实用第一 智慧密集 。。…。． ．． 。．．．．、 ． ． 。．．、，．．．．． ． ． ．． ．… 、． ，，，．， ． ． 汽车发动机虚拟装配学习系统的设计与实现 全宏 （浙江水利水电学院，杭州３ １００１ ８） 摘要：由于具有实体仿真沉浸感、动态视景交互性及想象创造性的三大特性，随着仿真技术、传感 技术等学科技术的发展，虚拟现实技术（ＶＲ）将越来越多地被应用于教育和培训领域。阐述了一个基 于仿真及虚拟现实技术开发的汽车发动机的虚拟装配学习系统：以四要素教学设计模型（４Ｃ／ＩＤ模型） 为基础，结合对发动机装配技能的层级分析，提出了汽车发动机虚拟装配系统设计的模型，并着重对 核心模块的功能和设计展开阐述。 关键词：虚拟现实；虚拟装配；４Ｃ／ＩＤ模型；汽车发动机；技能训练；Ｑｕｅｓｔ ３Ｄ １概述 在传统的汽车发动机装配课程中，往往是通过先理 论知识讲解，再到实际动手操作的方式展开的。但南于 汽车发动机结构非常复杂，而传统的文字、图片、视频 或Ｆｌａｓｈ等教学资源在结构展示上二维的局限性，无形 中增加了学习者的认知负荷；除此之外，发动机价格昂 贵、易损耗、场地等原因，实训匮乏现象屡见不 鲜，进而导致教学效果不佳的尴尬局面。 虚拟现实技术（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）是一种可以创建、 体验虚拟世界的计算机仿真系统，它可以利用计算机生 图１ 四要素教学设计模型４Ｃ／ＩＤ Ｍｏｄｅｌ 成三维虚拟环境，模拟现实场景。用户可通过多种传感 ２．２系统需求 设备与虚拟世界进行交互，参与了解并影响其中的事 汽车发动机虚拟装配学习系统的使用者主要是从事 件．具有使人亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并与之相 或者即将从事汽配行业的接受短期培训或者继续学历深 互作用的能力…。通过虚拟现实模拟可以提供一种可迁 造的学习者．汽车类专业教学又往往采用理论讲解结合 移的经验：学习者可在训练中进行反复尝试，直到达到 基础实训的学习模式，而教学过程中所使用的汽车零 最佳状态或者想要达成的结果．但是没有现实生活中所 配件、装配操作所需的各种配套１ 具等费用昂贵．为 具有的危险、场地或资源消耗等问题。 了提升教育学习效率，提供更丰富的实际模拟训练，让 ２系统设计 学习者能够将理论知识更加紧密地联系到实际操作中， ２．１ 四要素教学设计４Ｃ／ＩＤ模型 根据层级分析发动机装配复杂技能的要求，系统需求 四要素教学设计模型（４Ｃ／ＩＤ Ｍｏｄｅｌ，Ｆｏｕｒ—ｃｏｍｐｏ． 设计如下： ｎｅｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｏｄｅ１）是荷兰开放大学的麦里恩 （１）理论知识：知识学习所要解决的事物是什么及 伯尔教授等人研究和提出的针对训练复杂认知技能的设 怎么样（陈述性知识）、做些什么以及怎么样做（程序 计理论。麦里恩伯尔教授认为复杂技能的学习不是 性知识）等系列问题，技能的形成是一个渐进积累的过 的，也不是各个不同技能学习的简单累加。