唐傳謙,黨虎飛

(青海大學 計算機技術與應用系,青海 西寧 810016)

0 引 言

隨著信息技術的發(fā)展,大型機械設備的實踐評估方式逐漸發(fā)生變化。在第二次工業(yè)革命期間,機械設備的實踐評估主要以一對一的人為觀測模式來衡量員工的工業(yè)設備操作熟練度、失誤率和工作效率。到20世紀后期,逐漸衍生出紙質版操作記錄考核評估模式。到21世紀初期,無紙化考核逐漸出現,通過監(jiān)測軟件數據來監(jiān)控大型設備的運作,獲取設備操作結果進行評估[1]。隨著可視化和沉浸性技術的發(fā)展,三維技術已廣泛應用到大型機械設備的可視化展示中,通過三維技術可多方位呈現設備的零部件及其結構。而VR技術的出現,其沉浸性、交互性和構想性的特性,能夠更好地支撐機械設備的操作模擬[2]與評估。

基于上述研究,該文主要以金工實訓過程中的大型機械設備為研究對象,以仿真技術復現三維場景和機械設備,設計評估量表對虛擬仿真實訓操作進行評估,構建考核交互模式。同時完善了PC和VR端評估考核,形成多端可交互式實訓評估系統(tǒng)。能有效規(guī)范金工實訓機械設備操作的流程,培養(yǎng)學生的設備操作能力、實訓實踐能力,了解機械制造工藝和制造技術。降低實訓過程中大型機械設備如銑床、車床設備的危險性,解決學生實訓人數與實訓指導教師人數不匹配等問題,減少實訓過程造成大量的金工材料浪費,提供給學生更多實訓實踐的機會。1∶1的VR金工仿真與實訓評估運用局域網技術[3]使得學生既可以單獨操作學習,又能夠進行多用戶交互學習,在進行實地金工實訓前對學生進行預指導與預評估,系統(tǒng)評估通過之后再進行真實環(huán)境實訓,使得學生在真實環(huán)境操作過程中具有理論與實驗操作基礎。

1 評估仿真實現概述

當前考核評估共有三種方法。第一種為人工考核,一對一人為觀察考核過程中存在主觀判斷和較大的誤判可能,此評估方法需要大量的人工、機械設備、工件原材料,且在評估過程中可能因為較少的實訓訓練使得操作有一定的安全隱患。第二種為試卷考核,紙質考核方法紙上談兵,無實踐能力考核。第三種為無紙化考核評估,這也是現階段最流行的考核評估方式,能夠很好地評估學習者的理論水平,但實操水平仍需進一步進行考核。

針對以上主流考核評估方式的優(yōu)缺點,以大學生金工實訓為應用方向,探究基于VR的仿真與實訓評估,優(yōu)化現有實訓評估方式。基于VR的金工仿真與實訓評估研究以三維仿真、交互、模擬、評估為重點,設計了PC端和VR端兩個用戶端,針對大型機械銑床、車床設備進行了外形仿真,將操作過程可視為可交互式評估操作到系統(tǒng)中。該金工仿真和實訓評估的總體框架流程如圖1所示。

圖1 總體框架流程

銑床、車床、實訓場地等場景可視化主要通過數據采集、數據完善、二次數據優(yōu)化等過程完善實地數據的采集,通過實地采集能夠有效地還原青海大學金工實訓車間的原貌,通過三維可視化構建VR場景,提升操作者的沉浸感和真實感,完成金工實訓機械仿真與場景仿真[4]。為增加操作評估的真實性與實踐性,將銑床、車床的操作可視化到交互操作中,通過操作數據持久化與標準實踐步驟對比的方式完成評估量表的設計。采用虛擬化、三維直觀化的形式構建仿真操作與評估,能將實訓場地“搬到”虛擬環(huán)境中[5],打破實訓時間和空間的限制。通過仿真評估,實時對實訓操作進行考核評估,指出操作過程的問題,通過該仿真評估之后再進入真實場地,從而提高實戰(zhàn)的安全性。

