李永亮

摘 要：針對電子信息工程技術(shù)專業(yè)《音響技術(shù)與應(yīng)用》課程的“膽機(jī)組裝實(shí)訓(xùn)”環(huán)節(jié)中學(xué)生容易因線路錯(cuò)接、漏接而燒壞電路板的情況，作者基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“膽機(jī)組裝跨平臺虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”。利用Unity引擎、采用分層架構(gòu)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了場景漫游、組裝操作、操作情況統(tǒng)計(jì)及顯示等關(guān)鍵功能。該系統(tǒng)具有良好的跨平臺性，可運(yùn)行在安卓設(shè)備、PC機(jī)和HTC VIVE頭盔等不同設(shè)備上，能夠?qū)⑻摂M實(shí)訓(xùn)貫穿于課前、課中和課后環(huán)節(jié)，使學(xué)生在接線實(shí)操之前得到充分的訓(xùn)練，大大降低了錯(cuò)接、漏接的風(fēng)險(xiǎn)，保障了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全性和高效率。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);跨平臺;膽機(jī)組裝

中圖分類號：TP391.9;G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）12-0088-05

一、引言

“膽機(jī)組裝實(shí)訓(xùn)”是高職電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程《音響技術(shù)與應(yīng)用》的一個(gè)重要實(shí)操環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要將前期制作的電路板安裝到機(jī)箱中并進(jìn)行接線操作，由于需要連接的線路繁多，學(xué)生容易出現(xiàn)錯(cuò)接、漏接的情況，加上機(jī)箱中存在高壓線路，燒壞電路板的可能性較高，而一旦燒壞電路板就會影響后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)的正常實(shí)施。解決這一問題的辦法是給學(xué)生更多的練習(xí)次數(shù)和練習(xí)時(shí)間，以提高他們的操作熟練度和正確率，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。然而由于實(shí)訓(xùn)場所和器材的限制，很難給所有學(xué)生提供到實(shí)訓(xùn)場所進(jìn)行更多練習(xí)的機(jī)會，而引入虛擬仿真系統(tǒng)是個(gè)極佳的選擇[1-4]。

筆者針對上述問題，利用Unity引擎開發(fā)了“膽機(jī)組裝跨平臺虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)不受場地、器材、時(shí)間等因素的限制，具有安全、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，能夠給學(xué)生提供直觀、形象、有臨場感和沉浸感的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)?；赨nity引擎的跨平臺性[5][6]，本系統(tǒng)可在HTC VIVE頭盔、PC機(jī)器、安卓Pad、安卓手機(jī)等不同硬件平臺上使用，能夠分別服務(wù)于課前預(yù)習(xí)、課堂演示、小組學(xué)習(xí)等教學(xué)場景，讓學(xué)生在組裝實(shí)操之前得到充分的準(zhǔn)備，大大減少實(shí)操過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

二、膽機(jī)組裝跨平臺虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能

“膽機(jī)組裝跨平臺虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”主要供學(xué)生在膽機(jī)電路板接線實(shí)操之前了解接線過程和方法、熟悉接線工藝，并進(jìn)行充分的虛擬接線訓(xùn)練，從而提高學(xué)生接線實(shí)操的熟練度并降低錯(cuò)接、漏接的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了能夠檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)際掌握情況，還提供了自主考核模式，通過誤操作、退回操作、花費(fèi)時(shí)間等指標(biāo)，客觀反映學(xué)生的操作熟練度。系統(tǒng)的功能模塊如圖 1所示。

其中，“實(shí)訓(xùn)簡介”模塊通過文字描述介紹實(shí)訓(xùn)目的，并提供新手上路環(huán)節(jié)，讓學(xué)生熟悉本系統(tǒng)在PC機(jī)、觸屏、VR頭盔等不同平臺中的常用操作方式，比如漫游、安裝、單頭接線、雙頭接線等動(dòng)作的操作方式;而示范模塊則采用文字描述加動(dòng)畫的方式，向?qū)W生展示實(shí)訓(xùn)操作的過程和注意事項(xiàng);訓(xùn)練模塊以提示引導(dǎo)的方式，一步步帶領(lǐng)學(xué)生訓(xùn)練接線過程;考核模塊則不提供任何引導(dǎo)，由學(xué)生自由操作，并記錄其誤操作、退回操作、花費(fèi)時(shí)間等信息，從而客觀反映學(xué)生對接線過程和方法的掌握情況。

