vr虚拟仿真实验系统的设计与开发

1、vr 虚拟仿真实验系统的设计与开发摘要：随着 VR 技术的日益成熟，其应用领域也越来越广泛，特别是在教育领域的使用， 有效提升了实践教学效果。结合 VR 技术的特点和在课堂教学中的应用原理，依照事故 管理与应急处置课程的内容体系和实验部分知识，设计和开发课程的 VR 虚拟仿真实验 系统。系统采用界面友好、功能强大的 3D 场景编辑器软件 Unity 3D 等，设计出了具有良 好交互性和操作性强的可视化人机交互界面，为实验实训课程教学提供了一个自主共享便 捷的 3D 虚拟学习系统。让师生在基于 VR 虚拟技术的实验仿真环境中进行操作，实时记录 教师的教学行为和学生的学习过程，及时反馈学生对于虚拟

2、仿真实验系统的意见和建议， 优化实验教学方案和系统功能，提高教学质量。0 引言安全技术与管理专业的一些典型课程，例如事故管理与应急处置，由于课程教学内容 中涉及到的实践环节比较多，其中“氯气泄漏事故处置”“防毒面具的使用”“中毒和窒 息的应急救治”等需要学生操作实际的实验设备进行学习，但由于安全实验类设备价格比 较昂贵和存在操作安全隐患等诸多因素，使得课程的实践教学达不到预期的良好效果。而 在教学过程中，实践教学的作用是不可替代和忽视的，故而探索与实践基于 VR(Virtual Reality，虚拟现实）技术的虚拟仿真系统是非常有必要和具有推广价值的。利用 VR 技术设计与开发虚拟仿真实验系统

3、，可以通过虚拟的环境让学生获得更加直观、 更加便捷、更加真实、更加容易接受的一种新型实践教学模式。VR 技术可以将操作过程繁 杂的实验实训环节，直观清晰地展示到学生眼前。学生可以在 VR 虚拟仿真系统中进行各 种事故应急处置方法与具体防护操作，就如同在真实的实验设备上操作一样，立体直观地 展现出各种事故发生的场景，使教学过程更加丰富多样和便捷灵活，增强了教学的生动性 和学习效果。1 VR 虚拟仿真实验系统概述及开发技术简介1.1 虚拟仿真实验系统概述在进行事故管理与应急处置课程的实践教学时，由于实验材料的特殊性、实验设备数 量的缺乏、成人学生学习时间的限制等诸多因素，不能对每一个实验集中安排足

4、够的课时 进行教学，也很难让每一个学生自己进行操作。为此，以事故管理与应急处置课程的 核心实验内容和实际实验平台为原型，开发 VR 虚拟实验仿真系统，可以结合课程实验教 学大纲的要求，真实再现事故发生的场景，模拟各类典型事故发生与演变过程、事故控制方法及结果，学习相关安全设备的正确使用方法，为学习者在 VR 眼镜等设备上提供执行 各项应急任务的虚拟环境，通过人机交互式的学习模式，学习者可以将自身置于各种复杂、 突发环境中，从而得到针对性的训练，提高学习者对事故危险性及救援过程的认识。下文以事故管理与应急处置中的“氯气泄漏事故处置”实验为例，说明 VR 虚拟仿真 实验系统实现的功能和实现方法，通

5、过三维仿真技术及虚拟现实技术全方位地模拟氯气储 罐泄漏后的真实现场环境，使学习者对氯气的理化性质、氯气储罐的结构和外观、现实中 氯气泄漏事故处置后的环境有更加深刻的认识和理解。通过人机交互式的学习模式，使学 习者在演练学习中能够自主选择相应的事故控制方法对氯气泄漏事故进行处置，并给出相 应的结果，从而向学习者展示氯气泄漏事故处置的不同演变过程。1.2 系统的开发技术简介VR 虚拟仿真实验系统需要具有良好的人机交互 UI 界面，搭建虚拟仿真系统的各个功能模 块并合理布局，能渲染场景面板中的虚拟景象，呈现完整的动画效果。因此本虚拟仿真实 验系统的开发涉及到的主要技术有三种，详见以下说明。1.2.1

6、 Unity 3D 介绍Unity 3D 是一款优秀的虚拟教学平台开发工具，有各种各样的操作面板，可以满足用户的 个性习惯而自行调整位置和大小。它能够面向多平台发布游戏或应用程序，包括 Windows、 Android 等系统。通过 Unity 3D 的人机交互设计功能，可以实现用户与应用软件之间的便 捷交互。Solid Works 软件功能强大，组件繁多，具有功能强大、易学易用和技术创新特点，能够 提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误、提高产品质量，并且操作简单方便。My SQL 是由瑞典 My SQL AB 公司开发，属于 Oracle 旗下产品，它的源代码是开放的，是 一种关系型数据

7、库管理系统（RDBMS）。它具有速度快、可靠性高和适应性强的特点。2 VR 虚拟仿真实验系统的总体结构设计2.1 系统的总体结构设计“氯气泄漏事故处置”VR 虚拟仿真实验系统可以容纳 30 个学生左右，以 6 人为一个小组 进行课堂教学，在实践教师的理论讲授和实践操作讲解下，使得理论与实践有机融合，增 强了学生的仿真体验感，训练了学生的动手操作能力，有效提升了学生的学习积极性。从 教学的操作层来看，系统的总体结构从上到下可以从三个层面进行，分别是用户操作层、 3D 虚拟场景层、实验数据存储层，如图 1 所示。2.1.1 用户操作层在用户操作层主要由参与 VR 实践操作的学生进行一系列操作动作，

