基于VR技术构建虚拟染色平台的探索*——以泉州纺织服装职业学院为例

刘桃凤，刘开阳，王桂甲，黄晓茵，吴赞敏

（泉州纺织服装职业学院，福建 泉州 362799）

信息技术的高速发展为我们的生活工作和学习提供多种便利，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)作为该领域的一项新技术[1]，得到了快速发展和应用。将虚拟现实技术与职业教育相结合，特别是将其应用到职业教育的实验环节，让学生在虚拟的环境中进行学习实验操作，有助于职业教育走出实验教学的困境，为职业教育注入新的活力。

我国高度重视VR技术的教育及应用，国务院明确提出建设一大批以校企合作为基础，集人才培养、继续教育、科研创新、科技服务于一体的专业集群[2-3]，我院获批建设基于纺织染整服装产业专业群的VR/AR实验基地[4]。

为此，本研究对经技术改造后的溢流机进行纯棉坯布染色的生产过程进行调研，以行动逻辑课程为发展导向，应用VR技术，以“一看二听三说四为”教学实验基本路径，构建了一条适合高职院校专业课实验教学实验的路线。

1 VR技术用于染色课教学实验的意义

2016年福建省明确要大力发展VR产业，我院根据染整企业的生产实况，将VR技术应用到职业教育教学实验环节，为学生在实验过程中，创造逼真形象的模拟工厂生产情境。该情境创设让学生体验到虚拟的溢流机中织物上染料的扩散、吸附、固着，体验到纺织品染色生产过程因工艺参数设计而得到不同产品的乐趣。构建染色结合AR技术模型还可以为职工技能培训提供方便，同时也可以为特殊人群接触色彩、学习染色知识打开大门，虚拟染色平台的构建也为孩子提供一片彩色空间。大量实际案例证明，虚拟现实可以给体验者带来身临其境的感觉，使人能体验到放松、愉悦的积极情绪，从而使体验者能充分发挥自主学习能力。总而言之，虚拟染色平台的构建，已经走出了职业教育实践教学的新模式，突破了传统的职业教育思想观念，发展了职业教育的教学方法，为职业教育教学实验注入新的活力[3]。

虚拟染色系统（简称“系统”）的设计以技术全面化、应用教学化、工作过程系统化、项目典型化四个方面为主要指导思想[5]，系统引进VR龙头企业工业化级产品体系并融合企业溢流机染色过程，结合当前纺织染整产业发展趋势进行开发。系统按照VR教学实验体系的要求，模拟溢流机染色生产的场景，结合设施设备部件、纺织品多形态以及 VR技术的体验实现教学实验模型的构建。系统让使用者的感知体验与动手的结合、染色工艺与实际生产的结合，在学生进行染色体验方面，既有感官上的沉浸式体验，也有心理上让人参与其中的超现实体验[6-7]。

通过该平台的建设，巩固了学生理论知识体系，同时提高学生的动手能力，积累实践经验，从而达到学生实验水平提升的目的。平台的建设有效缓解了当前专业课教学实验与实际生产不匹配而产生较大差距的现实困境，达成培养具有动手能力、实践能力和技术技能型人才的职业教育目标。

2 平台开发设想

2.1 构建系统模型的前期设想

染色VR教学实验系统将实际染色工作过程与VR技术结合进行系统化开发，根据实际染色工作过程每道工序的教学目标设计学习场，明确各环节参照系、典型工作过程和普适性工作过程进行设计。利用3ds Max软件、Inventor软件和Virtools软件进行构建开发虚拟染色实验平台。

2.2 虚拟染色系统的开发设想

2.2.1 系统简介

系统开发设计包含虚拟工厂、虚拟设施设备、虚拟任务与材料、虚拟人物、学习模块5个部分，其中每个部分下又分别设置了几个子模块，子模块各自有具体功能，各子模块之间互相配合操作使用。

虚拟工厂模块，通过设计与实际工厂生产环境的相似的虚拟场景（主要分为外部环境和内部环境2部分），以企业生产环境为主要外部环境，染色车间为次要外部环境，以溢流机机体、染缸和工作台为内部环境，构建的虚拟场景。虚拟场景的构建可以增强系统的沉浸性，使学习者产生身临其境的感觉。

