WO2020177318A1 - 一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法 - Google Patents

一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法 Download PDF

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WO2020177318A1
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saccharification
craft beer
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craft
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PCT/CN2019/108956
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Inventor
操庆国
曹正
张小华
童斌
宣文芳
陈岑
黄小忠
宋思远
陈庶
李玉虎
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江苏农林职业技术学院
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C7/00—Preparation of wort
    • C12C7/04—Preparation or treatment of the mash
    • C12C7/06—Mashing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes

Definitions

  • the invention belongs to the field of virtual reality technology, and more specifically, relates to a craft beer saccharification operating system and method based on virtual reality, and is mainly applied to teaching.
  • the purpose of the invention To solve the deficiencies of the prior art, to provide a craft beer saccharification operating system and method based on virtual reality.
  • a craft beer saccharification operating system based on virtual reality including graphics workstations, VR liquid crystal displays, VR head-mounted displays, handle devices and laser positioners.
  • the graphics workstation is the main operating processor and is a virtual production workshop for craft beer. Operational processing environment; VR liquid crystal display is used to display the 3D panoramic craft beer virtual production workshop scene, and simultaneously display the moving picture of the virtual user model and the execution action picture; VR head-mounted display is used to immerse the user in the precision of the 3D panoramic view.
  • the scene of the virtual production workshop of brewing beer; the handle device is used to allow the user to control the movement and action execution of the virtual user in the virtual scene; the laser positioner is used for the user's positioning and motion capture.
  • the on-site workshop take pictures of the on-site workshop, record the size parameters of each equipment, build a virtual production workshop model of craft beer in 3Dmax software according to the ratio of 1:1, adjust the texture and brightness of the equipment appearance, adopt 3Dmax software
  • the built-in LightTracer ray tracing is used for rendering, and finally a model consistent with the on-site workshop is built; after all models are constructed, the external and internal structures of the saccharification tank model are additionally processed, and the structural materials of the saccharification tank model are changed to transparent mode , Modify the transparent channel to achieve translucency; then export a virtual environment that is the same as the real craft beer; open the exported virtual environment the same as the real craft beer in the operating environment of the graphics workstation, and enter the craft beer virtual production workshop.
  • the VR liquid crystal display also simultaneously displays the moving picture and execution action picture of the virtual user model.
  • the VR liquid crystal display is a Hisense 55-inch ultra-high-definition 4k display.
  • the VR head-mounted display is HTC Vive head-mounted display.
  • the handle device is an HTC Vive handle device.
  • Click the front button of the touchpad to move the character to this position;
  • the end of the ray emitted by the handle device At a certain target position by pulling the trigger under the operating device to control the switch of a certain target position;
  • the end point of the ray emitted by the handle device is at a certain target object, hold down the handle button of the operating handle to hold Pick up the target object and release the handle button to drop the target object; click the system button of the handle device to trigger the software saccharification tank perspective function.
  • two laser locators emit lasers scanning in both horizontal and vertical directions into the positioning space, and place multiple laser sensor receivers on the object to be positioned, and calculate the angle difference between the two rays of light to reach the object to be measured. Position the coordinates of the node to achieve the function of positioning the head-mounted display and the handle device.
  • the invention also provides a virtual reality-based craft beer saccharification operation method, which includes the following steps:
  • the user obtains the operating instructions of the virtual user, controls the movement of the virtual user model according to the operating instructions, and performs actions;
  • saccharification operation method of craft beer in step (3) includes the following steps:
  • the present invention has the following advantages:
  • the VR display screen can let the instructor know the mistakes made by the students during the operation, summarize them, and demonstrate and correct the common problems that the students have experienced.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the system structure of the present invention
  • Figure 2 is a scene diagram of a virtual production workshop for craft beer
  • FIG. 3 is a structural diagram of HTC Vive handle equipment
  • FIG. 4 is a flowchart of the operating method of the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view of the saccharification tank of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram of actual operation.
  • a craft beer saccharification operating system based on virtual reality including graphics workstations, VR liquid crystal displays, VR head-mounted displays, handle devices and laser positioners.
  • the graphics workstation is the main operating processor and is a virtual production workshop for craft beer. Operational processing environment; VR liquid crystal display is used to display the 3D panoramic craft beer virtual production workshop scene, and simultaneously display the moving picture of the virtual user model and the execution action picture; VR head-mounted display is used to immerse the user in the precision of the 3D panoramic view.
