487 浏览摘要
随着科学技术的不断发展，高校的教育教学模式也在不断进行改革与创新，广泛推进 信息技术深入至高校的日常教学之中，成为教学模式改革的新思路。对于艺术设计类课程 而言，实训是无法避免的，只有在理论的基础之上真正实践才能促进全面发展，实训教学 的良好运行便成为提高整体教学质量的重要环节。面对现实环境中各方面因素的制约，虚 拟实训系统恰逢其时，其凭借独具的多维度交互及沉浸感的优势在艺术设计类领域开始崭 露头角，将原本以教师为主，学生被动接受知识灌输的实训教学方式改变为以学生为主， 在发挥学生主观能动性的基础上辅以教师互动的教学模式，提高了教学质量的同时也培养 了学生的实际操作能力与创新精神，更好地激发了学生对课程学习的兴趣。
本论文基于虚拟实训系统在高校实训教学中的应用与发展，对虚拟仿真技术的应用进 行详尽的分析，并探讨新时代下虚拟实训系统开发中新技术的一些运用与价值，以期为虚 拟实训系统开发提供一种新的技术路线。
首先，笔者运用文献研究法梳理了大量虚拟实训系统理论的文献资料，对虚拟实训系 统的起源与概念特征等等进行了整理，并对虚拟实训系统类型进行了分类，总结了虚拟实 训系统在实训教学中的优势与意义。接着针对《室内设计》虚拟实训系统进行了设计，归 纳了开发虚拟实训系统的基本原则的同时，对《室内设计》虚拟实训系统的需求进行了调 研分析；在了解大体的功能需求后针对《室内设计》虚拟实训系统的架构、开发流程、开 发环境及关键技术进行设计和介绍。其后，笔者再通过多维度分析了典型案例中的实现技 术，总结出其优秀经验，随后实际进行设计开发《室内设计》虚拟实训系统。
在《室内设计》虚拟实训系统的实际开发过程中主要分为前期准备、设计与开发、封 装与优化以及调试打包四个阶段，针对每一阶段的实现都进行了详细的撰写介绍，最后通 过焦点小组访谈的设计研究方法，对开发的《室内设计》虚拟实训系统进行了运行效果分 析，并针对焦点小组中教师与学生提出的问题与建议等反馈信息不断改进优化系统，从而 最大程度上实现系统的实际应用价值。
不仅如此，笔者还针对《室内设计》虚拟实训系统的设计开发过程中存在的问题和不 足加以反思，并展望了未来虚拟实训系统应用服务于各行各业的楮景。相信随着科学技术 的不断进步，未来将会岀现更新颖更强大的虚拟实训系统。
关键词：艺术设计；实训教学；虚拟实训系统
目录
绪论 1
一、 研究背景及意义 1
（一） 研究背景 1
（二） 研究意义 2
二、 研究现状 3
三、 研究目标 5
四、 研究内容 5
五、 研究思路 6
（一） 研究思路 6
（二） 研究方法 7
第一章虚拟实训系统的缘起与发展 8
第一节虚拟实训系统概况 8
一、 虚拟实训系统的类型 8
二、 虚拟实训系统的特征 9
第二节虚拟实训系统的开发现状 11
第三节虚拟实训系统的发展趋势 13
第四节虚拟实训系统对实训教学的影响 14
一、 适应性广泛 14
二、 教学成本低 14
三、 学习兴趣高 15
第二章《室内设计》虚拟实训系统的设计 16
第一节《室内设计》虚拟实训系统的设计原则 16
一、 教育性原则 16
二、 实用性原则 16
三、 真实性原则 16
四、 艺术性原则 17
五、 技术性原则 17
第二节《室内设计》虚拟实训系统的需求分析 17
一、仿真真实性需求 18
二、 理论辅助需求 18
三、 非功能性辅助需求 19
第三节《室内设计》虚拟实训系统的架构设计 20
第四节《室内设计》虚拟实训系统的开发流程 21
一、 前期准备阶段 21
二、 设计与开发阶段 22
三、 封装与优化阶段 22
四、 调试与打包阶段 22
第五节《室内设计》虚拟实训系统的开发环境 22
一、 硬件环境 23
二、 软件环境 23
第六节《室内设计》虚拟实训系统开发的关键技术 24
一、 碰撞检测 24
二、 光照构建 25
三、 LOD层次细节 26
第三章虚拟实训系统的应用案例透视 28
第一节功能交互——以《园林设计VR系统》为例 28
一、 直观全面的互动方式 28
二、 硬件设备的辅助交互 28
三、 经验启示 29
第二节功能教学——以《汽车维修仿真平台》为例 29
一、 即时提示纠正错误操作 29
二、 整合归纳展现教学内容 30
三、 经验启不 30
第三节界面风格——以《服装一体化设计仿真教学系统》为例 30
一、 弱化视觉强调功能 30
二、 适应情境用户为先 31
三、 经验启示 31
第四章《室内设计》虚拟实训系统的开发实践 33
第一节前期准备 33
一、 模型的制作与优化 33
二、 材质及贴图绘制 34
第二节设计与开发 38
一、 虚拟场景的整合与优化 38
二、 UI界面的设计与实现 40
三、 系统功能的设计与实现 44
第三节封装与优化 51
一、 《室内设计》虚拟实训系统的资源封装 51
二、 《室内设计》虚拟实训系统的性能优化 52
第四节调试与打包 55
一、 调试 55
二、 打包 56
第五章《室内设计》虚拟实训系统运行效果分析 58
第一节焦点小组访谈 58
第二节运行效果分析 58
参考文献
绪论
—、研究背景及意义
(-)研究背景
21世纪以来，随着科学技术不断的进步，知识在不断地更新换代，计算机网络信息技 术更是取得了突飞猛进的发展，传统教学模式下的培养体系已经无法再适应信息化新时代 人才培养的需求。运用新时代的教育技术及手段促进教育教学模式不断改革与创新，已经 成为了我国教学教学改革事业的主要任务之一。在教育部《教育信息化“十三五”规划》 中明确指出，要依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学模式和教学内容 改革，推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用，适应信息时代对培养高素质人才的 需求，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用，当 然，教师们也并非抱令守律，在课堂教学中也釆用了一些新时代信息化的教学手段，比如 常见的多媒体教学，利用多媒体设备图文并茂、直观等优点吸引学生的注意力；亦或是利 用翻转课堂的学习模式与学生互动交流讨论，再或是网络MOOC教学平台等个性化教育。 这些教学手段在发挥教师主观能动作用的基础之上主动探究发挥学生地主观能动性以及 自主学习能力。但是相较于课堂教学模式日新月异的改革创新，实训教学模式的改革成效 却微乎其微。不管是实训教学内容还是实训教学方法都过于陈旧，均拘泥于传统实训教学 模式下的实训教学体系，无法发挥学生自身的主观能动性及创新性，体现不了学生的真实 操作能力。在客观因素的影响下，学生只能凭借一些简单的操作及教师的口头复述等等进 行实训练习，归根结底还是灌输式的教育方法，这种教育范式的实质都具有强制性和封闭 性②，无法真正达到实训教学的目的与意义。因此，实训教学模式改革的当务之急便是在 实训教学中培养学生的实际操作能力，提高学生的创造力，激发学生学习的积极性与主观 性，使实训教学能够帮助学生巩固课堂教学中的理论知识，提高整个教学质量。
基于这个问题的研究，能够实现沉浸式的虚拟体验，为用户带来五感一体的虚拟环境， 实现现实环境中因客观因素而难以实现的虚拟仿真技术适逢其时，其改变了艺术设计领域 传统的设计方式，掀起了一场改革浪潮。虚拟仿真独有的技术手段有效的处理了抽象思维 与实体间的关系问题。随着我国教育事业投入不断的增加，截止2017年6月，我国的高 校数量己达到2914所，其中已经开设室内设计类课程的高校有800多所气 而艺术设计类
®中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[Z]. 2016-06-07.
®李敏.灌输式教育：一种“社会”隐喻一一兼谈游戏式教育的构想[J].教育学报,2007(04):10.