虚拟设施设备模块，主要从不同的角度、全方位展示染色机、染缸和工作台以及各个输送管道的输送情况的结构。

虚拟任务与材料模块，以纯棉坯布为例、布面运行为视角，根据工艺参数的要求加入水、染化料、助剂等原料，并设置温度、压力、浴比等工艺参数，通过优化工艺参数，完成工作任务。后期也可将其中涉及的水、汽等能源列入成本核算范畴，作为参数进行考察和评价。

虚拟人物模块，以给虚拟人设置交互脚本的形式，实现对虚拟场景的漫游体验。通过选择可体验不同类型产品的染色过程，以达到体验设施设备实际操作、控制的目标。同时，通过场景切换，可完成场景中的其他系列，如对漂白、脱色、固色等相关工序过程的体验。

学习模块包括染色理论知识素材、设施及设备的三维结构展示以及生产操作视频、自主设计练习4大集合，在学习模块中可自主选择学习专业理论知识，观看染色、漂白、脱色、固色等过程原理演示视频，在自我肯定之后进行自主设计工艺练习并通过VR技术做出虚拟成品。也可以了解设施设备、坯布的三维结构，掌握染色原理，以加深其对专业理论知识的理解。

该虚拟染色实验平台的结构如图1所示，

2.2.2 系统开发流程设想

构建染色虚拟教学实验系统，按照一般开发设计流程，我们需要分别做好以下几个方面的工作。

⑴ 前期素材准备工作

在企业中，使用3D扫描和Iventor构建三维实体模型，包括构建虚拟工厂、设施设备、材料、学习视频等素材；用VR编辑器对虚拟场景、事件编辑、多媒体资源整合、VR外设头盔和手柄等硬件应用、VR 全景拍摄和编辑；使用photoshop创建贴图素材，并在3ds Max中对模型及场景进行渲染、数字影像及虚拟场景合成、对资源进行优化处理，和其他需要准备的素材。

⑵ 实验功能实现工作

将系统模型导入到Virtools中，利用Virtools中交互引擎提供的VSL语言编程，对系统需要的相关详细功能进行设计和编辑后，即可以着手使用Virtools进行虚拟现实的交互脚本设计，实现系统的交互功能。通过引入合作公司的VR关键技术进行工艺、参数、选项等功能的设定，构建其他三维加工设备模型和其他场景模型，并且在虚拟染色实验系统中实现虚拟人物在漫游时需要进行选择染色控件及相关多机型、各类型工艺、不用原料的选择操作等，最后完成目标的过程。

⑶ 对系统的评价和优化工作

在系统构建完成时，由学生和教师以及非专业人士进行系统操作，并对系统的实验内容、结构框架、可操作性等进行综合评价，按提出建议和意见再次对设计进行优化，系统相对成熟后将该实验系统输出发布，投入实际教学。

2.3 系统评价

创设的虚拟染色实验系统基本达到教学实验的教学要求，该系统为染整专业中染色课程操作技能实验教学提供了新的教学模式。

图1 纺织品虚拟染色实验系统结构图

系统设计上也兼顾了在专业理论教学过程的一些不足，以学生为主导，使学生通过项目导入的方式进行学习，系统中植入大量丰富的学习资料，体验者可以通过点选模式切换子模块的功能操作进行选择、查找素材进行自主学习。同时，系统中设计了基本工艺流程及参数限值，并嵌入部门实际生产中成熟的产品进行预练，为学生的学习知识的延伸及思维的拓展提供了实践基础。

系统具有较强的交互功能，角色切换给学生带来全新的体验，用户界面操作相对简单，系统的界面直观、简洁、务实，方便让体验者了解整个染色生产过程及其工作环境。

3 结语

本文构建了一个基于虚拟现实技术的纺织品染色的课程的三维教学实验系统，为学生学习染色专业知识、体验纺织品染色过程、强化专业技能水平提供了新的平台。该系统在运行上对操作软硬件环境基本没有特殊要求，除了本系统研发构建需要的资金外，无附加支出。在实际操作过程中，只需要使用鼠标、键盘、头盔、手柄等即可完成纺织品染色的实验操作过程，根据不同的工艺及参数选择得到相应的实验结果。在实验教学应用中，该系统可以作为学生实际技能训练的实验平台，改善了实验教学环境，提高了实验安全性。同时学生课余也可使用该系统进行知识学习和技能操作练习，为学生毕业实习和工作提供预练场所。