  • the scene of the virtual production workshop of brewing beer; the handle device is used to allow the user to control the movement and action execution of the virtual user in the virtual scene; the laser positioner is used for the user's positioning and motion capture.
  • the graphics workstation is the main operating processor
  • the VR liquid crystal display can be a screen projection TV, which is used for display
  • the head-mounted display provides a virtual world simulation environment
  • the handle device provides the function of moving and interacting in the virtual world
  • the laser The locator emits a laser to transmit the position of the head-mounted display and the handle device to the graphics workstation for positioning.
  • the handle sends three-dimensional data to the graphics workstation through the laser positioner.
  • the sensor in the handle transmits the key message to the graphics workstation.
  • a virtual reality-based craft beer saccharification operating system in this embodiment includes a host (graphic workstation), a VR liquid crystal display (screen projection TV), a head-mounted VR display, a handle device, and laser positioning ⁇ , etc.;
  • the host is the operating processing environment of the craft beer virtual production workshop.
  • the present invention uses the school’s existing craft beer training room as a prototype to photograph the on-site workshop and record the size and parameters of each equipment.
  • the virtual production workshop model of craft beer is built in the 3Dmax software, including the external structure and internal structure of the model, and the texture and brightness of the appearance of the equipment are adjusted.
  • the LightTracer ray tracing that comes with the 3dMax software is used for rendering, and finally a and Consistent model on site workshop.
  • the external structure and internal structure of the mash tank model are additionally processed, a new folder is created in U3D, and the FBX mash tank model is imported into the folder.
  • the unity engine supports the fbx format, it is necessary to export the produced model to the FBX format, and then put the file into the unity software to form a virtual scene appearing in the software.
  • the head-mounted VR display and the handle device are used to map the captured user messages to the virtual scene, and provide data for the corresponding users.
  • the user issues instructions to the virtual object, the graphics workstation interprets it, gives corresponding feedback results, and reflects the virtual world to the user through the head-mounted display.
  • a virtual environment similar to real craft beer will be derived.
  • the craft beer virtual production workshop scenes mainly include control cabinets, saccharification tanks, filter tanks, boiling tanks, spinners, and fermentation tanks. , Plate heat exchanger, CIP cleaning machine, virtual computer, etc.
  • the scene of the craft beer virtual production workshop described in this embodiment is shown in FIG. 2.
  • the VR liquid crystal display is used to display a three-dimensional panoramic craft beer virtual production workshop scene, and simultaneously display the moving pictures and execution action pictures of the virtual user model;
  • the liquid crystal display used in this embodiment is a Hisense 55-inch ultra-high-definition 4k display.
  • VR head-mounted display The three-dimensional immersive display of virtual scene graphs is realized by wearing a VR head-mounted display, allowing users to immerse in a three-dimensional panoramic virtual production workshop scene of craft beer and synchronize the movement of the user's head and body.
  • the HTC Vive head-mounted display is used in this embodiment.
  • Handle equipment is mainly used to control the movement and execution of virtual characters in the virtual production workshop of craft beer.
  • the handle device used in this embodiment is an HTC Vive handle device (as shown in FIG. 3), which includes menu buttons, touch pads, system buttons, status indicators, triggers, and handle buttons.
  • the target object can be picked up by pressing and holding the handle button of the operating handle, and releasing the handle button to drop the target object.
  • the status indicator shows the usage of the handle device; green, indicating that the handle is in normal mode; flashing red, indicating that the battery is low; flashing blue, indicating that the handle is pairing with the headset; blue, indicating that the handle has been paired with the headset The headset is connected; orange means it is charging. Click the menu button to return to the initial step of the craft beer saccharification operation.
  • each laser positioner there will be an infrared LED array, and two rotating shaft motors are perpendicular to each other and rotate wildly.
  • the laser positioner first flashes the synchronization signal of the infrared LED (60 times in 1 second), first scans the space with the X-axis rotating laser, and the Y-axis does not emit light; the next cycle flashes and scans again, but X and Y work The state is reversed, thus completing a cycle.
  • HTC Vive's head-mounted display and handle are equipped with a large number of photosensitive sensors, which will also synchronize the signal when the LED of the laser positioner flashes.
