船舶分油机虚拟拆装3D交互系统的设计与制作
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摘 要：在互联网+教育的不断融合下，为改善高校实训教学条件，研究基于3DS max软件对船舶分油机各零部件的三维建模，再利用仿真软件进行配置与渲染，制作船舶分油机虚拟拆装3d交互系统。既能增强学习的直观性、趣味性和互动性，又能节省教学资源，提高学习效率。
引言
随着虚拟现实技术的发展，在互联网+教育的不断融合下，为改善高校实训教学条件、改革教学方法、更新实训教学内容、提高实训教学水平，把3D虚拟仿真技术引入实训教学已成为一种趋势。船舶分油机虚拟拆装3D交互系统突破了原有课程实训的界限，不仅节约了教学成本，还增加了教学设计性、趣味性及创新性，同时也激发了学生的创新思维与兴趣。虚拟仿真的3D交互系统为学生独立自主地进行学习分油机的拆装创造了良好的条件，也有利于培养学生的实际应用能力和综合素质。
1 现状分析
（1）国外研究现状：虚拟现实技术最早是由美国VPL公司Jaron Lanier提出，并逐渐被用于各领域研究。美国对虚拟现实的研究主要集中在感知，应用软件和硬件等方面。美国宇航局（NASA）利用虚拟现实技术实现对空间站的实时仿真，并且建立了卫星维护训练系统和空间站训练系统。目前他们正在打造数百颗虚拟行星，代表在遥远的星系内围绕恒星运行的天体，到太阳系外寻找类似地球的行星。这些虚拟行星将被用软件“播下”生命的种子，历经千万年演绎进化后，研究生命的发展轨迹。北卡罗来纳大学（UNC）在分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等方面取得较大成就，并且开发出帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做像素飞机（Pixel planes）。美国布法罗大学虚拟现实实验室研制成功青蛙解剖软件，只需点击鼠标，实验员就可“拿起手术刀”剖开青蛙的皮肤看到其内部器官，随时通过内视镜观察青蛙的消化道，或细致的研究神经和血管。英国、法国、日本等国家大学在虚拟现实技术的实用性研究与开发中也取得了很大的成果。（2）国内研究现状：21世纪初期，我国航海类高等高校大学生也开始了对虚拟现实技术进行研究并且取得了成果，但是仍然跟欧美国家有一定的差距。目前，我国航海类高等学校的大学生根据自身特点和条件，在一系列相关的虚拟现实方面主要取得了以下方面的成就：大连海事大学、上海海事大学、集美大学等航海类高等院校都根据自身优势，将虚拟现实技术应用到轮机模拟器研究中去，实现了学员通过电脑虚拟环境对机舱的设备进行操作，大大提高了学习效率，但以上研究大多是在2D环境下进行。综上，目前国内外关于船舶仿真系统的研究较多，但大多局限于设备原理和操作过程的演示，比较缺乏拆装交互性研究。因此，通过船舶分油机虚拟拆装3D交互系统的设计与制作，将有助于高职航海类学生交互和泛在学习，进而提高学习效果。
2 研究意义
本项目主要突出应用研究，良好交互和真实的用户视觉体验，能够使学习者具有沉浸感、有助于启发参与构思，是对学习方法与学习手段更新的一种尝试。该系统不仅能充分展示船舶分油机复杂的拆装过程，又能够节省教学资源，满互性、实时性和实用性，提高学习效率。具体体现在以下几个方面：（1）实效性：该交互系统克服了传统的实操受到时间和空间上的制约，学生可以在课后随时随地进行实操训练。（2）安全性：使用船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统，可以安全地进行实际操作中无法进行的故障和突发事件的训练，而不会对设备造成损坏，也不会对人员构成危险。（3）实时性：随着船舶分油机的更新换代，利用该交互系统只需要更改模型或者重新编写代码即可，节约了设备更新的费用。（4）趣味性：船舶分油机虚拟拆装3D交互系统的学习环境，很多时候更像是在玩游戏，具有一定的趣味性，提高了学习的兴趣，促进了学生创新能力的培养。（5）新颖性：船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统改变了传统的实操课的学习模式，推动了学习模式向着信息化的方向发展。
3 研究内容及过程
以当前船舶主流分油机类型为研究对象，根据船舶实际操作，开发可用于实际学习的船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统。其主要研究内容如下：（1）数据采集：分油机的模型要以用户视觉体验的沉浸感为目标，包括模型的材质、贴图等方面，都必须基于真实的物体，才能达到预期目标。由于课题组成员无法去船上参观具体设备，因此必须采集相关的影像或者图片资料。数据采集也是课题研究的基础所在。（2）虚拟场景搭建：本课题中的研究对象是船用分油机，按照实际资料搭建出模型，先进行区域划分，再以各区域为单位进行建模，最后再将各部分模型进行整合。在最接近真实物体的前提下，研究出面数最优的建模方法，以减少系统的消耗。（3）贴图及场景优化：贴图处理的目标是用最小的贴图尺寸显示最多的内容，本课题采用最小化贴图尺寸、提高贴图重用度和光影烘焙的方式进行贴图优化，在控制贴图尺寸的同时保证了贴图表现内容的视觉效果。（4）虚拟3D交互功能：虚拟交互功能是本课题研究的一个重要部分。在完成搭建虚拟场景的基础上，实现了虚拟场景中的多视角漫游和碰撞检测功能。基于界面的交互，不仅完成了现实世界中的人对系统的控制，也将虚拟世界中的相关信息准确地反映出来，实现了人机界面的交互。通过键盘按键控制虚拟角色的运动和摄像机视点的转换使得对虚拟世界的观察更为自由。（5）使用效果评价：在具体的教学过程中进行试用，对系统进行评价，并对发现的问题进行改进。
主要研究过程如图1所示：
4 结束语
通过对“船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统”的设计与开发，加入了交互环节，并且以三维立体的形式全方位展示设备，最大程度上真实地模拟了分油机。良好交互和真实的用户视觉体验，能够使学习者具有沉浸感、有助于启发参与构思，是对学习方法与学习手段创新的一种尝试，不仅能够解决以往理论学习和实践学习脱节的问题，改善学习中许多难以到位或根本学不到位的弊端。而且节省教学资源，满互性、实用性和趣味性，提高学习效能。
参考文献
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[4]张其亮.翻转课堂在操作系统实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2014（12）：173-176.
作者简介：张帅（1995-），男，高职学生，研究方向为虚拟仿真技术。
梁恩胜（1980-），男，硕士，讲师，研究方向为轮机工程。