基于VR技術的湘瓷工藝仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

*基金項目：2020年度湖南省教育廳一般資助科學研究項目“基于VR技術的湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)設計與開發(fā)”（20C0873）

作者簡介：康美林（1985—）,男，湖南衡東人，碩士，湖南科技職業(yè)學院教師，研究方向為系統(tǒng)架構設計、虛擬現(xiàn)實技術。

鄧卉（1981—），通訊作者，女，湖南長沙人，碩士，湖南科技職業(yè)學院軟件學院講師，研究方向為虛擬現(xiàn)實技術、藝術設計、職業(yè)教育。

0   引言

近幾年，湖南陶瓷產(chǎn)業(yè)人才供給不足，影響了市場化和產(chǎn)業(yè)化的進程^[1]，需要湘瓷設計與制作專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中能夠為湘瓷創(chuàng)新做出貢獻。雖然湖南省陶瓷設計與制作專業(yè)在教學實踐中使用了3ds MAX、Maya軟件、陶瓷體驗軟件等計算機輔助技術，但是存在真實感不強，缺乏交互操作，同時受制于嚴苛的制作環(huán)境和設備條件，在湘瓷拉坯過程中，學生們無法對泥料進行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，在陶瓷燒制階段，也不易看到燒制時的釉色變化，難以判斷陶瓷的燒制狀況^[2]。因此，亟待設計和實現(xiàn)一個基于VR 技術的湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)，不僅能夠在實訓過程中模擬現(xiàn)實交互操作，而且能夠提升交互感和實訓效率。

1   相關工作

在20 世紀80 年代，美國人拉尼爾指出虛擬現(xiàn)實技術包含計算機硬件技術、計算機軟件技術、計算機圖形技術、人工智能和傳感器等技術的最新研究成果^[3]。虛擬現(xiàn)實技術具有感知性、交互性、沉浸式的特點^[4-5]，VR 頭戴式顯示系統(tǒng)增強了視覺空間，有利于提高學生接受教育知識^[6]，基于虛擬現(xiàn)實技術應用的教學發(fā)展越來越多^[7]。文獻[8] 提出基于Unity 3D 平臺的二次開發(fā)技術和利用Web3D 技術結合數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)了陶瓷產(chǎn)品的三維虛擬展示系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外運用VR 技術實現(xiàn)陶瓷工藝數(shù)字化已取得相當數(shù)量的成果，但構建基于VR 技術的陶瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)還是一個空白。本文提出在陶瓷專業(yè)實訓教學中，通過構建一套基于虛擬現(xiàn)實技術的湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)，在教學實訓過程模擬傳統(tǒng)湘瓷工藝嚴苛的物理環(huán)境，提高學生交互操作的真實感，提升實訓教學的效率，幫助湘瓷設計與制作專業(yè)更好地培養(yǎng)人才。

在湘瓷工藝仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)中，選擇Autodesk 3dsMAX、Unity 3D 和VR 設備一體機PICO 為研究工具。Autodesk 3ds MAX 是美國Autodesk 公司開發(fā)的一款基于矢量技術的三維設計軟件，不僅可以制作出逼真的三維模型和動畫，而且在三維可視化動畫和多媒體游戲等領域應用廣泛。

Unity 3D 簡稱U3D，由Unity 公司創(chuàng)建的一個實時3D 互動平臺，U3D 提供了一套相對完備的解決方案，可以讓開發(fā)者在Unity3D 平臺上輕松的構建各種AR 和VR 作品，同時，U3D 項目支持跨平臺一鍵部署到游戲主機、PC、手機端、各種虛擬現(xiàn)實設備^[9-10]。近幾年，VR 硬件逐漸向小型化和移動化發(fā)展^[11]，VR 一體機PICO 通過手柄和頭顯能夠實現(xiàn)六自由度（6DOF）跟蹤，VR 技術的發(fā)展為學生提供了更為高度仿真的學習互動環(huán)境^[12-14]。

2   系統(tǒng)設計

2.1 功能分析

湘瓷工藝仿真系統(tǒng)的主要有六大功能：登錄功能、場景展示、漫游功能、湘瓷拉坯、陶瓷燒制、學情分析。

2.1.1 登錄功能。學生輸入自己正確的賬號和密碼進行校驗，通過校驗功能驗證后可以登錄仿真系統(tǒng)，登錄成功后系統(tǒng)會緩存用戶信息，在實訓操作過程中會可以記錄學生的學習操作情況；