  • the X-axis and Y-axis lasers scan these sensors, they will record the arrival time ( The rotation speed is very fast, almost at the same time). Since the laser is covered by the surface, the angle of the HTC Vive's head-mounted display and the handle can be determined after two scans of the X and Y axes; moreover, there are multiple sensors on the handle device and the head-mounted display. The position difference between the two can calculate the position of the head mounted display. The scanning speed is fast enough and the number of times is enough, and the user's motion trajectory is accurately identified.
  • the operation is integrated into the virtual reality world.
  • a virtual world operation process is built through computer language, the parts that need to be operated are given names, and then each part is called in turn according to the process operation, and the color of the light around the corresponding part is changed to guide the user to operate.
  • the coordinate data of the virtual world is stored in the graphics workstation, and the handle device and the head-mounted display transmit the current three-dimensional space distance to the graphics workstation through the locator, so that the user's position and action can be obtained in the virtual world.
  • the sensor in the handle transmits this signal to the graphics workstation, and the graphics workstation receives the signal and changes the state of the current component according to the computer language of the unity system. Achieve interaction. After the program accepts the order, it will realize the special effect of flying dust in the virtual world through the particle system that comes with unity.
  • a virtual reality-based saccharification operation method of craft beer mainly includes the following steps:

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Abstract

一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法，系统包括图形工作站、VR液晶显示器、VR头戴式显示器、手柄设备和激光定位器；VR液晶显示器用于显示三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面；VR头戴式显示器用于让用户沉浸入三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景；手柄设备用于让用户控制虚拟场景中虚拟用户的移动与动作执行；激光定位器用于用户的定位与动作捕捉。所述操作系统及方法能够比较清晰地展现精酿啤酒糖化工艺实际生产流程的操作规程，帮助学员在短时间内了解精酿啤酒糖化工艺过程的特性，让学员通过类似游戏的方式完成学习内容，贴近学员的真实体验和实际操作的感受，提高了教学效果。

Description

一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法 技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，更具体地，涉及一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法，主要应用于教学方面。
