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VR技術(shù)帶來了一個非常美妙的應(yīng)用場景，整個行業(yè)都在努力讓用戶更好的在虛擬世界里行走。本篇文章分享了VR虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案與模型處理步驟，帶領(lǐng)我們更具體地了解VR虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計。

本文側(cè)重于一種通用性方法，更深入的分析需結(jié)合具體的場景，請諒解。

本系列還將產(chǎn)出四篇文章：

1. 通用設(shè)計|生產(chǎn)信息展示平臺（側(cè)重于企業(yè)信息的整合與展示）
2. 通用設(shè)計|指揮調(diào)度系統(tǒng)（側(cè)用于企業(yè)信息的傳輸與調(diào)度）
3. 通用設(shè)計|企業(yè)移動端（側(cè)重于企業(yè)個人應(yīng)用層）
4. 通用設(shè)計|數(shù)據(jù)共享平臺（側(cè)重于信息的采集與整理）

包括這篇文章在內(nèi)，是目前企業(yè)最主流的幾大B端產(chǎn)品，形成ToB、ToG產(chǎn)品經(jīng)理可復(fù)用的基礎(chǔ)性的工作思路。

VR是Virtual Reality的縮寫，中文的意思就是虛擬現(xiàn)實（真實幻覺、靈境、幻真），也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。概念是在20世紀80年代初提出來的，其具體是指借助計算機及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機交互手段。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

——百度百科

隨著VR設(shè)備的成熟，越來越對B端用戶選擇利用VR實現(xiàn)一套可復(fù)用的培訓(xùn)、訓(xùn)練系統(tǒng)。VR中的場景不僅可以實現(xiàn)在現(xiàn)實生活中難以模擬的場景，還可以大幅節(jié)約培訓(xùn)場地費用。VR與培訓(xùn)結(jié)合被稱為虛擬培訓(xùn)。

本文提供了一種設(shè)計思路可用于各類工廠，企業(yè)的虛擬培訓(xùn)，如流程培訓(xùn)，裝備培訓(xùn)，消防培訓(xùn)，應(yīng)急培訓(xùn)等。

培訓(xùn)場景關(guān)注點：

1. 受訓(xùn)者感受與實際場景感受差異不能過大
2. 可復(fù)用，可定制化的培訓(xùn)場景
3. 不受時間，空間限制的培訓(xùn)
4. 降低培訓(xùn)成本

VR虛擬培訓(xùn)的優(yōu)勢：

1. 培訓(xùn)場景的和模型均可復(fù)用
2. 可通過模型重制，流程設(shè)置實現(xiàn)培訓(xùn)場景的定制
3. 現(xiàn)有中高級別硬件（主要是顯卡）足夠支撐VR設(shè)備實現(xiàn)良好的展示效果
4. 不需要大型訓(xùn)練場地與設(shè)置復(fù)雜的設(shè)備，且后期維護主要為軟件部分，培訓(xùn)成本大幅降低

一、設(shè)計說明

針對某場景的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)

1. 設(shè)計方案簡介

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)解決方案，是基于國際先進3D開發(fā)引擎，借鑒三維領(lǐng)域先進的虛擬互動框架，并吸收虛擬現(xiàn)實頭顯技術(shù)，打造的具有沉浸式體驗的虛擬現(xiàn)實解決方案。

該方案可實現(xiàn)可以導(dǎo)入各類三維設(shè)計軟件模型制作的模型，并通過先進的模型精簡算法將這些模型進行精簡壓縮，在訓(xùn)練系統(tǒng)中可以直接顯示、使用這些模型，并能對這些模型進行位置、旋轉(zhuǎn)、顏色等各種參數(shù)的設(shè)置，使用者可以基于這些模型自定義的編輯各種流程模擬事件，實現(xiàn)多人參與的模擬訓(xùn)練。

該方案具備將制作成品導(dǎo)出成不限于Windows系統(tǒng)的各種平臺的能力，并通過VR頭盔、手柄等體感裝置實現(xiàn)沉浸式體驗。

2. 系統(tǒng)流程圖

二、功能說明

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)具備情景設(shè)置、模擬、對各種事故場景提供預(yù)案、可重復(fù)性的培訓(xùn)演練等功能，提供培訓(xùn)支持。

