李愷，練德強(qiáng)

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，廣州510430）

0 引言

地鐵列車設(shè)備認(rèn)知作為城市軌道交通車輛專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱城軌車輛專業(yè)）的基礎(chǔ)實(shí)踐課程，在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中必不可少。同時(shí)作為引領(lǐng)學(xué)生熟悉車載設(shè)備，了解各部件之間的相互關(guān)系及其工作原理，順利上崗工作的不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此認(rèn)知教學(xué)在城軌專業(yè)教學(xué)過(guò)程中有著重要地位[1]。而傳統(tǒng)的教學(xué)方式是在車輛段由教師帶領(lǐng)學(xué)生以參觀的方式進(jìn)行教學(xué)，但存在許多弊端，首先，因?yàn)閰⒂^的車輛一般為地鐵公司的真車，因此車上設(shè)備不允許教師或者學(xué)生觸碰，因此車載設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理不能良好地體現(xiàn)，沒(méi)有動(dòng)手環(huán)節(jié)，學(xué)生技能水平的提高有限；其次，參觀的真車的環(huán)境較為復(fù)雜，許多地方存在高電壓等危險(xiǎn)，因此學(xué)生的安全得不到保障[2]。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的實(shí)踐教學(xué)采用虛擬培訓(xùn)方式進(jìn)行，達(dá)到良好的效果，一些高校將VR 技術(shù)應(yīng)用于微電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[3]，構(gòu)建虛擬科學(xué)實(shí)訓(xùn)室（VMS Lab-G），但其輸入設(shè)備普遍采用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和觸屏，僅僅限于桌面化虛擬現(xiàn)實(shí)，體驗(yàn)感、參與感、沉浸感無(wú)法滿足用戶要求。

本文主要是將沉浸式VR 技術(shù)引入城軌車輛專業(yè)教學(xué)中，通過(guò)HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（VR頭顯），結(jié)合HTC 控制手柄，搭建地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)。

1 基于HTC VIVE的沉浸環(huán)境

HTC VIVE 是HTC 公司與VALVE 公司合作的一套沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，由頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）、手持控制器、定位系統(tǒng)（Lighthouse）三部分組成[4]。其組成如圖1 所示。

圖1 HTC VIVE沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

HMD 頭顯由OLED 屏幕制成，單眼有效分辨率為1200×1080，合成的雙眼分辨率為2160×1200。VIVE支持配戴眼鏡的同時(shí)佩戴HMD 頭顯。同時(shí)，其畫(huà)面刷新率為90Hz，數(shù)據(jù)延遲低至22ms，無(wú)畫(huà)面遲鈍感，因此不易引起用戶不適。除了肢體動(dòng)作以外，HTC VIVE 沒(méi)有其他任何形式的用戶輸入，屬于自然的人機(jī)交互方式。

1.1 基于Lighthouse光學(xué)跟蹤的空間定位技術(shù)

HTC VIVE 的空間追蹤定位系統(tǒng)，用于追蹤用戶在區(qū)域內(nèi)的位置，從而達(dá)到更為良好的沉浸式體驗(yàn)，如圖2 所示。

圖2 HTC VIVE追蹤定位系統(tǒng)

而HTC 的定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠Lighthouse 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，Lighthouse 屬于激光掃描定位技術(shù)，是由兩個(gè)激光傳感器（基站）掃描用戶的位置追蹤傳感器，獲得用戶的位置和方向信息[5]。激光傳感器如圖3 所示，位置追蹤傳感器是由光敏傳感器組成，如圖4 所示。Lighthouse 的兩個(gè)激光發(fā)射器以對(duì)角的形式安裝，形成一個(gè)15×15 英尺的空間區(qū)域（區(qū)域可以根據(jù)實(shí)際空間大小進(jìn)行調(diào)整）。每個(gè)激光傳感器由兩個(gè)掃描模塊（分為水平和垂直掃描）發(fā)射激光光束，如圖5 所示，以每秒6 次的頻率不停的掃描設(shè)置的區(qū)域空間[6-8]。位置追蹤傳感器被安置在頭戴顯示器（HMD）和手持控制器上，其數(shù)量超過(guò)70 個(gè)。

圖3 Lighthouse激光傳感器

圖4 HMD的位置追蹤傳感器

在激光掃過(guò)的同時(shí)頭戴顯示器開(kāi)始計(jì)數(shù)，光敏傳感器在接收到激光后，通過(guò)計(jì)算接受的時(shí)間，可以準(zhǔn)確得到出頭戴顯示器（HMD）和手持控制器相對(duì)于兩個(gè)基站的空間位置。于此同時(shí)，在激光束掃描過(guò)程中，如若擊中多個(gè)光敏傳感器，迅速形成三維模型。因此Lighthouse 定位技術(shù)不僅能跟蹤出HMD 的位置，還能準(zhǔn)確辨別HMD 的方向[9]。

圖5 Lighthouse定位技術(shù)原理

1.2 基于HTC VIVE的人機(jī)交互技術(shù)

HTC VIVE 的人機(jī)交互屬于自然交互，主要通過(guò)HMD 的位置以及手持控制器的操作實(shí)現(xiàn)交互功能，其中手持控制器的各個(gè)按鍵說(shuō)明如圖6 所示[10]。

圖6 HTC VIVE 手持控制器按鍵功能圖

PC 端與手持控制器以及HMD 的信息通信有對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)接口，VALVE 公司預(yù)留了開(kāi)發(fā)接口，集成了以個(gè)SKD 包——OpenVR，在常見(jiàn)的VR 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上幾乎都進(jìn)行了整合，可直接調(diào)用，非常方便。

