CN113253852B - 一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及虚拟现实课件构建技术领域，特别是涉及一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法，利用该系统和方法，能够将传统的工艺说明文件转化为交互式、引导式的操作培训课件，并能够对操作人员每一步骤是否正确操作进行评估。通过该系统和方法，能有效解决虚拟现实培训课件的制作效率低的问题，并且通过本培训课件能快速提升操作人员技能水平。

Description

一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实课件构建技术领域，特别是涉及一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法。
背景技术
目前在装配制造领域，操作人员培训主要包括理论培训和实操培训，目的是使操作人员熟悉和掌握装备的结构原理、操作维护流程和故障诊断方法。目前理论培训可通过交互式电子手册（Interactive Electronic Technique Manual，IETM）进行，实操培训通过在产品实物或实物样段实训平台上进行。
在产品实物装备上进行培训缺乏针对性、难于主动模拟更多更复杂的工况、有造成装备损伤的风险，并且资源有限，这导致覆盖的培训人数有限且培训周期较长。在实物样段实训平台上进行培训，实物样段造价高达数千万，制作周期长，且不能实时将设计更改状态反映在其中，会造成培训效果失真或错误培训，因此当前的实训平台培训仍具有较大的局限性。
随着计算机技术的发展，虚拟现实技术逐渐作为一种沉浸式培训方法得到了广泛应用。基于虚拟环境下沉浸式的操作培训可以不受场地、产品实物限制，通过三维模型渲染和逼近真实环境的场景构建，实现大型复杂装备关键步骤的操作培训。虚拟现实环境下的装配仿真通过沉浸式显示系统和空间交互设备的全面支持，实现参训人员第一视角的随动观察与操作，模拟真实工作过程，在三维空间快速准确地实现移动、旋转、缩放，并可获得真实的反馈，增强互动体验，快速发现不同视角下暴露的装配问题。
但是要想得到良好的培训效果，虚拟现实培训课件的质量至关重要，好的培训课件必须每个操作步骤都能进行交互式的引导，模拟真实的操作效果，并能对操作人员每一步骤是否正确操作进行评估。
由于目前传统的工艺说明文件为技术人员编写，多为描述性文字，操作指导性不强，未对每一项操作步骤、操作流程及操作的对象进行唯一化定义，同时未与数字化模型相关联，难以转化为虚拟现实场景中的交互式培训内容。而虚拟现实培训课件的制作人员大部分为计算机程序员，程序员并不了解工艺操作流程，仅凭传统工艺文件，难以制作出高质量的培训课件。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法，将传统的工艺说明文件转化为交互式、引导式的操作培训课件，并能够对操作人员每一步骤是否正确操作进行评估，能有效解决虚拟现实培训课件的制作效率低的问题，并且通过本培训课件能快速提升操作人员技能水平。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统，其特征在于：包括工艺数据层、模型展现层和交互逻辑层；所述工艺数据层包含结构化的工艺数据信息，与模型展现层中的数字模型进行关联；所述模型展现层包含三维可视化的数字模型，根据交互逻辑层的控制，数字模型能进行位置、颜色和显示效果的动态变化；所述交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑，所述控制逻辑包括主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本，所述主工艺流程控制脚本负责按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束；所述工艺步骤交互脚本针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果。
一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
a. 工艺数据层梳理得出的装配对象清单，将传统工艺文件中的描述性文字转换为结构化的数据，并与装配对象关联绑定；
b. 模型展现层将工程数字模型导入虚拟现实构建软件中，按照装配对象清单，将数字模型关联到对应的装配对象上， 按照实际装配对象的特性，对数字模型赋予类型定义信息；
c. 交互逻辑层装配对象交互流程。
所述步骤a具体包括以下步骤：
a1. 将传统工艺文件的描述性文字进行整理，包括工步序号和工步内容，所述工步序号代表进行操作的顺序，所述工步内容代表每一工步中要进行的操作内容；
a2. 对工步内容进行解构，即将每一工步中要进行的操作内容解构为具体操作步骤，并将每个操作步骤和对应的相关联的装配对象相连，将该操作步骤定义为交互操作步骤或检查步骤；
a3. 解构后的工步内容汇总；
a4. 构建装配对象清单。
所述步骤a2中，当该操作步骤为交互操作步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象实线相连，表示该操作步骤将改变装配对象的空间位置、姿态、开关量、读数或刻度状态；当该操作步骤为检查步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象虚线相连，表示该操作步骤仅对装配对象的状态进行检查和确认。
所述步骤b中对数字模型赋予类型定义信息具体包括以下流程：
b1. 读取装配对象清单；