系統(tǒng)的主要功能包括模型輕量化功能、資源的導(dǎo)入功能、互動案例的編輯功能、資料庫、功能庫、系統(tǒng)定制等方面，系統(tǒng)環(huán)境如下：

1. 模型處理

（1）模型導(dǎo)入

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以導(dǎo)入不同類型\等級的場景，以及目標內(nèi)部及外部設(shè)備、建筑和結(jié)構(gòu)等各種不同三維類軟件（如工廠三維建模設(shè)計軟件、Smartplant3D、PDS、UG等）產(chǎn)生的三維數(shù)字模型，包括但不限于FBX、IGS、3DS、STEP等格式，基本能夠支持市面上絕大多數(shù)主流的三維模型制作軟件。

（2）模型輕量化

由于多數(shù)三維模型頂點多、面數(shù)大，不適合直接放到主流的3D引擎中使用。本系統(tǒng)所采用模型輕量化技術(shù)可以實現(xiàn)快速、智能化、批量化的精簡模型，能高效的減少原始模型的體積和幾何面數(shù)，模型精簡的批量化率能夠達到80%及以上。

該技術(shù)擁有強大而高效的減面算法，能夠解析設(shè)備類、管道類、建筑類、結(jié)構(gòu)類等各種模型并進行簡化。

模型精簡后可以導(dǎo)出成常見的三維模型中間格式文件，包括但不限于 FBX、 IGS、 3DS、 STEP、 OBJ 等。

精簡后的模型具有優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量，可以導(dǎo)入Maya、3Dmax等三維軟件，能夠轉(zhuǎn)換成其它任意格式，滿足各種系統(tǒng)的模型利用需求。

2. 虛擬操作平臺

系統(tǒng)是一個可視化的開發(fā)和操作平臺，可以實現(xiàn)在場景中任意的移動模型的三維坐標、調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度、查看模型參數(shù)，并能夠自定義的創(chuàng)建和編輯各種流程模擬事件，實現(xiàn)多人參與的人員培訓(xùn)功能，同時還具備空間測量、設(shè)備標注、自由漫游、物理干涉、路線規(guī)劃等一系列功能。

（1）統(tǒng)一的虛擬仿真軟件平臺

本系統(tǒng)中的可視化開發(fā)平臺是一個統(tǒng)一的虛擬仿真軟件平臺，所有專業(yè)所使用的各種設(shè)備、建筑和結(jié)構(gòu)等三維類軟件所設(shè)計出的三維模型最終均在此平臺中統(tǒng)一體現(xiàn)，全部成為場景中可視、可操作、可編輯的一部分，且在平臺中各模型均保存有設(shè)計中的真實數(shù)據(jù)，如尺寸、位置、物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)均可在平臺中查看或使用。

平臺具備功能如下：

• 訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)：具備任務(wù)的生成、任務(wù)的分發(fā)、訓(xùn)練環(huán)境生成、訓(xùn)練流程設(shè)計、訓(xùn)練協(xié)同控制等功能
• 資料管理：具備任務(wù)中的各種方（預(yù)）案、指揮手冊、行動計劃以及訓(xùn)練大綱等資料的管理，以及對現(xiàn)場設(shè)施、裝備和人員的音頻、視頻、動作和地形地貌等場景所必需資料的管理功能。
• 模型管理：具備訓(xùn)練場景模型、裝備模型等仿真模型的管理功能。
• 數(shù)據(jù)管理：具備人員、裝備、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的管理功能
• 流程管理：可實現(xiàn)訓(xùn)練任務(wù)、訓(xùn)練想定、訓(xùn)練科目、訓(xùn)練過程、訓(xùn)練評估的流程管理。

（2）仿真模塊

預(yù)置場景作為訓(xùn)練系統(tǒng)基礎(chǔ)模擬場景。系統(tǒng)具備擴展場景和課件的能力，可以根據(jù)需要增減培訓(xùn)項目并設(shè)置相應(yīng)的模擬場景和教學(xué)、考核課件。

