基于虚拟现实的超快激光实验仿真系统探索

郭 倩，张 璐，张福杨，刘善德，孙农亮

(山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590)

在高等教育改革过程中，学校逐渐重视实验教学对人才培养的影响，实验教学改革已逐步从重实验设备和资源建设、教学内容和方法的改革，向着以学生能力培养为核心的个性化、层次化的实验教学体系和平台的构建发展[1-2]。实验教学在应用型本科人才培养过程中具有重要地位和特殊作用[3]。目前本科超快激光实验教学的实验课程只是当作理论课程的补充，实验课时往往不够充足，导致学生并不能很好地掌握超快激光实验的操作步骤和技能。目前，VR结合计算机技术能够模拟出光学实验教学所需要的场景，学生也可以通过VR来体验虚拟的视觉环境效果[4]。将虚拟现实与超快激光实验相结合，不仅可以辅助教学，调动学生学习的积极性[5]，还可以节省实验设备费用，产生更好的人机交互体验，改变枯燥的教学场景，对传统教学产生重大影响。

1 超快激光实验的教学难点

超快激光的出现为人类探索世界提供了崭新的工具，伴随其超短脉宽产生的超高峰值功率及超宽频谱特性在物理学、生物学、化学、光通讯、医疗及军事等领域中得到了广泛应用。因此，在光电类专业的学生培养过程中，让其从实验中感知超快激光如何产生具有重要的意义。然而，在具体开设超快激光实验的过程中，会出现大量的现实困难。首先，激光实验需要一个超净的实验环境；其次，需要半导体激光器、光束耦合系统、激光晶体及多维高精度光学调整架等大量的光学元器件。这些无疑是需要大量的财力支撑，保守估计一套超快激光实验系统的搭设需要花费人民币20万以上。除此之外，超快激光实验对于学生素质要求较高，学生在进行该实验前，需要有光学实验的经验且对基本的光学器件设计、光路调整技巧都有较好的理解和把握。因而，在目前看来，想让所有光电类专业本科生到超净实验室进行超快激光实验是不现实的。而虚拟现实技术的出现可以很好地解决上述问题。1)基于虚拟现实技术的超快激光实验仿真可以大大节省成本，一次性投入，学生就可以利用网络和计算机进行操作，从而避免了没有经过提前培训的学生由于操作不当等问题对实验仪器产生的无意的损坏，保护了实验器材。2)在该虚拟仿真实验中设置一些光路调整提示及报错引导操作，让学生身临其境学习光路及光学元器件的调整方法，从而使学生能够清楚地明白实验的正确操作步骤及做出哪些行为是不对的。通过这样的虚拟实验，学生可以在身临其境的条件下，快速掌握实验要点，之后再去进行实物操作，大大减少了实验出错的概率，对学生及学校都是有益的。

2 虚拟现实在超快激光实验教学中的系统设计

2.1 采用虚拟现实技术的优势

虚拟现实技术(VR)是近年来出现的高新技术，可以利用计算机系统生成一种模拟仿真环境，用户可以通过传感设备进行交互，为用户产生身临其境的交互式视景仿真[6-7]。

VR技术用于构建虚拟现实仿真环境具有以下4个特点。

1)交互性。即用户通过三维交互设备，如Kinect及Oculus Rift等，直接操控虚拟环境中的对象，使得虚拟环境中的对象实时产生相应的反应。

2)沉浸感。当带上虚拟头盔时，用户感觉不到自身所处的环境，完全“融进”了虚拟的环境中。

3)自主性。用户可以利用三维交互设备对虚拟空间中的物体做自主运动。

4)感知性。虚拟现实(VR)系统具有视、听、触等多种感知信息的能力。

2.2 超快激光实验设计特点

基于虚拟现实的超快激光实验，以UE4虚幻引擎为技术平台，制作仪器模型及实验场景，并提供了二维/三维的交互接口，使数据手套、键盘及VR头盔等交互设备可以通过电脑接口与该实验仿真系统相连接，从而在实验过程中达到身临其境的仿真效果。

虚拟现实实验教学系统融合了现实与虚拟技术，一些在课堂难以进行的光学实验通过系统设计可以看到其中的光学变化。并且，基于虚拟现实的实验并不会使光学实验仪器遭到破坏，节省了学校购买仪器的费用。

2.3 试验场景及实验仪器模块设计

UE4虚拟仿真实验三维建模是一个非常关键的步骤。在本文的虚拟仿真实验中，单纯地利用虚幻引擎UE4进行建模，既省去了从其他建模软件建模后导出到UE4的复杂步骤，又可以很好地做到对各个仪器的可视化蓝图编程。

在本文实验中，操作对象主要有长臂镜架及五轴位移台等精密仪器。因此虚拟仿真仪器要求与实物的外观和尺寸保持高度一致。

UE4自身强大的模型构建及渲染能力，完全可以达到光学实验仪器仿真的要求。如图1所示，为五轴位移台的制作模型。

图1 五轴位移台模型

虚拟仿真场景设计包括操作对象、操作环境及场景的漫游设计等，主要营造一个逼真的实验室条件或氛围。本文利用UE4模拟出一个逼真的实验场景，具体包括各种实验仪器、光学实验平台、实验室必备的白板及灭火器等。当用户搭配使用相关交互设备时，极大地增强了用户体验效果，如图2所示。

