李佳皓　刁宇翔　姜迁里　刘江移　宋大雷

摘  要：虛拟现实技术作为一种新兴的技术，其较高的沉浸感和真实的体验感，可以使课程教学更具有实践性和互动性。近些年，虚拟现实技术在海洋工程装备等领域的虚拟仿真、展示功能不断增强。中国海洋大学创新性地在水下机器人课程教学中引入虚拟现实技术，起到了较好的效果。文章在探索性应用虚拟现实技术改进水下机器人课程教学的基础上，总结了虚拟现实技术应用的效果，并进一步提出了虚拟现实技术应用到海洋工程装备展示、操作等的探讨与思考。

关键词：虚拟现实技术;虚拟仿真;水下机器人;海洋工程装备

中图分类号：TP391.9         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）34-0141-04

Abstract： As a new technology， virtual reality technology has a high sense of immersion and real experience， which can make the course teaching more practical and interactive. In recent years， the virtual simulation and display function of virtual reality technology in marine engineering equipment and other fields has been enhanced. Ocean University of China has creatively introduced virtual reality technology into the course teaching of underwater vehicle， which has played a good role. On the basis of exploring the application of virtual reality technology to improve the teaching of underwater vehicle， this paper summarizes the effect of the application of virtual reality technology. Furthermore， the discussion and thinking of the application of virtual reality technology to the display and operation of marine engineering equipment are put forward.

Keywords： virtual reality technology; virtual simulation; underwater vehicle; marine engineering equipment

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称“VR”）是一种通过计算机模拟，借助相关输出的设备，仿真现实世界，起到虚拟仿真作用的一种新兴产业技术[1]。虚拟现实技术不仅可以在输出设备中还原现实世界，还可以起到人机交互的作用。随着技术的进步，虚拟现实技术进入了心理、教学、娱乐等多个领域。国外的虚拟现实技术起步较早，在心理治疗、教学、娱乐等虚拟仿真的领域早有广泛的应用。在国内，早有学者提出用虚拟现实技术构建教学生态系统[2]。还有学者进行了一定的虚拟现实技术教学实践，降低了实验的成本，提升了教学课堂的效果[3]。ROV（Remote Operated Vehicle），即水下无人遥控潜水器，亦即水下机器人，在海事、海关、海洋探测、渔业、救援、管线探测和海洋科学研究等各个领域有广泛的应用。本文针对各高校广泛开设的ROV教学课程中引进虚拟现实技术的实践展开说明。各高校相关专业广泛开展的ROV教学课程，借助传统的ppt展示等方式不能起到很好的互动效果，进行ROV的真实实践等教学方式又存在成本太高等问题。借助新兴的虚拟现实技术，可以对水下机器人课程进行更好的展示，使学生身临其境地体验水下机器人的工作过程，真实的体验水下机器人的装配等过程，起到更好的教学实践效果。中国海洋大学创新性地在ROV的教学课程中试验性的引入了虚拟现实技术，起到了很好的教学及展示效果。

水下机器人的课程教学注重水下机器人下潜、工作、回收的过程以及各个结构功能的讲解。通常的ppt等方式的展示并不能使学生很好的感受水下机器人的工作过程，并且不能通过交互的方式使学生进行真实体验并进行装卸、细节的观察等操作。通过虚拟现实技术的模拟能力，计算机仿真的水下机器人体验模型可以很好地走进课堂，成为展示水下机器人的重要途径。虚拟现实技术的高仿真性，使其在展示水下机器人时更能引起学生的注意，其交互性可以使学生通过体验进行水下机器人的学习。虚拟现实技术引入高校水下机器人课程的课堂，更好地提升了课堂学生对课程的理解。同时，第一人称的感受，提升了学生的沉浸度和真实感，交互式的操作更使学生有机会进行ROV的组装工作，提高了教学的效果。从课堂反馈看，提升了学生对课程的兴趣，使学生在有兴趣的体验中获得掌握知识的乐趣，并提高了知识掌握的速度和深度。虚拟现实技术可以作为一种教学手段和海洋工程装备、工程项目等的新型展示方式进行有益的改进、实践和探讨。