2.系統(tǒng)的軟件分層架構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件分層架構(gòu)如圖 2所示。為了適配不同的軟硬件運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)交互層用于向業(yè)務(wù)層提供與設(shè)備無關(guān)的交互邏輯和界面渲染邏輯;在業(yè)務(wù)層中，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)五個(gè)業(yè)務(wù)邏輯;在展示層，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，將模型、材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫等資源構(gòu)建成五個(gè)場景，并設(shè)計(jì)場景切換邏輯和界面內(nèi)容更新邏輯。

三、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.跨平臺性的實(shí)現(xiàn)

Unity引擎良好的跨平臺性，本可以運(yùn)行在臺式電腦（Windows、Linux）、安卓Pad、安卓手機(jī)以及HTC VIVE頭盔上，但由于不同設(shè)備的人機(jī)交互方式和顯示器分辨率有很大差異[7]，需要在系統(tǒng)的交互層將不同的操作方式進(jìn)行封裝，并使用合適的界面設(shè)置方式。

（1）人機(jī)交互跨平臺性的實(shí)現(xiàn)

在人機(jī)交互方式上，PC機(jī)版采用鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行交互，觸屏版采用觸屏進(jìn)行交互，而HTC VIVE頭盔版則采用配套的手柄進(jìn)行交互。將各版本獲取的用戶交互操作信號按照不同的交互操作意圖在交互層的各模塊中進(jìn)行封裝，從而保證了業(yè)務(wù)邏輯和人機(jī)交互接口的解耦。

PC版獲取用戶交互操作信號的方法如下[8]：

鍵盤按鍵：“Input.GetAxis（String）”函數(shù)和“Input.GetKey（KeyCode）”函數(shù);

鼠標(biāo)按鍵：“Input.GetMouseButtonDown（int）”函數(shù)和“Input.GetMouseButtonUp（int）”函數(shù);

鼠標(biāo)位移量：“Input.GetAxis（）”函數(shù)。

觸屏版獲取用戶交互操作信號的方法如下：

觸點(diǎn)個(gè)數(shù)：“Input.touchCount”;

觸點(diǎn)對象：“Input.touches”數(shù)組;

觸點(diǎn)位置：觸點(diǎn)對象的“position”屬性;

觸點(diǎn)狀態(tài)變化趨勢：觸點(diǎn)對象的“phase”屬性。

HTC VIVE頭盔版獲取用戶交互操作信號的方法如下[9]：

手柄Pad操作：“ViveInput.GetPadPressAxis（HandRole）”;

其他按鈕操作：“ViveInput.GetPress（HandRole，ControllerButton）”。

（2）界面顯示跨平臺性的實(shí)現(xiàn)

在界面設(shè)置上，利用Unity的“多分辨率界面”技術(shù)[10]，使交互界面可以自動(dòng)適配不同分辨率的顯示設(shè)備，無論是手機(jī)屏幕還是觸屏電視，都可以正常顯示交互控件并響應(yīng)用戶的操作。而在HTC VIVE頭盔版本中，則將交互界面渲染在虛擬場景中，讓用戶以“虛擬屏幕”的方式進(jìn)行界面操作。具體的設(shè)置項(xiàng)及其取值如表 1所示。

2.虛擬場景漫游功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的操作對象是膽機(jī)的機(jī)箱和電路板，允許用戶在安裝和接線操作過程中在虛擬場景中自由漫游，以便用戶在各個(gè)角度和合適的距離觀察機(jī)箱和電路板的細(xì)節(jié)并進(jìn)行操作。漫游的類型包括平移、旋轉(zhuǎn)和復(fù)原，其實(shí)現(xiàn)邏輯如表 2所示，其中PC機(jī)版和觸屏版的觀察者為虛擬場景中的主攝像機(jī)，HTC VIVE頭盔版的觀察者為虛擬場景中的“HTCViveCameraRig”對象。