® 搜狐新闻.教育部公布 2017 最新全国高校名单 共 2914 所[EB/01.]. https ://www. sohu. com/a/149941631 _712640, 2017-06. 课程最重要的是构思、设计与表达的过程，利用传统的手绘草图等二维或三维的展示传达 基本的设计构思虽方便快捷，但过多依赖于无法真实表达太多细节的二维图形层面气
因此，当虚拟仿真技术以其独有的交互感与沉浸感的优势在艺术设计领域开始崭露头 脚时，利用虚拟仿真技术进行虚拟教学的研究与成果也越来越多。如何将虚拟仿真技术与 室内设计的实训课程建设相结合也是虚拟仿真技术在虚拟教学方面的一个主要趋势。将繁 琐的理论体系知识划分为不同主题融入图文并茂的场景中；由原来相对封闭灌输式的实训 教学方式变为教师与学生相互互动并积极主动学习的模式，以直观的可视化内容吸引学生 的关注和热情，让学生在游戏式的实训中巩固理论知识，锻炼自身操作能力。在相对的自 由环境中不断成长，不断进步。因此，有关虚拟仿真技术应用于现代高等学校实训教学的 研究有十分广阔的前景及迫切的需求。
（二）研究意义
随着时代的发展，高校教育理念的更新及教育模式的不断改善，人们势必对理论学习 及实训平台提出更高更新的要求，而对于高校实训教学平台应该如何进行更新和建设已成 为了一个亟待解决的问题。现代高校实训教学平台的建设想要与时俱进，就需要有先进的 技术支撑，虚拟仿真技术作为当下最为热门的数字技术，十分具有研究的必要性。其多样 化的交互操作方式、实时表现三维空间的能力以及身临其境般的沉浸感都为实训教学提供 了新的方式。同时，因设备、场地及成本等客观因素影响无法在现实中实现的实训课程或 因危险性高在原有的教学环境下难以完成的实验等等，皆可通过虚拟仿真技术模拟其实训 操作或实验现象，简单轻松的完成实训课程，达到实训目的，让学生积极主动去学习摸索。
本设计结合虚拟仿真技术文献的整理，通过理论指导实践，选择了艺术设计类专业《室 内设计基础》课程为例开发虚拟实训系统，因为传统的软件设计时间成本过高且繁琐，传 统的图示或视频无法展示过多细节成分难以让学生深入明确地了解一种设计原理及思路， 无法满足现代化的实训课程需求，无法使学生体系化的进行实际操作。此次虚拟实训系统 的设计与开发的完成有两方面的意义。
第一，结合教师与学生的实际需求，为学生提供一个相对稳定、能够亲身实践，自主 探究的《室内设计》虚拟实训平台。摆脱传统图片或视频的局限性，清晰地展示其中的设 计原理及设计思路，教师也能同时对学生进行指导纠正，为学生巩固某种设计理念或知识 点，充分向学生们直观地呈现出一些设计概念原理。该系统还可以轻易地展现出设计中的 具体细节，向学生们提供知识点辅助及个性化的全方位的模拟操作机会，从而使教学与实 训得到事半功倍的效果。
®游丽.虚拟仿真技术在建筑设计教学领域的应用[D].四川师范大学,2010； 13.
第二，为高等院校其他专业及学科的实训教学提供参考意见。将虚拟仿真系统作为教 学信息化资源应用于艺术设计类实训教学之中，既有利于其学科理论建设，同时又对虚拟 仿真教学在高等学校的应用拓展方面大有裨益。从目前看来，虚拟仿真仿真技术应用于高 校实训课程才刚刚起步，而且从现实应用的层面上看，虚拟仿真技术独有的真实性与沉浸 性，能够让学生在逼真、生动的学习环境中作为一名参与者全身心投入进去，这不仅有利 于调动学生的积极性，提高学习质量和效率，而且更有利于达到实训教学的目标要求，突 破教学中的重难点。特别是在复杂的技能传授方面起着不可替代的作用,因此在实训教 学之中运用虚拟仿真技术，无疑是实训教学改革探索道路中提高学生实际操作能力的有效 方法，虚拟仿真技术也终将成为实训教学改革的重要手段，其不同凡响的运用成效定然会 大放异彩。
二、研究现状
学界对虚拟仿真技术开始进行研究的标志是1965年由Ivan Sutherland在其博士论文中 提出了虚拟仿真的基本思想。上个世纪80年代Jaron Lanier提岀了 Virtual Reality的概念, 简称VR技术。近年来，虚拟仿真技术作为新兴技术开始在社会各行各业中崭露头角，得 到了越来越广泛的应用，尤其是在医学、房地产、军事、娱乐、艺术设计等领域，在为人 服务的同时也获得了巨大的经济效益。因此，相关学者认为：20世纪80年代是个人计算 机的时代，90年代是网络、多媒体的时代，而21世纪初则将是VR技术的时代②。
通过对中国知网等相关数据库的梳理，截至2019年3月以“虚拟仿真”及“实训教 学”为关键词进行检索，共检索出610篇文献，其中380篇发表于虚拟现实元年即2016 年以后，而高等教育及基础教育与中等职业教育研究层次仅仅只有86篇。其发表情况如
®陈春.虚拟仿真技术在计算机教学中的应用研究[J].软件导刊,2011(9):160.
®秦文虎.虚拟现实基础及可视化设计[M].北京:化学工业出版社,2009： 1.
由此可知，近年来关注虚拟仿真实训教学的理论研究热度不断上升，于2016年呈爆 发式增长，并逐年依次递增，更多的学者开始对虚拟仿真技术应用于实训教学进行展开研 究，但总量十分有限，并且不难看出其大都处于研究的初级阶段。在高等教育及基础教育 与中等职业教育研究层次方面对虚拟仿真实训教学的研究主要归结于以下三个方面：
第一，虚拟仿真实训应用的设计与实现研究。汪一鸣、卢丰华和张建新在发表的文章
《建筑施工实训虚拟系统的设计与实现研究》中简单叙述了虚拟仿真实训的优点及虚拟仿 真教学的功能，并详尽分析了建筑施工虚拟实训系统的开发在结构设计、模块设计以及系 统实现等方面的模式选择与功能模块等等，提出了在实训教学过程中运用虚拟仿真技术不 仅弥补了实训教学中诸多的不足之处，而且学生也对施工流程与其中的注意事项更为了 解，提高了实训教学的整体质量与效率①；余建军在发表的文章《虚拟仿真技术在高职实 训教学中的应用》中以空乘虚拟实训系统为例，总结出虚拟仿真技术提高了实训的频率， 可以让学生在不影响实体的训练项目的前提下于课后不断地进行反复训练，并实现多人互 不干扰地同时进行同一项目地训练，此外，利用虚拟仿真技术制作的虚拟实训系统具有网 络游戏的关卡理念，学生可以在类似游戏式的体验中进行实训，大大提高了实训项目的交 互性，激发了学生的学习兴趣，高职院校的实践教学必将向着校内虚实交替实训与校外企 业顶岗实习相结合的教学模式转变，从而进一步推动实训教学的改革，促进职业技术教育 的发展气
第二，虚拟仿真实训平台的建设与实践研究。王益光、刘建明、崔星慧、汲蕊和孙银 贵在《医学虚拟仿真实验平台的构建与实践》这篇文章中提出虚拟仿真实验教学中心的建 设是将“以教师为中心、以学科为中心、'老三段'”的教育教学模式改变为“以学生为 本、基础贯通临床”的教学理念，优化了现有的实验教学资源，形成“螺旋式上升的”资 源建设机制，实现了传统教学模式的翻转，是新时代高等教育教学改革的重大创新气刘 骥翔、张婷、魏杰、侯虹和苏海佳在《化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心建设与 实践》一文中表示虚拟仿真实验教学平台的建设不能脱离实体而一味地追求虚拟，应该利 用虚拟仿真技术更好地为实训教学服务，发挥其独特的教学功能，满足既有深度又有广度 的实训教学要求，完善了实践教学的内容，改进了教学的手段及方法，创新了人才培养模 式，带动了高等教育质量的全面提升气
第三，对虚拟仿真实训教学的宏观模式及发展趋势的研究。如范凤艳、黄艳、易飞、
《仿真模拟实训与专业课教学过程对接改革》中从专业课程开发的 角度分析了现有的化工仿真实训教学，指出单一的不具备代表性可变性的虚拟仿真实训教 学与专业课程的衔接并不紧密，大大制约了学生创新精神的培养，打击了学生的主动积极 性，提出虚拟仿真平台需要与课堂展示平台以及数字资源平台等多平台相互融通，这样才 能与专业课的教学过程进行对接，实现培养高技术技能人才的目标，而在胡朝英所著的 《基于“虚拟仿真技术”构建本科实训教学体系的改革与实践》一文中指出需要利用虚拟 仿真技术完善“创新式课堂教学、实践教学、课外活动反哺教学”的立体式实训教学体系 的建设，实行“启发式、探究式、讨论式、参与式”的课堂教学模式，实现实训教学体系 的创新，合理开发虚拟仿真实训基地，加快实现高校人才培养目标②。
绝大部分的研究都表明，虚拟仿真技术对推动实训教学的发展过程中起着关键作用， 分析了虚拟仿真技术的优势和目前存在的问题，阐述了实训基地信息化环境的构建。关于 虚拟仿真技术在实训教学中的实践应用与理论研究仍处于初级阶段，对于数字媒体新时代 下的虚拟仿真实训教学的研究与创作都比较局限。
三、 研究目标
通过梳理目前虚拟仿真技术的发展等相关的研究现状，进而探讨实训教学结合虚拟仿 真技术后的“化学反应”，总结和思考虚拟实训系统的设计原则及开发规律。
其次，以室内设计实训教学为切入点，制作虚拟实训系统。从实践的角度出发，结合 已有的案例和笔者开发设计的系统具体分析虚拟仿真技术开发设计中的实践应用规律。
最后，以专业性及创新性的角度针对虚拟实训系统开发设计中的偏失与亟待解决的问 题，总结虚拟仿真技术在实训教学中的理论基础与应用规律，并希望为高校其他学科及行 业的虚拟仿真技术的应用提供参考借鉴，具有一定的应用价值与实践价值。
四、 研究内容
本设计的创作内容是开发一款以《室内设计》实训教学为主的虚拟实训系统。对此， 主要由以下几方面搭建设计内容.。…
第一，通过文献研究法梳理虚拟实训系统的概念特征，并根据不同方法对其进行分类， 分析虚拟实训系统的开发现状总结其发展趋势，从而引出虚拟实训系统对高等教育实训课 程建设中的意义。
®范凤艳，黄艳，易飞，袁云云，雷亮，刘霞.仿真模拟实训与专业课教学过程对接改革[J].山东化工,2019(4):134-135.
