shí)驗(yàn)的效果圖。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果圖

針對(duì)超快激光實(shí)驗(yàn)存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，我們提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的超快激光實(shí)驗(yàn)的構(gòu)想與實(shí)現(xiàn)思路。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)中難以開展的超快激光實(shí)驗(yàn)得以廣泛地應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)中，節(jié)省了大量的人力與財(cái)力。此外，學(xué)生通過(guò)觀看多媒體VR光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M演示過(guò)程，掌握了基本的光學(xué)工作原理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程有了一定程度的熟悉。在此基礎(chǔ)上開展超快激光實(shí)驗(yàn)的課程，將會(huì)使學(xué)生更快地進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和老師講課的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)人才的重要手段，是提高教學(xué)水平的必然要求。針對(duì)超快激光實(shí)驗(yàn)課時(shí)短、內(nèi)容多及實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)方式可以達(dá)到輔助教學(xué)的目的。該技術(shù)不僅有效解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不夠大的問(wèn)題，使現(xiàn)有先進(jìn)設(shè)備發(fā)揮到了該有的作用和水平，還保證了實(shí)驗(yàn)的安全性，使得現(xiàn)有的教學(xué)效率得到實(shí)質(zhì)性的提高，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，對(duì)當(dāng)前的教育方式起到了至關(guān)重要的輔助作用。