b2. 判断装配对象清单是否结束，若否，进入步骤b3，若是，则结束；
b3. 读取下一个装配对象，读取装配对象绑定模型清单；
b4. 判断装配对象绑定模型清单是否结束，若是，进入步骤b2，若否，进入步骤b5；
b5. 读取下一个数字模型；
b6. 判断装配对象是否是不可形变结构，若是，赋予StaticMeshComponent类型；若否，判断装配对象是否为柔性形变结构，若是，赋予CableComponent类型，若否，判断装配对象为特殊或复杂组合结构，赋予SkeletalMeshComponent类型；类型定义信息赋予完成后，进入步骤b4。
所述步骤c具体包括：交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑，所述控制逻辑包括主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本，主工艺流程控制脚本按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束；工艺步骤交互脚本针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果。
所述主工艺流程控制脚本的运行流程具体包括：
s1. 读取工步内容汇总清单；
s2. 判断工步内容汇总清单是否结束，若否，进入步骤s3，若是，结束；
s3. 读取工艺步骤清单；
s4. 判断工艺步骤清单是否结束，若是，进入步骤s2，若否，进入步骤s5；
s5. 调用工艺步骤对应交互脚本。
所述工艺步骤交互脚本的运行流程具体包括：
d1. 检查当前脚本所对应的工艺步骤是否被激活，若是，进入步骤d2，若否，则进入步骤d5；
d2. 根据工艺步骤显示引导信息；
d3. 判断操作人员是否与制定数字模型接触，若是，进入步骤d4，若否，进入步骤d2；
d4. 根据工艺步骤更新数字模型状态；
d5. 结束。
所述工艺步骤交互脚本的构建流程具体包括：
e1. 读取装配对象清单；
e2. 判断装配对象清单是否结束，若是，进入步骤e9；若否，进入步骤e3；
e3. 读取下一个装配对象，读取装配对象下的工步；
e4. 判断装配对象下的工步是否结束，若是，进入步骤e2；若否，进入步骤e5；
e5. 读取下一个工步，读取工步下的步骤；
e6. 判断工步下的步骤是否结束，若是，进入步骤e4；若否，进入步骤e7；
e7. 读取下一个步骤，根据步骤内容设定进行交互的数字模型；
e8. 根据步骤内容设定要进行更新数字模型的状态；
e9. 结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本发明提出了一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统及方法，利用该系统和方法，能够将传统的工艺说明文件转化为交互式、引导式的操作培训课件，并能够对操作人员每一步骤是否正确操作进行评估。该方法能够有效提高虚拟现实培训课件的制作效率，通过使用该方法制作出的交互式课件培训，能够快速提升操作人员技能水平。
2、本发明提出的系统和方法，能够快速将传统描述性工艺文件转化为结构化的数据信息，并与数字模型绑定，能够快速形成交互式的操作引导信息，有效提高虚拟现实培训课件的制作效率。
3、本发明提出的系统和方法，能够精确定位到每一个操作步骤及相对应的数字模型，同时屏蔽其他模型，避免操作人员出现误操作而打乱场景状态。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明中装配对象交互流程示意图；
图2为本发明中工步内容汇总示意图；
图3为本发明中传统工艺文件进行整理后的示意图；
图4为本发明中解构后的工步内容示意图；
图5为本发明中解构后工步内容汇总示意图；
图6为本发明中装配对象清单示意图；
图7为本发明中装配对象类型定义信息示意图。
具体实施方式
实施例1
作为本发明基本实施方式，本发明包括一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统，包括工艺数据层、模型展现层和交互逻辑层。所述工艺数据层包含结构化的工艺数据信息，与模型展现层中的数字模型进行关联。所述模型展现层包含三维可视化的数字模型，根据交互逻辑层的控制，数字模型能进行位置、颜色和显示效果的动态变化。所述交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑。所述控制逻辑包括主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本，所述主工艺流程控制脚本主要负责按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束。所述工艺步骤交互脚本针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果。
实施例2
作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建系统，包括工艺数据层、模型展现层和交互逻辑层。所述工艺数据层包含结构化的工艺数据信息，与模型展现层中的数字模型进行关联；所述模型展现层包含三维可视化的数字模型，根据交互逻辑层的控制，数字模型能进行位置、颜色和显示效果的动态变化。所述交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑。
以下分别描述上述三部分内容的构建方法：
对于工艺数据层：
工艺数据层梳理得出的装配对象清单，将传统工艺文件中的描述性文字转换为结构化的数据，并与装配对象关联绑定，具体包括：
a1. 将传统工艺文件的描述性文字进行整理，包括工步序号和工步内容。
