一.背景介绍

     一般而言，教学既要让学生理论理解充足，也要实践达到基本的要求。在学习中，自己实践一番是才是最直接获取经验的途径。

然而，在教学的实际过程中，因为场地有限，设备老化，资金不足，受训人数过多等受限因素，学生的培训往往达不到理想的效果。培训也是一种服务，提供一种在学生实战之前就能获取实用经验的途径。日常生活中，无论是工作还是学习，人们为了提高自己的能力，总会通过一两个培训来发展自身。

近年来，得益于前沿技术虚拟现实的发展，人们借助虚拟现实技术，可以让学生在培训中有更好的实践体验。以此次的电气虚拟培训系统为例，我们根据培训教学的实际情况，设计了一系列虚拟培训的方案。

二.虚拟与培训的结合

    本次系统以VR设备HTC vive实现虚拟的交互，在unity3D游戏引擎平台上开发电力培训的场景功能，原创模型主要是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3Ds max制作。利用HTC vive头戴式设备沉浸感好的特点，让用户沉浸在unity3D(以下简称u3d)开发的虚拟场景中，用C#脚本实现交互的功能。当用户戴上HTC vive头戴显示器，进入电力培训的虚拟场景，HTC vive的基站会定位到用户的头盔和手柄的位置，捕捉到用户的交互设备的运动。

    以往的培训系统是平面的屏幕，但现在用户可通过HTC vive头戴式显示器360度观看虚拟的培训场景，从一个二维的视角延伸到三维的视角。如果有多个场景，那么就可以在多个场景中变换。在每个场景，都能自在的漫游，身历其境的观看不同风景。

在现实培训中，学生会用到各种工具完成各种指标。在虚拟培训场景中也是一样，与学生交互的是各种生动形象，立体感突出，能表现细微细节的模型，比如培训过程中的各种工具，建筑等。把虚拟设备的手柄比作电脑的鼠标，学生用手柄可以拿起教学用到的模型，根据提示进行各种操作。

在此次虚拟培训系统中，除了虚拟培训的操作，还加了各种虚拟界面引导学生完成任务。

三.虚拟交互设计

以此次虚拟培训系统为例

1.虚拟场景设计

    此次虚拟培训系统的虚拟场景主要由专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎unity设计。在unity5设计了基于物理的阴影、实时全局光照明和反射探头等图形功能的虚拟仿真场景。为达到真实场景的效果，模型按照真实比例制作，精度高到可以近距离观看每个细节。天空设计了晴朗，夜晚，傍晚等不同时间变化。光照为日常平行光。

2.模型制作

    虚拟场景的原创模型有跌落式熔断器，台架变压器等，主要是使用solidworks/3dsMax按照现实比例制作。每个小零件的精度都能达到拆开细分和组装的效果。为了达到真实的效果，模型的制作还包括模型的贴图，渲染，烘焙等步骤。在虚拟场景，学生甚至可以分辨出这个工具模型的材质是金属还是木材。

3.功能交互

利用在unity的asset store下载的steamVR和VRTK插件，在unity的场景为HTC vive的交互实现功能。经过脚本的处理，学生可以在虚拟场景中漫游和瞬移，一个方块可以捡起和抛掷，一个高压电架可以攀爬和升降，不同的场景可以传送，一个虚拟菜单界面可以弹出不同的文字提示和视频。

4.UI设计

    虚拟场景UI的设计采用unity自带的UGUI框架设计。UGUI功能强大，基本能满足UI交互。利用UGUI的各种组件，设计一个导航菜单，引导用户上手；设计各种提示信息，介绍培训内容和提示培训操作。当UI进行交互的时候，UI会出现动画，高亮提示等互动。在虚拟场景中，UI菜单的按钮会事先绑定好不同触发事件。当HTC vive手柄触碰或射线与UI进行交互，按下虚拟设备手柄的不同按钮就能触发事件。

5.粒子系统设计

粒子系统的设计有火花，浓烟，爆炸等特效。在虚拟场景中，粒子系统虚拟在实操过程中的各种事故发生效果，比如漏电的火花，短路烧焦的浓烟等。除此之外，还能虚拟下雨，下雪等户外天气情。

四.虚拟教学的沉浸

学生的虚拟教学交互比传统的课堂式上课更能及时反馈出问题。相比教课书里面羞涩难懂的文字描述和需要考验学生想象力的平面图，虚拟真实的场景更能直观的表达教学内容和传递更多的信息内容。

在虚拟场景中，不受时间和空间的限制，也不存在高耗材的问题。实践出真知，虚拟培训降低学习成本，也降低了培训的风险。在未来，不仅有幻想的虚拟，也有真实的虚拟，虚拟教学应该会更有沉浸感。