背景技术
目前，高等学校中精酿啤酒生产工艺教学大多以视频，图片，及理论知识讲解为主，虽然学生对理论知识理解透彻，但当学生步入工作岗位，职业意识不强，实际操作时，还是存在理论知识丰厚但不会操作等很多问题，导致学生不能很快的融入企业的生产中去。即便有的院校建设了精酿啤酒生产线，虽然在教学时可以进行实际的操作演示，但这种方式还是存在很多不足之处：
1、教学设备具有一定的局限性，在教学过程中无法保证每位同学都能实际操作。
2、实际投料操作耗费时间过长，大概需要3个小时左右，基本上只能老师进行操作，学生观看，导致学生理论知识丰富，实践技能缺乏。
3、实际操作投料一次,500L的糖化罐物料，大概需要600元左右，对于教学经费消耗严重。
4、现有的教学模式过于单一，导致学生学习兴趣较差。有的学生甚至出现理论知识缺乏的现象。
5、想要熟练掌握精酿啤酒糖化操作步骤，必须反复练习，而学校的设备与经费都不能够支持学生反复练习与操作。从而使得学生的实践技能普遍薄弱，不能很好的为企业输送技术型人才。
近几年，虚拟仿真教学形式和技术迅猛发展，3D/VR虚拟现实、AR增强现实等技术手段先后出现，随着学院学科建设的不断深度需要，结合更加先进的沉浸式虚拟现实技术手段，更加深度的建设生物工程仿真实训中心，依据阶梯递进式工学交替的人才培养模式，将精酿啤酒过程进行虚拟仿真化教学，让校内实训更加贴近精酿啤酒企业的实际生产，有助于提升学生的专业基本能力、专业核心能力和职业行为能力，便于学生在校学习与企业岗位实践能够顺利衔接，同时也能有效降低实训成本，并提升实训效果，通过虚拟现实(VR)技术手段弥补学校在专业设备、仪器、场地等方面的不足，完善专业教学过程，提高啤酒酿造人才培养质量，更好的为企业输送人才。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，包括图形工作站、VR液晶显示器、VR头戴式显示器、手柄设备和激光定位器，图形工作站为主运行处理器，是精酿啤酒虚拟生产车间的运行处理环境；VR液晶显示器用于显示三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，并同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面；VR头戴式显示器用于让用户沉浸入三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景；手柄设备用于让用户控制虚拟场景中虚拟用户的移动与动作执行；激光定位器用于用户的定位与动作捕捉。
可选的，将现场的车间进行拍摄，记录各个设备的大小参数，根据1：1的比例在3Dmax软件中进行精酿啤酒虚拟生产车间模型搭建，调整设备外观的贴图材质及光亮，采用3Dmax软件自带的Light Tracer光线追踪进行渲染，最后建设好一个和现场车间一致的模型；全部模型建设完成后，额外处理糖化罐模型的外部结构和内部结构，将糖化罐模型各结构材质更改为透明模式，修改透明通道实现半透明；再导出一个和真实精酿啤酒一样的虚拟环境；在图形工作站的运行环境中打开导出的和真实精酿啤酒一样的虚拟环境，进入精酿啤酒虚拟生产车间。
可选的，VR液晶显示器还同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面，VR液晶显示器为Hisense 55英寸超高清4k显示器。
可选的，VR头戴式显示器为HTC Vive头戴式显示器。
可选的，手柄设备为HTC Vive手柄设备，当手柄设备发出的射线终点达到虚拟车间的某一个位置时，点击触控板的前键将人物移动到此位置上；当手柄设备发出的射线终点在某个目标位置时，通过扣动操作设备底下的扳机，控制某个目标位置的开关；当手柄设备发出的射线终点在某个目标物体时，通过按住操作手柄的手柄按钮不放来拿起目标物体，松开手柄按钮放下目标物体；通过点击手柄设备的系统按钮触发软件糖化罐透视功能。
可选的，两个激光定位器对定位空间发射横竖两个方向扫射的激光，在被定位物体上放置多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，解算出待测定位节点的坐标，从而达到对头戴式显示器和手柄设备定位的功能。
本发明还提供了一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作方法，包括以下步骤：
(1)打开图形工作站承载的三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，用户配戴手柄设备、VR头戴式显示器进入精酿啤酒虚拟生产车间，通过VR液晶显示器展示对应的三维场景；
(2)使用者获取虚拟用户的操作指令，根据操作指令控制虚拟用户模型移动，执行动作；
(3)根据操作指令，模拟真实环境下精酿啤酒的糖化操作；
(4)糖化操作结束后，留在虚拟生产车间中，通过虚拟电脑观看糖化操作生产工艺教学视频，观看糖化罐内部结构视频，并通过点击手柄设备上的系统按钮改变糖化罐模型材质渲染模式，由普通材质改成透明材质从而触发糖化罐透视功能，观测糖化罐内部结构。
进一步的，步骤(3)中精酿啤酒糖化操作方法包括以下步骤：
(31)当用户进入虚拟精酿啤酒生产车间后，根据操作指令前往平台上打开糖化罐加水阀门加入清水，等待水加到所需水量后关闭加水阀门；
(32)前往平台下方打开糖化罐蒸汽阀门开关，向加好水的糖化罐中通入蒸汽进行升温，通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到50摄氏度时，关闭蒸汽阀门，停止加热；
