秦彩寧 夏美藝 李恒賓 黃偉 青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

關(guān)健詞：VR技術(shù) 新能源 電動汽車 高職高專 教學(xué)改革

一、研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR，全稱“Virtual Reality”,是一種由計算機技術(shù)創(chuàng)造的虛擬新世界，它綜合了計算機圖形學(xué)、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學(xué)科，創(chuàng)造出一個逼真的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及教育、軍事、工業(yè)生產(chǎn)、藝術(shù)與娛樂、醫(yī)療、城市規(guī)劃、科學(xué)計算可視化等領(lǐng)域。VR技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于各種科學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先進特性使得該項技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)的模擬仿真研究中,并切實有效地指導(dǎo)了生產(chǎn)實踐。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不遠的將來就會應(yīng)用于社會生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域,它與網(wǎng)絡(luò)、多媒體將并稱為 21 世紀最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)。

在國內(nèi)，已有一些應(yīng)用，例如：基于激光VR視覺重構(gòu)和圖像修復(fù)，對已損古建筑進行三維重現(xiàn)技術(shù)，并采用該技術(shù)實現(xiàn)古建筑完整成像；將VR技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)購物，并提出利用VR+服裝網(wǎng)購方式讓消費者對服裝有更直觀的了解，從而提高消費者購物體驗；基于VR技術(shù)的船舶駕駛模擬仿真系統(tǒng)，通過船舶駕駛仿真系統(tǒng)不斷提高船員的操作水平；將VR技術(shù)與電影進行媒介融合一定會超越以往技術(shù)上的突破，為電影業(yè)帶來新一輪革命；針對電力高空作業(yè)人員由于視覺信息發(fā)生變化以及心理上的不合理信念，產(chǎn)生恐高的問題，提出將VR技術(shù)應(yīng)用于恐高癥的治療，以提高電網(wǎng)運行安全性等等。

VR技術(shù)現(xiàn)在已逐漸在課堂教學(xué)中應(yīng)用，汽車專業(yè)學(xué)生可以通過VR技術(shù)進行設(shè)計模擬、車身內(nèi)外飾體驗仿真以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、汽車零配件的裝配以及安全模擬等；旅游專業(yè)學(xué)生課堂教學(xué)通過引入VR技術(shù)能讓學(xué)生不用千里跋涉就可以更加身臨其境地欣賞世界各地的旅游景點及名聲古跡；機電專業(yè)學(xué)生可以通過VR技術(shù)認知了解某一三維物體的構(gòu)造。

在國外，VR技術(shù)與課程融合的案例有很多，如創(chuàng)新手術(shù)學(xué)習(xí)課程、3D解剖課程、電力變壓器操作課程、飛機維修技術(shù)的培訓(xùn)課程、自閉癥譜系障礙的培訓(xùn)課程、物流全球虛擬團隊教學(xué)工具等等。

研究分析目前國內(nèi)外應(yīng)用成果后，感覺還存在一些不足，理想的VR體驗需要融合人的所有感知，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺等。由于技術(shù)原因，目前大部分VR設(shè)備只包括視覺和聽覺，包括所有感知的VR短期內(nèi)還不能實現(xiàn)。

鑒于以上情況，在汽車專業(yè)教學(xué)中，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將汽車各零件的構(gòu)成、分解、檢驗、調(diào)整、拆卸以及裝配等結(jié)合在一起，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可使學(xué)生實訓(xùn)的培養(yǎng)時間有效地縮短, 減少教學(xué)實習(xí)場地與訓(xùn)練器材等所投入的費用，同時在很大程度上也使教師工作量得到了減少, 有利于最大經(jīng)濟效益以及社會效益的實現(xiàn)。

二、研究內(nèi)容和方案

隨著社會經(jīng)濟與信息技術(shù)的快速發(fā)展,市場需求對于汽車維修教學(xué)的要求也不斷增加和提 高,而如何培養(yǎng)高技術(shù)人才也成為了當(dāng)前汽車工程教學(xué)所研究的一個重要課題。在教學(xué)中,若缺乏相應(yīng)的實戰(zhàn)練習(xí),無法實現(xiàn)學(xué)生基本技能訓(xùn)練操作的提高；如果每個環(huán)節(jié)都采取實地練習(xí),勢必會加大教學(xué)成本,也沒有相應(yīng)的訓(xùn)練場地。因此，對于學(xué)校而言，解決教學(xué)和實訓(xùn)困難也是當(dāng)前面臨的一個主要難題。

