VR技术在地铁相关领域培训的应用

李磊

摘要：近些年来虚拟现实技术在国内日益受到重视，并已在航空航天、军事、工业、医学、教育培训、娱乐等诸多领域得到了应用。在工程技能培训领域，随着计算机技术和仿真技术的发展，以及教学培训新理念和新方法研究成果的取得。如何采用先进的仿真技术，利用VR技术使工程技能培训的效果得到改善，成为一项颇具学术意义和应用前景的研究课题。同时，也为工程技能培训开辟了新的天地。本文总结了采用VR技术培训的优点和笔者在开发VR培训软件过程中的经验。

关键词：VR技术；培训；应用

1、VR技术的特点

VR技术的全称是虚拟现实技术（Virtual Realit）[1]，是由多种新技术相结合而成。它可以创建一种由计算机生成的虚拟世界，模拟出人类的感官功能，比如视觉、听觉、触觉等等。让人在虚拟世界中运用语言、动作等现实中的交互方式与虚拟世界进行实时的互动，并在这种环境下体验仿照现实甚至超越现实状况的事和物。目前的VR技术通常采用头戴式显示器，为用户提供虚拟世界的的视觉感知。通过使用手持控制器的方式完成与虚拟世界的交互。虚拟内容的提供者可以通过实际需要定制所需的虚拟现实环境。因此，利用VR技术构建的虚拟世界特别适合技能培训的应用。

2、基于VR技术培训的优点

培训对提高安全生产的意识，降低事故风险、强化人员施工技能，提高工程质量有着重要的意义。随着互联网技术的进步，虚拟现实技术等新一代的交互方式的出现，为探索培训方式打开了新的大门。通传统培训方式与虚拟现实技术进行有机结合，实现从书本纸张文字加讲授，到声音视频结合的多媒体教学，再到虚拟现实培训的跨越，为传统培训痛点提供了一个综合型解决方案。作为新的科技创新驱动模式，虚拟现实培训将极大地提升企业培训领域的科技创新水平，实现培训的程序化、标准化与规范化。提高培训管理效率、节约培训成本、降低安全风险，提高工程质量。区别于传统的培训模式，结合了虚拟现实技术的培训方式有以下几大优势：

1.多角度

不同于传统培训受训者观看方式受制于拍摄方式、角度，采用VR技术的培训内容采用三维实时动画演示的方式制作，受训者本身就相当于“摄像机”，可以自主的在培训场景中移动，从不同视角观察，学习培训内容，受训者可以多方位、多角度的学习培训内容。同时，可预置多条“虚拟摄像机”轨道，培训组织者可以根据需要，灵活切换，从而多角度的讲解培训内容，解决了传统培训方式视角单一的问题。

2.易更新

由于新技术、新工艺和新标准的不断变化，对培训内容的更新提出了挑战。VR技术的培训内容采用三维模型制作，因此有着灵活修改的特性，当知识更新时，原有制作完成培训内容中的大部分诸如场景、三维模型、虚拟物体、虚拟人物等可直接重用，从而大幅降低内容更新的难度，提高内容更新效率。

3.高仿真

虚拟培训环境是建立在现实工作环境的基础上的。操作规则也是基于实际操作规范，理想的虚拟环境甚至会使学员难以区分真假。虚拟培训环境的高仿真和双向互动，提高了培训的趣味性，激发了员工参与培训的热情，尤为年轻员工所欢迎。

4.低风险

地铁相关领域中一些重要或高危工作，如土方开挖、起重吊装、接触网系统等作业过程往往伴随着风险，带领新员工进行现场实战，稍有不慎便可能造成生命和财产的损失。VR技术的使用可以有效地规避这些风险。受训者可以充分地进行演练，从而迅速提高他们的技能水平。

5.低成本

相较于传统培训方式，本培训系统内容制作采用三维实时动画制作，一次制作，多次利用，有效解决了传统培训内容制作周期长，设备材料成本高等缺点。

6.易组织

VR技术的运用，使培训不再受制于场地限制，经过简单布置，学员可以在任何环境下进行集中练习，并迅速获得培训结果。亦可利用其个人碎片时间，多次重复练习，这大大增加了学习时间。

3、基于VR技术培训的实现

3.1主要应用工具和设备

1.3d Max：3d Max是一个基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，本方案的设备、材料、工具模型均采用3d Max绘制。

2.Unity引擎：Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

3.C#语言：本方案的交互动作及控制均采用C#语言编制。

4.HTC Vive设备：本方案采用成熟的HTC Vive作为交互设备。

3.2VR培训案例开发经验

在VR培训案例的开发过程中，采用了理论论证和实际运行测试相结合的方法，不断优化开发方案，确定了合理的开发步骤和方法，积累了一下经验：

1.物体排布

当用户观察到场景中的物体时，如果各物体与用户之间的距离不同，则需要经常调整瞳距，容易产生视觉疲劳。经测试，物体排布距离较为理想的是以用户为中心，距离用户在3-10米的区域内。所以VR培训案例中物体排布采用以用户为圆心，尽量围绕用户进行排布，并且排布的层次控制在3至4层内以梯次为显示重点，减少用户调整瞳距的频率。