本平臺可以實現(xiàn)非標設(shè)備的外部導(dǎo)入，在本平臺已投入使用后，三維模型設(shè)計人員用各種設(shè)計工具制作的原本不在本平臺中的設(shè)備等模型，可以通過本平臺資料庫的功能，實時的導(dǎo)入進平臺，實現(xiàn)平臺中模型的動態(tài)擴充，并能夠與平臺中原有模式一樣被操作使用。

除設(shè)備庫外，本平臺資料庫的功能還包括音頻庫、視頻庫、人物動作庫、地形庫、材質(zhì)庫等各種場景中可用的資料庫，這些均可從外部實時導(dǎo)入進平臺中，以實現(xiàn)平臺的熱更新。

（3）可視化演示模擬系統(tǒng)

本平臺中所有的模型均導(dǎo)入自設(shè)計階段各專業(yè)各種三維設(shè)計軟件制作的模型，是設(shè)計模型和數(shù)據(jù)的真實體現(xiàn)，各模型中的設(shè)計數(shù)據(jù)均能在平臺中被調(diào)取，并以報表、標簽、提示等各種方式進行可視化展示，并可以根據(jù)需要導(dǎo)入成excel等多種格式。

除了模型的真實設(shè)計數(shù)據(jù)，用戶還可以根據(jù)需要為不同種類的模型添加額外的自定義數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)廠家、采購時間、維護記錄等，這些均可可視化展示以用于培訓(xùn)和實際操作的演練。

平臺還具備實時獲取所對應(yīng)的真實設(shè)備的當前運行狀態(tài)等運營數(shù)據(jù)的擴展能力，可動態(tài)顯示重要設(shè)備設(shè)施的參數(shù)變化、重要設(shè)備實時工作狀態(tài)。

（4）小型化同步可視化系統(tǒng)

本平臺采用國際上成熟的技術(shù)框架，可方便的將場景發(fā)布到各種平臺，如PC機、平板電腦、手機等移動設(shè)備，可運行在windows、安卓、蘋果等各系統(tǒng)上，可以使用便攜式設(shè)備作為載體用于在事故現(xiàn)場指揮。

（5）流程模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)真實三維數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)由用戶自定義各種事件來形成模擬流程，用戶可以將一系列設(shè)備的運動、旋轉(zhuǎn)、變色、伸縮、動畫、光影變化、材質(zhì)變化、特效發(fā)生等各種活動制作成一個個事件，然后將一組事件連貫起來制作成一個流程模擬的訓(xùn)練流程，管理員可以任意的編輯此流程，包括調(diào)整流程的順序、添加新事件、刪除事件、更改時間的參數(shù)和實現(xiàn)方式等，實現(xiàn)完全的自定義設(shè)計模擬流程，可以模擬各種場景下的培訓(xùn)。

（6）虛擬協(xié)調(diào)訓(xùn)練系統(tǒng)

在一個流程模擬中，需要不同類別、不同權(quán)限的人員參與，協(xié)同工作以完成一項事情，本平臺的多人在線系統(tǒng)功能以類似網(wǎng)絡(luò)游戲的形式，支持多人同時參與，在虛擬流程中，不同人員分屬于不同工種，擁有對設(shè)備操作的不同權(quán)限，按照管理員規(guī)定的操作規(guī)則，個人各司其職，協(xié)同完成一個流程模擬，達到虛擬協(xié)調(diào)訓(xùn)練的目的。

（7）物理干涉與人機功效分析

本平臺的物理干涉功能可以實現(xiàn)用戶自行設(shè)定平臺內(nèi)任意設(shè)備為運動體，同時自定義參與物理碰撞的區(qū)域，并自定義運動體的運行路線，以檢測運動體按既定路線運動時是否會與周圍設(shè)備或場景發(fā)生物理碰撞，能夠生成碰撞報表，以驗證該設(shè)備的設(shè)計方式或場景內(nèi)設(shè)施安置的合理性。

