通用设计：VR虚拟培训系统设计
本文侧重于一种通用性方法，更深入的分析需结合具体的场景，请谅解。
本系列还将产出四篇文章：
- 通用设计|生产信息展示平台（侧重于企业信息的整合与展示）
- 通用设计|指挥调度系统（侧用于企业信息的传输与调度）
- 通用设计|企业移动端（侧重于企业个人应用层）
- 通用设计|数据共享平台（侧重于信息的采集与整理）
包括这篇文章在内，是目前企业最主流的几大B端产品，形成ToB、ToG产品经理可复用的基础性的工作思路。
VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实（真实幻觉、灵境、幻真），也称灵境技术或人工环境。概念是在20世纪80年代初提出来的，其具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
——百度百科
随着VR设备的成熟，越来越对B端用户选择利用VR实现一套可复用的培训、训练系统。VR中的场景不仅可以实现在现实生活中难以模拟的场景，还可以大幅节约培训场地费用。VR与培训结合被称为虚拟培训。
本文提供了一种设计思路可用于各类工厂，企业的虚拟培训，如流程培训，装备培训，消防培训，应急培训等。
培训场景关注点：
- 受训者感受与实际场景感受差异不能过大
- 可复用，可定制化的培训场景
- 不受时间，空间限制的培训
- 降低培训成本
VR虚拟培训的优势：
- 培训场景的和模型均可复用
- 可通过模型重制，流程设置实现培训场景的定制
- 现有中高级别硬件（主要是显卡）足够支撑VR设备实现良好的展示效果
- 不需要大型训练场地与设置复杂的设备，且后期维护主要为软件部分，培训成本大幅降低
一、设计说明
针对某场景的虚拟培训系统
1. 设计方案简介
虚拟培训系统解决方案，是基于国际先进3D开发引擎，借鉴三维领域先进的虚拟互动框架，并吸收虚拟现实头显技术，打造的具有沉浸式体验的虚拟现实解决方案。
该方案可实现可以导入各类三维设计软件模型制作的模型，并通过先进的模型精简算法将这些模型进行精简压缩，在训练系统中可以直接显示、使用这些模型，并能对这些模型进行位置、旋转、颜色等各种参数的设置，使用者可以基于这些模型自定义的编辑各种流程模拟事件，实现多人参与的模拟训练。
该方案具备将制作成品导出成不限于Windows系统的各种平台的能力，并通过VR头盔、手柄等体感装置实现沉浸式体验。
2. 系统流程图
二、功能说明
虚拟培训系统应具备情景设置、模拟、对各种事故场景提供预案、可重复性的培训演练等功能，提供培训支持。
系统的主要功能包括模型轻量化功能、资源的导入功能、互动案例的编辑功能、资料库、功能库、系统定制等方面，系统环境如下：
1. 模型处理
（1）模型导入
虚拟训练系统可以导入不同类型等级的场景，以及目标内部及外部设备、建筑和结构等各种不同三维类软件（如工厂三维建模设计软件、Smartplant3D、PDS、UG等）产生的三维数字模型，包括但不限于FBX、IGS、3DS、STEP等格式，基本能够支持市面上绝大多数主流的三维模型制作软件。
（2）模型轻量化
由于多数三维模型顶点多、面数大，不适合直接放到主流的3D引擎中使用。本系统所采用模型轻量化技术可以实现快速、智能化、批量化的精简模型，能高效的减少原始模型的体积和几何面数，模型精简的批量化率能够达到80%及以上。
该技术拥有强大而高效的减面算法，能够解析设备类、管道类、建筑类、结构类等各种模型并进行简化。
模型精简后可以导出成常见的三维模型中间格式文件，包括但不限于 FBX、 IGS、 3DS、 STEP、 OBJ 等。
精简后的模型具有优质的质量，可以导入Maya、3Dmax等三维软件，能够转换成其它任意格式，满足各种系统的模型利用需求。
2. 虚拟操作平台
系统是一个可视化的开发和操作平台，可以实现在场景中任意的移动模型的三维坐标、调整旋转角度、查看模型参数，并能够自定义的创建和编辑各种流程模拟事件，实现多人参与的人员培训功能，同时还具备空间测量、设备标注、自由漫游、物理干涉、路线规划等一系列功能。
（1）统一的虚拟仿真软件平台
本系统中的可视化开发平台是一个统一的虚拟仿真软件平台，所有专业所使用的各种设备、建筑和结构等三维类软件所设计出的三维模型最终均在此平台中统一体现，全部成为场景中可视、可操作、可编辑的一部分，且在平台中各模型均保存有设计中的真实数据，如尺寸、位置、物理参数、化学参数等，这些数据均可在平台中查看或使用。
平台具备功能如下：
