基于虚拟现实技术的技能培训系统开发与应用

陈 满 戴 钧

（湖北省科技信息研究院 湖北 武汉 ４３００７１）

摘 要：结合企业实际培训需求，提出基于虚拟现实技术的技能培训系统的总体设计。系统由虚拟场景和培训功能两大模块组成。该系统结合机电设备和培训信息数据建立培训、学习、考核可视化三维场景，实现了培训区域虚拟漫游，实时导航和设备操作交互控制的功能。系统的运用可以进一步提高企业对设备的保养维护能力、基础故障排查能力和检修能力，减少因设备错误使用及操作不当造成的损失。

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关键词 ：虚拟现实；培训；系统；交互式；开发

中图分类号：G434 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．14．０48

随着信息化技术的快速发展，越来越多的信息化技术被运用到实际生产中，促进了与制造业传统行业的深度融合，由此引发了数字化工厂概念的提出，构建信息化技术高度集成的技能培训系统已成为我国制造业信息化领域研究的热门课题。将虚拟现实技术运用于实际生产培训，开展构建技能培训系统的研究便是其中之一。

结合工厂技能培训的实际需求，明确工厂操作人员技能培训的实际难点和重点，研究开发出基于虚拟现实技术的数字化技能培训系统。并集成运用工业技术，开发出具有虚拟场景漫游、实时导航、操作信息展示、考核信息数据查询和实时监控等功能为一体的完整的数字化技能培训系统。实现了技能培训的可视化、实用化、智能化目标。

１ 虚拟现实技术

虚拟现实技术中的“现实”泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的。

２ 基于虚拟现实技术的技能培训系统总体设计

技能培训系统中的个性化模块设置，可以再现产品生产制造过程中的任一可视化有序步骤，如产品装配过程、产品加工过程等，需要人工装配的大型设备，前期的人员培训，可能仅有图片或者装配卡片形式的培训方式，不能在有效时间内对人员进行系统化的讲解，而三维虚拟技能培训系统中所嵌入的独立产品生产再现、设备操作模块，便能形象地对加工、装配、操作过程进行一个详细的再还原，对于参训人员的培训工作，起到了强有力的辅助甚至主导作用。

虚拟现实培训系统将实物通过虚拟现实技术仿真出来，只需一台电脑就可以完成设备操作、装配的培训工作，同时根据需求在技能培训中添加考核模块。这种方式即解决了企业培训场地缺乏的难题，也降低了培训过程中因误操作对设备的损坏风险。通过虚拟现实技术，模拟不同工艺段的运行原理及操作，可以针对员工所在的工艺段进行对应工艺段的培训学习。在该虚拟系统的支撑下，可以确保员工在了解不同工艺段的同时，培养故障诊断及基础检修的技能。通过虚拟仿真技术对设备的保养维护、基础故障排查、检修的培训系统，可以减少错误使用造成的损失。基础故障排查、检修培训可以减少售后维护部门上门维修的费用。

经过反复论证与研究，在充分调研的基础上，设计出的基于虚拟现实技术的技能培训系统总体结构（见图１）。该系统主要由虚拟展示模块和培训考核管理模块构成。虚拟展示模块的构建采用三维建模技术和虚拟现实技术构建虚拟环境，使用户拥有交互式体验；培训考核模块的建立依托于存储有培训过程信息、考核信息等基础数据和实时数据的数据库，并使用相关计算机技术等实现培训、学习与考核的可视化、智能化与实用化。

３ 系统中虚拟场景的构建

构建虚拟展示场景，是满足技能培训系统具备可视化功能的必要条件。逼真的高精度培训场景及设备模型并配备合适的场景驱动，是技能培训系统建设顺利进行的重点工作。

３．１ 建立培训场景三维模型

构建培训场景及设备三维模型的主要工作集中在三维模型数据采集与三维建模上，这是实现实景仿真及漫游的基础。在制作场景虚拟模型、虚拟展示场景模型的过程中，影像、图像信息的采集很重要。影像、图像采集的清晰程度和质量好坏，将直接影响制作出的模型的展示效果、模型制作的精细程度。