而是技能本 程，而建构与技能相关的、随时可以应用的陈述性与程 身的整体的复杂学习大于各个分部的之和。该设计模型 序性知识是关键的前提ｌ 。凶此系统必须提供包含发动 认为技能的学习环境应包括：学习任务、支持性信息、 机各零部件的 维模型以及必要的各类相关信息，学习 程序性信息以及练习子任务４个组成部分Ｉ ．其模型框 架图如图１所示 收稿日期：２０１８—０１—１３ ≯ 与．Ｉ 开多冬理々 鳢 ｌＭＡＧＥ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ＆ＭＵＬＴＩＭＥＤＩＡ ＴＡＣＨＮＯＬＯＧＹ 著通过此系统 １『以清楚认以发动机的各个零部件形状、 大／Ｊ、、结构等，掌掂包折 郎件的 称、组成部分、安 装 序等卡¨火预胬 ｒ 以 （２）交／７ 功能及 操ｆ１：性： １埘任何一个零件的 维模 进行操作时，这个帧 心 ｉ址可以实时 ３个方 向６个Ｆ１ ｆ｛１发ｆ 交 Ｊ ，包括旋转、移动和视角的缩放； 同时这个装 操作应陔是简 的， 为训练者在圳练过 ｌ模， ， ：撼． － 装 相关的必备知以 （２）装 模 交 模块部分：发动机装 卡Ｉｌ块…机 轴装 模块和气缸装龇模块及移机装 模块３大部分 成 碍个 技 模块郁具备装配过程【ｆｌ的动ｌⅡＩｊ演爪的功 能、ｆ ｌ我控制洲整装配过程的功能 学习 通过此模块 能够 ｒｆ 选择锕应零部件的装 贞序，州 ｛卞Ｈ心零 部件『｝进行实Ｉｆ、ｆ装配操作程序 程ｆｌ，应注亟丁操作内容 小址操作按键。 （３） ｆ１ＪＪ相１Ｉ１Ｊ‘ 惟：学 Ｊ系统心当提供必要的帮助 （３） 家系统模块部分：该部分作为一个功能模块 嵌入 模块ＩｆＩ＇该模块主要包括了 Ｊ’以 永、隐械 提示功能，以及错 操ｆｉ 的警爪功能，同时整个席拟装 配的过 应陔和脱 装 过 『ｆ１ｊ 何相同的约束关系， 例如装配的顺序、位 父系等 （４）反馈：许多研究 青ｌ５认 ，在几次练习之后给 予某种总结性的、简要的反馈信息是非常有效的 ， 此， 圳 或 检测纳 时，系统Ｊ 该能提供及时的反 馈信息刚以对学习１彳洲练过 的 价，这对技能的洲练 是１ 分重要的 ２．３系统框架 根据４Ｃ／ＩＤ【Ｊｕ要索模 及系统 求设汁，汽４＝发动 机虚拟装 学ｊＪ系统 架 Ｉ冬１ ２所，Ｊ 。 ０家横块 帮助 ｝ 求 惜 榆测 反储 图２汽车发动机虚拟装配学习训练系统框架 汽 发动机虚拟装 学 系统…知识库、装配模型 交互模块、专家系统模块以及检测模块４部分组成，其 主要功能包 ： （１）知识席部分： ３Ｄ模 乍、零件信息库等基 本信息 成， 通过选择 ｆｉ，ｉ种类的零部件，就可 以台看荆ｉ应岑部件的卡¨火说【ＩＪｊ介 “，如咳零部件的名 称、所装配位 及功能说ＩＪＩＪ等 火的基本文字信息， 时系统还ｚ…￣６１ ４，ｚ．提供该零 什的 实Ｉ镧片以便对照学习认 识 迎过此模块，学 能够清楚地识别各个零部件的 的帮ｉＩ』Ｊ信息板块，学爿者在装配零件时安装ｊ１ 确的提爪 青、钳 捉爪 及提示相应的丈字、包彩变化等；｝ 求 ｛＝Ｊ豆块的功能址『１Ｊ‘以同放装配操作的祭个过 ．