基于VR的食品加工生产线教学系统设计与实现

谭江霞程明智刘 龙

(北京印刷学院新媒体学院,北京102600)

饼干加工作为食品加工教学中的重要环节,是学习和生产焙烤食品加工技术中的重要一环。但在传统的生产过程中,由于实习场地限制、设备布局紧凑,生产节奏快,潜在安全因素多等原因,学生缺乏相应的实习实践机会,致使相应的焙烤类食品加工技术学习效率低下,影响整体教学质量。

随着VR技术的发展,VR技术可作为新的知识载体和认知工具,让食品加工行业学习者对现有食品知识进行重构。该技术的出现,可高度模拟生产现场环境与生产线设备,还原真实的生产过程。VR技术还可提供良好的交互体验,并能够有效解决传统食品加工中遇到的问题,调动了食品加工行业学习的积极性,节约实训成本和时间。该技术还可实现考核方式多样化需求,以及提高食品加工实训的安全性,从而提高食品加工教学效率。

将VR技术与食品加工教育领域相结合,无疑将会对传统的食品加工行业教育带来革命性的改革。因此本文设计并实现了一个基于VR的饼干生产线教学系统,通过饼干加工工艺流程、设备交互学习等模块,不仅能让学生在虚拟的空间里获得真实的感受与体验,还能帮助教师使用不同的技术来开展教育教学。

1 基于VR的饼干生产线系统设计

饼干加工虚拟现实系统以饼干加工实训和饼干加工现场为依据,可根据实际加工流程引导学生完成实训教学内容,主要包含饼干加工现场三维虚拟场景与加工流程学习功能,系统框架如图1所示。在虚拟的加工环境中,以饼干加工生产车间为原型,通过生产环境与相关加工设备的3D建模、灯光布置等还原饼干生产加工现场。在学习模块中,根据VR技术模拟实际的加工流程中的生产过程,并开发漫游模块、工艺流程介绍模块、以及设备交互学习功能模块。

图1 系统框架图

2 饼干生产线系统内容建设

饼干加工系统开发包括三个部分:虚拟场景搭建、加工过程模拟与设备交互功能实现。

2.1 虚拟场景搭建

在虚拟场景搭建过程中,利用3D max和PS分别制作3D模型以及模型相应的材质,在Unity3D导入制作好的模型和材质,从而搭建出虚拟的饼干加工场景。

(一)模型与材质的制作

根据饼干加工工厂车间建筑与生产线设备的二维CAD图纸,首先在3D max中建立基本几何体,再使用相关编辑工具箱中的各类编辑工具创建三维部件模型,最后根据单体建筑或设备所组成部件的装配关系建立其三维模型[1]。为解决相关图纸创建的三维模型与现实车间的视觉差距相差较大以及三维模型外观视觉与生产现场差距明显等问题,需要依据生产现场的照片或视频创建三维模型的外观材质,才能更好地提高虚拟场景的逼真度。而外观材质包括设备的材料属性与纹理贴图这两部分,其中:材料属性反映模型表面对光线的作用效果(如金属光泽、透明度等);纹理贴图采用图像模拟模型的复杂外观,提供真实的表面细节,通过UV坐标将其映射在三维模型表面。以送料机为例,其模型效果如图2所示。

图2 虚拟现实场景中三维模型示例

(二)饼干生产线场景的搭建

将制作的资源(包括:建筑、设备、饼干等3D模型以及相应的材质)导入Unity3D中,根据生产车间建筑与饼干生产线设备的相对位置信息,在虚拟空间中放置相应的饼干生产线设备,从而创建饼干加工虚拟生产线场景[2-3]。所搭建的虚拟生产线如图3所示。

图3 饼干虚拟生产线场景

2.2 饼干动态生产过程模拟

在饼干生产实习实践中,学生需要观察饼干生产工艺流程、设备运行情况以及饼干在加工过程中感官性状发生的变化等情况。因此,需要根据饼干相应的生产工艺流程、相关设备操作以及相应的加工原理等,通过Unity3D模拟饼干动态生产过程,主要包含设备运作与饼干形态变化。

(1)设备运作。在实际加工生产过程中,对饼干的加工由组成生产线中的各项设备配合完成。根据不同饼干的加工工艺不同,执行相应的饼干加工动作[4]。

(2)饼干形态变化。饼干的加工生产以小麦粉为主要原料,加入(或不加入)糖、油及其他辅料,经过调粉、成型、烘烤制成的水分低于6%的松脆食品。在加工过程中小麦粉的形态会发生变化。

2.3 饼干生产线生产实习教学功能

为方便师生开展饼干加工生产实习实践,基于饼干加工生产实习实践系统中设计并开发出3D漫游功能以及相应的交互学习功能。在三维虚拟场景中,用户可佩戴HTC VIVE硬件以及手柄操作来进行交互学习[5-7]。

(一)3D漫游功能

在饼干生产加工的三维虚拟场景中,用户可通过手柄来实现在生产场景中漫游。在场景中,用户可近距离观察动态生产过程,如加工工艺、设备运作、饼干颜色、状态变化等在现场实习时无法观察到的内容。在该系统中,漫游操作包含行走与位置移动,如图4所示。用户可通过点击VR手柄,显示位置可移动列表,通过射线选取某一位置可直接到达对应的生产位置。

图4 场景漫游

(二)交互学习功能

在饼干生产加工现场漫游时,用户若想深入了解某一设备时,可以通过相应的设备介绍、设备工艺以及设备透视图来进行学习。用户可利用射线选择设备,扣动扳机键打开相应的内容进行交互功能的学习。

相关设备的介绍和工艺流程可通过语音和文字进行介绍,有利于用户对设备进一步的了解。其中介绍内容包括:设备的组成、功能和工艺原理等;相关设备设置透视功能模式,可使设备的外部透明,从而利于观察设备内部的结构和工作原理。轧面机的交互功能如图5所示。

图5 轧面机交互

3 结语

饼干生产线系统以饼干工厂加工现场为原型,采用3D max再现创建饼干生产车间以及饼干加工设备模型,以Unity3D为软件基础搭建还原饼干生产场景,模拟相关加工动态过程以及开发相应的实习教学功能。该系统设计呈现出沉浸感强,安全系数高、操作简单方便等优势,能高度还原饼干生产加工过程。将该系统应用于实际的教学实践后,提高了学生对生产实习实践的积极性和兴趣,更好地提升了生产实习实践教学效果和质量。