®胡朝英.基于“虚拟仿真技术”构建本科实训教学体系的改革与实践[J].教育教学论坛,2018(14):131-132.
第二，对《室内设计》虚拟实训系统进行总体设计并对案例进行透视，为第四章的创 作实践做基础。主要分为设计原则、需求分析、架构设计、开发流程、开发环境以及开发 的关键技术。这一部分非常重要，工欲善其事，必先利其器，总体设计决定着系统开发的 成功与否及其价值，案例透视可以避免在开发中走一些弯路。
第三，设计开发《室内设计》虚拟实训系统，将以上的总体设计落实到设计开发之中， 通过上一章节对案例的多维度透析，进而确定系统风格并制作模型、材质、贴图、场景的 整合及实现系统的UI设计与各功能模块的实现。
第四，对《室内设计》虚拟实训系统的运行效果进行分析，釆用了焦点小组访谈的设 计研究方法，根据焦点小组中教师及学生的反馈不断调整改进系统，从而不断优化《室内 设计》虚拟实训系统的应用效果，总结此次虚拟实训系统设计中一些实践经验，并对本次 虚拟实训系统的设计进行反思。
五、研究思路
(—)研究思路
本文以室内设计课程作为切入点，将虚拟仿真技术应用到高校实训教学之中，并结合 教学系统设计、人机交互技术、艺术设计等相关理论知识，分析两者结合所迸发的新思路、 新内涵、新变化。
宏观来看，本文以“《室内设计》虚拟实训系统的设计与开发”为题，研究包括以下 几个方面：“虚拟实训系统与实训教学”一“设计及案例透视”一“创作实践与效果评价” —“总结与展望”。
微观来看，通过实践对虚拟实训系统进行深入剖析，进而归纳总结虚拟仿真技术在实 训教学中的经验教训以及应用规律，探析虚拟实训教学在新时代下所呈现出的新生命力。 具体研究思路如图2所示。
图2研究思路
（二）研究方法
1.文献分析法
通过对现有的文献进行分析，梳理出虚拟仿真技术及开发虚拟实训系统所涉及到的理 论概念，并对其进行总结归纳。此外，分析国内外相关学术期刊论文及学者等对于“虚拟 仿真”、“实训系统”等相关领域的研究成果，同时针对相关的实训系统进行研究，利用 实训系统自身所呈现出的客观表象进行实质的实践探索。
2.案例分析法
通过案例分析法总结虚拟仿真技术是如何在实训中运用的，并从需求分析、功能定位、 UI美术及交互设计等角度出发，对目前具有代表性的虚拟仿真系统进行学习分析。如《园 林设计VR系统》、《汽修维修仿真平台》、《服装一体化设计仿真教学系统》等等，以 此作为案例文本，进行归纳总结阐释虚拟仿真技术在虚拟实训系统开发中的应用规律及经 验启示。 • ■ ■ • ■■-
第一章虚拟实训系统的缘起与发展
第一节虚拟实训系统概况
虚拟实训系统是利用计算机等虚拟仿真技术展示真实的实训环境，模拟实训的过程以 及评价实训结果，是虚拟仿真技术在实训领域的应用，让学生操作计算机展示的实训内容 来完成现实实训的模拟或部分替代真实的实训气随着计算机技术及硬件设备的发展，利 用虚拟实训系统完成复杂的人机交互等功能已经成为可能，使用者可以亲自操作自然地与 虚拟的人工环境进行交互。虚拟仿真的产生与发展为人类认识自然、改造自然提供了一种 新的分析计算的工具与解决方法的途径。利用虚拟实训系统具有多感知性、沉浸感、实时 交互性、自主性等特征，通过传感器等硬件设备对虚拟环境交互操作，得到诸如视觉、触 觉等反馈信息气针对高等院校教育教学事业而言，虚拟实训系统能清晰地表达出虚拟空 间内的各类信息，并通过多种多样的交互方式使用户宜接与虚拟世界内的对象进行互动， 从而在学习的基础上更大地发挥自主创新能力。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训环 境，将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途径 ③。因此，虚拟实训系统在虚拟实验室、安全教育、特殊教育、仿真训练等领域应用中的 发展，具有明显的特色和优势。
一、虚拟实训系统的类型
1989 年第一个 VSL (Virtual Systems Laboratory)虚拟实训系统于 Central Florida 大学 教育训练研究院建立，此后越来越多的虚拟实训系统在全球各大高校及重点实验室纷纷涌 现。虚拟仿真系统的多样化也使得如何对虚拟实训系统进行分类带来了一些问题。南京邮 电大学的单美贤教授曾对虚拟实验系统的分类方法进行过研究，她提出了根据实验设计、 实验对象和实验控制三个维度的分类方法对虚拟实验系统进行了分类④，对比至虚拟实训 系统也是如此，依旧可将其根据访问途径、实现手段及交互程度三个方面进行分类。
(-)按访问途径分类
根据虚拟实训系统的访问方式可分为单机版和网络版。单机版虚拟实训系统，又称本 地虚拟实训系统，其无法通过网络远程控制管理系统，但可在任一符合要求的本地计算机 上运行。网络版虚拟实训系统，顾名思义，用户可以通过网络远程访问该类系统，进行控
®许国莹，刘家秀.虚拟仿真技术在医学检验实训教学中的应用[J].现代职业教育,2016(27):147.
®张英.虚拟现实技术概述[J].知识经济,2012(23): 126.
®王腼.基于VR展示与交互的教学系统设计与实现[D].上海交通大学,2013:3.
®单美贤.虚拟实验系统的分类研究[J].现代教育技术,2011(10) :117,
制管理等操作，因此又被称之为远程虚拟实训系统。相对单机版虚拟实训系统而言，网络 版特别依赖于网络，但其优势与劣势皆因网络，网络环境的好坏或多或少会影响到虚拟仿 真系统的使用，因此在开发网络版虚拟实训系统的过程中还需考虑网络环境等客观因素。
(-)按实现手段分类
按照实现虚拟实训系统的方法可以将其分为纯软件类虚拟实训系统及远程控制类虚 拟实训系统气 纯软件开发的虚拟实训系统是基于Flash交互技术、ActiveX技术、VRML 技术、Java技术等各项虚拟仿真技术及虚拟仿真软件而实现的二维或三维虚拟系统，其无 配套的硬件设备，完全依靠软件进行模拟仿真。而远程控制类虚拟实训系统大都配备了实 训硬件设备，服务器通过网络接收客户端的各项数据，并一一对各项请求进行回应，实现 远程控制真实的实训设备，而且客户端将实时反映操作过程中的各项参数以便下一步操作 等等。
(H)按交互程度分类
根据沉浸程度和交互方式的不同，虚拟实训系统又可分为沉浸式、增强式、分布式及 桌面式。沉浸式虚拟实训系统通过头戴式显示器等设备最大限度地封闭用户原有的感知器 官，再利用数据手柄等交互设备让用户与虚拟世界进行互动，提供一个虚拟的感觉空间， 这种虚拟实训系统较为高级、理想化；常见的沉浸式系统主要有基于HMD的虚拟系统、 投影式的虚拟仿真系统等等。增强式虚拟实训系统是通过基于光学原理的穿透式头戴显示 器将虚拟的三维场景叠加至真实的现实世界中，使真实世界与虚拟环境相互融合，并利用 两者为用户提供信息。分布式虚拟实训系统则是通过网络技术支持多个不同物理位置的用 户或虚拟世界实时参与到同一虚拟环境中进行交互合作。而用户可通过各类输入设备仅对 计算机显示屏中的三维虚拟空间场景进行控制管理交互的系统便称之为桌面式虚拟实训 系统，其沉浸程度略低，用户极易受到外界环境因素的影响；但是其实现成本较低且易推 广，较为普遍。
二、虚拟实训系统的特征
1993年，美国科学家BurdeaG和Philippe Coiffet在世界电子年会上发表了一篇题为 ^Virtual Reality System and Applications w的文章，在该文中提出一个"虚拟仿真技术的三 角形”②，它表示出虚拟仿真技术具有的三个突出特征：沉浸感、交互性和想象力，即虚 拟仿真的“31”特性，如图3。
®洪洲.虚拟实训系统的研究现状及发展趋势[J].实验技术与管理,2014(6):112. 但胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社,2005： 7.