其中，所述工步序号代表进行操作的顺序，按照排序依次进行操作，所述工步内容代表每一工步中要进行的操作内容，只有完成当前工步中所有的操作内容后，才能进入下一工步。
a2. 对工步内容进行解构，即将每一工步中要进行的操作内容解构为具体操作步骤，每一个步骤应当是易于理解和操作的单项动作。将每个操作步骤和对应的相关联的装配对象相连，每一个步骤都有且仅有一个关联的装配对象，一个装配对象可与多个步骤相关联。
将该操作步骤定义为交互操作步骤或检查步骤。当该操作步骤为交互操作步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象实线相连，表示该操作步骤将改变装配对象的空间位置、姿态、开关量、读数或刻度等状态。当该操作步骤为检查步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象虚线相连，表示该操作步骤仅对装配对象的状态进行检查和确认。
a3. 解构后的工步内容汇总。
对所有解构后的工步内容进行汇总，可得到工步内容汇总图，参照说明书附图2，其中，步骤编号是与工步相关联的，即工步1下的步骤1与工步2下的步骤1是不同的步骤。但是装配对象的编号是全局统一的，即工步1下的装配对象1与工步2下的装配对象1是同一个装配对象。
a4. 构建装配对象清单。
根据上节内容构建出的工步内容汇总，可以整理得出装配对象清单。通过对工步内容进行解构和汇总，并整理后得到装配对象清单，能够将传统工艺文件中的描述性文字转换为结构化的数据，并与装配对象关联绑定。
对于模型展现层:
模型展现层中包含三维可视化的数字模型，根据交互逻辑层的控制，数字模型能够进行位置、颜色和显示效果的动态变化。构建模型展现层的方法如下:
1、模型展现层将工程数字模型导入虚拟现实构建软件中， 本发明中以Unreal(虚幻)软件为例；
2、按照工艺数据层中梳理得出的装配对象清单，将数字模型关联到对应的装配对象上， 按照实际装配对象的特性，对数字模型赋予类型定义信息，该定义信息如说明书附图7所示。
对于数字模型赋予类型定义信息的流程如下：
b1. 读取装配对象清单；
b2.判断装配对象清单是否结束，若否，进入步骤b3，若是，则结束；
b3.读取下一个装配对象，读取装配对象绑定模型清单；
b4.判断装配对象绑定模型清单是否结束，若是，进入步骤b2，若否，进入步骤b5；
b5.读取下一个数字模型；
b6. 判断装配对象是否是不可形变结构，若是，赋予StaticMeshComponent类型；若否，判断装配对象是否为柔性形变结构，若是，赋予CableComponent类型，若否，判断装配对象为特殊或复杂组合结构，赋予SkeletalMeshComponent类型；类型定义信息赋予完成后，进入步骤b4。
对于交互逻辑层：
交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑。
交互逻辑层中包含两部分控制逻辑：主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本。
主工艺流程控制脚本主要负责按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束。
所述主工艺流程控制脚本的运行流程具体包括：
s1. 读取工步内容汇总清单；
s2. 判断工步内容汇总清单是否结束，若否，进入步骤s3，若是，结束；
s3. 读取工艺步骤清单；所述工艺步骤清单即为每个工步下面的若干个步骤组成的；
s4. 判断工艺步骤清单是否结束，若是，进入步骤s2，若否，进入步骤s5；
s5. 调用工艺步骤对应交互脚本。
工艺步骤交互脚本主要针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果，如调整数字模型的位置、状态、展示效果等。
所述工艺步骤交互脚本的运行流程具体包括：
d1. 检查当前脚本所对应的工艺步骤是否被激活，若是，进入步骤d2，若否，则进入步骤d5；
d2. 根据工艺步骤显示引导信息；
d3. 判断操作人员是否与制定数字模型接触，若是，进入步骤d4，若否，进入步骤d2；
d4. 根据工艺步骤更新数字模型状态；
d5. 结束。
所述工艺步骤交互脚本的构建流程具体包括：
e1. 读取装配对象清单；
e2. 判断装配对象清单是否结束，若是，进入步骤e9；若否，进入步骤e3；
e3. 读取下一个装配对象，读取装配对象下的工步；
e4. 判断装配对象下的工步是否结束，若是，进入步骤e2；若否，进入步骤e5；
e5. 读取下一个工步，读取工步下的步骤；
e6. 判断工步下的步骤是否结束，若是，进入步骤e4；若否，进入步骤e7；
e7. 读取下一个步骤，根据步骤内容设定进行交互的数字模型；
e8. 根据步骤内容设定要进行更新数字模型的状态；
e9. 结束。
实施例3
作为本发明另一较佳实施方式，本发明包括一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，包括以下步骤：
a1. 参照说明书附图3，将传统工艺文件的描述性文字进行整理。
a2. 对工步内容进行解构，解构后工步内容如说明书附图4所示。
a3. 解构后的工步内容汇总，汇总如说明书附图5所示。
a4. 构建装配对象清单，构建完成的装配对象清单如说明书附图6所示。
b. 装配对象事件定义：在Unity、Unreal等三维引擎中按照清单构建装配对象的交互事件，如锁紧开关的打开及关闭动画、前面板的打开及关闭动画等。
