朱安慶， 胡安超

(1．江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2．江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

虛擬仿真教學(xué)一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，該教學(xué)方式為學(xué)生開展探究性自主實(shí)驗(yàn)、合作學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段，開放平臺(tái)和豐富資源[1-2]，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增添了活力。船舶制造是一個(gè)龐大的工程，造船廠占地面積大，設(shè)備眾多，一艘船舶的建造一般經(jīng)過鋼材預(yù)處理、零件加工、部件加工、分段制造、分段預(yù)舾裝、分段涂裝、分段總組、總段搭載、船舶下水、碼頭舾裝、試航等過程，大型船舶建造過程多持續(xù)一年半或更長時(shí)間。

在高校傳統(tǒng)的教學(xué)中，針對(duì)船廠和生產(chǎn)過程認(rèn)知相關(guān)的課程，教師普遍采用講解和展示二維圖片相結(jié)合的形式，部分高校還開設(shè)有船廠實(shí)地參觀等實(shí)踐課程，這些教學(xué)形式有一定的弊端：①教師課堂講解，學(xué)生數(shù)量多并且以被動(dòng)的方式吸收知識(shí)，不能在課堂學(xué)習(xí)中發(fā)揮主動(dòng)性，學(xué)習(xí)效果較差。②船廠參觀實(shí)踐教學(xué)，多為走馬觀花式，時(shí)間較短，學(xué)生不易產(chǎn)生整體的認(rèn)知框架，船廠聲音嘈雜、施工環(huán)境差、危險(xiǎn)系數(shù)高，現(xiàn)場教學(xué)相對(duì)困難。③專業(yè)實(shí)習(xí)消耗資金大、外出時(shí)間長、組織協(xié)調(diào)困難。

隨著我國對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的建設(shè)進(jìn)入規(guī)?；⑾到y(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可持續(xù)化發(fā)展階段[3-4]，現(xiàn)在結(jié)合三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將整個(gè)造船廠的布局、設(shè)備以及主要生產(chǎn)流程通過交互式的、沉浸式的形式展現(xiàn)出來，應(yīng)用到高校相關(guān)課程的教學(xué)中，學(xué)生可以使用該系統(tǒng)反復(fù)觀摩“現(xiàn)場”，加上老師的講解，教學(xué)效果更好，同時(shí)避免了船廠參觀實(shí)踐中的安全隱患，因此這種新的教學(xué)方式對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量有積極影響。

1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

基于Unity 3D軟件開發(fā)虛擬船廠的過程，實(shí)質(zhì)上也就是開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的過程，按照某船廠的廠區(qū)規(guī)劃圖，首先應(yīng)用三維建模軟件構(gòu)建船廠資源的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入到Unity 3D軟件中，使用C#編程添加場景漫游、碰撞檢測、系統(tǒng)界面等功能，從而實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬船廠中以第一人稱視角的方式觀察設(shè)備、廠房、船廠布局等，增加用戶對(duì)船廠的認(rèn)知，達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

2 船廠資源三維建模

2.1 船廠建模資源分析

表1 船廠主要資源匯總

2.2 三維模型建模及相關(guān)規(guī)范

當(dāng)三維模型制作完成后，模型所包含的信息，如尺寸、單位、模型分類塌陷、命名、坐標(biāo)、軸心調(diào)整、材質(zhì)貼圖等必須符合制作的規(guī)范，這樣有利于模型在軟件之間導(dǎo)入導(dǎo)出以及模型的編程控制管理。以下為建模時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)：

(1)單位。Unity 3D系統(tǒng)默認(rèn)單位為m，在最新的Unity 3D 5.x版本中，其系統(tǒng)默認(rèn)的比例因子(Scale Factor)更改為1，這樣不管在3D Max中模型的系統(tǒng)單位是什么(如mm、cm、m、km)，只要模型顯示單位比例是1 m，那么導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D后，默認(rèn)顯示的效果仍然是1 m[5]。開發(fā)過程中系統(tǒng)單位和顯示單位比例都設(shè)置成m。

(2)模型的坐標(biāo)。所有模型的初始坐標(biāo)設(shè)置在原點(diǎn)，模型的軸心設(shè)置在物體中心。在3D Max中可以使用修改命令中的僅影響軸和居中到對(duì)象命令進(jìn)行調(diào)整，注意在調(diào)整完后要將僅影響軸命令關(guān)閉，防止產(chǎn)生誤操作。

(3)命名規(guī)范。要注意模型的命名規(guī)范，不能出現(xiàn)重名，模型名稱最好使用英文和數(shù)字命名，否則在Unity 3D中的會(huì)出現(xiàn)一些問題，例如：在Unity 3D中使用中文命名的模型在實(shí)例化時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的延時(shí)[6]。