图3虚拟仿真技术的三角形
而虚拟实训系统则充分利用了虚拟仿真技术的这些特性构建了逼真的实训场景，实时 模拟真实实训环境下的实训操作，实现实际训练的效果，让学生积极参与实训教学，主动 进行探索性的学习，发挥学生的自主性与个性化发展，有利于培养学生的创新能力，提高 学生在实际操作中的各项技能并巩固理论知识等等。因此，虚拟实训系统应具备以下特征。
（-）为用户提供高逼真度的训练环境
利用虚拟仿真技术建立基于真实仪器或装置的高精细化设备模型及训练场景模型，构 建一个与真实实训环境完全相同的训练场景。例如，在虚拟实训中建立真实的仪器设备及 其组件等物体模型，营造出一个真实的实训场所环境，给用户如同亲临实训场地般的感受。
（二） 支持用户与虚拟环境进行交互
虚拟实训系统不仅为用户提供一个非常真实、有效的学习和实训环境，同时还要支持 用户与虚拟场景间进行互动，提供各种交互功能。例如，在某飞机虚拟实训系统中，对座 舱内设备进行通电检査训练时，座舱中的每一个按钮、开关、手柄都可以像真实的器件一 样被操作，并且仪表、指示器都可以有真实的显示，如此细腻的三维空间交互是以往的桌 面虚拟仿真技术很难达到的。
（三） 实时仿真实训过程
真实世界的客观规律在虚拟环境中被真实地反映，依靠的是强有力的后台仿真引擎的 支撑，这样才能达到贴近现实的效果。因此，虚拟实训系统只有逼真的环境是不够的，还 必须具备实时仿真的功能。在实现某一实训系统前必须深入分析其实训过程，掌握其需求 10 特征，总结其内在规律，这样才能构建符合其需求特征规律的虚拟实训系统。通过系统仿 真与虚拟场景中对象的交互，才能实现实训操作过程的客观反映。如某仪表虚拟仿真系统, 不仅可以对仪表进行通电检査、性能测试，还可以进行更深层次的故障分析和性能调整， 并且可与真实设备进行对接实验，完全就是一部真实的虚拟仪表。
(四)具备辅助教学训练功能
虚拟仿真系统既可解决缺乏实际系统环境下的教学训练问题，又可具备多媒体课件功 能。如将其嵌入到辅助教学系统中，可以满足设备原理教学、过程演示、内部构造关系、 运动规律分析等理论教学的需要，这也是虚拟仿真系统自主性原则的充分体现，并使虚拟 仿真系统的生命力更加强大。
第二节虚拟实训系统的开发现状
虚拟仿真技术发源于美国，其也是最主要的虚拟实训系统研究和应用的国家之一，美 国的虚拟实训系统研究水平便基本代表了国际虚拟实训系统的发展水平。曾被誉为全世界 最真实最完美复刻整个城市的虚拟城市模型之一的虚拟城市三维模拟系统便是由美国洛 杉矶的研究者们所开发研制的。从上世纪90年代初起，美国军方研发了一种虚拟驾驶训 练系统以达到安全成功地训练宇航员及飞机驾驶员，并且该系统还节省了大量的培训成 本，培训效果的有效性和意外之喜使得该系统获得了美国官方的高度认可。随着对虚拟实 训系统研究的不断深入和需求的增多，更多的虚拟实训应用在其他的一些行业领域中层出 不穷，越来越广泛。在航天领域，美国宇航局的AMES实验室利用虚拟仿真技术制造了工 程化的数据手套，替代了原本实用性不太高的老旧产品，并在约翰逊空间中心完成了首秀， 实时仿真操纵空间站等一系列操作。虚拟仿真技术的牛刀小试也让AMES实验室日后为 NASA建立航空、卫星维护虚拟仿真训练系统及空间站虚拟实训系统奠定了基础，并且 NASA还在此基础之上建立了可供美国全境使用的虚拟实训教育系统。
在位于德国黑森州著名的科技文化之城，Fraunhofer计算机图形学应用研究所(IGD) 设计开发了一种名为“虚拟设计”的组合工具，其可以响应声音的变化将图像实时的显示 出来。在此基础之上，由，GeorgNemetschek教授创立的内梅切克公司也研发了另一款由 PC、3D眼镜、投影设备及一些传感器组成的"虚拟设计”系统。它不仅能够简化设计的 流程，缩减时间成本，而且可以让设计者看到甚至真实的“摸”到其设计成果；当然，设 计者还可随时根据方案进行修改，方便快捷。2000年于汉诺威举办的世界博览会中，德国 的展馆建筑就是用这种虚拟设计系统设计的。
而在高校中最早开始进行虚拟实训系统研究的是北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系， 其在分子建模、建筑仿真、外科手术仿真等领域颇有建树，也是在研究虚拟仿真技术中最 著名的大学之一。一款名为“像素飞机”的虚拟实训系统便是由北卡罗来纳大学计算机系 其中一个实验室开发完成的，其旨在复杂视景中建立一个实时动态显示的并行系统从而帮 助用户模拟进行实际训练；而David Warner博士与他的研究小组在位于加利福尼亚州南部 的Loma Linda大学医学中心首创了虚拟儿科治疗法，成功将计算机图形与虚拟仿真设备结 合用于医学生日常探讨神经疾病等相关问题。
目前，国外高校还利用了增强现实及立体显示等新兴虚拟仿真技术应用于实训教学的 过程之中，产生了影响不菲的成果。此外在虚拟仿真实训教学的研究与应用方面国外高校 还有一些新的研究动向，部分高校在网络课程中增加了基于手持式设备的移动式交互实验 以及基于遥现技术的远程协同实验。不仅如此，政府与高校不仅积极探索有利于虚拟实训 系统发展的商业化运作模式，而且还加大投入了虚拟仿真实验资源的建设，同时建设具备 有完备数字化学习条件和虚拟实验环境的未来教学实验室，如德国伊尔默瑙工业大学的虚 拟实训实验室、东京大学的KALS及新加坡南洋理工大学的COTF等气
虚拟仿真实训教学在国内的建设虽然起步相对较晚，但是国家对虚拟仿真技术应用于 实训教学极为重视，多个示范性的虚拟实训教学项目纷纷涌现，发展迅速。本世纪初期， 许多高校便已经将虚拟实训技术成功应用到实训教学中，对其教学模式改革起到了极大的 成效。在政策方面，教育部于2012年印发了《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》 并且在2013年开展建设国家级虚拟实训教学中心的工作。不仅如此，教育部还在各大高 校以平均每年建设百所虚拟实训教学中心的规模开展建设气2015年龙绪明教授带领团队 成员成功在西南交通大学开发了一款SMT虚拟实训系统，系统预装了数千道理论及实操 考题，减轻了电子制造技术和工艺及SMT的教学难度，被西南交通大学及北京理工学院 等多所高校用于培养电子组装行业技术人才。2017年由知感科技研发设计的VR虚拟航空 教学实训系统可以进行机舱飞行模拟、飞机维护检修等等仿真训练，弥补了航空教育在空 间实训教学中的不足之处，被多所专科院校作为航空实训教学的一大利器。2018年世峰数 字为艺术设计大类的园林设计专业开发了一款VR园林建筑设计实训项目管理系统，其不 仅能够让设计师们充分发挥自己的主观艺术想象力，更能够与实际设计项目阶段相结合， 为园林设计师们提供了优秀的园林设计虚拟仿真解决方案，在高端技术的支持下提高了设 计质量，算短了设计周期，同时也为园林景观项目全生命周期BIM管理提供了帮助。
截止到2016年1月，全国国家级虚拟实训教学中心的数量己经增长到300个，分布
®王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015(5):218.
@李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索, 2013(11):6.