以供 『Ｉ我愉洲 定：反馈板块的功能则是装配训练完成 后，系统根 装 过程等给予卡Ｈ应的等级坪定 （４）检测模块部分：这个模块是根据实际遇到的 题做的一个新的尝试．系统将模拟现实问题，比如系统提 示 个 邝什 损坏．要求学习者能够根据装配顺序重新 拆卸发动机，然 将新的零部件按照顺序重新装 ｉ 太， 川求检测学 １ｌ；ｉＩ 装配过程Ｉ 发现 解决 题的能力， ３ 系统实现 采Ｉｔ Ｊ以 维建模软件Ｐｍ／Ｅｎｇｉ￣ （Ｐｒｏ—Ｅ）和ｉ维交 软什Ｑｕｃｓｌ ３Ｄ（Ｑ３Ｄ）来设训‘开发系统 ３．１模型的建立 通过埘 实发动机的零部件的结构等卡¨天资源的搜 集以及学 的需求，采州｝，ｒｔ卜＿ 建 ｒ汽１ｉ发动机的 卡Ｈ火零部什 ３２交互功能的关键技术 （１）颅处 将Ｐｒｔ 一Ｅ巾建丘的模型导入Ｑ３１） Ｉｉ’ 并通过一个Ｖａｌｕｅ通道设定相对应的文字 片信息以及 十｛Ｊ刈 的 序约束 （２）交ｆ 功能。通过架没一个物体观察卡｝｛机ｆ¨一个 木ｆｌｌｆＺＬ以建 零件选择条和以零件为Ｉｉ１心的旋转呵缩放 视厢 ”对 个零部件的Ｘ／Ｙ亿位 以及旋转度通道的 没 以及建 维操纵杆的设 完成零部件 维环境 ｆｆ】的拖放、旋转及视角变换等功能：最后通过碰撞检测通 道及化 牟｛｝削断其装配位置正确 川以锁定发装 （３）冬什选择条及帮助功能的设汁：通过另一架视 野相机的似没，完成零件选择条场景干＂装配场景的拼 接．同时通过Ｖａｌｕｅ通道设计以判定零件选择情况，没 （下转第１４１页） －－ 护 ｌ图形处理与多媒体 ｌＭＡＧＥ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ＆ＭＵＬＴＩＭＥＤｉＡ ＴＡＣＨＮＯＬＯＧＹ … ４结语 针埘现行 频 雾铆：法没柯号虑帧间卡Ｈ关性这一不 ． ． …… …．农业ｌ 程学报，２Ｏｌ６，３２（１０）． 『３ｌ魏颖惠，张彦娥，梅树立，魏帅钧．基于晴通道先 足，提…＿ｒ将视频ｒｔ， 一帧的透射牢罔作为通用透射率 ，验和 捕仇小波变换的罔像去雾霾方法…．农 通过暗通道先验模 求解、 ｊ前帧的大气耗散函数， 、 ］ 程 、 报 ２０１７，３３（增刊１）． ｌ４ｌ陈兵旗．杨雨浓 梁习惠子，杨明，乔妍．苷 采 摘机器人视觉系统的暗通道先验去雾方法…．农 ｒ样学报．２０１６，３２（１６）． Ｉ５】陈 旗．孙『ｊＪｊ．实蚪Ｊ数字『冬Ｊ像处理 分析．北京： ，ｆｔＩ 农业大学…版礼，２００７． 之后冉ｇＪＩＨｈｌｌ权最小二乘滤波和 …滤波的保边性质对 透射率 ｌ『Ｊｆ』以细化，将新 成的邋』｛Ｊ透射率 应用于 前帧的去雾过程Ｉｆ１．从而实现』 视频的有效去雾，得 到了细节更加丰富的去雾结果、实验验证了去雾算法 的有效性币¨实川性 陔算法仍存在…些不足．例 如视频巾的砌面内窬随¨、ｆ 改变，前一帧的透射 可 ６刘海波，畅杰 吴正平，张庆年，邓勇．基 暗通 能会不适用下 －１前帧的大雾，【夫ｌ此通用透射率罔对丁 所有视频帧的暗通道先验模＇ 足否部有效等都值得进 一道先验干Ｉ ｌｌ｛ｅｔｉｎｅｘ理论的快速单幅 像去雾力 法 ｌＪ１．