c. 装配对象交互流程，按照上述内容构建得出的装配对象交互流程如说明书附图1所示。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：包括构建系统，所述构建系统包括工艺数据层、模型展现层和交互逻辑层；所述工艺数据层包含结构化的工艺数据信息，与模型展现层中的数字模型进行关联；所述模型展现层包含三维可视化的数字模型，根据交互逻辑层的控制，数字模型能进行位置、颜色和显示效果的动态变化；所述交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑，所述控制逻辑包括主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本，所述主工艺流程控制脚本负责按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束；所述工艺步骤交互脚本针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果；
基于该构建系统的构建方法包括以下步骤：
a. 工艺数据层梳理得出的装配对象清单，将传统工艺文件中的描述性文字转换为结构化的数据，并与装配对象关联绑定；
b. 模型展现层将工程数字模型导入虚拟现实构建软件中， 按照装配对象清单，将数字模型关联到对应的装配对象上， 按照实际装配对象的特性，对数字模型赋予类型定义信息；
c. 交互逻辑层装配对象交互流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述步骤a具体包括以下步骤：
a1. 将传统工艺文件的描述性文字进行整理，包括工步序号和工步内容，所述工步序号代表进行操作的顺序，所述工步内容代表每一工步中要进行的操作内容；
a2. 对工步内容进行解构，即将每一工步中要进行的操作内容解构为具体操作步骤，并将每个操作步骤和对应的相关联的装配对象相连，将该操作步骤定义为交互操作步骤或检查步骤；
a3. 解构后的工步内容汇总；
a4. 构建装配对象清单。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述步骤a2中，当该操作步骤为交互操作步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象实线相连，表示该操作步骤将改变装配对象的空间位置、姿态、开关量、读数或刻度状态；当该操作步骤为检查步骤，则将该操作步骤和对应的相关联的装配对象虚线相连，表示该操作步骤仅对装配对象的状态进行检查和确认。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述步骤b中对数字模型赋予类型定义信息具体包括以下流程：
b1. 读取装配对象清单；
b2. 判断装配对象清单是否结束，若否，进入步骤b3，若是，则结束；
b3. 读取下一个装配对象，读取装配对象绑定模型清单；
b4. 判断装配对象绑定模型清单是否结束，若是，进入步骤b2，若否，进入步骤b5；
b5. 读取下一个数字模型；
b6. 判断装配对象是否是不可形变结构，若是，赋予StaticMeshComponent类型；若否，判断装配对象是否为柔性形变结构，若是，赋予CableComponent类型，若否，判断装配对象为特殊或复杂组合结构，赋予SkeletalMeshComponent类型；类型定义信息赋予完成后，进入步骤b4。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述步骤c具体包括：交互逻辑层包含当操作人员在虚拟现实场景中与模型展现层中的数字模型进行交互时所产生的控制逻辑，所述控制逻辑包括主工艺流程控制脚本和工艺步骤交互脚本；主工艺流程控制脚本按照工艺数据层中的工艺流程逻辑对交互式培训过程进行控制，在每一个工步、步骤间进行判断和跳转，直至交互式培训课件结束；工艺步骤交互脚本针对每一项具体的工艺步骤，根据操作人员的交互操作，执行对应的交互效果。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述主工艺流程控制脚本的运行流程具体包括：
s1. 读取工步内容汇总清单；
s2. 判断工步内容汇总清单是否结束，若否，进入步骤s3，若是，结束；
s3. 读取工艺步骤清单；
s4. 判断工艺步骤清单是否结束，若是，进入步骤s2，若否，进入步骤s5；
s5. 调用工艺步骤对应交互脚本。
7.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述工艺步骤交互脚本的运行流程具体包括：
d1. 检查当前脚本所对应的工艺步骤是否被激活，若是，进入步骤d2，若否，则进入步骤d5；
d2. 根据工艺步骤显示引导信息；
d3. 判断操作人员是否与制定数字模型接触，若是，进入步骤d4，若否，进入步骤d2；
d4. 根据工艺步骤更新数字模型状态；
d5. 结束。
8.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实的交互式培训课件构建方法，其特征在于：所述工艺步骤交互脚本的构建流程具体包括：
e1. 读取装配对象清单；
e2. 判断装配对象清单是否结束，若是，进入步骤e9；若否，进入步骤e3；
e3. 读取下一个装配对象，读取装配对象下的工步；
e4. 判断装配对象下的工步是否结束，若是，进入步骤e2；若否，进入步骤e5；
e5. 读取下一个工步，读取工步下的步骤；
e6. 判断工步下的步骤是否结束，若是，进入步骤e4；若否，进入步骤e7；
e7. 读取下一个步骤，根据步骤内容设定进行交互的数字模型；
e8. 根据步骤内容设定要进行更新数字模型的状态；
e9. 结束。
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