基于虚拟现实的月饼生产数字化仿真系统

张 婧 林 畅 李娟莉

（1.太原理工大学 工程训练中心，太原 030024；2.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024）

由于设备、场地及物理等现实因素的限制，用户很难接触和参与食品生产过程[1]。虚拟现实技术利用计算机创造沉浸式虚拟场景，结合物理样机的高真实性特点，使用户在模拟环境中参与食品生产。众多学者开始将虚拟现实技术应用于数字化工厂。钟玲等人以Unity3D软件为基础[2]，在面粉生产仿真中应用虚拟现实技术，配合关键设备详解和工艺流程仿真，实现了面粉生产工艺流程及其生产设备的仿真和展示。姚亮等人利用Unity3D开发的烹饪专业仿真系统[3]，解决了烹饪专业实训难、教学成本高等问题。易俊洁等人利用Unity3D仿真和多媒体技术再现果蔬汁生产工艺全过程[4]，解决食品生产实践难以开展的问题。卢亚萍的团队利用Unity3D软件等构建了食用菌工厂化生产虚拟仿真系统[5]，弥补了食用菌在生产实践中的局限。可见，虚拟仿真技术在食品行业应用广泛。

月饼作为我国的中秋传统美食，生产流程复杂，涉及的设备体积大、数量多。目前，研究人员多在配方研制和生产工艺改良方面进行研究，在虚拟仿真方面研究较少，导致大众难有途径了解月饼的生产流程。将现代工业化流水线生产与月饼制作工艺相结合，基于Unity3D引擎开发月饼生产的数字化仿真系统，并通过模块化设计和交互设计，为用户提供多样化游戏体验。设计的系统以通俗亲切的方式进行相关展示，使得用户可以通过系统高效、轻松地了解月饼的生产流程。

1 系统整体框架

系统的整体框架如图1所示，分为资源层、模型层、功能层及应用层4个主要部分。

图1 系统整体框架

资源层构建资源库，存储相关开发信息。资源层包含设备库和数据库2部分。设备库存储月饼生产流程中相关机械设备及物品等的外观、尺寸等信息。数据库存储用户信息和系统运行的相关数据。

模型层根据资源层的设备库，按1∶1的比例，完成设备、人物与场景模型的构建。

功能层在模型层的基础上，将系统模块化，还原模型的物理状态与相应功能，并结合资源层数据库，进一步实现认知模块、生产模块、评分模块和模拟增强现实（Augmented Reality，AR）模块。

应用层通过用户界面（User Interface，UI）和脚本加入系统界面，实现人物交互和信息反馈，使各个层集成为一个完整的系统。

2 系统开发

Unity3D引擎在开发仿真系统上具有搭建简便、场景还原等优点。许多采用Unity3D作为开发平台的仿真系统，均取得了良好效果。因此，本系统选用Unity3D作为开发引擎。

2.1 场景建模

系统机器设备的建模需要专业的机械设计软件。人物及场景的建模在参数设计和装配关系上没有严格要求，选用设计和编辑模型便捷的建模软件。经过对比，系统采用SolidWorks软件和3ds Max软件进行场景建模。

2.2 模块化的功能实现及关键技术

为了更好地组织和管理系统，对系统进行模块化处理，将系统分离成各个独立功能部分，有利于后续对系统进行功能维护与完善。

2.2.1 认知模块

系统建立了以非玩家角色（Non-Player Character，NPC）、对话面板和指引箭头为主要要素的认知模块。该模块以一种连续性、完整性和情感性的方式与用户进行交互[6-7]，引导用户理解感受，增强用户参与感，如图2所示。

图2 认知模块

NPC行走、等待以及交谈等动作，在3ds Max中完成。将各个动作单独导出为bip文件，在Motion→Mixer Mode的Mixer中将所有动画bip文件串接成一个动画。将NPC模型导出成带有动画的fbx文件，并导入Unity3D中进行动画切片和动画状态机设置。

NPC设置了交互动画与语音。用户操作系统时，NPC的交互能够为用户营造人文氛围。语音能减少用户阅读负担，优化操作体验。对话面板通过建立角色形象与角色背景，为用户创造一种叙事介入交互体验，并以第一人称进行叙述，增强用户代入感。指引箭头根据对话面板为用户指示需要进行操作的物体，使用户更快理解操作。