8、例如，学生佩戴好 VR 眼镜进入课程后，根据相关语音提示，学生可以通过 VR 眼镜的触控板选定给出的 UI 或与 模拟场景中的人物、设备等进行交互性的操作，在安全生产办公室接收到来自液氯罐区厂 房的液氯泄漏报警信息，然后根据提示，选择配备相应的防护装备进入液氯泄漏区域，搜 寻厂房内中毒人员并采取相应急救措施等操作，所有操作结束后，学生可选择离开或者再 次学习。2.1.2 3D 虚拟场景层3D 虚拟场景层主要通过多个游戏对象实现一个一个的场景，其中游戏对象中包括 UI 界面 的设计，可以添加多个组件，例如渲染组件、物理组件、脚本组件、位置组件等。借助这 些组件改变游戏对象或者 UI 界面的外观；

9、借助着色器（Shader）可以给游戏对象实现更 加绚丽的渲染效果。渲染 UI 元素的画布和 UI 元素的事件系统一起控制 3D 虚拟场景 UI。 Unity 3D 中的 UI 元素有很多，例如文本（Text）控件、渲染（Rendering）组件、布局 （Layout）组件、音频/视频（Audio/Video）组件、导航（Navigation）组件等，这些控 件科学合理搭配就形成了交互性很强的 UI 界面。虚拟仿真实验系统的总体结构如图 1 所 示。2.1.3 实验数据存储层实验数据存储层主要实现学生操作过程中的行为数据，利用 My SQL 数据库，可以将学生 实验中的各种报告数据进行存储和信息

10、数据的测评，以便后期教师使用这些数据进行统计 与分析，及时改进和完善实验系统的功能和实践教学设计方案的内容。同时，利用 Solid Works 软件完成三维建模，导入到 Deep Exploration 之中，转化成 Unity 3D 可以识别和 支持的三维模型数据。2.2 系统的功能结构设计从以上“氯气泄漏事故处置”VR 虚拟仿真实验系统的总体结构图可以看出，本系统要顺利 运行，要有硬件环境的支撑和软件资源的配备，硬件环境主要解决虚拟仿真教学系统的显 示与交互问题，是支撑 VR 实践教学资源运行的硬件设备。软件资源主要解决师生之间教 与学的各种教学资源。结构图详见图 2。2.2.1 硬件系统

11、VR 虚拟仿真实验系统的硬件系统主要涉及到智慧教室的设备，有学习时观看 VR 资源的头盔或者眼镜、学生答题的 i Pad 或手机、展示测试结果的超短焦激光投影仪、电容式多点 触控电子白板、触控一体机等。在教学中，这些硬件设备的相互配合，使教师可以进行操 作步骤的演示与核心知识的讲解，学生可以自主进行实验的操作与习题的解答。2.2.2 软件系统VR 虚拟仿真实验系统的软件系统主要包括 VR 实践资源的教学内容，例如，设计和开发出 的 VR 实践教学资源、教师讲解实验实训核心知识的课件等，以及用于 VR 课堂教学的 Star C 软件，实现教师的备课与授课，可以云端展示相关的教学内容，实时发布课程

12、教学资源、 习题，收集学生的答题数据和学习反馈等信息。3 VR 虚拟仿真实验系统的实现方法“氯气泄漏事故处置”VR 虚拟仿真实验系统中共有几个核心的设计部分，其实现方法举例 说明如下。3.1 VR 虚拟实验系统的建模要实现逼真的实验教学环境，需要借助实际的实验设备和场景进行三维建模，使用 Solid Works 设计 VR 虚拟系统的三维建模，利用 Deep Exploration 转换文件格式，再导入到 Unity 3D 资源文件夹中。实现的效果图和关键代码如图 3 所示。实现的代码举例如下（部分）：3.2 对三维模型的渲染对导入的三维模型，利用 Unity 3D 软件的渲染模式（Rende

13、ring Mode）进行渲染，美化 呈现的效果。渲染工作包括：安全生产办公室内工作人员外观的渲染、防护装备（防化服、 胶靴、橡胶手套、正压自给式呼吸器）名称标注；液氯泄漏区域内液氯储罐的渲染、储罐 周边泄漏区域环境的渲染、中毒人员的渲染、螺纹木塞的渲染、稀碱喷淋装置的渲染；厂 房外风向标的渲染、周边人员的渲染、警戒标识的渲染。实现效果如图 4 所示。实现的代码举例如下（部分）：3.3 UI 界面的设计VR 虚拟仿真教学中，UI 的选定和人物、设备及物品的选定是通过眼镜显示界面中光标的 移动和 VR 眼镜上触控板的触压进行的。其中，UI 主要包括课程标题、防护装备名称和其 他设备或物品名称、应急或救援指令、题目选项、场景标识、结束提示。通过移动眼镜显示界面中的光标，使其与准备选择的 UI 相重合，然后触压 VR 眼镜边侧的触控板，即完成 UI 的选定操作。人物、设备及物品主要包括中毒人员、待疏散人群、液氯储罐、风向标、 螺纹木塞、稀碱喷淋装置，通过移动眼镜显示界面中的光标，使其与高亮的人物、设备及 物品相重合，然后触压 VR 眼镜边侧的触控板，即完成中毒人员的转移、厂房外人员的疏 散、液氯储罐泄漏处的堵塞、风向的确定、稀碱溶液的