在所有版本中，用戶都可以通過界面上的“復(fù)原”按鈕使視角回到默認(rèn)位置;而不同版本的平移、旋轉(zhuǎn)操作方法則各不相同：在PC機(jī)版中，用戶利用鍵盤上的W、A、S、D四個(gè)鍵進(jìn)行左右前后平移操作，利用Q、E兩個(gè)鍵進(jìn)行上下平移操作，在鼠標(biāo)右鍵被按下時(shí)利用鼠標(biāo)位移實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作。在觸屏版中，用戶通過長按屏幕的四個(gè)邊緣實(shí)現(xiàn)左右上下平移操作，利用雙觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)前后平移操作，利用單觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作。在HTC VIVE頭盔版中，用戶利用左側(cè)手柄的Pad鍵實(shí)現(xiàn)左右上下平移，Trigger鍵實(shí)現(xiàn)前平移操作，Grip鍵實(shí)現(xiàn)后平移操作，利用右側(cè)手柄的Pad鍵實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作。

3.對象操作交互邏輯的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，對象操作有電路板安裝、機(jī)箱到電路板接線、雙絞電源線焊接、板間線路連接四種，其中“電路板安裝”和“機(jī)箱到電路板接線”采用從界面拖拽圖標(biāo)到虛擬場景中指定位置的操作方式，“雙絞電源線焊接”和“板間線路連接”則采用連續(xù)點(diǎn)擊相關(guān)連接點(diǎn)的操作方式。

（1）“從界面拖拽圖標(biāo)到指定位置”操作方式的實(shí)現(xiàn)

以“電路板安裝”為例，用戶的具體操作過程為：待安裝的電路板以圖標(biāo)的形式顯示在界面上，用戶利用鼠標(biāo)、觸點(diǎn)或者HTC VIVE手柄的引導(dǎo)線將電路板圖標(biāo)拖拽到對應(yīng)的機(jī)箱位置上釋放，從而完成安裝操作;在被拖拽過程中，圖標(biāo)所經(jīng)過的待安裝位置會高亮顯示，從而提醒用戶是否將圖標(biāo)釋放在該位置。

本系統(tǒng)采用四種對象共同實(shí)現(xiàn)上述操作方式：“EventManager”對象用于管理用戶操作過程中相關(guān)事件的訂閱和觸發(fā)，以保證其他三種對象能夠協(xié)同工作，“DragableImage”對象用于管理圖標(biāo)的顯示狀態(tài)，“RayCastOrigin”對象用于判別圖標(biāo)對象被拖拽過程中所對準(zhǔn)的虛擬對象，“DragableImageTarget”對象用于管理待安裝位置對象的高亮顯示狀態(tài)。

“EventManager”對象用單例模式實(shí)現(xiàn)，并作為組件掛載在場景管理器對象上，其管理的事件為“UnityEvent”類的對象，各事件的觸發(fā)者和訂閱者信息如表 3所示，事件觸發(fā)的條件在觸發(fā)者的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中進(jìn)行說明。

“DragableImage”對象以Unity組件的形式掛載在每一個(gè)可拖拽圖標(biāo)對象上，當(dāng)處于“等待”狀態(tài)時(shí)圖標(biāo)圖像在界面上正常顯示，當(dāng)處于“拖拽中”和“對準(zhǔn)中”狀態(tài)時(shí)圖標(biāo)圖像變?yōu)榘胪该鞑ⅰ翱寺　背鲆粋€(gè)圖像實(shí)時(shí)顯示在鼠標(biāo)位置，當(dāng)處于“已設(shè)置”狀態(tài)時(shí)圖標(biāo)圖像上增加一個(gè)紅色的勾并不能再被拖拽，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖 3所示。