- 训练导调：具备任务的生成、任务的分发、训练环境生成、训练流程设计、训练协同控制等功能
- 资料管理：具备任务中的各种方（预）案、指挥手册、行动计划以及训练大纲等资料的管理，以及对现场设施、装备和人员的音频、视频、动作和地形地貌等场景所必需资料的管理功能。
- 模型管理：具备训练场景模型、装备模型等仿真模型的管理功能。
- 数据管理：具备人员、装备、训练数据的管理功能
- 流程管理：可实现训练任务、训练想定、训练科目、训练过程、训练评估的流程管理。
（2）仿真模块
预置场景作为训练系统基础模拟场景。系统具备扩展场景和课件的能力，可以根据需要增减培训项目并设置相应的模拟场景和教学、考核课件。
本平台可以实现非标设备的外部导入，在本平台已投入使用后，三维模型设计人员用各种设计工具制作的原本不在本平台中的设备等模型，可以通过本平台资料库的功能，实时的导入进平台，实现平台中模型的动态扩充，并能够与平台中原有模式一样被操作使用。
除设备库外，本平台资料库的功能还包括音频库、视频库、人物动作库、地形库、材质库等各种场景中可用的资料库，这些均可从外部实时导入进平台中，以实现平台的热更新。
（3）可视化演示模拟系统
本平台中所有的模型均导入自设计阶段各专业各种三维设计软件制作的模型，是设计模型和数据的真实体现，各模型中的设计数据均能在平台中被调取，并以报表、标签、提示等各种方式进行可视化展示，并可以根据需要导入成excel等多种格式。
除了模型的真实设计数据，用户还可以根据需要为不同种类的模型添加额外的自定义数据，如生产厂家、采购时间、维护记录等，这些均可可视化展示以用于培训和实际操作的演练。
平台还具备实时获取所对应的真实设备的当前运行状态等运营数据的扩展能力，可动态显示重要设备设施的参数变化、重要设备实时工作状态。
（4）小型化同步可视化系统
本平台采用国际上成熟的技术框架，可方便的将场景发布到各种平台，如PC机、平板电脑、手机等移动设备，可运行在windows、安卓、苹果等各系统上，可以使用便携式设备作为载体用于在事故现场指挥。
（5）流程模拟系统
系统基于结构真实三维数据库，可以实现由用户自定义各种事件来形成模拟流程，用户可以将一系列设备的运动、旋转、变色、伸缩、动画、光影变化、材质变化、特效发生等各种活动制作成一个个事件，然后将一组事件连贯起来制作成一个流程模拟的训练流程，管理员可以任意的编辑此流程，包括调整流程的顺序、添加新事件、删除事件、更改时间的参数和实现方式等，实现完全的自定义设计模拟流程，可以模拟各种场景下的培训。
（6）虚拟协调训练系统
在一个流程模拟中，需要不同类别、不同权限的人员参与，协同工作以完成一项事情，本平台的多人在线系统功能以类似网络游戏的形式，支持多人同时参与，在虚拟流程中，不同人员分属于不同工种，拥有对设备操作的不同权限，按照管理员规定的操作规则，个人各司其职，协同完成一个流程模拟，达到虚拟协调训练的目的。
（7）物理干涉与人机功效分析
本平台的物理干涉功能可以实现用户自行设定平台内任意设备为运动体，同时自定义参与物理碰撞的区域，并自定义运动体的运行路线，以检测运动体按既定路线运动时是否会与周围设备或场景发生物理碰撞，能够生成碰撞报表，以验证该设备的设计方式或场景内设施安置的合理性。
本平台可以采用VR头盔、手柄、动作捕捉装置、力反馈设备等虚拟现实设备来实现沉浸式虚拟体验，用户可以身临其境的在场景中移动、用手指抓取、触碰、操作场景中的设备，配合力回馈技术和身体其他关节的形态捕捉技术，可以实现人机功效分析的功能，如验证人物是否可以方便的对场景内某设备进行操作。
（8）方案验证系统
本平台的自定义模拟流程功能可以作为情景方案合理性的验证使用，管理员可以先编辑多套流程，通过演示判断其合理性，再选择是否将其发布成所有客户端均可参与的状态。
同时，本功能还可用于制作一批指导性使用的三维动态说明书，用户可在平台中遵循操作步骤，看到每一步操作的方式方法和所能导致的效果，一步步的执行完整个说明流程。
（9）真实光照模拟
本平台可以在场景中设置各种类型的光源，可编辑这些光源的强度、范围和颜色，使得场景可以处于模拟出的真实光照环境下，以丰富流程模拟的场景环境。
（10）漫游功能
本平台可实现自然漫游和自动漫游功能。
自然漫游指用户可以在场景中，以第三人称视角任意的不受限制的漫游，使用键盘和鼠标操作控制，能够让镜头上、下、左、右、前、后平移、360度自由浏览、拉近/拉远等漫游操作。