建模方面。3D Max最好使用可編輯多邊形建模，多邊形建模是最常用、最經(jīng)典的建模途徑[7]，將要編輯的模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，而后對(duì)該模型的子對(duì)象進(jìn)行修改和編輯。建模完畢后，要對(duì)模型進(jìn)行檢查，合并斷開的頂點(diǎn)，移除孤立的頂點(diǎn)，這樣可以減少模型面數(shù)，提高場景運(yùn)行速度。在3D Max中當(dāng)有縮放操作時(shí)要對(duì)模型進(jìn)行重置變換，這樣可以消除縮放比例輸入框的記錄，避免后續(xù)產(chǎn)生誤操作。對(duì)于鏡像后生成的模型需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)法線操作。

依據(jù)某船廠廠區(qū)規(guī)劃圖紙，圖紙為DWG格式，將圖紙導(dǎo)入到3D Max中并以二維平面的形式顯示，各個(gè)場地的相對(duì)位置可以按照此圖紙放置，對(duì)于車間設(shè)備的布局可以參考船廠車間布局圖，對(duì)于廠房和設(shè)備的詳細(xì)尺寸，由于技術(shù)文件的保密性不易獲取其CAD設(shè)計(jì)圖紙，建模時(shí)可以按照經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)谋壤笮　?/p>

虛擬船廠的開發(fā)使用的貼圖一部分為使用相機(jī)實(shí)地采集的用于制作模型的貼圖平面素材，例如：單梁半門式起重機(jī)和雙梁橋式起重機(jī)圖片等，另一部分貼圖為根據(jù)實(shí)際場景取材于網(wǎng)絡(luò)，如鋼材表面銹蝕效果的貼圖、窗戶的貼圖、廠房房頂?shù)男ЧN圖等。

3 虛擬船廠的構(gòu)建

3.1 Unity 3D 軟件簡介

Unity 3D是一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[8]。Unity 3D不光局限在游戲開發(fā)領(lǐng)域，還可以用來進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容開發(fā)，作為一種集成的創(chuàng)作工具，近年來越來越多的人將Unity 3D推廣到工業(yè)制造的過程演示、交互式的第一人稱視角場景漫游、虛擬裝配等等[9]，使得Unity 3D在工業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。

報(bào)警管理數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集Buffer機(jī)采用2臺(tái)高性能服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集機(jī)、實(shí)時(shí)報(bào)警操作站采用10臺(tái)普通服務(wù)器。另外根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增加工業(yè)用防火墻和交換機(jī)。

3.2 模型導(dǎo)入到Unity 3D引擎

模型建模完畢，材質(zhì)貼圖也賦予到相應(yīng)的模型上，將所有的模型按照廠區(qū)規(guī)劃圖和車間布局圖擺放到位，并把所有模型打包成組，將該組導(dǎo)出成FBX模型，要注意的是模型在導(dǎo)出對(duì)話框中要設(shè)置模型Y軸向上，這樣與Unity 3D軟件中的坐標(biāo)系保持一致，“嵌入的媒體”選項(xiàng)要保持選中，這樣模型上帶有的貼圖文件在導(dǎo)入到Unity 3D后會(huì)保存在單獨(dú)的文件夾中，避免發(fā)生貼圖丟失的現(xiàn)象。再新建工程，將從3D Max中導(dǎo)出的FBX模型導(dǎo)入到新建工程中。

3.3 添加船廠外景

新建一個(gè)場景，將導(dǎo)入的FBX模型拖到Scene視圖中，這樣新建的船廠模型就顯示在了Scene視圖中，新建的場景默認(rèn)會(huì)有主相機(jī)(Main Camera)、平行光(Directional Light)兩個(gè)游戲物體，Main Camera相當(dāng)于觀察場景的“眼睛”，“眼睛”看到的會(huì)顯示在Game視圖中，Directional Light相當(dāng)于場景中的“太陽”，它增強(qiáng)整個(gè)場景的亮度。在廠房的內(nèi)部，為了使一些模型更亮、顯示效果更好，可以添加多個(gè)Point light(電光源)，它以一個(gè)點(diǎn)為中心向外散發(fā)光照，照亮周邊模型。

另外還需要添加山、水、天空的模型，這部分模型使用Unity 3D制作，水的模型可以從Unity 3D自帶的標(biāo)準(zhǔn)資源包中導(dǎo)入，天空的效果使用標(biāo)準(zhǔn)資源中的天空球來模擬，山的效果使用Unity 3D的Terrain(地形)來制作[10-11]，需要注意的是，地形制作過程中山上樹木分布盡量稀疏一些，這樣可以降低場景渲染對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求。船廠制作完成鳥瞰效果圖如圖2所示。

圖2 虛擬船廠鳥瞰效果圖

4 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 船舶制造虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的功能

在對(duì)學(xué)生的教學(xué)過程中，船廠資源布局和生產(chǎn)過程的認(rèn)知是非常重要的，開發(fā)的系統(tǒng)功能主要有：船廠虛擬漫游、生產(chǎn)過程動(dòng)畫展示、虛擬裝配和人機(jī)交互界面。