本平臺可以采用VR頭盔、手柄、動作捕捉裝置、力反饋設(shè)備等虛擬現(xiàn)實設(shè)備來實現(xiàn)沉浸式虛擬體驗，用戶可以身臨其境的在場景中移動、用手指抓取、觸碰、操作場景中的設(shè)備，配合力回饋技術(shù)和身體其他關(guān)節(jié)的形態(tài)捕捉技術(shù)，可以實現(xiàn)人機功效分析的功能，如驗證人物是否可以方便的對場景內(nèi)某設(shè)備進行操作。

（8）方案驗證系統(tǒng)

本平臺的自定義模擬流程功能可以作為情景方案合理性的驗證使用，管理員可以先編輯多套流程，通過演示判斷其合理性，再選擇是否將其發(fā)布成所有客戶端均可參與的狀態(tài)。

同時，本功能還可用于制作一批指導(dǎo)性使用的三維動態(tài)說明書，用戶可在平臺中遵循操作步驟，看到每一步操作的方式方法和所能導(dǎo)致的效果，一步步的執(zhí)行完整個說明流程。

（9）真實光照模擬

本平臺可以在場景中設(shè)置各種類型的光源，可編輯這些光源的強度、范圍和顏色，使得場景可以處于模擬出的真實光照環(huán)境下，以豐富流程模擬的場景環(huán)境。

（10）漫游功能

本平臺可實現(xiàn)自然漫游和自動漫游功能。

自然漫游指用戶可以在場景中，以第三人稱視角任意的不受限制的漫游，使用鍵盤和鼠標操作控制，能夠讓鏡頭上、下、左、右、前、后平移、360度自由瀏覽、拉近/拉遠等漫游操作。

自動漫游指用戶可以自設(shè)定漫游路線，第三人稱鏡頭會按照設(shè)定的路線進行移動，實現(xiàn)漫游。此外，可以設(shè)置漫游速度、漫游高度、鏡頭朝向。

本平臺還具備實現(xiàn)互動漫游的擴展能力，互動漫游是在自動漫游的基礎(chǔ)上，可以前進、停止、后退，也可換一條新的路線繼續(xù)漫游，漫游中可查看漫游路線上的物品信息。

（11）標注功能

本平臺可由管理員對平臺中任意可操作的物品進行標注，可以以文本的方式任意標注備注信息，同時也可以標注電子地圖地理信息，使得用戶在漫游或模擬培訓(xùn)中對設(shè)備的用途、狀態(tài)等信息一目了然，對周邊環(huán)境地理信息一目了然。

（12）截圖和錄像功能

本平臺的使用者可以在使用過程中直接進行截圖，或?qū)酉聛硪欢螘r間的操作進行錄像，錄像以MP4格式保存。

（13）測量功能

本平臺的使用者可以任意測量場景中兩個位置之間的距離，也可以測量某兩個指定設(shè)施間的距離。

（14）路線規(guī)劃功能

本平臺可以由用戶在場景中自定義路點，在路點覆蓋的區(qū)域內(nèi)，可以自動規(guī)劃出最近的行進路線，并可設(shè)置阻礙點，以模擬區(qū)域內(nèi)某些位置因某些原因無法通行時的合理行進路線。

（15）豐富的特效支持

本平臺具有豐富的模擬特效功能，可實現(xiàn)起火、爆炸、煙霧、氣化、流體等各種逼真的特效。

（16） 物理引擎支持

本平臺采用先進的物理引擎，可以逼真的模擬各種質(zhì)量和形狀的物品碰撞后的物理效果。

3. 虛擬顯示技術(shù)

（1）VR虛擬頭盔和手柄

本系統(tǒng)采用的VR虛擬頭盔硬件，能實現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實體驗，2K級別的顯示屏，并具有廣視角、高刷新率、低眩暈感等特點。其配置的手柄靈敏度高、功能齊全、可開發(fā)性強，能夠以發(fā)射射線的方式實現(xiàn)在虛擬場景中行走、顯示設(shè)備數(shù)據(jù)、觸發(fā)設(shè)備事件等功能。

手柄同時具備震動功能，程序中可方便的設(shè)定在何種交互狀態(tài)下觸發(fā)手柄的震動，震動的時間長短均可設(shè)置，以達到模擬力反饋的效果。

（2）手勢追蹤技術(shù)