于近200所高校十多个学科之中气其中文科类的虚拟实训中心占比不足10%,其实训教 学能力也相对较薄弱，整体文科类学生实训能力较弱；另一方面也反映了理工科类学科建 设中对实训教学的重视程度。
第三节虚拟实训系统的发展趋势
虚拟实训是高等院校实训教学领域的重要组成部分，其有着十分广阔的发展前景。截 至目前，国内大部分高校已经投入使用了大批不同类型的虚拟实训系统，弥补了各学科实 训教学的不足之处。笔者分析了现阶段虚拟实训系统的研究及各种虚拟实训系统的运行情 况，总结了虚拟实训系统的发展趋势，其主要趋势概括如下。
1.基于3D模型开发的纯软件模式为主，辅以定量的硬件设备。目前大部分的虚拟实 训系统基本以纯软件模式的形式存在，其开发成本较低也较为简易，无需复杂的类似链接 模块等等，使用也较为方便快捷，是对物理设备及实训流程的仿真。在一些相对复杂或要 求较高的实训教学中，现有的虚拟技术开发的纯软件模式的虚拟实训系统无法满足其要 求，在此基础之上还需配备相应的物理硬件设备，如航天航空实训系统，其构建费用也相 对颇高。当然，随着科学技术的发展与进步，纯软件模式开发的虚拟实训系统必将成为主 流，其在交互性与沉浸感方面的优势也注定将在实训教学领域展现及其广阔的应用前景。
2.多种技术相互融合互补，点面结合以面带全形成实训体系平台。通过多种多样的技 术手段构建虚拟实训系统以实现达到与真实实训效果相近或等同的教育功能气同时利用 不同技术手段间的相互融合与互补，提高开发效率，由学科内的各门专业课程的虚拟实训 系统打造成学科体系虚拟实训平台，不仅降低了成本而且还能避免一些不必要的重复的工 作。此外，通过网络连接多名用户协同合作完成实训任务也是一些学科实训的基本需求， 考虑应用实际选择恰当的开发技术以应对此类虚拟实训系统协作性增强的要求。因此，通 过多种互补技术的融合开发，使虚拟实训平台成为远程多用户协同实训的产品，对现阶段 虚拟实训的发展显得尤为重要，也必将成为虚拟实训发展的趋势。
3.“人工智能+”创新虚拟实训系统的智能化发展。智能化发展指虚拟实训系统利用 环境中获取的信息，在三维虚拟场景中结合AI深度学习算法的图像识别，自动修正自身 特征及性能以适应实训规则或原理的变化，并结合AI强化学习算法的物理与运动仿真， 为用户生成基于其自身学习过程的反馈信息，从而创建相对应的获取知识及技能的实训学 习环境。在人工智能技术大行其道的时代，虚拟实训系统的设计与开发很有必要引入神经
第四节虚拟实训系统对实训教学的影响
尽管当前我国实训教学模式正不断改革创新，但是仍处于初级发展阶段，其中必有诸 多不足之处，而虚拟仿真技术恰逢其会，其设计初衷也与实训教学理念十分吻合。随着技 术的发展，实训教学模式及其要求也必将发生新的变化，虚实结合的虚拟实训体系也必将 取代传统校内、校外单一的实训体系。此外，虚拟实训系统的设计与开发也避免了因各类 客观因素导致无法进行实训教学的尴尬处境，即可大幅度节省日常成本消耗亦可促进学科 理论体系的发展。因此，大力推进虚拟实训系统在实训教学环节中的应用是高等院校现代 化建设的必然趋势，也对解决中国东西部教育教学资源分配失衡、短缺的现实困境起到了 非常重要的应用价值及理论意义。
一、 适应性广泛
相较于传统实训教学模式受诸多因素所影响，利用虚拟实训系统进行虚拟实训的适应 性较强，其不受强制性的软硬件要求所限制，亦没有时空特性所局限，只需满足基础条件 便可足不出户、无任何困扰的顺利完成各种各样的实训任务。学生通过虚拟实训便可获得 与真实实训相近或等同的效果，与此同时，还可在一定的基础之上发挥主观能动性进行创 新实践，加深对理论知识的理解。
不仅如此，多种互补技术融合开发的虚拟实训系统还具有全面的学科教学兼容性，从 理论教学、实训操作、教学辅助到考核测评等等一应俱全。学科体系实训教学平台可同时 完成多个不同专业不同实训项目的教学任务。因此，在创新实训教学模式及实施过程中， 虚拟实训系统等虚拟实训方式可作为主要的实训教学手段之一，同时再结合其它硬件设施 或技术手段，完全能够提升实训教学的整体效果。
二、 教学成本低
随着科学技术的快速发展，教育媒介亦是日新月异。尽管如此，学界滞后于业界的客 观因素依旧存在，例如东西部发展不均衡，东部已经淘汰的教学资源在西部才够勉勉强强 开始使用推广，特别是硬件设备等资源在传播及应用效率都非常低效。相对科学技术发展 的进程，作为硬件教学资源和实训教学媒介的仪器设备等等因技术变革而面临淘汰的速度 更为快速，此类硬件设备等资源的升级改造一般都十分困难，在时代背景下唯有淘汰旧设
®洪洲.虚拟实训系统的研究现状及发展趋势[J].实验技术与管理,2014(6) :113.
14 备采购新设备的方式方能解决气釆用虚拟实训系统或虚拟实训体系平台不仅能够解决教 学资源浪费的问题，还能够在教学设备缺乏的情况下稳步推进实训教学。除非技术大变革 或更换教学内容，否则虚拟实训系统或虚拟实训体系平台的升级改造基本不会大规模更换 硬件设备，仅仅只是对软件系统进行升级或替换，很大程度上节省了教学成本的支出。并 且虚拟实训系统或虚拟实训体系平台可以重复使用，无需消耗任何资源的情况下多次重复 相同的实训教学内容。虚拟实训系统具有先进性、共享性、易扩充性和易于改进等特点， 减少了投入教学设施的经费，使教学内容在虚拟的环境中不断更新，实训教学及时跟上技 术的发展，满足不断变化的教学需求气
三、学习兴趣高
作为一种独特的实训教学手段，虚拟实训系统可以通过真实的三维模型、舒适的UI 设计以及种类繁多的多媒体资源创建多样的场景为不同需求的用户服务，进而利用恬逸的 教学氛围激发其自主学习的兴趣。虚拟实训系统独具的沉浸感、交互性等特征让用户能够 在学习的过程中得到各种疑虑假设的反馈及解答，某种程度上也培养了用户的创造性思 维，激发用户的的创新创造能力。因此，虚拟实训系统有利于帮助用户熟悉实训环境及实 训流程，理解理论知识的同时掌握实际操作能力，激发其学习的兴趣。
第二章《室内设计》虚拟实训系统的设计
《室内设计》虚拟实训系统是以《室内设计基础》课程为基础针对室内设计课程的实 训系统。笼统地概括就是：针对不同户型不同用途的室内装饰设计（一般分为公共建筑空 间设计和住宅空间设计），用户可通过系统进行装饰设计，进而直接查看设计过程中的实 时效果，从而设计理想的最佳空间设计效果。但是新的实训教学模式的开发永远离不开合 理的理论基础做前提，遵循正确的设计原则，调研有效的需求分析，生成恰当的架构设计 方可得到正确的设计方案。本章针对《室内设计》虚拟实训系统的总体设计进行研究，通 过了解实训教学需求，准确把握系统定位，遵循正确的设计原则，进行功能和交互的设计。
第一节《室内设计》虚拟实训系统的设计原则
一个稳定的、人性化的虚拟实训平台首先要考虑的就是虚拟仿真技术的应用原则，虚 拟仿真技术的的设计原则决定了虚拟实训系统一新的实训模式有别于以往传统的实训方 式，弥补了实训教学中不足的部分。
一'教育性原则
室内设计是一门特别注重实践的课程，对其实训教学内容、教学深度等应认真把握。 根据教学目的和要求，利用系统可直观展现内部构造、原理等等，使学生能够完全以独立 自主的学习方式完成实训任务，并培养一定的实践能力及创新理念。在系统的开发过程中, 始终需要贯彻“教学功能第一、实训能力培养第一、使用方便第一”的原则，即以教育性 为最高目标。这是实训系统设计开发时所遵循的一个基本原则。
二、 实用性原则
实用性的表征为能够满足院校教学和实际训练的需要，达到或接近实际的使用效果。 系统界面友好，结构清晰，操作简洁、方便。具有完备的系统使用帮助信息和辅助训练提 示。系统功能符合学校实际维护训练的要求，提供与真实训练环境一致的训练环境，达到 实际训练的效果。为了尽量降低系统对硬件环境的依赖，系统在普通PC机上能流畅的运 行，便于系统推广与应用，从而产生良好的教学和训练效果。
三、 真实性原则
作为一个仿真系统，在模型外观、功能、使用等各个方面都要具备和实物较好的相似
16 性，尽量使用户有一种身临其境的感觉。因此，系统在设备操控面板、器具等颜色和外形、 部件的形状、布局、操作方法和使用效果等方面的设计尽量与实物一致，并加上真实的声 音效果来模拟现实，给用户提供逼真的场景环境和操作环境。