手持控制器中的觸控板具有按鍵和觸控兩種功能，按鍵功能與常見(jiàn)的鍵盤(pán)按鈕類似，觸控功能與鼠標(biāo)移動(dòng)功能類似，可用于移動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能的設(shè)計(jì)中，但是其值有范圍，其范圍為（-1，1）。具體使用圖如圖7 所示。

圖7 手持控制器觸摸板取值范圍

2 基于HTC VIVE的地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)

地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)是虛擬培訓(xùn)中的一種，為了能更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，本文采用Unity3D 作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Unity3D 內(nèi)部集成了OpenVR、Oculus、JDK 等VR 設(shè)備開(kāi)發(fā)包，能非常方便地開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)沉浸式交互功能。

整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分：基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、列車設(shè)備學(xué)習(xí)模塊、考核評(píng)估模塊和系統(tǒng)管理模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)框架圖

（1）基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)模塊：通過(guò)文字說(shuō)明、圖像資料、視頻資源以及動(dòng)畫(huà)仿真等方式進(jìn)行教學(xué)，用以指導(dǎo)學(xué)員對(duì)地鐵列車的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行講解，以便學(xué)生熟悉列車各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成及其工作原理等基本知識(shí)的學(xué)習(xí)。

（2）列車設(shè)備學(xué)習(xí)模塊：學(xué)習(xí)列車關(guān)鍵部件設(shè)備的工作原理、設(shè)備作業(yè)、檢修維護(hù)方法等知識(shí)，使學(xué)生對(duì)列車各部件有大致了解，提高學(xué)生知識(shí)的掌握程度。

（3）考核評(píng)估模塊：考核分兩種：理論和實(shí)操考核，使得學(xué)員能自行檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深化和鞏固，使學(xué)生操作技能的提升，并通過(guò)模擬拆解列車設(shè)備的過(guò)程，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)設(shè)備工作原理的理解，提升學(xué)習(xí)效果。

（4）系統(tǒng)管理功能：能夠滿足對(duì)用戶管理、教學(xué)資源管理、考核管理等功能，便于系統(tǒng)維護(hù)與更新，使得系統(tǒng)能穩(wěn)定良好運(yùn)行。

2.2 虛擬場(chǎng)景建模方法

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型大致有兩類：①直接利用已有的三維建模軟件所設(shè)計(jì)的三維模型。②采用3DMax、Maya、Creator 等視景建模軟件生成的三維模型。前者，建模較為精密，但對(duì)呈現(xiàn)的設(shè)備硬件要求較高，因此不適合針對(duì)大型場(chǎng)景進(jìn)行建模。后者，其模型并不追求精度，因此其單個(gè)模型的渲染面片數(shù)量與第一種方式相比較少，因而在需要實(shí)時(shí)交互時(shí)具有：渲染速度快、用戶體驗(yàn)好的特點(diǎn)。本文可考慮兼容兩者優(yōu)勢(shì)進(jìn)行場(chǎng)景建模，從而實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)。其建模流程如圖9 所示。

圖9 虛擬場(chǎng)景建模流程圖

2.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

HTC 人機(jī)交互屬于自然交互方式，主要以凝視交互和手柄交互兩種方式。

（1）凝視交互功能

凝視交互即利用視覺(jué)焦點(diǎn)代替鼠標(biāo)指針，觸發(fā)類似鼠標(biāo)單擊、雙擊、懸浮等交互事件，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)交互功能。如圖10 所示。

圖10 凝視交互示意圖

凝視交互功能實(shí)現(xiàn)原理：利用射線檢測(cè)原理，由VR 眼鏡中心處（攝像機(jī)中心點(diǎn)）發(fā)射出一條射線（Ray），通過(guò)Raycast 判斷射線與虛擬物體是否發(fā)生碰撞，從而判定是否選擇物體，并參考暫留時(shí)間設(shè)計(jì)觸發(fā)后的響應(yīng)。其中關(guān)鍵代碼如下所示：

Void Update（）

{

Ray ray=new Ray（transform.position，transform.forward）;RaycastHit hit;

if（Physics.Raycast（ray，out hit，150））

{

……//設(shè)置事件觸發(fā)的處理方法；

}

}

（2）手柄交互功能

HTC VIVE 的手柄交互可類比于鍵盤(pán)按鈕和觸摸板的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能按鈕示意圖如圖6 所示，在前文已有描述此處不再贅述。

在Unity3D 中，HTC VIVE 的手柄控制器分為左右兩個(gè)，先識(shí)別的為右，后者為左，此處以右手柄為例，介紹各個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)于Unity3D 的按鈕代碼，其映射關(guān)系如表1 所示[10]。

表1 HTC VIVE 的手柄控制器與Unity3D 按鈕映射關(guān)系表

利用if（Input.GetKey（“KeyCode”））方法就可以判斷用戶按下手柄哪個(gè)按鍵，利用If（Input.GetAxis（“AxisCode”））即可判斷用于操作了哪個(gè)操縱桿及其方向。

3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

本文主要基于HTC VIVE 的地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已實(shí)際運(yùn)用，本節(jié)將展示系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)例，以驗(yàn)證本系統(tǒng)的特點(diǎn)。

系統(tǒng)運(yùn)行部分功能如圖11 所示。

圖11 基于HTC VIVE的地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例圖

4 結(jié)語(yǔ)

筆者主要針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足，引入沉浸式VR 技術(shù)，通過(guò)HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（VR頭顯），結(jié)合HTC 控制手柄，搭建一套無(wú)場(chǎng)地限制、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)安全可靠的地鐵列車設(shè)備認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)，并以進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，在虛擬培訓(xùn)以及VR 技術(shù)與教學(xué)相融合的方面具有一定的參考價(jià)值。