2.2.2 生产模块

生产模块将模型层各个独立模型组合成完整的流水线，再现其完整的生产流程。该模块破除了现实因素的阻碍，使用户在各个场景全方面地了解和操作各个设备物品。

生产模块中实现机械运动的关键技术主要涉及4个方面。

第一，和面机、烘焙机等设备的运动没有严格配合运动要求，也不受用户操作的影响，在3ds Max中制作运动动画，动画随fbx文件一起导入Unity3D，通过Unity的Animation和脚本控制模型运动。

第二，用户启动包馅机时，包馅机、成型机和排盘机3机联合运动。包馅机、成型机和排盘机需要严格的流水线配合运动，且用户操作会对其运动造成影响，故其动画由Unity3D的脚本实现。包馅机部分较为简单，在脚本中设置机器开关与生产数，当包馅机开机且生产数大于0时，包馅机刀具每隔1 s运动一次，并产生一个带有馅团类脚本的空物体，同时为脚本编号。空物体下带有馅团模型子物体。馅团类脚本控制馅团每秒移动一定距离，到达成型机模具下方时，将馅团模型子物体替换为月饼模型。月饼来到排盘机后，按照脚本编号移动到相应位置下落到烤盘中，设置其父物体为烤盘，至此完成馅团的移动。

第三，成型机部分设置碰撞体模拟红外感应。带有馅团子物体的空物体触发成型机的OnTriggerStay时，成型机的模具进行压模运动，将馅团模型替换成相应形状的月饼。为丰富用户体验，系统提供不同的月饼模具。用户可以更换成型机的模具，压制不同形状的月饼。

第四，排盘机部分由于烤盘运动与排盘板运动相关，动画脚本复杂。排盘板每秒在列方向上移动一个月饼的间距后下放月饼。排盘机中的烤盘需要在排盘板每完成一行月饼的排列后向行进方向推进一个行距。

2.2.3 评分模块

评分对于引导用户深入了解整个系统有着重要作用。评分会激发用户的积极性，鼓励用户深入发掘系统，得到更多甚至超出预期的体验。

评分模块通过C#、碰撞体等判断用户是否完成相应操作，给出相应的分数，流程如图3所示。当前得分会通过UGUI显示给用户，最终得分和评分细则在用户退出操作后才显示。系统会将用户信息和得分保存在数据库，根据用户分数更新并显示其排名。

图3 评分模块流程

2.3 用户交互

游戏中的用户交互界面给玩家提供了良好的用户体验。本系统交互设计主要体现在以下3个方面。第一，精致的开始和结束界面。两者相互呼应、简洁明了，配色与游戏主配色相匹配，带有月饼图片以及“月饼工厂”4个大字，让玩家清晰明了游戏目的。游戏设置了2种游戏模式，玩家可任意选择。认知模式一步步指引玩家按照步骤进行游戏。自由模式玩家更加独立自主，不需要参照游戏提示，如图4所示。第二，清晰的流程指示。在认知模式中，玩家通过NPC和箭头的指引，可顺利完成月饼的制作。第三，详细的评分系统。游戏的评分界面简单明了，玩家既可以看到游戏得分，也可以看到评分细则，如图5所示。

图4 开始界面

图5 评分系统

3 系统实现与评价

3.1 系统实现

系统开发的目的是普及月饼工业生产全流程。在系统开发过程中，设计界面时整体采用精美且休闲的风格，加上清晰的指示流程和舒缓的背景乐，使用户从触觉、视觉和听觉上得到放松，产生良好的感官体验。系统用户界面向用户清晰展示各项功能，辅助用户操作，并潜在地影响用户的操作感受。对开发的系统功能进行集成，即可完成系统开发。

3.2 系统测试

为测试系统的性能优劣，随机抽取山西某食品公司的50名员工进行操作体验，并以问卷方式对体验结果进行记录，测试的体验结果如表1所示。

表1 系统测试结果

测试结果表明，系统在场景还原度和操作舒适度上表现良好，功能模块使得系统流畅度、体验丰富度的评分很高。

4 结语

基于Unity3D引擎开发的月饼生产数字化仿真系统，还原了月饼工业生产流水线运作。系统的功能模块化使得用户拥有高自由度的操作和多样化体验，既可跟随系统配备的认知模块进行操作，也可自行探索。邀请若干用户操作体验系统，均反映对月饼工业化生产有了深刻印象，体验效果良好，在为大众普及月饼生产和开发同类型仿真系统上具有一定的推广和借鉴意义。