采集数据时，尽可能采集区域及设备的全貌，如果采集的环境不允许，可以分多个角度采集多张图像照片，尽最大可能把它的全貌准确地表现出来，这样建模时只通过几张照片就可以了解建模对象的整体面貌、所要表达的细节及重点。采集建模对象细节部分时，要具体到每个立面及细节特征。在采集细节及重点数据的时候，要根据物体等级的划分考虑需详细采集的区域及要建模的区域。

三维模型可以被划分为静态模型和动态模型。静态模型是静止不运动的模型，如培训场景等；动态模型是具有运动属性的实体模型，如各种设备等。静态模型与动态模型在建造的过程中，采取分离独立建模的原则。具体地说，以布置规划设计图，车间设备布置图等图纸资料为依据，建立真实坐标基础上的三维空间场景模型；其中动态模型以设备图纸等资料为参考。最终建立的培训场景及设备三维模型（见图２）。

３．２ 虚拟场景驱动

建好的三维模型是相对独立的，仅仅是实物三维尺寸的立体表述，尚未被激活，实现真正意义上的相互关联。要实现最终的漫游、导航及交互控制，就需要在实时场景驱动工具平台上进行开发，实现可以以任意角度对虚拟场景中的对象进行观察的功能。

技能培训系统中虚拟场景要给用户带来漫游观看、任意角度观看的感官体验，使客户获取身临其境的感觉。这就需要对虚拟场景进行驱动，该驱动是在ＶＲＰ三维互动仿真平台环境下实现的。ＶＲＰ即虚拟现实平台，是一款由中视典独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的虚拟现实软件。它支持自动漫游开发、手动漫游开发。漫游轨迹可以根据实际需要进行设置。同时支持更深层次的开发，扩展性好。

３．３ 实时导航系统

为了快速、精确地定位培训场景中的实体对象，就必须要引入一套实时导航系统。首先要设置规划导航图——导航图以二维区域设计及平面布置图、设备图纸资料等作为参照依据，设置精确度较高的Ｘ、Ｙ坐标，并同三维场景的Ｘ、Ｙ坐标绑定，使两套坐标成为唯一对应。当在实时导航图上点击某一个对象时，系统会自动捕捉到该对象的坐标，然后通过该坐标在三维场景中对应绑定的坐标，计算出对应的三维场景中的实际位置，然后将展示的漫游场景窗口漫游至该位置，实现实时导航的功能。实时导航系统（见图３）。

４ 培训系统应用

培训系统中的设备具有一定的真实感（见图4），以三维多功能激光加工机为例，该加工机操作面板被真实虚拟再现，培训中采用动态的实时交互操作方式。系统可以模拟再现设备操作时的多种常见故障现象，通过植入故障，观察故障现象，测试各相关部件的工作情况从而排除故障，提高参训人员设备保养、故障排查与检修的能力。培训系统交互式操作界面。

培训系统的应用模式（见图5）主要有以下三种：①讲解模式：通过文字、语音、动画、图片等多种途径讲解操作过程；②训练模式：通过文字、语音、错误提示等，按照要求完成操作流程；③考核模式：给定要求，通过自主操作，完成操作，并给予评分及点评。

５ 结语

构建完成后的基于虚拟现实技术的技能培训系统，通过稳定性测试后，可以按照企业所需格式，部署在企业内网，或输出为ｗｉｎｄｏｗｓ或者ｗｅｂ形式，独立使用或者上载至企业网站联网使用。多样化的格式及部署选择，可以丰富技能培训手段，提高培训效果，方便培训工作的开展。技能培训系统的运用可以进一步提高企业对设备的保养维护能力、基础故障排查能力、检修能力，提高人员的技能素质，降低设备维护检修成本，减少设备错误使用造成的损失。

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（责任编辑 要 毅）