基于Virtools的虚拟仿真客户培训系统的设计与研究

华 艳

（无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153）

1. 引言

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。

Virtools是一款具有互动行为模块的3D实时虚拟实景编辑软件。在Virtools虚拟环境中开发人员只需拖拽行为模块对模块进行搭建便可组成丰富的互动作品，目前在很多领域得到广泛应用，比如：媒体、网络游戏、教育培训和仿真产品等。

2. 国内外研究现状

虚拟现实技术已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节中，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。

荷兰、德国、英国、日本等国家在虚拟现实技术应用方面发展极为迅速，特别在工业、商业、教育等领域中应用较多，发展较快。在工业设计领域，虚拟现实技术主要应用于产品外形设计、虚拟装配、产品加工过程仿真、设备管理等。

许多机械制造类企业对虚拟现实方面的仿真系统需求较大，利用虚拟现实技术对机械加工、装配过程进行虚拟仿真，可以优化生产流程、降低成本和时间；利用虚拟现实进行员工技术实训，可以减少操作失误，降低企业风险；利用虚拟现实技术进行客户售后服务，可以节约企业运营成本，提高销售质量。

经调查与分析，目前很多国内的机械制造企业在利用虚拟现实技术对客户培训的方面是一个空白，却又十分迫切需要。但是如果只是企业自行研发，没有一定的技术支撑，实现较为困难。因此，笔者所在的学校与某汽车企业（因保密需要，在下文均以某汽车企业字样出现）合作，利用虚拟现实技术为其开发客户仿真培训系统有很大的实用性。另外，笔者在调研中还发现，很多其他的机械类企业在虚拟仿真方面的需求也很大，因此基于Virtools的虚拟现实技术有很大的发展前景。

3. 虚拟仿真客户培训系统的设计与研究

虚拟仿真客户培训系统的设计主要以Virtools、3D、Pro/E等软件作为技术支撑，为以某汽车制造企业培训科提供的客户培训方案为依托，开发一个虚拟现实客户服务平台，应用到汽车发动机分解与装配、简单故障排除的培训上，使其客户培训产生新模式，而学校、教师也能借助此项目的开发研究大大提高科研能力和学术水平，达到双赢的效果。

3.1 虚拟现实技术的研究及系统整体架构研究

对虚拟现实技术进行研究和了解，研究虚拟现实技术发展的国内外现状，以及调查汽车企业在虚拟仿真培训方面的需求等，进行大量的材料分析和对比，形成虚拟仿真客户培训系统的设计流程与系统的整体架构。

图1 系统总体设计流程

图2 系统总体架构

3.2 三维建模技术的分析与应用研究

虚拟现实技术离不开三维模型，但是Virtools本身不具有建模功能，故需要选择合适的建模工具。本系统研究对象为发动机，发动机零件数量庞大，是一个复杂的零部件机构，故采用Pro/E对其进行建模，这样会使建模速度和模型的精确度提高。但是由于这种建模软件无法直接导入Virtools，故需要由3ds Max作为中间传递者，模型在导入3ds Max后可以进行渲染和动作添加。这就将整个项目分解成几个独立的部分：几何建模、运动建模、对象行为的建模。

另外，为了保证系统在普通计算机上运行的实时性和高效性，建模时应在满足发动机装配与维修环境逼真的基础上，对模型简化技术，并利用各种修改方式来优化模型，减少大量的运算，又能提高图像的显示速度，从而体现出桌面式虚拟仿真培训系统的优越性。

3.3 基于Virtools技术的仿真培训系统开发与研究

设计和实现虚拟仿真交互功能是基于Virtools的三维虚拟场景开发的关键技术，本系统设计和实现的交互功能以及探讨的关键技术有：汽车发动机模型拆卸安装工具的选择、Virtools与数据库的通信及相互操作、视频资源的调用、三维虚拟系统的优化等。