2 機械設備與實訓場景構建

2.1 機械設備

該文以金工機械設備銑床、車床為例,銑床是對物體進行加工和切割的設備,主要由銑刀、主軸、操作臺、升降臺等部件組成[6],設備運行過程中由于銑刀高速旋轉、刀片鋒利等原因,對物體加工與切割時不易一次成型,發(fā)生錯誤操作時安全隱患極大。車床是制作陀螺、螺紋、木制杯子等的設備,通過車刀對旋轉工件進行車削加工。主要由車刀、主軸箱、刀架、溜板箱、尾座等部件組成,設備運行過程中刀架可旋轉換刀實現工件雕刻與切割,尾座上的旋轉鉆頭用于鉆孔與挖鑿[7]。設備的高速運轉與鋒利的車刀、鉆頭等具有一定的操作隱患。

圖2(a)所示為銑床的實景外觀與各部件位置,圖2(b)所示為車床的實景外觀與各部件位置。

(a) (b)圖2 機械設備實景與各部件位置標識

2.2 模型的構建

通過對機械設備基礎構造和功能部件的分析,構建銑床、車床設備的三維模型,以數據采集、數據拼接與完善的形式構建實訓場地,實現實訓仿真環(huán)境的創(chuàng)建。青海大學真實實訓場地仿真模擬需進行環(huán)境的建模、機械設備建模、指示標語建模、宣傳欄建模等,針對不同的模型,其建模方法不同。

2.2.1 多邊形建模

多邊形建模主要應用到標準形狀的建模上,可以用來構建實訓場地、機械設備規(guī)則部件、宣傳欄等。通過頂點、連接頂點的直線、直線連接形成的面構建基本部件,以共用點、線、面的形式形成連接的多邊形[8],對機械標準部件進行模型構建的效果如圖3所示。

圖3 機械部件的多邊形建模

2.2.2 曲面建模與參數建模

曲面建模主要應用到不規(guī)則形狀的建模上,通過建模軟件腳本語言Maxscript設置曲面參數進行模型的構建[9]。此處以旋鈕為例,首先根據參考圖繪制出部件的輪廓曲線,通過Maxscript腳本將旋轉角度設置為0°,目前的呈現情況為曲面,將旋轉角度設置為360°,即可生成旋鈕部件。構建出來的旋鈕部件較為生硬,需對頂點位置和面的平滑度[10]進行調整,參數建模與平滑效果如圖4所示。

圖4 參數建模與平滑

2.3 貼圖效果

采集真實場地的環(huán)境、機械設備、標語、宣傳欄等真實圖像,以此圖像作為貼圖可以很好地還原真實效果。貼圖圖像素材由于圖像色澤、歪斜、模糊等問題,貼圖前需進行貼圖的處理[11]與圖像修剪。由于某些機械部件不能用平鋪材質直接貼圖,需采用UV展開形式的貼圖[12]來實現曲面貼圖效果。通過UV展開與編輯去呈現機械部件的UV貼圖,貼圖素材處理的對比效果如表1所示。

表1 貼圖素材處理的效果對比

2.4 模型拼接與渲染

完成了各部件建模、貼圖等工作,現對機械模型進行組合拼接,構成完整的機械設備。組合拼接效果如表2所示。

表2 機械設備仿真模型

模型構建完成之后對模型進行渲染,為使得機械設備呈現效果更佳,使用硬件渲染和軟件渲染兩種形式進行渲染[13]。硬件渲染使用計算機顯卡進行渲染,渲染速度快,精度高,但對顯卡的性能要求比較高。而軟件渲染是使用渲染軟件進行模型渲染,在相同角度、相同光照下,軟件渲染效果和硬件渲染效果的對比,如表3所示。