本系統(tǒng)采用的手勢追蹤技術(shù)，擁有通過 26 自由度手勢追蹤以及 6 自由度位移追蹤等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實場景中的三維人機交互。

三維手勢追蹤：利用雙目攝像頭及三個紅外發(fā)射器用于手勢動作識別，根據(jù) 26 個自由度辨別手部姿態(tài)，收集動作信息，3D 手勢建模。通過計算機圖形算法實現(xiàn)精準及超低延遲手勢追蹤。用戶可以直接用手進行自然的人機交互。

位移追蹤：利用頭顯設(shè)備內(nèi)置6 自由度位移追蹤，識別用戶頭部的轉(zhuǎn)動及身體位置，檢測相對位置的變化，內(nèi)置高性能慣性測量單元和 AHRS 算法保證了高性能的方向檢測，還原人眼的真實視覺效果，為用戶在 VR 環(huán)境中提供更好的沉浸感體驗。

4. 考評系統(tǒng)

考評系統(tǒng)由以下各部分組成：

（1）訓(xùn)練考評控制系統(tǒng)的操作號手操作平臺

操作號手可在平臺中實現(xiàn)查看成績、訓(xùn)練信息、課程信息、查閱資料、與考官溝通反饋，獲取新發(fā)布的三維模型或客戶端新版本等和學(xué)習(xí)和培訓(xùn)中相關(guān)的功能。

（2）訓(xùn)練考評控制系統(tǒng)的考官操作平臺

考官可以在平臺中實現(xiàn)發(fā)布學(xué)生成績、訓(xùn)練、課程、資料等信息，進行模擬流程的方案制定，管理班級和操作號手，并和其他考官、操作號手及管理員溝通反饋等教學(xué)中所需的功能。

（3）訓(xùn)練考評控制系統(tǒng)的管理員管理平臺

管理員負責(zé)管理整個虛擬系統(tǒng)里所有的數(shù)據(jù)，包括三維模型的數(shù)據(jù)，考官、操作號手的相關(guān)個人數(shù)據(jù)和教學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)布新的培訓(xùn)課程，發(fā)布新的三維模型或客戶端新版本等功能。

總結(jié)

1. VR培訓(xùn)的應(yīng)用現(xiàn)有缺陷

（1）VR技術(shù)防眩暈功能仍不完善。眩暈主要是由于畫面延遲造成的，后續(xù)5G大帶寬、高延遲體驗有助于解決這一煩惱。

（2）VR本質(zhì)實現(xiàn)的還是畫面的重現(xiàn)，盡管某些設(shè)備添加了震感，但仍無法完全替代需要現(xiàn)場手感的培訓(xùn)，后續(xù)可通過豐富的穿戴設(shè)備及現(xiàn)場環(huán)境的進一步模擬實現(xiàn)（如風(fēng)感，流體感，溫度變化等）

（3）現(xiàn)有手勢識別設(shè)備精度仍不足，與軟件中模型的交互時有bug發(fā)生。

（4）近視用戶仍需手動調(diào)節(jié)焦距

（5）整個系統(tǒng)的建模過程工作量仍很大，尤其是對于一些需要原始重建的模型，不能用到現(xiàn)有的素材。模型的標準化仍不完善。

2. 5G時代VR培訓(xùn)的機遇與方向

沉浸式體驗教學(xué)、遠程互動教學(xué)、虛擬操作培訓(xùn)等場景。

5G的大帶寬、高可靠、低時延等特點能讓大量本地運算放于云端，解決硬件配置的限制，大幅提高畫質(zhì)。現(xiàn)有的VR場景是通過提前建模設(shè)置，5G的大帶寬允許利用VR遠程攝像頭/高清8K攝像頭，采集培訓(xùn)現(xiàn)場360°全景高清圖像，通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳到采集媒體處理平臺，經(jīng)實時處理后，教官與受訓(xùn)人員可映射到同一虛擬“場地”，實現(xiàn)遠程互動教學(xué)。解決不能身臨其境，親手操作的問題。

本文由 @大陽 原創(chuàng)發(fā)布于人人都是產(chǎn)品經(jīng)理。未經(jīng)許可，禁止轉(zhuǎn)載

題圖來自Unsplash，基于CC0協(xié)議