1 教学模式构建

目前，水下机器人课程教学普遍存在学生缺乏实践操作的实验、缺少水下机器人实物体验的条件、缺少反复实践的实验条件、学生缺少自主学习能力、学生上课注意力难以集中等问题。虚拟现实技术的操作实践，不仅可以节省操作实践的成本，还具有反复性、容错性。学生可以反复的操作、实践，在组装、体验水下机器人的时候也可以出现错误的安装而不必损坏真实的水下机器人。并且，水下机器人的下潜等工作的实践难以亲身体验，借助虚拟现实技术就可以进行现实中不能进行的实践操作。构建虚拟现实技术展示的新型课堂，进行水下机器人教学新思路的探索，是非常具有实际意义的。

1.1 硬件条件

虚拟现实技术引入课堂，需要硬件方面的支持。VR所需要的硬件条件，一方面是虚拟现实的处理及输出设备;另一方面是足够的活动空间。中国海洋大学的水下机器人教学实践中，采用的是HTC vive的第二代头显（虚拟现实头戴式显示器）以及配套的定位器、手柄等，搭配特定显卡的笔记本电脑，并运用多媒体互动研讨教室，提供足够的活动空间，如图1所示。目前，一大批高校引进了VR实验室、VR教室等，为虚拟现实技术走进课堂提供了良好的教学硬件条件。VR设备朝着小型化、易操作化的方向发展，随着技术的进步，虚拟现实的硬件也可以得到普及。

1.2 教学流程

Margaret Wilson的具身认知理论认为，心理与所处环境密切相关[4]。依据具身认知理论的相关原理，VR所提供的具身认知，可以有效的提高学生的认知认识能力，增进课堂效果。虚拟现实技术的体验作为课堂教学的一种辅助手段，穿插进行于授课过程中，起到很好的体验效果，如图2所示，中国海洋大学开展了虚拟现实的水下机器人教学及学生体验，设计了相应的课堂教学的流程。课堂的某些需要实践的时刻可以引入VR的操作体验，比如讲解到水下机器人的下潜时，就可以引入VR体验，引导学生更好地理解水下机器人的下潜过程，同时，水下机器人的下潜现实中很难进行学生体验操作，虚拟现实技术可以起到现实中的实际实验条件和教学条件所不能实现的效果。虚拟现实技术在课程的某些需要展示的环节可以引导学生进行虚拟现实的体验。沉浸的体验可以增进课堂的认知效果，提升水下机器人的具身认知操作体验。

1.3 虚拟现实体验

随着技术的进步，虚拟现实技术的体验日渐变得操作简单，学生可以自由快速地体验VR设备展示的水下机器人效果。只需要进行简单的引导和佩戴设备的帮助，就可以进行VR的展示交互体验。课堂授课时，由老师组织学生进行虚拟现实的实践操作。进行虚拟现实的实际操作，比现实中进行水下机器人实践高效，学生都可以获取教育资源，提升了教学资源的配置效率，并且可以反复进行操作，同时与真实实践相比还保证了学生的安全，学生体验过程如图3。

2 虚拟现实场景的制作

虚拟现实场景的制作是虚拟现实展示的重要基础。Unity3D是由Unity Technologies开发的一个实时三维动画、游戏开发、建筑可视化、虚拟仿真等类型互动内容的多平台的综合型开发工具。此次使用的虚拟现实场景用Unity3D軟件搭建，采用物理模型仿真、C#程序控制的手段，搭建了虚拟仿真的虚拟现实水下机器人场景，支持水下机器人的下潜、探察、回收等工作的真实体验，并可以交互式观察水下机器人的各部分构件。