“RayCastOrigin”對象用單例模式實(shí)現(xiàn)并作為組件掛載在場景管理器對象上，其默認(rèn)狀態(tài)為“等待”，在接收到“開始探測”事件后，創(chuàng)建出一個(gè)“Ray”類型的射線對象并進(jìn)入“探測中”狀態(tài)，在“Update（）”函數(shù)中利用射線對象實(shí)時(shí)探測圖標(biāo)所對準(zhǔn)的位置從而在三個(gè)子狀態(tài)中切換，具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖 4所示。

“DragableImageTarget”對象以Unity組件的形式掛載在每一個(gè)待安裝位置對象上，這一類對象為半透明的方塊，當(dāng)其“DragableImageTarget”組件處于“等待”和“已設(shè)置”狀態(tài)時(shí)隱藏，而處于“被正確對準(zhǔn)中”和“被錯(cuò)誤對準(zhǔn)中”狀態(tài)時(shí)則顯示?！癉ragableImageTarget”對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖 5所示。

（2）“連續(xù)點(diǎn)擊相關(guān)連接點(diǎn)”操作方式的實(shí)現(xiàn)

在用戶進(jìn)行模擬“雙絞電源線焊接”和“板間線路連接”時(shí)需要“連續(xù)點(diǎn)擊相關(guān)連接點(diǎn)”的操作方式。其中，“雙絞電源線焊接”是放大板上的操作，為了避免干擾，需要將接入的三組電源線以正負(fù)雙絞線的方式焊接在電路板對應(yīng)的焊盤上;而“板間線路連接”則是將不同電路板的某兩個(gè)點(diǎn)用導(dǎo)線連接。用戶的具體模擬操作方式為：利用鼠標(biāo)、觸點(diǎn)或者HTC VIVE手柄的引導(dǎo)線連續(xù)依次點(diǎn)擊同組電源線的多個(gè)焊盤，或者連續(xù)依次點(diǎn)擊需要用導(dǎo)線連接的兩個(gè)點(diǎn)，從而觸發(fā)雙絞線或者導(dǎo)線的連接動(dòng)畫。通過這樣的虛擬操作，使用戶熟悉正確的焊接或者連接位置。

本系統(tǒng)采用“MouseTarget”“Node”“Connector”三種對象來實(shí)現(xiàn)上述功能?！癕ouseTarget”和“Node”以組件的形式加載在焊盤對象或者連接點(diǎn)對象上，其中“Node”組件只加載在確實(shí)需要連接的對象上?！癈onnector”則以組件的形式加載在雙絞線或者導(dǎo)線對象上，并將具有“Node”類型的數(shù)組用于存儲雙絞線對應(yīng)的焊盤對象或者導(dǎo)線對應(yīng)的連接點(diǎn)對象?！癕ouseTarget”用于控制操作焦點(diǎn)移入移出焊盤對象時(shí)的高亮顯示狀態(tài)，“Node”用于記錄焊盤的設(shè)置狀態(tài)并根據(jù)狀態(tài)呈現(xiàn)不同外觀形態(tài)，“Connector”用于判定一組雙絞線的連接操作是否完成并控制雙絞線連接動(dòng)畫的播放。以一組雙絞線的成功連接過程為例，各相關(guān)對象的活動(dòng)圖如圖 6所示。

4.操作統(tǒng)計(jì)和顯示功能的實(shí)現(xiàn)

在訓(xùn)練模塊和考核模塊中，本系統(tǒng)對用戶的操作情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要統(tǒng)計(jì)操作耗時(shí)、錯(cuò)誤操作次數(shù)、放棄操作（退回）次數(shù)三種指標(biāo)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在界面上，通過這些指標(biāo)可以客觀反映用戶進(jìn)行虛擬接線操作的熟練程度。

上述功能主要通過“EODetector”“SceneManager”“UIManager”三個(gè)對象實(shí)現(xiàn)，這三個(gè)對象均為單例并以Unity組件的形式加載在場景管理器對象上，其中，“EODetector”組件對象用于探測用戶的錯(cuò)誤操作以及放棄操作，“SceneManager”組件對象則具有計(jì)時(shí)和統(tǒng)計(jì)功能，“UIManager”組件對象用于管理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在交互界面上的更新顯示并響應(yīng)用戶的界面操作。