1.研究內(nèi)容

根據(jù)課題中“VR+教育”在汽車教學(xué)方面的需求，用虛擬建模的方式，開發(fā)一套VR軟件，借助手柄、VR 頭盔等，實現(xiàn)用戶與虛擬物體的交互操作。包括汽車零件的拆卸、裝配等。因此在研究中擬解決兩個問題：

車內(nèi)某些機械零部件和電氣線路安裝的位置隱蔽，學(xué)習(xí)者對新能源電動汽車機械結(jié)構(gòu)和電氣組成的認知存在不確定性。

電能如何轉(zhuǎn)換、分配，電流如何流動、動力如何傳遞等抽象、難以理解的問題。

基于以上問題，首先擬在課程教學(xué)過程中引入VR技術(shù)，利用頭盔、手柄、油門踏板等裝置；其次，可讓體驗者按動或觸摸某個驅(qū)動裝置后，輔助裝置將發(fā)出信號，并以電路運行的模擬演示形式，讓體驗者感知該段線路或裝置的電路走向等。另外，增設(shè)聽覺功能，除有正常的啟動、剎車、行駛等聲音外，還可模擬風(fēng)、雨、雪等不同天氣狀況下的各種響聲，以增強體驗者安全駕駛的意識。

2.工作方案

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過對電動汽車在不同工況下動力傳遞的過程進行研究分析，結(jié)合課程的教學(xué)過程，利用專業(yè)虛擬現(xiàn)實編程軟件進行交互軟件系統(tǒng)的開發(fā)，至少可分為九個步驟：

(1）確定需求：首先確定汽車拆裝虛擬現(xiàn)實資源的需求，比如是整車的拆裝或者是汽車零部件的詳細拆裝等等。

(2）建立模型：根據(jù)所確定的汽車拆裝虛擬現(xiàn)實資源的需求，便可進行相應(yīng)模型的制作，如使用需求為汽車發(fā)動機的拆裝，則模型可制作成只含有發(fā)動機的汽車等。

(3）導(dǎo)入模型：模型建立完成后，將制作好的模型導(dǎo)入專業(yè)的虛擬現(xiàn)實編程軟件中，觀察是否有問題或無法導(dǎo)入等情況。

(4）搭建場景：汽車拆裝虛擬現(xiàn)實資源所需的模型均導(dǎo)入成功，則可進行虛擬現(xiàn)實場景的搭建，在專業(yè)的虛擬現(xiàn)實編程軟件中需要注意調(diào)整相機的位置、高度以及方向等參數(shù)。

(5）選擇終端：場景搭建完畢后，需進行最終使用終端的確定，如確定在HTC VIVE環(huán)境中進行汽車拆裝虛擬現(xiàn)實資源的使用，則需下載HTC VIVE相關(guān)SDK并針對起硬件結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，一旦確定終端后，其他終端無法共享使用。

(6）編寫功能：編寫代碼進行相關(guān)交互操作功能的編寫，例如想讓汽車的車門在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中可抓取，則需編寫相關(guān)代碼進行控制。

(7）運行測試：運行編寫好的程序，進行簡單的測試，保證程序的可靠性。

(8）發(fā)布原型：程序無問題后可進行發(fā)布使用。

(9）修改完善：發(fā)布的程序后如有更新、問題、不足等，需重新對程序進行修改、運行、發(fā)布操作，直至程序達到預(yù)期效果。

三、研究的創(chuàng)新點

1.學(xué)生與虛擬場景的虛擬交互體驗

采用精確的跟蹤系統(tǒng)，跟蹤精度高，跟蹤范圍廣，實現(xiàn)多人同時在虛擬場景中進行實時的交互體驗，打造全新虛擬體驗?zāi)Ｊ健W(xué)生與虛擬場景的交互借助交互硬件實現(xiàn)。如手柄、VR 頭盔等。當(dāng)學(xué)生做出自然生活中的動作，如轉(zhuǎn)頭、拾取、行進時，對應(yīng)功能區(qū)中特定的虛擬場景或虛擬物體應(yīng)識別人的動作, 并呈現(xiàn)符合邏輯規(guī)律的改變。

2.極強的沉浸感和真實感

采用具有真實感的實時渲染引擎，完全模擬真實場景，效果逼真，沉浸感強，真實感強。電路工作過程這一虛擬場景的交互及實現(xiàn)，將電動汽車在不同工況下動力傳遞過程用虛擬現(xiàn)實進行可視化，從而讓學(xué)生對電動汽車動力傳遞的過程有更為深刻地認識。