图2 虚拟仿真实验室全景图2

2.4 多通道人机交互模块设计

人机交互是实现用户与计算机之间进行信息交换的通路，是虚拟现实技术的核心之一[6]。传统计算机的人机交互使用键盘、二自由度的鼠标，而随着人工智能、模式识别及虚拟现实等技术的飞速发展，研究新型的、自然的、符合人的交流习惯的交互方式成为近几年的研究热点，如人体姿势识别、表情识别及手势识别等[8]。由于手势识别是自然交互中的一种非常重要的交互方式，这种方式是非接触性的、自然的，因此基于手势识别的交互方式是未来人机交互的发展趋势[9]。

本文提供了二维/三维交互接口。一种是传统的鼠标、键盘交互。另一种是利用数据手套、深度相机Kinect[10]、Leap Motion及虚拟头盔[11]等设备进行人机交互。如图3所示，为虚拟仿真实验的交互框架。

图3 虚拟仿真实验的人机交互框架

通过在虚拟实验室空间中加入虚拟手，利用磁定位传感器精确地定位出真实手在三维空间中的位置，并与虚拟手关节点相互对应，便可进行虚拟场景中物体的抓取。用户可通过Kinect等三维交互工具，利用手势识别(真实手张开动作代表“触碰”，真实手闭合/握拳动作代表“抓取”)操作虚拟手。本实验将虚拟手和虚拟仪器之间加入碰撞响应功能，即当虚拟手“抓取”到虚拟仪器的某个部位时，虚拟仪器会发生相应的反应。如图4所示，当虚拟手“抓取”到五轴位移台的横滚轴时，手向上运动代表将横滚轴向前翻滚，手向下运动代表将横滚轴向后翻滚，如图4所示。

图4 虚拟手与仪器交互

在该实验系统中加入一项检测功能。当用虚拟手“触碰”LD泵浦仪的按钮，触发一束激光，若激光准确的穿过腔镜(凹凸镜)中心时，激光会透过腔镜，如果没有透过凹凸腔镜的中心，则激光不会穿过腔镜，被腔镜“挡住”，虚拟仿真界面就会出现“Ajustment Error!”，直到激光准确地穿过腔镜中心，警告才会消失，如图5所示。

图5 激光触碰仪器

由于本实验中的不同腔镜有不同的功能，在制作腔镜时，分别给不同的腔镜添加不同的标签，以触发不同的效果来进行光路模拟。当激光打在不同性质的腔镜上时，偏光角将实时变化[12]。

最后将Oculus Rift虚拟现实头盔连接到此UE4实验工程中，获取用户头部的旋转方向信息，并反馈给计算机，计算机再将刷新后的画面实时反馈给虚拟现实头盔。

2.5 用户界面模块设计

三维用户界面是虚拟现实人机交互最主要的界面形式，三维交互任务在三维用户界面设计中处于核心地位[6]。UE4为用户提供了强大的图形用户界面开发环境，利用Widget Blueprint，在 eventgraph中使用蓝图可视化脚本进行编写，设计出仿真实验的主界面、实验步骤界面、运行界面及仿真模型交互界面。其中的仿真模型交互界面即为当虚拟手“触碰”虚拟仪器或用鼠标对虚拟仪器进行点击操作时，便会出现相关仪器的名称及介绍。该部分通过类的继承来完成而并非单独制作各个器件的UI，在后期的扩展实验仪器时自定义仪器名称，大大提高了效率。并且通过制作一系列UI界面，缩短了用户需要查资料、翻书本的时间，增强了实用性，如图6所示。

图6 UI交互-仪器名称

用户界面UI设计的主要框架如图7所示。

图7 UI交互界面框架

3 虚拟仿真实验测试与评价

由于基于UE4制作的虚拟仿真实验可以发布在Windows、Linux及iOS等多种应用系统中，学校可以根据实际情况对其进行安装使用，对学生进行实验培训。在本次实验中，我们的实验环境为Windows1064位，所用的三维交互设备为Kinect2.0。在实验测试时，我们带上虚拟头盔Oculus Rift DK2，如图8所示，为测试实验的效果图。

图8 实验测试效果图

针对超快激光实验存在的现实问题，我们提出了基于虚拟现实的超快激光实验的构想与实现思路。借助于虚拟现实仿真技术，在现实中难以开展的超快激光实验得以广泛地应用于学校教学中，节省了大量的人力与财力。此外，学生通过观看多媒体VR光学实验模拟演示过程，掌握了基本的光学工作原理，并对实验操作过程有了一定程度的熟悉。在此基础上开展超快激光实验的课程，将会使学生更快地进入到实验的状态，提高了学生学习和老师讲课的效率。

4 结束语

实验教学是培养人才的重要手段，是提高教学水平的必然要求。针对超快激光实验课时短、内容多及实践性强等特点，采用虚拟现实仿真实验方式可以达到辅助教学的目的。该技术不仅有效解决了实验设备匮乏和实验场地不够大的问题，使现有先进设备发挥到了该有的作用和水平，还保证了实验的安全性，使得现有的教学效率得到实质性的提高，增强了学生的动手能力及学生对实验的兴趣，对当前的教育方式起到了至关重要的辅助作用。