四、 艺术性原则
作为虚实训系统的一部分，艺术性的设计是虚拟实训系统的重要组成部分；新颖得当、 友好美观的艺术性设计可让用户耳目一新，增加其在使用过程中的愉悦感，不仅使实训系 统独具特色，也大大提高了系统的可用性和友好性，为整个系统注入了生命与色彩。艺术 性的设计应做到：在“呈现”和“交互”上做文章，在虚拟交互UI界面设计和元素设计 上下工夫，信息等元素在时间和空间上同步表现；此外需要定位使用者、使用环境、使用 方式及开发环境或创作工具的功能和特点等，避免脱离实际的艺术设计。艺术性的设计在 开发过程中要讲究灵感，紧扣主题，对准设计目标，不可一味追求新、奇、特。不断为最 终用户设计满意的视觉效果，带给用户舒适的视觉享受。
五、 技术性原则
实训系统严格按照虚拟仿真系统评价指标体系中对教学内容、教学设计、技术运用及 仿真效果的各项要求进行设计，严格遵循教育部“关于现代远程教育资源建设技术规范"， 功能架构清晰，教学定位准确，交互形式灵活简便，操作方便模式多样，容错性高，运行 稳定、可靠。系统所用技术满足计算机辅助教育专业委员会（CBE）制订的技术标准，设 计中尽量釆用一些先进、成熟、实用的技术，如模块化设计、动态链接等等，以及一些先 进的仿真技术和处理技术等。针对实训教学的特点，力求仿真具有较高的精度。此外，整 个实训系统釆用开放性设计，以便将来增添新元器件模型、材质实例或新工具等，扩充模 型库、材质库及工具菜单，以丰富实训内容。
第二节《室内设计》虚拟实训系统的需求分析
数字媒体新时代下，随着新技术新设备的兴起，教学方法也多种多样，很大程度上改 变了人们的学习方式；然而高等院校的实训教学模式却几乎一成不变，固有的实训模式大 都成本较大且实训效果也并非很好，与各式各样的理论教学方法形成了很鲜明的对比。对 于艺术设计类课程而言，理论教学总是伴随着大量的实际训练，实训教学便成为了常规教 学的薄弱环节，大大制约了教学质量的提高。
笔者在扬州某高职院校教务处实训教学科实习期间发现，室内设计专业的学生在实训 教学中依旧釆用传统的CAD、3dsMax、Maya等等设计软件进行学习实践。虽也有一定的
成效，但其所耗费的时间成本太高，大都需要15-30天才能完成基础设计及渲染，这与高 效的实训教学模式相悖。因此笔者就开发的《室内设计》虚拟实训系统的需求在教师与学 生间进行了调研分析，主要需要解决三大任务。其一，需要真实的模拟场景，且针对不同 类型的场景都能进行设计。其二，需要理论辅助，学生对不同类型场景设计的同时认识其 不同要点，使学生能够巩固《室内设计基础》课程的理论知识。其三，需要相应的非功能 性辅助，使得学生在使用系统的过程中，能够对设计方案进行保存修改，操作方便快捷及 不影响观看设计效果。
一、仿真真实性需求
《室内设计》虚拟实训系统需要向学生展示真实的家具模型、材质贴图以及外部环境 等等，让学生理解其中的制约因素及关系，尤其是家具模型部分和材质贴图部分。这个要 求系统在方针的真实性上需满足表1真实性需求分析的要求。
表1真实性需求
场景
真实性 虚拟场景：内外部场景应该保证具有真实性，外部环境如天空、不同时间段的阳 光、天气等等，不同类型场景的外部环境也应不同，尽量营造出真实的场景氛围。
漫游鸟瞰操作：在虚拟场景内漫游时，可进行前进、后退、左转、右转、抬头、 低头等等相应的操作；鸟瞰时可四周环顾、镜头远近调节等等，如同真是进入场 景内进行观察。
模型及材质
贴图的真实性 家具模型及材质贴图：大量的不同类型的与现实同尺寸、拥有高度逼真度的家具 模型，其拥有基于自身的五花八门的材质。如实木家具的木纹材质、金属家具的 光泽质感等等
设计真实性 设计操作：能够真实控制物体及改变物体材质颜色等等，真实模拟物理系统，可 根据学生的操作而实时变化
二' 理论辅助需求
学生在针对项目进行室内设计的过程中，除了要满足系统内场景、模型、材质贴图等 等本身的真实性以外，还需要通过理论来指导实践。为此，需要对《室内设计》课程教学 内容的巩固，如表2理论辅助需求分析所示。在《室内设计》虚拟实训系统中，对于不同 的设计场景，都要做到实时理论辅助设计。
表2理论辅助需求
实时性 学生操作的同时能实时反应效果及理论提示。
工艺性 对于室内设计过程中的环境等参数设置准确有效，使学习者能有效地认识环 境对设计的影响及及时改造环境等因素。
适用性 对于不同的场景、模型等等都能正确进行理论指导。
三、非功能性辅助需求
《室内设计》虚拟实训系统是基于《室内设计》课程的虚拟仿真系统，最主要的用户 大部分为高职院校《室内设计》课程的学生，其注定了使用者的基数较大且复杂，在安全 性方面需要保障。而且设计并非一蹴而就的，往往都会反反复复的进行修改，因此需要对 设计方案进行保存及载入处理等等。此外还有大致需求如表3非功能性辅助需求所示。
第三节《室内设计》虚拟实训系统的架构设计
根据上一节中对系统的需求及功能进行分析设计，《室内设计》虚拟实训系统的主要 架构已经清晰明了。其系统架构设计如图4所示。
图4《室内设计》虚拟实训系统的架构设计
整个系统釆用了模块化设计的思路，主要由数据交互控制模块、逻辑控制模块、界面 交互控制模块和功能交互模块四大部分构成，模块与模块间互不牵连，确保各项功能的独 立性，保证系统的稳定运行。
系统的数据交互控制模块主要将实例化的场景、模型、材质、工具及参数设置等等进 行数据化成为数据库，以便对资源库的内容进行整理归纳保存，从而避免模块内部过高的 耦合度。此外，数据交互模块还负责课程内容要点的整合，例如设计过程中的注意事项、 知识要点等等。
逻辑控制模块主要负责对用户各项操作的逻辑进行判断，通过输入流决定是否调用数 据交互模块中的数据操作或是跳转系统的操作模块，提高系统各模块的反应速度，代码更 易维护。界面交互控制模块包括登录注册界面、用户界面、素材库以及设置面板。当接受 到用户的操作信号，界面交互控制模块便将信号转发至逻辑控制模块进行判定进而响应用 户操作。而操作交互模块主要负责模型的各项操作，包括模型的基础操作和设置，通过调 用逻辑控制模块响应用户的操作，调用界面交互模块对模型之类物体进行设置。
总体而言，系统基本实现了漫游渲染、环境模拟、操作快捷便利及实训仿真的要求。 以数据交互、界面交互和功能交互构成的人机交互是系统主要的交互设计内容，其建立在良好的三维场景及模型等资源的基础之上。
第四节《室内设计》虚拟实训系统的开发流程
-前期准备
、 ，
设计与开发
f
封装与优化
调试与打包
虚拟实训系统作为新时代实训教学的重要组成部分，其教学效果及教学影响力是毋庸 置疑的。开发虚拟实训系统的基本流程主要分为四个部分，即前期准备、设计与开发、优 化与封装及打包与应用，详见图5。
1.虚拟场景的整合与优化
2.UI界面的设计与实现
3.系统功能的设计与实现
1.实训系统的资源封装
2.实训系统的性能优化
图5《室内设计》虚拟实训系统的开发流程
_、前期准备阶段
在前期准备阶段需要通过搜集大量的案例信息，分析总结其中的优秀经验，确定系统 的整体风格，为系统的设计开发奠定基础。因此前期准备阶段主要包括两个方面。
第一，模型制作与优化。俗谚道：合抱之木生于臺末，九层之台起于累土。在虚拟的 环境中模拟现实世界，物体是否逼真，场景真不真实，能否令用户沉浸其中，很大程度取 决于最基础的模型，其不仅决定了仿真的逼真度还决定着系统的精良度。因此，模型的制 作及优化至关重要。
第二，材质及贴图绘制。虚拟实训系统对仿真度的要求极高，仅仅在模型上的仿真是 远远不够的，精致优美的材质与贴图也是不可或缺的部分。并且对于《室内设计》虚拟实 训系统而言，零零星星的材质与贴图是根本无法满足其基本需求的，此外，仍需考虑到材 质贴图与模型的匹配程度。
前期准备是虚拟实训系统开发流程的基础与先决条件，是能够有条不紊的完成设计开 发、优化封装及打包应用等步骤的前提。因此，模型制作与优化、材质及贴图绘制每一步 都是重中之重，缺一不可。工欲善其事必先利器，在《室内设计》虚拟实训系统的开发流 程中，前期的准备也是极其重要的。
二、 设计与开发阶段
