廉靜靜，楊 曉

大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早于20 世紀(jì)80 年代提出，又稱為人工環(huán)境或靈境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通常由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬世界（環(huán)境），另一個部分為介入者（人），虛擬現(xiàn)實的核心是強調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬世界（環(huán)境） 的體驗[1]。早期虛擬現(xiàn)實技術(shù)大多集中在軍事仿真系統(tǒng)和航空航天應(yīng)用上，但由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成本太高，無法推廣普及。自20 世紀(jì)90 年代中期以后，隨著技術(shù)進步以及相關(guān)軟硬件產(chǎn)品性能提高和價格下降，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了全新局面，開始在科學(xué)計算可視化、建筑設(shè)計漫游、教育培訓(xùn)和娛樂等方面獲得富有成效的應(yīng)用。

近年來，我國教育部批準(zhǔn)了多個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心；2018 年教育部又公布了首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目[2]；2022 年教育部辦公廳公布了首批虛擬教研室建設(shè)試點名單[3]，一系列政策的實施，其目的是加強虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的建設(shè)，重視實驗教學(xué)信息化，持續(xù)提高實踐教學(xué)質(zhì)量，促進高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，注重人才培養(yǎng)，提升教育教學(xué)能力，使其充分運用信息技術(shù)，將現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，探索突破時空限制、形式多樣的教學(xué)模式，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性和探索發(fā)現(xiàn)以及解決科學(xué)問題的能力。

我國海事院校航海類專業(yè)的實驗實訓(xùn)是受國際公約規(guī)范的必需環(huán)節(jié)，由于海上船舶工作環(huán)境的特殊性，航海類專業(yè)的實驗實訓(xùn)項目涉及高?；驑O端環(huán)境、不可逆操作、高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況[4]，因此，航海教育十分重視學(xué)生實踐能力的培訓(xùn)，構(gòu)建以高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象為主的實驗教學(xué)方式是航海教育與培訓(xùn)的必然趨勢。航海儀器課程是航海技術(shù)專業(yè)的必修課程之一，航海儀器使用是航海儀器理論課程相對應(yīng)配套的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對航海實踐技能要求較高的航海專業(yè)課程，其中，船用陀螺羅經(jīng)的結(jié)構(gòu)組成和啟動開機關(guān)機操作過程，是航海儀器使用重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的船用陀螺羅經(jīng)設(shè)備比較昂貴，頻繁開關(guān)機器會減少設(shè)備使用壽命，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于船用陀螺羅經(jīng)實驗教學(xué)中，可有效解決該問題。

1 現(xiàn)有實驗課程存在的問題

船用陀螺羅經(jīng)是利用陀螺儀的特性[5]，在地球自轉(zhuǎn)運動的影響下，借助于力矩器使陀螺儀主軸自動地找北，并精確地跟蹤地理子午面的指向儀器?，F(xiàn)有航海儀器設(shè)備船用陀螺羅經(jīng)實驗課程主要存在真設(shè)備無法進行頻繁開關(guān)、真設(shè)備臺套數(shù)不足等問題。

1.1 真設(shè)備無法進行頻繁開關(guān)

船用陀螺羅經(jīng)正常穩(wěn)定時間大約4 個小時，即便有些船用陀螺羅經(jīng)可以快速啟動，但也需要1 個半小時，由于船用陀螺羅經(jīng)屬于貴重儀器設(shè)備，頻繁開機和關(guān)機對設(shè)備會造成損壞。每次上課對真設(shè)備進行講解時，只能開關(guān)機一次向?qū)W生講解開機和關(guān)機操作流程的注意事項。

1.2 真設(shè)備臺套數(shù)不足

實驗室里航海儀器船用陀螺羅經(jīng)每種型號的真設(shè)備每個房間一般只放置一臺，有些真設(shè)備包含操作單元，真設(shè)備開機后，學(xué)生可以在操作面板單元進行操作，但由于每次上課人數(shù)較多，并不能保證每名學(xué)生都在操作面板單元操作一遍。

1.3 船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法被看到

船舶陀螺羅經(jīng)的主羅經(jīng)是陀螺羅經(jīng)的重要組成部分，對于真設(shè)備，學(xué)生無法看到主羅經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以Sperry MK 37E 型為例，在航海儀器實驗室里，結(jié)合真設(shè)備講解實驗課程時，學(xué)生無法直觀看到主羅經(jīng)內(nèi)部的部件如液體連通器、叉形隨動環(huán)、方位隨動電機等。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計

2.1 場景建模

場景建模的質(zhì)量直接決定了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的真實感和實時性。目前常用的場景建模軟件有MultiGen Creator、3D Studio MAX、Maya、DWB 等，這幾種場景建模軟件各有優(yōu)劣。由于3D Studio MAX 軟件完全基于PC 平臺開發(fā)[6]，對硬件的要求相對較低，易于學(xué)習(xí)和掌握，被廣泛應(yīng)用于仿真、建筑、游戲、動畫等領(lǐng)域，在建模技術(shù)、環(huán)境控制、動畫設(shè)計、渲染輸出和后期制作方面日趨完善，內(nèi)部算法也改進了很多，極大提高了制作和渲染輸出過程的速度。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺選用3D Studio MAX 軟件對船用陀螺羅經(jīng)整套設(shè)備場景建模，包含主羅經(jīng)、電子控制箱、航向發(fā)送箱、分羅經(jīng)等，船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)內(nèi)部的陀螺球、液體連通器、叉形隨動環(huán)、阻尼重物、航向刻度盤、方位隨動電機等部件。