(1) 船廠虛擬漫游。船廠的漫游分為兩部分，一部分是在地面上以第一人稱視角的方式，察看船廠內(nèi)設(shè)備、生產(chǎn)過程等資源，控制方式為鼠標(biāo)和鍵盤。在Unity 3D中實(shí)現(xiàn)第一人稱視角漫游可以使用軟件標(biāo)準(zhǔn)資源(標(biāo)準(zhǔn)資源如果在安裝軟件時(shí)沒有一同安裝，需要在Unity 3D的資源商店下載導(dǎo)入)中第一人稱控制器(Character Controller)下的預(yù)設(shè)體“First person controller”，將這個(gè)預(yù)設(shè)體放置在場景中，調(diào)整位置離地面大約1.6 m即可，這樣模擬人的視線高度，同時(shí)加上膠囊檢測碰撞器，這樣在碰到船廠場景中的其他物體時(shí)可以有一定的物理碰撞效果而不至于穿過其他物體。

另外一部分功能是在船廠上方俯瞰整個(gè)廠區(qū)布局，這有利于整個(gè)生產(chǎn)場地分布的認(rèn)知。這部分功能的實(shí)現(xiàn)可以使用C#腳本控制場景中的攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)，具體操作方式為：鼠標(biāo)左鍵控制視角旋轉(zhuǎn)，右鍵控制視角平移，滾輪控制視角的縮近和拉遠(yuǎn)。

(2) 生產(chǎn)過程動(dòng)畫展示。針對(duì)鋼材加工流水線、型材成形加工、合攏等工藝過程，使用3D Max編輯關(guān)鍵幀動(dòng)畫來展現(xiàn)這些工藝過程，隨模型一并導(dǎo)入到Unity 3D中，使用Unity 3D動(dòng)畫(Mecanim)系統(tǒng)來開發(fā)虛擬場景中的動(dòng)畫效果。

(3) 用戶界面(user inteface,UI)。系統(tǒng)的主界面和漫游場景中的UI交互使用Unity 3D自帶的UGUI系統(tǒng)制作，UGUI是Unity官方自帶的UI系統(tǒng)，自從Unity 4.6版本以后，UGUI系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍，現(xiàn)在逐漸代替其他的UI插件成為Unity軟件中UI開發(fā)的主流[12]。開發(fā)中的主界面、聲音開關(guān)、關(guān)閉按鈕以及UI圖標(biāo)切換效果等都是用UGUI系統(tǒng)制作。制作的主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

(4) 虛擬裝配。船舶裝配是一項(xiàng)龐大的工程，從一塊塊鋼板到一艘整船，包括部件裝配、分段裝配、分段總組等工藝過程[13]，虛擬裝配的功能用來以交互式的方式展現(xiàn)制造過程，而不以三維動(dòng)畫的形式展示，學(xué)生使用該系統(tǒng)可以通過鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，將裝配用到的零部件拖放到合適的位置來完成裝配，不同的裝配方法有不同的裝配順序，這樣學(xué)生對(duì)裝配方法、船舶建造過程掌握更深刻。圖4所示為分段制造車間的裝配仿真場景。

圖4 分段裝配仿真

4.2 船舶制造虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)方式

本文介紹的船舶制造虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)發(fā)布成PC端的可執(zhí)行文件，安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)房的電腦上，每個(gè)學(xué)生可以通過顯示器、使用鼠標(biāo)鍵盤控制，以第一人稱視角的方式在虛擬船廠中漫游，虛擬船廠中的主要生產(chǎn)過程在虛擬場景中循環(huán)展示，學(xué)生可以在漫游的過程中觀摩生產(chǎn)流程，配上教師的講解可以達(dá)到事半功倍的效果，系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)房，對(duì)硬件要求不高，成本較低，有利于推廣應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備技術(shù)發(fā)展，眾多體驗(yàn)良好的虛擬外設(shè)，例如：HTC Vive、oculus rift、CAVA系統(tǒng)等[14]，能將虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中開發(fā)的內(nèi)容集成到硬件中，在教學(xué)中使用硬件設(shè)備可以擁有更好的沉浸式體驗(yàn)。

此外，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)并不能涵蓋到教學(xué)體系的任何一個(gè)部分，教學(xué)也不能一味的追求虛擬仿真化，在虛擬仿真教學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡可能地讓學(xué)生接觸實(shí)際，充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、互相補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則[15-16]。

5 結(jié) 語

本文介紹的基于Unity 3D的船舶制造虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，可以應(yīng)用到船廠認(rèn)知、造船生產(chǎn)過程認(rèn)知等相關(guān)的課程教學(xué)上，使用Unity 3D開發(fā)完成后將其發(fā)布到PC端，將其安裝在教學(xué)場所的機(jī)房，學(xué)生可以打開程序?yàn)g覽整個(gè)船廠，伴隨教師的講解，使得對(duì)船廠和生產(chǎn)過程的認(rèn)識(shí)更加深入。

隨著三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的開發(fā)會(huì)變得越來越簡便，以后會(huì)不斷完善虛擬船廠中的人機(jī)交互、總段總組、船舶下水等過程的仿真，積極推廣在教學(xué)中的應(yīng)用。

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