(33)通过控制柜启动糖化罐搅拌，然后进行投料操作，将装麦芽的袋子放到平台上，打开糖化罐的盖子，解开袋子上的绳子，然后拿起袋子，将麦芽倒入糖化罐内，盖上糖化罐盖子；保温40分钟；
(34)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到63摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门，保温30分钟；
(35)等保温30分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到70摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门，保温40分钟；
(36)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到78摄氏度后，关闭糖化搅拌，然后关闭蒸汽阀门，糖化操作结束。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)能够比较清晰地表现啤酒实际生产流程的操作规程，贴近真实体验实际操作 的感受。熟悉啤酒生产的工艺过程，掌握生产操作要点，加强学生对理论知识理解，能够有效的帮助生物食品等相关专业学员在短时间内了解啤酒生产过程特性，提升理论知识水平，培养适合社会需要的复合型人才。
(2)实际糖化操作步骤大概需要3个小时，而利用精酿啤酒糖化操作虚拟现实技术只需10分钟，大大的提高了教学效率，可以让每个学生在课堂上进行实际操作。
(3)实际糖化投料的成本,500L的糖化罐物料，大概在600元左右，用精酿啤酒糖化操作虚拟现实技术可有效的节约这部分成本。
(4)操作过程中VR显示屏可以让指导老师知道学生在操作过程中的错误进行总结，对学生发生的共性问题进行实际演示和改正。
(5)实际精酿啤酒糖化操作耗时过长，过程枯燥，而利用精酿啤酒糖化操作虚拟现实技术，学生在虚拟现实世界里就像做游戏一样就可以将糖化操作步骤的完成，大大的提高了学生的学习兴趣和学习效率。
(6)能够让学员通过类似游戏式完成学习内容，提高教学效果。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是精酿啤酒虚拟生产车间场景图；
图3是HTC Vive手柄设备结构图；
图4是本发明操作方法流程图；
图5是本发明中的糖化罐透视图；
图6是实际操作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，包括图形工作站、VR液晶显示器、VR头戴式显示器、手柄设备和激光定位器，图形工作站为主运行处理器，是精酿啤酒虚拟生产车间的运行处理环境；VR液晶显示器用于显示三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，并同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面；VR头戴式显示器用于让用户沉浸入三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景；手柄设备用于让用户控制虚拟场景中虚拟用户的移动与动作执行；激光定位器用于用户的定位与动作捕捉。
其中，图形工作站为主运行处理器，VR液晶显示器可以为屏幕投影电视，其用于 显示，头戴式显示器提供虚拟世界的模拟环境，手柄设备提供在虚拟世界中进行移动及交互的功能，激光定位器发射激光，将头戴式显示器和手柄设备的位置传输到图形工作站中，从而进行定位。手柄设备中，手柄通过激光定位器将三维数据发送至图形工作站中，当玩家扣动扳机时，手柄中的传感器将按键消息传送给图形工作站。
如图1所示，本实施例中一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，包括主机(图形工作站)、VR液晶显示器(屏幕投影电视)、头戴式VR显示器、手柄设备和激光定位器等；
主机是精酿啤酒虚拟生产车间的运行处理环境，本发明以学校现有的精酿啤酒实训室为原型，将现场的车间进行拍摄，记录各个设备的大小参数，根据1：1的比例在3Dmax软件中进行精酿啤酒虚拟生产车间模型搭建，包括模型的外部结构和内部结构，并调整设备外观的贴图材质及光亮，采用3dMax软件自带的Light Tracer光线追踪进行渲染，最后建设好一个和现场车间一致的模型。全部模型建设完成后，额外处理糖化罐模型的外部结构和内部结构，在U3D新建文件夹，将FBX糖化罐模型导入到文件夹中。选中导入的模型，勾选右侧Generate lightmap UV选项，将模型拖入场景，选中模型各个部分，调整材质，将材质更改为透明模式，修改透明通道实现半透明。因unity引擎支持fbx格式原因，需将制作后的模型导出为FBX格式，再将文件放入unity软件中，形成软件中出现的虚拟场景。在搭建好的虚拟场景中，利用头戴式VR显示器和手柄设备将捕获的使用者消息映射到虚拟场景中，为相应使用者提供数据。操作中，用户对虚拟对象发出指令，图形工作站对其解释，给出相应的反馈结果，通过头戴式显示器给用户反映虚拟世界的景象。本实施例中，将导出一个和真实精酿啤酒一样的虚拟环境。在该运行环境中打开由unity引擎导出的精酿啤酒虚拟生产车间运行包，所述的精酿啤酒虚拟生产车间场景主要包括控制柜，糖化罐，过滤罐，煮沸罐，旋沉罐，发酵罐，板式换热器，CIP清洗机，虚拟电脑等。本实施例中所述的精酿啤酒虚拟生产车间场景如图2所示。