在系统发布时可以生成采用Web浏览器和网络服务器架构的模式。这样，能让开发的系统方便使用，在进行客户培训时，可以进行远程培训，也可以进行桌面式实地培训。

①导入资源

在Virtools软件创建资源库“虚拟培训”，将需要的模型文件、纹理文件、视频文件等拷贝入“虚拟培训”资源库的相应分类文件夹中。这样有利于这些资源的归类与使用。

②创建灯光

将所需的发动机零部件导入Virtools场景中，此时零件显示黑色，需要在场景中加灯光。一般采用点光源，将灯光放在合适位置，使得场景中的模型正常显示，调整灯光的参数使模型光泽度适中。

③设置模型的材质

添加灯光后，模型仍旧没有金属材质的真实感，还需要创建金属材质，在参数设置中设定合适的材质颜色，调节零件模型的自发光程度，形成金属质感。

④碰撞检查

现实中机械零部件是实体部件，在装配与维修中会遇到各种碰撞，如果不加以检测，就会导致机械零部件相互穿透，使场景失去逼真性。要避免这种情况，可以利用Virtools内嵌的碰撞检测功能，为地面或桌面添加Floor(地面)属性，机械零部件添加属性Fixed Obstacle(固定障碍物)，脚本设计中添加行为模块Prevent collision(防止碰撞)或Object Slider(对象移动)，从而实现碰撞检测功能，使机械零部件之间不能相互穿透。

⑤交互设计

完成发动机的虚拟装配主要是对发动机零部件的三维模型进行三大操作：拾取、操作、释放，而操作部分主要是进行移动、旋转、缩放，这些功能主要通过鼠标和键盘实现。

3.4 设计并开发的虚拟仿真培训系统平台

依据某汽车制造企业培训科提供的需求报告分析，设计并开发的虚拟仿真培训系统平台，具体内容如下：

①提供发动机的仿真模型，客户可通过各种方式选择发动机各部件进行装配与分解实验。

②提供虚拟的发动机机械故障案例，为故障分析和排除提供完全仿真的场景，使客户能进行具有真实感的虚拟实验。

③能对用户在进行故障排除实验时进行正确性检测，让客户在整个实验过程中始终得到正确的引导。

④提供发动机各部件的拆装与故障排除实验的帮助性文档和视频演示过程。

⑤友好的用户界面，操作简单，有完备的帮助文档，客户在进行实验时操作方便。

⑥良好的交互性，能快速响应客户的操作，返回操作结果。

3.5 平台的测试与改进

对运用Virtools开发的虚拟培训平台进行实践测试，通过客户使用情况反馈分析，总结开发研究需要改进的地方。

为某汽车企业开发的虚拟仿真客户培训系统是针对实际的客户需求设计与开发的，因此需要大量的使用与测试，以保证开发的培训系统的技术正确性与实用性。只有通过大量反复的测试，才能发现系统中问题，并进一步完善系统。

4. 研究的价值

(1)某汽车企业是国家重点高新技术企业，为其开发基于Virtools虚拟培训系统，让使用者在远程终端或桌面式操作系统动手实践，使企业的客户实践培训更形象化、直观化、易于实现，为其他企业在这方面的发展引领了方向。

(2)对企业而言，开发的培训系统提供了一种新的与客户沟通的方式，节省了大量人力、物力，更有利于客户掌握新销售产品的性能与使用方法等，避免一些误操作时的损失，甚至开启了一种售后服务新模式，从而产生新的经济价值。

(3)对学校而言，能跳出教书育人的简单框架，为企业提供学术支撑，产生新的社会价值。

(4)对教师而言，将理论知识融入该系统的研究，获得了大量的实践经验，丰富了课堂教学的应用案例，教学水平会有新的提高。

5. 结语

基于Virtools的某汽车企业虚拟仿真客户培训系统能让培训客户观察三维的发动机模型，然后产生动作响应，能实现发动机维修培训环境的逼真效果，减少实际设备使用时产生的一些器材报废或经济损失，体现出桌面式虚拟培训系统的优越性。通过系统中交互模块的设定，使客户接受培训时全身心地投入到计算机所创建的发动机三维模拟装配与维修环境中，从而使培训客户产生实物维修装配的感觉，也充分体现虚拟现实三大特征：沉浸感，交互性和构想性。

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