表3 渲染效果對比

3 實訓交互設計與評估方法

3.1 實訓交互設計

根據實地場景采集和專業(yè)老師的評估標準,進行實訓交互設計與評估方法的仿真設計。銑床的操作評估標準從電源的開關、銑刀的旋轉、進刀與退刀、切割位置的設定、最終呈現效果等方面進行設計。銑工操作的順序及過程分別為打開電源、轉動銑刀、移動物體、進行切割、退出物體、停止銑刀、關閉電源,根據操作方法設計銑床的交互邏輯,分別在場景中制作打開電源碰撞體交互、轉動銑刀碰撞體交互、移動機械件交互、切割交互、取出交互、銑刀停止交互和關閉交互。交互設計過程主要采用三維動畫、腳本參數、碰撞檢測、面板數據傳入等方法進行交互設計與制作。

3.2 評估量表生成

依據交互與操作評分邏輯設計操作評估圖,圖中橫軸為分數,縱軸為操作的名稱,如圖5所示。豎線填充條狀代表當前操作正確時可以記錄的得分,橫線填充條狀代表當前操作正確的總分。某步驟操作正確時,此時橫線填充條狀代表前序操作與當前操作正確的累加得分,若當前操作錯誤,則當前操作得分為0,則操作總得分為前序橫線填充條狀的分數值。

圖5 銑工操作評估圖

把實訓交互設計的內容量化為評估圖,用不同的數值代表實訓過程中的實訓能力,將非量化的問題以評估圖的形式加以量化[14]。為使得實訓評估更為合理,優(yōu)化現有評估圖為評估量表,擬定實訓過程的操作量表,量表的兩端為極端的正確或錯誤操作,中間為中性答案。金工實訓評估因實訓過程僅有正確操作和錯誤操作兩種,無中性答案,根據評估量圖分別進行統(tǒng)計,取得的評價可以代表實訓者的實訓能力。因此根據銑工操作順序、交互設計和評估圖設計出來的評估量表如表4所示。在仿真實訓環(huán)境中未打開電源,評估量表評估為0,打開電源后則繼續(xù)進行后續(xù)實踐考核,實踐考核為流水線考核,需按照操作流程和順序依次進行操作并給予操作評價。表4中“×”代表操作錯誤,操作錯誤后則評估結束,可直接對應表中評價分數?！啊獭贝聿僮髡_,可進行下一步流水線考核。

同理,車床的評估量表設計標準從電源的開關、轉機的旋轉、物體工件雕刻與切割、鉆孔與挖鑿等方面進行設計。根據機械設備的評估量表將操作評估標準與評分規(guī)則三維交互化設計,為金工實訓評估仿真實現提供評估支持。

4 金工實訓評估仿真實踐

在機械設備與實訓場景的仿真環(huán)境中,設計實訓的交互和評估方法,通過三維碰撞檢測[15]和射線檢測范圍對應評估量表的操作。為方便多種使用環(huán)境,設計了PC端和VR端兩個用戶端,針對大型機械銑床、車床設備進行了外形仿真,將操作過程可視化為可交互式評估操作到實訓實踐中。評估仿真實踐需通過數據持久性[16]的方式將每一步操作進行記錄,評估完成后可通過數據調用了解過程中實訓操作出現的錯誤,進行引導性教學。

4.1 數據持久性

為實現引導性教學評估,設計了用戶登錄功能,此功能是為后期用戶操作數據的存儲與數據持久化保存設計的,操作數據包括正確操作的得分記錄和錯誤操作的扣分記錄。進入評估系統(tǒng)之后,選擇實驗機械設備,操作完成后,點擊“submit”進行提交,由后臺根據評估量表判斷操作是否合格,是否通過評估。PC端銑床操作評估初始界面如圖6所示。

圖6 銑床操作初始界面

每一步操作都需按照機械操作的評估量表進行操作,通過json文件的形式對用戶數據進行數據存儲,若用戶A是首次登錄系統(tǒng)進行仿真訓練評估,則創(chuàng)建A.json文件,用于記錄評估操作的時間和系統(tǒng)操作的日志、得分記錄等數據。若不是首次登錄可調用用戶之前操作的記錄,以便對此用戶進行更加個性化的操作引導,加強用戶對設備的了解和操作能力。