VR液晶显示器，用于显示三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，并同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面；本实施例中所用的液晶显示器为Hisense 55英寸超高清4k显示器。
VR头戴式显示器：通过配戴VR头戴式显示器实现虚拟场景图的立体沉浸式显示，让用户沉浸入三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景并同步用户头部和身体的移动情 况。本实施例中所用的为HTC Vive头戴式显示器。
手柄设备主要用于控制精酿啤酒虚拟生产车间内虚拟人物的移动与动作执行。本实施例中所用的手柄设备为HTC Vive手柄设备(如图3所示)，包括菜单按钮、触控板、系统按钮、状态指示灯、扳机和手柄按钮。当手柄设备发出的射线终点达到虚拟车间的某一个位置时，点击触控板的前键即可将人物移动到此位置上。当手柄设备发出的射线终点在某个目标位置时，可以通过扣动操作设备底下的扳机，控制某个目标位置的开关。当手柄设备发出的射线终点在某个目标物体时可以通过按住操作手柄的手柄按钮不放来拿起目标物体，松开手柄按钮放下目标物体。通过点击手柄设备的系统按钮可触发软件糖化罐透视功能。状态指示灯显示手柄设备的使用情况；绿色，表示操控手柄处于正常模式；闪烁红色、表示电池电量低；闪烁蓝色，表示操控手柄正在与头戴式设备配对；蓝色，表示操控手柄已与头戴式设备连接；橙色，表示正在充电。点击菜单按钮用于返回精酿啤酒糖化操作的初始步骤。
两个激光定位器：每个激光定位器里会有一个红外的LED阵列，两个转轴电机互相垂直并疯狂旋转。工作的时候激光定位器先由红外LED闪光同步信号(1秒60次)，先由X轴旋转激光扫过空间，Y轴不发光；下一个周期则再次闪光、扫描，只不过X、Y工作状态相反，如此就完成了一个循环。HTC Vive的头戴式显示器和手柄上搭载了大量光敏传感器，在激光定位器的LED闪光时也会同步信号，当X轴和Y轴激光扫过这些传感器，他们就会记录下到达的时间(旋转速度很快，几乎可以认为时同时)。由于激光是以面覆盖下来的，经过X、Y轴两次扫描之后可以确定HTC Vive的头戴式显示器和手柄的角度；而且手柄设备和头戴式显示器上有多个传感，通过他们之间的位置差就可以计算出头戴式显示器的位置。扫描速度足够快、次数足够多，使用者的运动轨迹就被精确的识别出来。
操作时，依据精酿啤酒糖化操作步骤，把操作融入到虚拟现实世界中。在unity系统中，通过计算机语言搭建虚拟世界操作流程，将需要操作的部件赋予名称，再根据流程操作，把每个部件依次调用，并改变对应部件周围的灯光颜色来引导使用者进行操作。图形工作站中储存虚拟世界的坐标数据，手柄设备和头戴显示器将当前三维空间距离通过定位器传输到图形工作站中，从而在虚拟世界能得到使用者的位置即动作。在虚拟世界中，当手柄触碰操作部件，扣动扳机键，手柄中的传感器会将这一信号传送至图形工作站，图形工作站接收该信号，并依据unity系统的计算机语言改变当前部件的状态， 达到交互作用。程序接受命令后，还将通过unity中自带的粒子系统实现在虚拟世界中粉尘飞舞的特效。
如图4所示，一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作方法，其主要包括以下步骤：
(1)打开主机承载的三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，用户配戴手柄设备、VR头戴式显示器进入精酿啤酒虚拟生产车间，通过VR液晶显示器展示对应的三维场景。
(2)根据语音提示控制虚拟用户模型移动，执行动作。
(3)根据语音提示模拟真实环境下精酿啤酒的糖化操作。具体的精酿啤酒糖化操作方法如下：
(31)当用户进入虚拟精酿啤酒生产车间后，根据操作指令前往平台上打开糖化罐加水阀门加入清水，等待水加到所需水量后关闭加水阀门。
(32)前往平台下方打开糖化罐蒸汽阀门开关。向加好水的糖化罐中通入蒸汽进行升温。通过控制柜显示器查看温度变化。当糖化罐温度达到50摄氏度时，关闭蒸汽阀门。停止加热。
(33)通过控制柜启动糖化罐搅拌，然后进行投料操作，将装麦芽的袋子放到平台上，打开糖化罐的盖子，解开袋子上的绳子，然后拿起袋子，将麦芽倒入糖化罐内，盖上糖化罐盖子。保温40分钟。
(34)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温。通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到63摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门。保温30分钟。
(35)等保温30分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温。通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到70摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门。保温40分钟。
(36)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温。通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到78摄氏度后，关闭糖化搅拌，然后关闭蒸汽阀门。糖化操作结束。
(4)完成精酿啤酒糖化操作后，可留在虚拟生产车间中，通过虚拟电脑观看糖化操作生产工艺教学视频，观看糖化罐内部结构视频。并可通过点击手柄设备上的系统按钮改变糖化罐模型材质渲染模式，由普通材质改成透明材质从而触发糖化罐透视功能，观测糖化罐内部结构，如图5所示为糖化罐透视图，如图6所示为实际操作示意图。