場景建模的真實感很大程度上依賴紋理來體現(xiàn)。紋理的處理可選用Adobe Photoshop 軟件完成，三維紋理貼圖可用DeepPaint 3D 輔助，燈光效果貼圖可用LightsScape 軟件。

為了場景建模軟件更加逼真，首先是場景建模素材收集，需要在實驗室里實地攝影和攝像，這樣可以對所建物體的形狀、顏色和外觀有真實的了解，拍攝的照片可處理成紋理后續(xù)使用，然后進行場景建模，此時需要設(shè)置建模軟件的單位、背景顏色和坐標(biāo)系，根據(jù)建模物體的信息如長、寬、高等建造三維幾何實體模型，設(shè)置模型的顏色、材質(zhì)、紋理和明暗等。

2.2 可視化過程

場景建模的可視化過程，需要視景驅(qū)動引擎，目前視景驅(qū)動引擎主要有OpenGVS、VTree、Vega、OSG、Unity3D 等，對這些視景驅(qū)動引擎進行了比較，各有優(yōu)劣，例如OSG 是開源的，基于OSG 的三維仿真應(yīng)用，效果不亞于商業(yè)軟件，但是技術(shù)要求較高；OpenGVS 是Quantum3D公司的產(chǎn)品，具有良好的模塊性，但不支持GPU編程。

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的視景驅(qū)動引擎選用Unity3D 軟件[7]，該軟件支持多平臺，支持3d Studio MAX、Maya、Blender 等主流的三維格式，貼圖材質(zhì)可以自動轉(zhuǎn)換為U3D 格式，支持C#、JavaScript 編程，提供具有柔和陰影以及高度完善烘焙效果的光影渲染系統(tǒng)，界面簡單直觀，易于上手。通過該視景驅(qū)動引擎，實現(xiàn)了船用陀螺羅經(jīng)MK37 可視化過程。

2.3 實驗教學(xué)平臺課程內(nèi)容

結(jié)合中華人民共和國國家海事海船船員適任考試要求和教學(xué)大綱要求，航海儀器使用船用陀螺羅經(jīng)實驗課程主要包含兩部分內(nèi)容：部件識別和設(shè)備操作啟動過程。

2.3.1 部件識別

在航海儀器實驗室，為解決真設(shè)備無法拆卸，學(xué)生無法了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，教師可利用虛擬仿真教學(xué)實驗平臺實現(xiàn)對船用陀螺羅經(jīng)的拆卸，精細地了解船用陀螺羅經(jīng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成，以及這些部件的工作原理和作用。

2.3.2 設(shè)備操作啟動過程

船用陀螺羅經(jīng)斯伯利SPERRY 37MK 真設(shè)備啟動過程復(fù)雜，設(shè)備啟動后穩(wěn)定時間較長，有時正常下課后，真設(shè)備仍沒有達到穩(wěn)定。由于頻繁啟動關(guān)閉真設(shè)備會影響真設(shè)備的使用壽命，教師授課時，針對真設(shè)備只做一次啟動過程。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包含了設(shè)備操作啟動過程，使學(xué)生學(xué)習(xí)由被動變?yōu)橹鲃?，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和實踐創(chuàng)新性。圖1 為船舶陀螺羅經(jīng)的啟動過程，此時控制發(fā)送箱上的指示燈已亮起，從圖中可以看出，方式轉(zhuǎn)換開關(guān)的MODE 開關(guān)已轉(zhuǎn)到START 擋位，此刻陀螺馬達已經(jīng)接通電源，為使陀螺馬達高速旋轉(zhuǎn)，在該擋位停留10 分鐘（時間以墻上的鐘表走時為準(zhǔn)），在圖的左上面虛擬仿真實驗教學(xué)平臺多開了一個視口，用于觀察主羅經(jīng)航向刻度盤的轉(zhuǎn)動。當(dāng)船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)正常啟動后，要考慮速度和緯度誤差補償。

圖1 船舶陀螺羅經(jīng)的啟動過程

利用3D Studio MAX 建模軟件和視景驅(qū)動引擎結(jié)合Unity 3D，開發(fā)了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺即斯伯利船用陀螺羅經(jīng)37MK 設(shè)備。在實驗室里，教師利用真實的設(shè)備講解，將理論知識有效地與實驗過程相結(jié)合。當(dāng)學(xué)生對真設(shè)備有了感性的認識后，帶領(lǐng)學(xué)生在實驗室利用該虛擬仿真實驗平臺開展實驗教學(xué)，讓學(xué)生在虛擬仿真軟件中動手展開相關(guān)實驗項目，教師對學(xué)生的實驗過程進行指導(dǎo)和監(jiān)督。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺使得傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)方式逐漸演變?yōu)閹熒⒅厣踔烈詫W(xué)生為中心的教學(xué)方式，由傳統(tǒng)的被動教學(xué)方式轉(zhuǎn)變成了寓教于樂的主動學(xué)習(xí)過程，有效補充和促進了傳統(tǒng)教學(xué)，是對傳統(tǒng)教學(xué)的課外延伸和拓展。

3 結(jié)語

利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，船用陀螺羅經(jīng)采用虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合、認知與操作相結(jié)合的實驗教學(xué)方法，通過理論學(xué)習(xí)、實驗室真設(shè)備學(xué)習(xí)、虛擬仿真設(shè)備操作訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)模式，可以拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)了學(xué)生參與實驗的積極性，符合現(xiàn)代化的實驗教學(xué)發(fā)展。