自动漫游指用户可以自设定漫游路线，第三人称镜头会按照设定的路线进行移动，实现漫游。此外，可以设置漫游速度、漫游高度、镜头朝向。
本平台还具备实现互动漫游的扩展能力，互动漫游是在自动漫游的基础上，可以前进、停止、后退，也可换一条新的路线继续漫游，漫游中可查看漫游路线上的物品信息。
（11）标注功能
本平台可由管理员对平台中任意可操作的物品进行标注，可以以文本的方式任意标注备注信息，同时也可以标注电子地图地理信息，使得用户在漫游或模拟培训中对设备的用途、状态等信息一目了然，对周边环境地理信息一目了然。
（12）截图和录像功能
本平台的使用者可以在使用过程中直接进行截图，或对接下来一段时间的操作进行录像，录像以MP4格式保存。
（13）测量功能
本平台的使用者可以任意测量场景中两个位置之间的距离，也可以测量某两个指定设施间的距离。
（14）路线规划功能
本平台可以由用户在场景中自定义路点，在路点覆盖的区域内，可以自动规划出最近的行进路线，并可设置阻碍点，以模拟区域内某些位置因某些原因无法通行时的合理行进路线。
（15）丰富的特效支持
本平台具有丰富的模拟特效功能，可实现起火、爆炸、烟雾、气化、流体等各种逼真的特效。
（16） 物理引擎支持
本平台采用先进的物理引擎，可以逼真的模拟各种质量和形状的物品碰撞后的物理效果。
3. 虚拟显示技术
（1）VR虚拟头盔和手柄
本系统采用的VR虚拟头盔硬件，能实现沉浸式虚拟现实体验，2K级别的显示屏，并具有广视角、高刷新率、低眩晕感等特点。其配置的手柄灵敏度高、功能齐全、可开发性强，能够以发射射线的方式实现在虚拟场景中行走、显示设备数据、触发设备事件等功能。
手柄同时具备震动功能，程序中可方便的设定在何种交互状态下触发手柄的震动，震动的时间长短均可设置，以达到模拟力反馈的效果。
（2）手势追踪技术
本系统采用的手势追踪技术，拥有通过 26 自由度手势追踪以及 6 自由度位移追踪等关键技术，实现在虚拟现实及增强现实场景中的三维人机交互。
三维手势追踪：利用双目摄像头及三个红外发射器用于手势动作识别，根据 26 个自由度辨别手部姿态，收集动作信息，3D 手势建模。通过计算机图形算法实现精准及超低延迟手势追踪。用户可以直接用手进行自然的人机交互。
位移追踪：利用头显设备内置6 自由度位移追踪，识别用户头部的转动及身体位置，检测相对位置的变化，内置高性能惯性测量单元和 AHRS 算法保证了高性能的方向检测，还原人眼的真实视觉效果，为用户在 VR 环境中提供更好的沉浸感体验。
4. 考评系统
考评系统由以下各部分组成：
（1）训练考评控制系统的操作号手操作平台
操作号手可在平台中实现查看成绩、训练信息、课程信息、查阅资料、与考官沟通反馈，获取新发布的三维模型或客户端新版本等和学习和培训中相关的功能。
（2）训练考评控制系统的考官操作平台
考官可以在平台中实现发布学生成绩、训练、课程、资料等信息，进行模拟流程的方案制定，管理班级和操作号手，并和其他考官、操作号手及管理员沟通反馈等教学中所需的功能。
（3）训练考评控制系统的管理员管理平台
管理员负责管理整个虚拟系统里所有的数据，包括三维模型的数据，考官、操作号手的相关个人数据和教学数据，发布新的培训课程，发布新的三维模型或客户端新版本等功能。
总结
1. VR培训的应用现有缺陷
（1）VR技术防眩晕功能仍不完善。眩晕主要是由于画面延迟造成的，后续5G大带宽、高延迟体验有助于解决这一烦恼。
（2）VR本质实现的还是画面的重现，尽管某些设备添加了震感，但仍无法完全替代需要现场手感的培训，后续可通过丰富的穿戴设备及现场环境的进一步模拟实现（如风感，流体感，温度变化等）
（3）现有手势识别设备精度仍不足，与软件中模型的交互时有bug发生。
（4）近视用户仍需手动调节焦距
（5）整个系统的建模过程工作量仍很大，尤其是对于一些需要原始重建的模型，不能用到现有的素材。模型的标准化仍不完善。
2. 5G时代VR培训的机遇与方向
沉浸式体验教学、远程互动教学、虚拟操作培训等场景。
5G的大带宽、高可靠、低时延等特点能让大量本地运算放于云端，解决硬件配置的限制，大幅提高画质。现有的VR场景是通过提前建模设置，5G的大带宽允许利用VR远程摄像头/高清8K摄像头，采集培训现场360°全景高清图像，通过5G网络回传到采集媒体处理平台，经实时处理后，教官与受训人员可映射到同一虚拟“场地”，实现远程互动教学。解决不能身临其境，亲手操作的问题。
本文作者 @大阳
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