數據記錄時通過Import File對文件進行寫入,采用List的數據類型寫入一條條的操作記錄與評分情況。銑刀的旋轉停止速度、切割的數值等可以由鍵盤輸入,當用戶輸入數據時,通過射線檢測,VR手柄發(fā)射射線與UI中的某個區(qū)域發(fā)生交點的時候,會形成一個接觸區(qū)域,扣動扳機,執(zhí)行控制器的功能將工件動態(tài)的進行切割并顯示切割結果?！皊ubmit”之后此次操作記錄都存儲在了json文件中,系統(tǒng)會根據json文件的操作記錄數據與評估量表做對比,給出評估結果,通過json實現數據的持久化保存。VR端實訓評估界面如圖7所示。

圖7 銑床實訓評估界面

4.2 仿真評估實踐

通過數據持久性方法記錄用戶數據,為用戶提供個性化的操作指導,用戶在虛擬環(huán)境中滿分通過了操作評估才有真實實驗環(huán)境的準入資格。根據評估量表,當某一個步驟錯誤時即結束本次評估并展示錯誤操作的過程,期待學習者的改進與下一次實訓。表中操作正確為“√”,操作錯誤為“×”,后緊跟當前評估成績。表5列舉了不同用戶的銑床評估記錄。

表5 銑床評估記錄

為證實評估的有效性,將200位實驗樣本學生平均分為兩個組,第一組為未經過仿真評估直接上現場實驗環(huán)境的學生,第二組為經過VR仿真評估的學生。最后對兩個組學生的實地實驗效果進行考核,仿真評估與未參與仿真評估的學生金工實訓情況如圖8所示。

圖8 評估數據表現

橫軸為金工實訓的考核結果:優(yōu)、良、中、差,縱軸為兩個組中各考核結果的人數。數據調研表明,經過VR評估的學生能夠很好地認識到機械設備的各個組件,操作過程有一定的認知,對工件原材料的浪費減少,工件呈現效果較好,其中71%的學生拿到了考核優(yōu)秀。反之,未通過仿真評估的學生在實訓各方面都有一定的缺陷,僅有54%的學生拿到優(yōu)秀。

金工仿真評估能夠在一定程度上降低學生操作金工大型機械設備的安全隱患,有效提高實訓優(yōu)秀率和及格率,在三維虛擬環(huán)境中提前熟悉金工實訓設備,通過仿真實訓的形式鞏固實訓實踐,提高實踐教學的效率,突破實訓實踐時間和空間的限制,不斷評估與糾錯可加深實踐印象。

5 結束語

該文基于VR技術對金工實訓的銑床和車床進行操作評估與仿真,工作開展過程中經過了多次實地調研與專業(yè)咨詢,采集了圖像數據、評估數據、專業(yè)教學數據等數據。依托這些數據,通過多種建模手段構建了機械設備和實訓場地的三維可視化模型,通過貼圖、硬件渲染、軟件渲染等形式完善設備的真實性構建,以此給評估仿真提供三維模擬環(huán)境的數據支持。將真實金工實習實訓過程的操作評分標準以評估量表的形式可視化到仿真評估系統(tǒng),設計交互與VR仿真評估。通過VR虛擬仿真實驗操作評估實現金工實訓評估仿真的真實感、沉浸感、提高真實環(huán)境操作的安全性、節(jié)約金工耗材,一定程度上提高學生的動手能力,對設備操作的實驗效果在虛擬環(huán)境中進行驗證,能有效地提升金工實訓效果。在教育部倡導的四新教育背景下,實驗“VR+”的應用與研究,為工科教學模擬提供一種仿真評估的實踐參考,持續(xù)探究更多應用的可行性。