2.1 科考船的搭建

科考船是虚拟现实展示的重要组成。水下机器人的下水等操作需要科考船完成。科考船运用3D Max软件建模完成，输出为FBX文件并导入到Unity3D虚拟引擎中。虚拟现实体验采用的科考船是增加了Box Collider碰撞体组件和Rigidbody刚体组件的物理模型，即模型既能与其它含有Box Collider碰撞体的物体发生相互作用，又可以具有刚体的一般属性，在Unity3D虚拟引擎中受到自身重力、流体阻力等的影响。勾选Rigidbody中的Use Gravity选项，使物体在虚拟力场中受到重力的影响。并设置Box Collider中的is Trigger选项，使物体具有碰撞触发的属性。水下机器人下水环节由Unity3D的动画系统录制完成。科考船场景如图4所示。

2.2 水下机器人的控制与搭建

水下机器人采用中国海洋大学自主研制开发的海底管线检测水下机器人，运用SolidWorks进行模型的绘制，导入到Unity3D中进行下一步的操作。水下机器人的灯光设置采用Unity3D的灯光系统，采用spotlight。其中光源设置实时计算的属性，Intensity设置为1。运用C#代码控制灯光的开关，即运用C#代码获取手柄指令，进行灯光的开关操作，使学生体验水下机器人下潜过程中的照明效果。水下机器人螺旋桨的旋转采用动画系统录制。水下机器人螺旋桨产生的气泡，采用Unity3D的粒子系统。

水下机器人控制的重点在于水下机器人的下潜及回收过程。水下机器人的下潜过程依然采用C#程序控制，通过设定速度改变物体坐标轴坐标的方式进行水下机器人的下潜操作。通过手柄的交互可以实现机器人的停止，方便学生随时查看下潜中的海洋环境。水下机器人场景如图5所示。

2.3 海洋场景搭建

如图6，海洋场景是独立的环境，涉及光的渲染、粒子系统、鱼类的设置等多项工作。海洋场景采用球形的skybox进行渲染。其中，海洋植物、贝壳等按照仿真运用软件制作导入到虚拟现实引擎中。海洋底部的岩石采用Unity3D地形编辑器，运用贴图实现真实的岩石纹理，运用Box Collider使其具有真实的质感。海底管线的制作采用半埋入海底的形式，水下机器人光照到海底管线时产生反光效果。海底的鱼类运动控制采用C#编写语句，采用虚设物体的方式配合C#程序实现鱼类的随机生成。

3 结束语

虚拟现实技术应用到海洋工程装备的教学展示中是一项创新性的工作。虚拟现实技术不仅可以起到更好的展示效果，还具有低成本、可重复、容错性强、安全性高、操作简单等优势。本文用虚拟现实技术展示海洋工程装备中的水下机器人，只是虚拟现实技术应用的一个实例，虚拟现实技术作为一种高沉浸度和交互性较强的展示方式，可以应用到项目展示、课程教学、实践操作等多项海洋工程装备或其它学科的应用领域中。教学中的实际试验中发现，虚拟现实技术的应用可以有效地活跃课堂的气氛、降低学生体验教学资源的门槛、增加学生实践体验课程内容的机会、保护学生实践操作中的安全，相比于成本极高且不容易操作的实际实践操作，是一种高效低成本的展示技术。开展虚拟现实技术的课堂展示应用研究可以促进教学新思路的进步。虚拟现实技术不应当作为单独的一种技术，开展虚拟现实技术的跨学科应用研究，在信息时代具有广阔的前景和实际的意义。

参考文献：

[1]冷艳萍.关于计算机虚拟现实关键技术的探讨[J].佳木斯职业学院学报，2019（10）：205+207.

[2]常莞嘉，王冬.虚拟现实技术支持下高校英语教学生态系统重构[J].黑龙江教育学院学报，2019，38（09）：138-140.

[3]孔德龙，胡万欣，李乾，等.基于Unity 3D的虚拟现实技术在转辙机实验教学中的应用[J].高校实验室科学技术，2019（02）：35-39.

[4]Wilson M. Six views of embodied cognition[J]. Psychonom- ic Bulletin&Review，2002（4）：625-636.