2.1.2 場景展示。當佩戴VR 設備登錄成功后，學生可以感受到真實的陶瓷制作環(huán)境，處于身臨其境的感覺；

2.1.3 漫游功能。學生可以通過控制VR 設備手柄實現(xiàn)在虛擬窯爐環(huán)境中隨意移動、旋轉和漫游功能，可以沒有限制地全角度觀察陶瓷產(chǎn)品；

2.1.4 湘瓷拉坯。學生利用自身的手部運動交互操作模擬對泥料進行陳腐、踩煉、揉泥、拉制成型等一系列操作，實時修改陶瓷制作形狀。

2.1.5 陶瓷燒制。通過VR設備手柄交互式操作控制溫度，可以模擬溫度的升降，觀察溫度條變化值；可以觀察陶瓷燒制過程中釉料成色的實時狀態(tài)變化，用相關參數(shù)值控制窯爐內(nèi)所燒制的陶瓷產(chǎn)品，準確把握陶瓷生產(chǎn)和研發(fā)中的各類問題并作出及時調整。

2.1.6 學情分析。通過采集學生的實訓日志操作記錄和課程實訓成績記錄，對比分析給實訓教學的個性化數(shù)據(jù)。

2.2 架構設計

除滿足主要功能需要外，系統(tǒng)設計還需要滿足一些非功能性需求：操作界面的友好性^[15]、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性^[16]和數(shù)據(jù)信息的安全性^[17]。針對湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)設計的交互目標如圖1 所示，設計一個湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)框架，架構整體包含3 層：展示層、服務接口層、數(shù)據(jù)持久層。

圖1 湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)架構

展示層使用的技術棧包含3D 模型文件、Unity3D引擎組件和VR 設備渲染組件等，為場景展示和人機交互提供多維態(tài)圖形展示；服務層包含控制層（Controller）、服務層（Service）和數(shù)據(jù)持久層，控制層提供Rest 服務接口，展示層可以調用控制層的接口服務，服務層主要處理業(yè)務邏輯，控制事務管理，確保事務一致性；數(shù)據(jù)持久層為平臺提供實體引擎，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫實體對象進行交互。數(shù)據(jù)層使用SqlServer 數(shù)據(jù)庫存儲信息信息，存儲用戶信息、用戶操作、用戶成績；緩存服務使用Redis 組件，緩存用戶的登錄信息，系統(tǒng)日志采集使用Logback 組件，記錄用戶操作日志，進而為個性化分析提供數(shù)據(jù)。

3   系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)選取VR 設備一體機PICO 為展示載體，學生通過佩戴和操作VR 設備實現(xiàn)實訓過程的學習。

3.1 模型設計與制作

通過調研長沙窯的結構，基于數(shù)字化方式采集和設計長沙窯原型，運用3ds MAX 三維軟件設計制作出三維虛擬窯爐的空間模型。實地考察主要物體對象的三個基本視圖：主視圖、俯視圖和左視圖的尺寸，拍照記錄材質，利用3ds MAX 三維建模技術對主要場景對象按尺寸大小比例進行建模，利用三維軟件給對象設置材質。在系統(tǒng)模型設計中，主要三維模型對象包含窯、瓷器、建筑物、地形、樹、船等元素。在模型制作過程中，盡量基于標準幾何物體設計模型。在實現(xiàn)窯、船這類大模型的過程中，采用多邊形編輯技術，面數(shù)涉及多，將消耗較大的計算機渲染資源，為了降低系統(tǒng)資源開銷，同時又確保模型的精確程度和高保真效果，實現(xiàn)過程中合理降低和刪除模型的不可見面數(shù)。

為了能夠體現(xiàn)物體對象的真實色彩和凹凸真實感，給模型對象設置適量的材質貼圖，設置法線體現(xiàn)模型的凹凸真實感。最后，將3D MAX 制作的模型文件和材質貼圖文件一起打包導出放在同一個目錄文件下，模型文件的擴展名設置為fbx 格式，以便于適應Unity 外部資源格式要求。