（1）操作統(tǒng)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)

統(tǒng)計(jì)并顯示錯(cuò)誤操作次數(shù)的過程為：“EODetector”對象通過訂閱“EventManager”對象所管理的“用戶釋放”事件，以及Unity提供的對象的“OnClick”事件，結(jié)合相關(guān)對象的狀態(tài)來判定是否發(fā)生錯(cuò)誤操作，并由“SceneManager”對象進(jìn)行錯(cuò)誤操作次數(shù)累計(jì)，再由“UIManager”對象進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的更新。

統(tǒng)計(jì)并顯示放棄操作次數(shù)的過程則為：“UIManager”對象探測到用戶點(diǎn)擊“放棄本次操作”按鈕后由“SceneManager”對象進(jìn)行放棄操作次數(shù)累計(jì)并對場景進(jìn)行“后退”處理，再回到“UIManager”對象進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的更新。

上述兩個(gè)過程的活動(dòng)圖如圖 7所示。

（2）計(jì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)

操作耗時(shí)由“SceneManager”對象利用Unity的協(xié)程來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)協(xié)程等待時(shí)間為1秒鐘，第一個(gè)協(xié)程在練習(xí)或者考試開始時(shí)啟動(dòng)，在每個(gè)協(xié)程結(jié)束前更新耗時(shí)計(jì)數(shù)并啟動(dòng)下一個(gè)協(xié)程，同時(shí)由“UIManager”對象進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的更新。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果及應(yīng)用效果

1.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

本系統(tǒng)運(yùn)行之默認(rèn)顯示的是主界面，用戶可以通過菜單選擇進(jìn)入“實(shí)訓(xùn)簡介”“示范模塊”“練習(xí)模塊”“考試模塊”等功能模塊。其中在“實(shí)訓(xùn)簡介”模塊中以文字方式對實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行介紹，還可以進(jìn)入“操作指引”場景熟悉系統(tǒng)中的常用操作;“示范模塊”以動(dòng)畫的方式展現(xiàn)虛擬接線的正確過程;“練習(xí)模塊”中為用戶提供操作提示，并由用戶親自操作;“考試模塊”中則沒有任何提示，完全由用戶自行操作。圖 8為考試模塊中不同場景的效果展示。

2.應(yīng)用效果

本系統(tǒng)已經(jīng)在我校電子信息工程技術(shù)專業(yè)《音響技術(shù)與應(yīng)用》課程中得到實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)任課教師和學(xué)生的反饋，取得了如下效果：①提高了實(shí)訓(xùn)的安全性和效率。通過虛擬訓(xùn)練，學(xué)生在接線實(shí)操之前已經(jīng)熟悉了線路的正確接法，過去時(shí)常發(fā)生的錯(cuò)接、漏接現(xiàn)象極少發(fā)生，電路板燒壞的情況更是不再發(fā)生。②改善了教學(xué)效果。由于本系統(tǒng)可以在多種設(shè)備和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，任課教師可以更加靈活地設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方案，讓學(xué)生在課前、課中、課后都能夠有虛擬訓(xùn)練的機(jī)會，并反饋訓(xùn)練的結(jié)果，使任課教師的教學(xué)更有針對性。③提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本系統(tǒng)的應(yīng)用使教學(xué)內(nèi)容更加具備趣味性，能充分吸引學(xué)生，并激發(fā)他們相互競爭，獲得更好的虛擬訓(xùn)練成績。

本文闡述了“膽機(jī)組裝跨平臺虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法及其使用效果，其中重點(diǎn)闡述了跨平臺性、場景漫游、對象操作、操作統(tǒng)計(jì)及顯示等關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)方法。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了“膽機(jī)組裝實(shí)訓(xùn)”教學(xué)環(huán)節(jié)的安全性和效率，改善了教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文所總結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)具有較高的普適性，可以推廣到其他仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)工作中。

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（編輯：魯利瑞）