在设计开发阶段，需要根据系统的需求分析进行整个虚拟实训系统的交互界面及功能 的设计与实现，是将理论应用于实践的关键步骤；同时还需对前期制作的模型、材质贴图 进行全方位的整合及优化，并且根据空间或类型对其分类。此外，仍需考虑到模型在导入 开发环境时因各种因素导致的损坏、缺面、光照等问题。因此，设计开发阶段主要分为虚 拟场景的整合与优化、UI界面的设计与实现以及系统功能的设计与实现三个部分进行展开 设计开发。
三、 封装与优化阶段
面对大量的模型、材质及贴图资源，即使巳分门别类整理清晰，但在系统开发过程中 也还是无济于事。所以需要对各类资源进行封装，从而响应系统的调用，进而也优化了部 分冗长蓝图代码，减轻系统开发的工作量。其次在UI及功能都实现的情况下，系统已基 本能够运行，但在开发的过程中，无时无刻不在谈论性能这个问题。因此为了追求理想的 性能，在不干扰系统功能的前提下，针对不同的性能问题需要对系统线程、渲染线程、内 存及蓝图等等依次进行优化，直至达到目前最满意的系统优化。
四' 调试与打包阶段
为了更好的让用户学习实践，开发完成的《室内设计》虚拟实训系统还需调试然后打 包最后进行应用。《室内设计》虚拟实训系统设计为PC基础版本及HMD进阶版本，不 同平台的打包流程及要求各不相同，因此需针对各版本的要求分别打包。以HMD进阶版 本为例，现阶段的HMD设备各方面性能都不如PC设备，运算处理及画质渲染方面都略 逊一筹，但其便携性及沉浸感都是PC端无法比拟的，所以依据HMD设备的特点在系统 调试打包阶段需要导入Vive Wave SDK并设置其系统属性等等。
第五节《室内设计》虚拟实训系统的开发环境
一、硬件环境
部件 规格型号
CPU Intel(R) Core(TM) i7-8700K @ 3.20 GHz
GPU NVIDIA GeForce GTX 1080 8G 显存
内存(RAM) 16 GB
操作系统 Windows 10
二、软件环境
( ) Unreal Engine 4 引擎
Unreal Engine 4 (UE4)是2014年Epic Games发布的一款基于C++语言的顶级游戏开 发引擎，是目前知名度较高、应用广泛的游戏引擎之一。其拥有全新的实时渲染系统，可 以有效渲染十万数量级的粒子效果。不同于3dsMax等建模软件中在动态光照处理方面的 平庸，UE4的实时渲染机制赋予了其强大的动态光影效果，并且其与建模软件间也有良好 的桥接。此外UE4还可以快速、。直观的在Assets Store中寻找各项资源并对其进行统一 管理。值得一提的是UE4区别于其他开发引擎的蓝图(Blueprint)开发模式，UE4可视化 蓝图引擎是一个完整的游戏脚本系统，其设计理念是使用直观的基于节点的可视化交互界 面从虚幻编辑器中创建游戏元素①
基于UE4所开发的系统不仅可同时发布到HMD和PC端等跨平台，而且UE4的实时 渲染的效果也使得系统更为逼真的显著优势，有助于本研究借此所开发的《室内设计》虚 拟实训系统可同时在HMD、PC及移动端上运行，以满足随时随地便于使用的学习需求。 与此同时，借助其对第三方插件的支持，可以通过扩展其模块化功能、并创建通用接口的 方式减少编程开发。因此，本开发项目选取Unreal Engine 4.18版本作为《室内设计》虚拟 实训系统的基础软件开发环境。
(二)3ds Max建模工具
3ds Max是3D Studio Max的简称，是Discreet公司出品(后被Autodesk公司合并) 的顶级三维动画渲染及建模制作软件，因为其学习成本低廉，制作效率极高且丰富的第三 方插件也提高了其扩展性，所以被广泛应用于各大设计领域。2018年Autodesk公司推出 了 3dsMax 2019版本，在原有的基础上完善了灯光、材质等渲染功能，并提高了模型及动画制作的效率，大幅增强了 3dsMax的软件功能和实用性，满足了多种多样的用户需求。
第六节《室内设计》虚拟实训系统开发的关键技术
上一节对《室内设计》虚拟实训系统的开发环境进行了介绍。本节就《室内设计》虚 拟实训系统开发过程中的关键技术进行总结，分别从碰撞检测、渲染优化、物理系统模拟、 LOD层次细节四个角度进行剖析。
—、碰撞检测
导入Unreal Engine 4的三维模型无法基于自身生成碰撞机制，即使添加了原生碰撞也 不是很精细且特别的粗糙，这对于以仿真为目的的《室内设计》虚拟实训系统来说是远远 不够的，并且本系统内的所有模型基本都是非规则模型，Unreal Engine 4中常见的球形、 方形及胶囊形这3种基本碰撞体类型根本无法满足这一需求。因此笔者利用三种基本碰撞 体类型相互组合的方法，帮助构建基于各模型自身的复杂碰撞体，成功解决了如何建立细 致紧密的碰撞体这一难题。
以本系统内“扶手椅”家具模型为例，其模型形状大体可分为长方体和类似胶囊形的 圆柱体，所以只需为其添加一个Boxes及四个Capsules碰撞体类型建立粗糙的碰撞体，根 据模型形状分别修改Spheresx Boxes及Capsules碰撞体类型参数以达到碰撞体紧密贴近扶 手椅模型。其实现方法及效果图如图6所示。
图6碰撞体组合
解决了模型内部碰撞体的问题，笔者还需根据模型间碰撞体的复杂性对不同类型模型 的碰撞预设值进行设置。依旧以系统内“高脚杯”模型为例，考虑到模型的真实性，高脚 杯是可以盛放液体的，因此高脚杯及液体模型的碰撞预设值设置如图7所示。
图7碰撞预设值设置
如此一来，“高脚杯”模型便可与液体模型重叠，效果如同真实盛满了液体一般。
二、光照构建
渲染是虚拟仿真中的一项核心技术，而光照则是渲染中一个很重要的部分，其能够快 速提升场景观赏性及真实的渲染效果，也会带来较高的性能负荷。因此光照构建平衡了真 实性和系统运行的流畅性，并且极其的影响效率。
笔者在制作室内场景时除了材质之外，大部分都是对灯光等光源进行调节，与其说在 模拟光照，不如说是在模拟阴影，真实的阴影对场景的重要性由此可以体现。在白天天气 晴朗的情况下，室内的光照主要分为两种太阳光和天光。太阳光模拟较为简单，UE4提供 了 Directional Light资源，因此笔者只需将其拖入场景，对其内一些参数进行合理的设置便 可。但是天光的模拟却较为复杂多变，笔者主要通过数量较多的PointLight、SpotLight以 及球体反射捕获组合而成的灯光阵列进行模拟天光及其阴影。
以本系统的“都市公寓"场景为例，通过添加一盏点光源（PointLight）及多个球体反 射捕获模拟无灯光照明环境下的阴影，修改不同位置下的球体反射捕获的Influence Radius （影响半径）、Reflection Source Type （反射类型）及Brightness （亮度参数），使得场景 内的环境与真实环境并无二致。参数设置及效果如图8所示。
三、LOD层次细节
LOD (Levels of Detail)层次细节技术，是根据模型与视点间的距离等客观标准改变 虚拟环境内模型的精细度达到实时改变虚拟场景的复杂度。实时渲染过程中精度高的模型 越多消耗的系统资源也就越多，因此通过LOD层次细节技术将整个场景分割为不同精度 的区域，从而加快渲染速度
在Unreal Engine 4.18版本中可以通过LOD系统实现自动生成不同层次的LOD。以系 统内“冰箱”模型为例。
1.在LOD设置中将LOD数量更改为4,勾选自动计算LOD距离选项，并应用修改。
2.应用修改后在“冰箱”模型的细节菜单中出现了 LOD Picker选项，勾选Custom将 四个LOD层次选项添加至细节菜单中，分别为LODO、LODI、L0D2及L0D3。
3.展开LODO中“降低设置”菜单，将轮廓、贴图及阴影选项更改为Hight,并应用。
4.同理，展开LOD 1、LOD 2及LOD 3的“降低设置”菜单，将LOD 1、LOD 2及 L0D3的三角形百分比分别设为50、30和5,轮廓、贴图及阴影参数修改为Normal、Low 和Lowesto应用修改后便可发现各LOD层次的屏幕尺寸、三角形数量及顶点数量。具体 设置如图9所示。
5.此时拉近拉远与“冰箱”模型时，边看查看各LOD层次的具体效果。