3.2 場景制作

本系統(tǒng)采用Unity 2020 版本創(chuàng)建項目和場景，新建的項目需要設置Graphics API，由于PICO 設備不支持Vulkan，僅支持OpenGLES2 和OpenGLES3，因此需選擇合適的多線程渲染模式。

在新建的陶瓷燒制場景中，主要設計3 個區(qū)域：制胚區(qū)、燒制區(qū)和廢料區(qū)。首先需要將模型設計與制作環(huán)節(jié)中的fbx 格式外部資源文件夾作為外部資源導入到Unity3D 引擎相應的文件夾中，確保分類一致性，然后在場景中拖拽資源對象到場景視圖，在檢視窗口調整地形、建筑物、窯、船、海、樹等對象的位置、旋轉和大小，完成三個區(qū)域的布局開發(fā)，最后給模型調整設置好材質貼圖，陶瓷燒制場景如圖2 所示。

圖2 陶瓷燒制場景圖

在場景開發(fā)過程中，可以利用粒子系統(tǒng)模擬火焰效果，設置動態(tài)視覺效果，設置相關參數(shù)進行優(yōu)化，也可以利用引擎自身的組件構建場景，比如使用Unity UI 組件中的Image 組件、Text 組件、InputField 組件、Button按鈕等組件，通過設置組件參數(shù)，調整組件的位置，搭建登錄場景。利用動態(tài)管理多場景技術對場景進行開發(fā)和優(yōu)化，提升場景之間的切換性能和效果。

3.3 交互功能

Unity 框架提供一套API 類庫和事件系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本信息數(shù)據(jù)以結構化形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，編寫c#腳本實現(xiàn)調用VR 設備的SDK 接口控制人機交互。用戶登錄系統(tǒng)時，用戶輸入賬號和密碼，點擊登錄按鈕，系統(tǒng)需要通過監(jiān)聽事件系統(tǒng)獲取到UI 輸入框和交互按鈕的變化事件，再回調函數(shù)中擴展功能，通過編寫腳本事件訪問數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫用戶信息進行對比校驗，驗證用戶是否合法，認證成功，通過編寫場景加載方法切換進入主場景，同時用戶認證的信息寫入緩存系統(tǒng)。在實現(xiàn)漫游功能時，給空對象設置角色控制器、剛體組件，添加攝像機組件，通過編寫腳本擴展組件，實現(xiàn)控制角色控制器的前、后、左、右移動功能。針對模擬現(xiàn)實生活中人物不能穿透建筑物等功能，使用Unity引擎的碰撞組件，給模型對象設置Mesh Colider 等組件就能夠實現(xiàn)碰撞檢測和觸發(fā)檢測功能。通過編寫腳本組件控制Unity3D 音頻的播放和關閉、音頻音量的大小變化，為場景增加聲效。

在實現(xiàn)湘瓷拉坯功能中，基于VR 設備的SDK 編寫交互設計，通過交互腳本獲取VR 設備的動作變化實現(xiàn)對泥料的操作。在陶瓷燒制功能實現(xiàn)中，交互腳本擴展組件實現(xiàn)溫度的升高或降低變化，同時溫度條的紅條數(shù)值發(fā)生變化，火焰粒子的大小也跟隨變化，當溫度或時間達到一定閾值時，燒制時的釉色將會發(fā)生變化，學生容易判斷陶瓷的燒制狀況。

在實現(xiàn)學情分析功能中，學生的功能操作記錄都通過編寫的框架腳本組件記錄保存寫入數(shù)據(jù)庫表中，實訓操作成績寫入成績表中，學生的日志操作通過Logback組件記錄到文本文件，通過結合用戶信息和操作信息，生成實訓教學的提供個性化報告數(shù)據(jù)。

3.4 交互優(yōu)化

Unity 提供了動態(tài)碰撞檢測、觸發(fā)檢測和射線檢測3種檢查方式，本系統(tǒng)針對三維空間的溫度控制采用射線檢測和碰撞檢測兩種方式先后判斷是否命中目標系統(tǒng)測試，最后在系統(tǒng)實現(xiàn)中采用優(yōu)化射線檢測的方式，其中假定Origin 是射線的源點，Direct 代表射線的方向，射線可表示為P(t)=Origin + t * Direct，射線碰撞檢測實現(xiàn)如下：