2.晕眩回忆

与现实世界相似，在场景中看到与实际生活中易引起晕眩的虚拟场景，也会引起晕眩。因此，在开发过程中，应特别避免例如螺旋状和棋盘状的出现。此外，过于复杂的贴图更容易引起眩晕，所以在场景制作中，各三维模型的贴图应注意避免过于复杂。

3.優化模型顶点数

对一个三维模型来说，其顶点数量决定了模型的精细程度，增加顶点数量可以得到更精确的模型。但在项目运行时，CPU会对场景中的所有的顶点位置数据进行计算，然后通知GPU对顶点进行装配渲染得到一副图像，最后输出到显示设备，此过程不断进行，每秒输出的图像数量成为FPS，而稳定的、较高的FPS又决定了画面的流畅程度。所以太多的顶点可能会导致帧数下降造成画面卡顿，直接导致晕眩。

所以在VR培训案例的开发中需要对场景中出现的三维模型进行优化，通过对三维模型的顶点进行整合、重布、删除非必要面与非可见面、贴图绘制、Shader编辑等手段降低模型顶点。以本项目中所使用三维模型为例，其原始高精度三维模型顶点数为580万个，无法直接应用，经过优化后为316万个，同时依然保持了较好的视觉效果。

4. 摄像机控制

眩晕的原因之一是用户身体获得的运动信息和从眼睛获得的信息不一致。在VR培训过程中用户使用的显示设备可以看作摄像机，摄像机随用户一起移动以确定用户看到的图像，摄像机是否与用户的运动完全协调，决定用户在观察事物时是否眩晕，因此理想的成像效果是相机与人运动完全同步。

同时为了增加真实感，又要尽量模拟真实的效果。例如现时生活中，人乘坐在汽车上，随着汽车颠簸，看到的各种景像也应跟着晃动。如果在模拟环境中驾驶汽车是否模拟颠簸效果，则答案却是否定的。通過我们对汽车的模拟测试，我们发现，眩晕感改除了来源于画面不流畅，还来源于人体与眼睛对运动感受的不统一，在模拟乘车的测试中，共有三名开发者参与测试，测试中共有两名开发者出现眩晕感。在测试过程中，参与测试的人静止不动，但摄像机的运动会造成人的视觉、身体感知和视觉感知冲突的虚假图像，从而导致人脑接收信息不一致，从而造成眩晕感。根据此项实验得出以下结论：首先，对于用户体验来说，降低眩晕感是第一需求，真实感是第二位。其次，根据晕眩的原因，以模拟车辆试验为例，如果体验者不移动，则摄像机应尽可能保持静止，以保持画面与运动同步。

因此VR培训案例的开发中，通过以下几种方式控制摄像机运动：第一，在小范围移动中，由用户自主控制，例如，控制摄像机随用户头部运动同步进行旋转、俯仰、侧倾，同时控制摄像机随用户自主移动而移动。第二，在大范围移动中使用“瞬间移动”的方式来进行位移，这种方法的优点是位置变化几乎瞬间完成，让大脑理解为是外部环境正在改变，并且没有运动，从而降低眩晕感。第三，通过尽量使用封闭空间的方式，为用户提供明确的静态参照物，使用户能明确感知自身位置。

4、结语

借助在VR技术的帮助下，学员具有正常的视觉、听觉、触觉、力觉和运动知觉，并对学员的行为动作进行采集和处理，并及时做出相应的反应和反馈。基于VR技术的培训案例打破了传统的培训模式，增强了培训的吸引力，激发了学员学习技术的积极性和积极性，避免了传统培训所造成的物料浪费大大降低了培训的难度。结合VR技术培训，流程更加直观，避免了施工中容易忽视的问题。可有效地提高了技术人员的实操能力。

参考文献

[1]曾成. 浅析虚拟现实技术在体育教育中的应用[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2015（5）：212-213.

[2]陈贵平，唐婉贞. 基于虚拟现实技术（VR）在学前教育中的应用研究[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2017，33（22）：192-194.

[3]刘星何，张孝飞. 虚拟现实技术在医学职业教育实验教学中的应用[J]. 现代盐化工，2017，44（1）：45-47.

[4]任云龙. 浅谈中小企业内部控制问题及对策——以H公司为例[J]. 科学大众（科学教育），2011（8）：176-176.

（作者单位：中铁电气化局集团有限公司城铁公司）