关键字：虚拟现实；港口机械；Unity3D；沉浸感；交互

1 引言

近20年来，我国港口及港机设备飞速发展，对具备高素质、高技能的港口机械专业人才的培养提出了迫切的需求。目前北部湾港口建设犹如北部湾的浪潮一样，风起云涌，港口建设的迅猛发展，需要大量的港口机械技术人才[1]。较其他专业相比，港口机械专业具有设备种类繁多、港机设备结构复杂与教学实践性强等特点，这对教学模式与教学资源提出了更高的要求，然而目前的港机专业教学模式和实践条件过于落后，在帮助学生系统性认知全专业内容、激发学生学习兴趣、提供实习实践条件等方面存在严重不足。

虚拟现实技术是一种创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算进生成一种模拟环境，使得用户沉浸到该环境中[2]。在欧洲，英国在虚拟现实技术的研究与开发方面是领先的，英国非常重视虚拟现实技术在进行教育教学方面上的应用，在Newcastle-Upon-Type中学建立的教育虚拟现实技术工程是在英国的第一个，也久负盛誉。该工程以Dimension International技术为基础，并使用Dimension的虚拟现实技术软件包。国内各高校在许多相关领域都进行了一些课题研究。对这一技术研究具有很大促进作用的有北京航天航空大学（分布式飞行模拟的应用），浙江大学（建筑方面虚拟规划、虚拟设计的应用），哈尔滨工业大学（人机交互方面）都取得了较大的进展[3]。

在港口机械领域，目前有集装箱起重机驾驶仿真训练器的研究，塔式起重机操作及装拆虚拟现实系统的研究等，将虚拟现实与港口相结合，达到了更好的专业训练教学的目的[4-5]。

本文研究了虚拟现实技术在港口机械专业教育领域的应用。面向高校港口机械专业，构建港口虚拟环境和起重机模型，进行沉浸漫游开发，结合虚拟现实进行起重机制造工艺和构造教学，能够更好地进行港口机械专业的教学。

2 港口机械及环境的创建

2.1 建模技术

在整个虚拟港口系统的开发中，三维模型部分的工作占据开发的一个重大比例。三维模型的建立，是构造虚拟环境的基础，是所需要开发功能的载体。三维模型在开发过程中，需要解决实际物体外形与内部结构的研究、大场景布局研究、外形纹理贴图研究、模型简化技术研究、图片模型混合建模技术研究等关键问题。以下介绍模型分类架构、具体模型设计、Unity环境建立、港口布局设计、纹理贴图技术、模型优化技术和模型导入设置[6]。

2.2 模型分类架构

为了便于系统模型和场景建立、模型间尺寸匹配和场景与模型匹配，建立模型分类架构，对模型进行规划，场景进行构想。各建模人员统一单位尺寸，统一不同建模工具尺寸匹配。单体模型的良好规划，能够方便大量模型与场景集成时。模型分类架构图如图1所示。

2.3 起重机模型与环境建立

首先应用SolidWorks软件进行港口起重机的精确建模，再导入到3ds MAX软件中进行模型的UVW贴图处理与面片数优化，之后导入到Unity3D中进行天空、灯光、山地与树木的环境场景添加[7]。场景模型效果与鸟瞰视图如图2与图3所示。

3 虚拟现实系统

3.1 虚拟现实系统介绍

虚拟现实系统是基于Unity3D引擎进行开发的港口机械教学系统。借助虚拟现实头盔、手柄等硬件，在系统中，用户可以进行沉浸式漫游，交互操作等，仿佛身临其境一般地在港口环境中进行学习。

本项目旨在开发一套网络环境下基于C/S架构的港口起重机专业交互式虚拟教学及考核系统。该系统集教学、实训、考核于一体。用户登录该系统后，可使用第一人称在沉浸于虚拟的港口环境中任意行走，也可于鸟瞰视角下查看整个港口的布局；可以利用系统提供的导航地图与导航功能进行被动（教师引导模式）/主动（学生自主学习）漫游，引导用户熟悉港口环境和攀爬港口起重机设备；可以在车间了解起重机的构造组成，在港口现场交互式参与学习起重机的安装过程、各类起重机的作业流程与装卸工艺；学生可以在系统内参加考试，教师可以通过系统对学生考核结果进行智能评估，探测学生知识薄弱点，并在实际教学中有的放矢地进行薄弱知识点的补强。

3.2 系统架构设计

针对港口机械教育开发需要，应用Unity3D引擎，设计虚拟现实系统，率先完成整体架构设计。系统架构划分为功能界面层、逻辑计算层、数据层、平台支持层等四个层次，每个层次分为多个子模块，各个模块之间既相互独立，又相互关联。虚拟现实系统整体架构图如图4所示。

（1）功能界面层

功能界面层是系统管理员、教师、学生同系统进行交流互通的窗口，是实现系统功能操作的应用界面，不同的用户可以根据自身对系统功能的需要，开展用户管理、主/被动漫游、起重机交互式拆装、港口装卸工艺教学、实时通讯及考核智能评估等内容。

（2）逻辑计算层

根据用户与平台交互过程中的操作行为，在系统的后台进行物理引擎计算、可见性计算、动态加载、实时渲染等内容的逻辑计算[8]。

（3）数据层

在数据层中，存储了港机虚拟教学考核平台运行所需的三维模型场景数据、用户信息数据、考试题库数据与操作日志数据等所有数据信息。在用户与平台交互过程中，逻辑层根据用户操作指令需要，通过网络协同与C/S架构方式从数据层中进行需求数据的调取与使用[9]。