4   應用分析

將應用部署到VR 設備，學生們帶上VR 設備一體機實現(xiàn)人機交互控制的陶瓷燒造工藝流程。本文對原陶瓷體驗軟件和VR 湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)進行對比分析，對班級30 位同學采用問卷調查，統(tǒng)計其對實訓體驗和時間效率的滿意度評分，采用百分比值，結果取平均值，評價結果如表1 所示。

表1 滿意度平均分對比

從表1 可見，學生們對于湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的滿意度明顯高于原陶瓷體驗軟件。

本文另外對湘瓷工業(yè)仿真系統(tǒng)的碰撞檢測與優(yōu)化射線檢查兩種方法在時間和交互成功次數(shù)上進行比較，每個算法選取10 組用戶，操作交互功能10 次，時間的結果取平均值，實驗結果如表2，成功率結果取百分比值，實驗結果如表2 所示。

表2 交互時間對比

表3 交互成功率對比

從表2 可見，優(yōu)化射線檢測的交互速度明顯快于碰撞檢測，能夠進一步的提高交互效率。從表3 可見，優(yōu)化射線檢測的交互穩(wěn)定性優(yōu)于碰撞檢測。通過上述實驗對比分析，可見本系統(tǒng)優(yōu)于原陶瓷體驗軟件，本系統(tǒng)選擇的優(yōu)化射線檢測優(yōu)化提高了交互效率和質量。

5   結束語

本文對湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)的VR技術進行研究，設計一個湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)架構，對系統(tǒng)進行設計與實現(xiàn)，最后將湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)部署到VR 一體機PICO 設備上。湘瓷工藝仿真實訓系統(tǒng)模擬了湘瓷工藝嚴苛的物理環(huán)境，具有沉浸感，交互效率高，提高了實訓教學的效率。

參考文獻：

[1] 余嵐.淺談湘瓷產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)[J].藝術科技,2016(11):51.

[2] 何東平.VR陶瓷燒造仿真技術創(chuàng)新探索——論虛擬現(xiàn)實在傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝中的作用[J].河南科技.2019(22):11-14.

[3] 喻曉和.虛擬現(xiàn)實技術基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2015.

[4] 謝晶妮,張茂軍.虛擬現(xiàn)實發(fā)展趨勢展望[J].Computer Engineer,2002(7):1-2.

[5] 陳璟.虛擬現(xiàn)實技術在基礎教育中的應用及對策分析[J].普洱學院學報,2020(6):130-132.

[6] CAI S,HE Y,CUI H,et al.Effectiveness of three-dimensional printed and virtual reality models in learning the morphology of craniovertebral junction deformities: a multicentre,randomised controlled study[J].BMJ Open,2020,10(9):e036853.

[7] 趙靜,孟沌超,王其歡,等.基于虛擬現(xiàn)實的青貯玉米飼料化模擬系統(tǒng)仿真[J].計算機應用,2019,39(S2):211-215.

[8] 朱欣娟,吳雪,李濟,等.個性化定制產(chǎn)品虛擬展示技術及實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展,2017(6):165-168.

[9] 高全力,陳銘,高嶺,等.基于虛擬現(xiàn)實技術的知識樹系統(tǒng)仿真設計與實現(xiàn)[J].西安工程大學學報,2021(3):93-99.

[10] 伍雙.面向虛擬教育的 VR 內(nèi)容制作系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].廣州:廣東技術師范大學,2019.

[11] 趙曉松.基于Untiy3D的可視化虛擬仿真實驗平臺的設計與開發(fā)[D].西安:西安電子科技大學,2017.

[12] 邵偉,李曄.Unity VR虛擬現(xiàn)實完全自學教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019.

[13] 孟小冬.大數(shù)據(jù)背景下鏈路網(wǎng)絡敏感數(shù)據(jù)防竊取方法[J].西安工程大學學報,2019,33(2):212-217.

[14] 郭巍,武平,蘇穎,等.基于虛擬現(xiàn)實的實時貼圖在環(huán)境修復的研究[J].電子設計工程,2018,26(14):10-13

[15] 劉川.用戶界面友好與應用程序設計[J].計算機產(chǎn)品與流通,2018(4):136-136.

[16] 張軍.穩(wěn)定性平臺:系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障者[J].程序員,2014(1):75-77.

[17] 朱艷龍.移動終端網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息安全性檢測仿真[J].計算機仿真,2018,35(5):418-421.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）