ｆ１动化学报，２０１５，４１（７）． ｌ７１郭埔，蔡¨兴，谢破．基＿ｆ雾气理论的视频去雾 法…．电ｆ学报。２０ｌ１ ３９（９）． 步深入研究 参考文献 …毕娟．基＿ｊ：ＦＰ（ Ａ的 幅 像Ａ－雾算法研究及其实 现．１珥安电子科技大学硕ｆ 学位论文，２０１２． Ｉ８Ｉ １二红，何小海，杨晓敏．基于模糊 论和ＣＩ ＡＨＥ 的雾天 像ｎ适应清晰化算法…．微电子学与 ’ ：机，２０１２，２９（１）． ｌ２Ｉ陈健强．ｒ １ ， ｆ昂． 颖，黄德威．基于改 进暗通道先验算法的农ｌ１ｉ 频实时去雾清晰化系统 也‘．Ｊ ｔ Ａｑ．ｔ－ ｊ 一‘ Ｊ 』 也 止ｊ上— 皂 也 也一‘ ± ±ｊｉ± 上 止ｊ止ｊ也—ｉ也ｊ止ｊ止ｊ止ｊ止儿ｊ止 止—址 Ｉ土 Ｉ ｊ止儿儿．址ｊ止ｊ止ｊ止 上ｊ止．王上 止ｊｌ上 （上接第１２５页） 置Ｔｅｘｔ叭】ｌ及 Ⅲ ｃ｛通道先成史 说明、颜色警示、提 示音 帮助功能 （４）反馈功能实现 结合×Ｉ『零部件对应的Ｖａｌｕｅ通 道设计 零件议选择牢及综合装 时间的运算，完成评 价功能 习并近似 真实环境中的虚拟操作的町能性，往虚拟 操作·ＩＩＩ学习抒【，】Ｊ‘以获得相关的慨念知识以及装配过程 的技能，同时ｆ ｒ以反复地进行训练操作以达到训练的 Ｈ的，ｍ 赞川或消耗都是较低的。然而，操作技能 的真 获得仍需要 真实的任务及真实的环境ｒｆ１的练 习 能达成，ｆ【＿ｌ虚拟环境【｝｜仍町作为其有效的辅助训 练一ｒ具 ４系统测试与结果 ｛集ｊ 学佼机械学院汽１ 类卡¨火专业的两个班级的 学生进行汽车发动机虚拟装 实验，在他们使用该系统 完成卡｝１关实验操作后，对参 实验人员进行 相应系统 模块使用问题等的抽样渊食，结果 明，在９０％之 的 学生ｌ１１一致认为术虚拟 系统能够为他们提供一个形 象化具体化的 论概念载体平俞，使得他们能够在理沦 知识学习期间就刘 实际装 操作过程有了一个感官上的 设汁）ｆ发ｒ一个基１：虚拟现实和仿真技术的汽１ 虚 拟发动机装 学ｊ』系统的框架及其训练过程，系统实现 ＿ｒ从发动机零部什卡ｆ｛火理论知识学 、虚拟装配训练到 训练反馈等一系列功能，陔系统呵用于汽 发动机装 圳练的辅助教学、 参考文献 ｆｌｌ胡小强．虚拟现实技术ｌＭ Ｊ．北京邮电大学…版 社 ２００５． 形象化理解 同ｆＩｌｆ，接受实验邀清的相关专业的老师Ⅱ王 针对本系统存 的使川等卡Ｈ火问题提ｊｆｊ了宝贵的：卷见和 建议，希 汽４ 发动机虚拟装 系统在后期投入使用时 １２１皮连 ．系统化教学设汁【ＭＪ．６版．华东师范大 学ｍ版丰ｆ： ２００７． 能够满足更多的实际需求，解决ｌ王！多的实际问题。本次 林崇德．教育心理学［ＭＪ．人民教育｝｝Ｉ版丰十，２００５． １４ｌ赵健．面 复杂认知技能的训练：四要素教学没汁 模 （４（｝／ＩＤ）述评…．伞球教育展望，２００５，３４ （０５１：３６—３９． 系统实验测试总体效 满意． ．５结语 虚拟观实技术模拟创没真实学习环境．并提供了学 肇 ｉＩ 蕾＿程２建ｌ０圬１８与．０－３ １４１