Claims (8)

  1. 一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：包括图形工作站、VR液晶显示器、VR头戴式显示器、手柄设备和激光定位器，图形工作站为主运行处理器，是精酿啤酒虚拟生产车间的运行处理环境；VR液晶显示器用于显示三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，并同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面；VR头戴式显示器用于让用户沉浸入三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景；手柄设备用于让用户控制虚拟场景中虚拟用户的移动与动作执行；激光定位器用于用户的定位与动作捕捉。
  2. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：将现场的车间进行拍摄，记录各个设备的大小参数，根据1：1的比例在3Dmax软件中进行精酿啤酒虚拟生产车间模型搭建，调整设备外观的贴图材质及光亮，采用3Dmax软件自带的Light Tracer光线追踪进行渲染，最后建设好一个和现场车间一致的模型；全部模型建设完成后，额外处理糖化罐模型的外部结构和内部结构，将糖化罐模型各结构材质更改为透明模式，修改透明通道实现半透明；再导出一个和真实精酿啤酒一样的虚拟环境；在图形工作站的运行环境中打开导出的和真实精酿啤酒一样的虚拟环境，进入精酿啤酒虚拟生产车间。
  3. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：VR液晶显示器还同步显示虚拟用户模型的移动画面及执行动作画面，VR液晶显示器为Hisense 55英寸超高清4k显示器。
  4. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：VR头戴式显示器为HTC Vive头戴式显示器。
  5. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：手柄设备为HTC Vive手柄设备，当手柄设备发出的射线终点达到虚拟车间的某一个位置时，点击触控板的前键将人物移动到此位置上；当手柄设备发出的射线终点在某个目标位置时，通过扣动操作设备底下的扳机，控制某个目标位置的开关；当手柄设备发出的射线终点在某个目标物体时，通过按住操作手柄的手柄按钮不放来拿起目标物体，松开手柄按钮放下目标物体；通过点击手柄设备的系统按钮触发软件糖化罐透视功能。
  6. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统，其特征在于：两个激光定位器对定位空间发射横竖两个方向扫射的激光，在被定位物体上放置多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，解算出待测定位节点的 坐标，从而达到对头戴式显示器和手柄设备定位的功能。
  7. 一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
    (1)打开图形工作站承载的三维全景的精酿啤酒虚拟生产车间场景，用户配戴手柄设备、VR头戴式显示器进入精酿啤酒虚拟生产车间，通过VR液晶显示器展示对应的三维场景；
    (2)使用者获取虚拟用户的操作指令，根据操作指令控制虚拟用户模型移动，执行动作；
    (3)根据操作指令，模拟真实环境下精酿啤酒的糖化操作；
    (4)糖化操作结束后，留在虚拟生产车间中，通过虚拟电脑观看糖化操作生产工艺教学视频，观看糖化罐内部结构视频，并通过点击手柄设备上的系统按钮改变糖化罐模型材质渲染模式，由普通材质改成透明材质从而触发糖化罐透视功能，观测糖化罐内部结构。
  8. 根据权利要求8所述的一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作方法，其特征在于，步骤(3)中精酿啤酒糖化操作方法包括以下步骤：
    (31)当用户进入虚拟精酿啤酒生产车间后，根据操作指令前往平台上打开糖化罐加水阀门加入清水，等待水加到所需水量后关闭加水阀门；
    (32)前往平台下方打开糖化罐蒸汽阀门开关，向加好水的糖化罐中通入蒸汽进行升温，通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到50摄氏度时，关闭蒸汽阀门，停止加热；
    (33)通过控制柜启动糖化罐搅拌，然后进行投料操作，将装麦芽的袋子放到平台上，打开糖化罐的盖子，解开袋子上的绳子，然后拿起袋子，将麦芽倒入糖化罐内，盖上糖化罐盖子；保温40分钟；
    (34)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到63摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门，保温30分钟；
    (35)等保温30分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到70摄氏度后，然后关闭蒸汽阀门，保温40分钟；
    (36)等保温40分钟结束后，打开蒸汽阀门进行升温；通过控制柜显示器查看温度变化，当糖化罐温度达到78摄氏度后，关闭糖化搅拌，然后关闭蒸汽阀门，糖化操作结束。
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