（4）平台支持层

平台支持层主要为系统提供了硬件、操作系统、网络环境、交互式外设等平台所必须的硬件与环境支持。

3.3 界面设计

系统用户分为普通用户与管理员用户两种权限，普通用户使用本教学系统需持系统管理员分配的用户信息才能登录并进行相应的学习操作，操作过程中自动记录用户的操作日志，用于进行教学统计分析。根据角色不同，普通用户可以分为教师角色和与学生角色两类，教师角色在系统中具有引导教学功能，可以在导航师徒中查看学生的位置及操作信息，学生角色只能查看自己的操作，完成的系统登录界面。登陆界面如图5所示。

用户登录之后可以进行不同视角漫游、起重机拆装教学、起重机制造教学和理论考试等。在不同视角漫游中，用户可以选择鸟瞰视角和第一人称视角；在起重机拆装教学中，用户可以利用虚拟现实硬件设备进行虚拟拆装；在起重机制造教学中，用户可以观看视频讲解，结合虚拟场景加深了解；在理论考试中，用户进行学科知识测评，由系统记录，反馈数据，有利于教师查看学习情况。虚拟场景操作界面如图6所示。

3.4 交互设计

虚拟现实系统根据教学内容，进行交互性开发。用户沉浸在虚拟环境中，可以在虚拟环境的界面中进行选择操作；可以触发起重机拆装交互；可以进行理论考试，系统对错误的部分进行评估反馈。其中漫游交互场景如图7所示，起重机拆装交互场景如图8所示。

4 前景与展望

结合港口机械专业特色，通过开发研制对应的虚拟现实软件平台，并借助沉浸式虚拟现实眼镜与交互设备，解决目前该专业授课形式单一枯燥与实习实践机会有限与滞后所引起的教学效果不佳等问题。实现交互式港口起重机虚拟现实教学与考核系统在教学中的应用，具有以下优势：

（1）能够建立主动式的学习新模式，教学趣味性好，激发学生学习兴趣

将虚拟现实技术应用到港口起重机的教学中，为学生营造“真实”的学习环境，将传统被动式的教学方式变为学生通过自身与环境的主动交互来获取知识、技能的新型学习方式。

（2）能够弥补学校教学条件与现有实习时间条件的不足

在虚拟现实教学系统中，学生可以“任意”攀爬起重机设备，“亲身”感受起重机构造、港口高处的风景等内容，获得与真实实习相同的体会，从而丰富感性认知，加深对教学内容的理解，弥补现有教学方式中实习机会缺失的不足。

（3）系统费用低廉，安全性好，重复性好，扩展性能优良

采用虚拟现实的教学方式，系统一旦开发成功，学生便可以不受时间、地点的限制，在具有网络的PC机上进行学习，费用低廉。系统具有良好的扩展性能，可根据起重机的发展，在系统中更新布置最前沿类型的起重机三维模型和数据信息。

在接下来的进展中，计划对系统软硬件联调开发、沉浸性开发、模型场景优化添加、功能开发进行进一步的研究探讨。沉浸性开发对计算机建模贴图技术提出了较高的要求，旨在建立接近真实的环境，涉及次世代3D美术开发；场景优化涉及LOD模型技术、动态加载和可见性计算等；功能开发涉及Unity3D的脚本开发。最后，系统可以应用于高校的港口机械和涉及港口专业的教学中，在教育领域具有较大的前景。

5 结语

虚拟现实技术作为科技发展的新兴技术，其有着巨大的开发前景。在教育领域中的应用，已经较为普遍，成为一种新的教育方式，提高了教学的趣味性与效率。而实现交互式虚拟教学技术在港口起重机专业中的应用，对于创新教学手段，改善现有教学方式、增强学生体验和教学自主性、提升学生学习效率具有重要意义。

参考文献

[1] 刘旭铭. 港口机械人才培养模式的探讨[J]. 广西农业机械化, 2012, 04:38-39.

[2]郑卫刚. 虚拟现实技术的应用——宇龙软件在数控加工的运用[J]. 智能机器人,2016(06):74-76.

[3] 李建荣, 孔素真. 虚拟现实技术在教育中的应用研究[J]. 实验室科学, 2014, 17(3):98-100.

[4] 刘刚. 基于虚拟现实的集装箱起重机驾驶仿真训练器研究[D]. 武汉理工大学, 2002.

[5] 吁鸣. 塔式起重机操作及装拆虚拟现实系统的研究[D]. 重庆大学, 2014.

[6] 优美缔软件(上海)有限公司. Unity 5.X从入门到精通[M]. 中国铁道出版社, 2015.

[7] 李益. 基于Unity3d的磨矿车间虚拟仿真系统[D]. 大连理工大学, 2014.

[8] 方沁. 基于Unity和3dmax的虚拟实验室三维建模设计与实现[D]. 北京邮电大学, 2015.

[9] 王超明. 基于Unity3D引擎的赛车手机游戏的设计与实现[D]. 北京交通大学, 2015.

[10]李玉珠，郑卫刚.浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设[J]. 网友世界2012（12）：56-58.

通讯作者

郑卫刚 （1967-） 男 技师，大学 研究方向：机电技术