LOD设置完成后，“冰箱”模型放置在场景中便可基于其与视点间的距离自动选择不 同层次的LOD显示，LOD 0>LOD 1>LOD 2>L0D 3,即近距离下显示LODO,远距离下显 示LOD3o其显示效果如图10所示。
图10不同LOD层次显示效果
在本实训系统中，除基础场景模型外所有模型都使用了 LOD层次技术，在不影响画 面视觉效果的条件下，系统会分别调用LODO、LODI、LOD2及LOD3简化模型降低系 统的性能压力，进而加快系统的响应速度及系统运行的稳定度。
第三章虚拟实训系统的应用案例透视
《室内设计》虚拟实训系统开发过程中在两个维度上存在着难以抉择的问题，既功能 仿真的方法和教学信息界面设计的样式。首先在功能仿真的维度上，存在两种各有利弊的 方法。因此在本次系统开发中应如何选择恰当的仿真方法从而达到预期的效果。此外，教 学信息界面设计的样式也是一大难题。如何在冗长的教学内容的基础上设计出美观大方的 界面，并保证系统功能的协调性与系统运行的稳定性。在本节中，将结合几个相关系统的 典型案例，从不同的方面对其进行透视分析，总结系统开发过程中的优秀经验，进而应用 到自己的系统开发之中。
第一节功能交互一以《园林设计VR系统》为例
一、直观全面的互动方式
由世峰数字开发设计的《园林设计VR系统》为同属于艺术设计大类的园林设计而服 务，其不仅能够让设计师们充分发挥自己的主观艺术想象力，更能够与实际设计项目阶段 相结合，为园林设计师们提供了优秀的园林设计虚拟仿真解决方案，在高端技术的支持下 提高了设计质量，缩短了设计周期，同时也为园林景观项目全生命周期BIM管理提供了帮 助。
《园林设计VR系统》中构建的虚拟场景非常的逼真，具有很高的还原度，设计师们 可根据设计图纸或设计构思将仿真的立体建筑、植物等模型以及园林地形等要素放置在场 景中。与此同时，其他设计师们也可通过如实反映设计的三维立体场景直观全面地了解设 计，甚至同一项目的设计师们都可同时在仿真场景中对园林景观的设计细节进行修改查 看，实时与设计方案比对分析等等，满足了多人协同设计的需求。具体的交互功能界面如 图11。
图11《园林设计VR系统》的交互设计
二、硬件设备的辅助交互
用户不仅可通过PC运行《园林设计VR系统》，还可借助虚拟仿真设备进行操作设 计，如HMD等等硬件。对比普通的PC设备，HMD等等硬件能够让用户不受时空限制， 身临其境般地自由体验设计虚拟园林的成果，直观地将园林知识展现给学生，加速师生之 间的有效沟通和交流，全方位多角度地领略整体设计理念和欣赏其艺术构建。
因此，不同硬件设备的辅助可以一定程度上提高用户在交互层次方面的执行力及系统 的体验感，进而提升项目设计的效率与理解能力。
三、经验启示
对比其实现技术发现，《园林设计VR系统》摒弃了模型切换时模型不可见的交互技 法，而是对各类模型资源进行了单独操作，用户可以仅针对某一个模型进行独立交互，并 对多于或不需要的模型资源直接釆取Delete操作，在完成设计操作的同时还能减少系统内 存使用空间，大大提高了系统的运行速度。对于复杂且繁琐的设计类系统而言，系统的响 应速度、操作方式及其性能都至关重要，此外，《园林设计VR系统》在功能UI下为不同 模块划分了不同的UI界面，使得用户在使用过程中方便快捷，视觉感受也格外清爽，配 色也遵循了基础的三原色基础原则，无论是视觉还是色调情绪方面都与系统内容十分吻 合。因此，《园林设计VR系统》在功能交互方面的方式与方法的使用值得笔者在《室内 设计》虚拟实训系统的设计与开发中借鉴与模仿。
第二节功能教学——以《汽车维修仿真平台》为例
一、即时提示纠正错误操作
随着经济平稳快速发展，汽车已经成为了普通家庭日常的交通工具，紧随其后的问题 便是汽车的维修。尽管目前大部分的中高职院校都纷纷开设了汽修专业，但是教学设备短 缺、实训成本较大等等因素制约着理论教学的发展，严重影响了教学质量，传统的教学模 式己经无法满足现代社会的基本需要，运用新技术、新手段成为了提高教学水平的主要方 法。幻境数字便设计开发了一款以官方汽车制造装配工艺流程标准规定为基础，结合发动 机拆装与检修过程中常见注意事项及多位汽车维修技术领域的专家指导意见而定制，具有 拆卸和安装两大模块及多个子模块的汽修仿真教学的软件一一《汽车维修仿真平台》。
在《汽修维修仿真平台》中所有模型都按照实物进行了 1： 1还原建模，反映了各部 件间的真实结构并在软件右侧放置了部件列表供用户选择。当学生进行错误操作时《汽修 维修仿真平台》将在系统的上方弹出提示框警示学生其操作的错误点，简单直接。不仅如 此，学生在操作中还有操作提示，可根据提示进行实训，如图12所示。学生还可通过操
作记录查看自己的错误操作及正确解法等等，使学生可以巩固不牢靠的知识点。
图12《汽车维修仿真平台》错误操作警示
二、整合归纳展现教学内容
为了表现汽车各系统的运作过程，《汽修维修仿真平台》还提供了交互式二维图形动 画生动形象地演示其原理，并根据各类维修问题将动画整理归纳为维修手册，方便学生在 实训过程中进行检索査看。当然，维修手册中不仅收纳了课本教学的一些知识点，还收纳 了一些在实际拆装检修中常见的注意事项等等，学生们学习起来更为得心应手，一定程度 上也减轻了老师们的教学压力。不仅如此，教师们还可根据维修手册中的学习进度及时地 监督学生的学习情况，并进行考察，学生的实践能力也得到了极大的增强，使得实训与教 学相辅相成。
三、经验启示
艺术设计的特性决定了《室内设计》虚拟实训系统与《汽修维修仿真平台》的功能教 学不尽相同，个性化的教学内容使得《室内设计》虚拟实训系统不能轻易对学生的设计进 行评判。当然，笔者还是可以根据一些硬性的内容及指标在学生设计的过程中即时地提醒 学生，避免犯低级和重复性的错误。至于诸如《汽修维修仿真平台》的维修手册之类的模 块，笔者与学科教师研究讨论后认为并不适合《室内设计》虚拟实训系统，因为这类模块 的设计容易固定学生的思维，造成学生创新力的流失，与《室内设计》虚拟实训系统的设 计初衷相悖。
第三节界面风格一以《服装一体化设计仿真教学系统》为例
一、弱化视觉强调功能
《服装一体化设计仿真教学系统》主要包含了面料设计、试衣展示、模特走秀以及人
30 体扫描等几个模块功能，几乎囊括了服装设计专业的整体设计流程，促进学生们更好地进 行设计服装的实际操作。系统不仅拥有多种面料供学生设计时选择，而且还集成了类似 Marvelous Designer的制衣系统，学生可以直接在系统中对选择好的面料进行裁剪缝合，其 具有很强的可操作性，既满足了实训教学的需要，也可辅助科研甚至社会化的课程培训等 等。
在UI界面方面，《服装一体化设计仿真教学系统》追求极简设计风格，通过调整透 明度、饱和度等等使整个界面色彩同一，很有层次感。扁平化的UI框架在弱化视觉效果 的同时来强化整个系统的功能应用，减少信息层级追求信息到达用户的最短距离，使得用 户更专注于系统的内容，清爽而不至于喧宾夺主，具体如图13所示。
图13《服装一体化设计仿真教学系统》的界面风格
二' 适应情境用户为先
《服装一体化设计仿真教学系统》的试衣展示功能模块利用3D技术结合平面图形可 以为设计好的服装进行展示，模拟用服装样板制作而成的成品效果，完成非常真实的表现 服装面料的悬垂感。不仅如此，服装一体化设计仿真教学系统还内置了 Octane渲染插件， 出色完成服装设计效果的立体渲染，通过准确的色彩和表述减少了用户心理斗争的时间， 增强了用户的体验，减少了用户盲目的操作，真正做到了从用户的观点考虑，想用户之所 想，做用户之所做。
三、经验启示
在功能内容越来越多的前提下，减少无用信息的干扰让使用者将视线快速聚焦至设计
内容自身，这种“少即是多”的设计思路特别符合《室内设计》虚拟实训系统的UI界面 设计，在笔者开发的《室内设计》虚拟实训系统中可添加半剖或透明等显示方式方便用户 观察，从而不影响用户使用及观察设计过程中的变化等等，保证了视觉效果的舒适性及清 爽性。同时配色也应遵循三原色原则，这样可以在视觉和色调情绪等方面与系统相吻合。
第四章《室内设计》虚拟实训系统的开发实践
第一节前期准备
一、模型的制作与优化
在虚拟空间中辨别模拟出的现实世界是否真实，只需仔细观察其模型的真实度。简而 言之，模型是否逼真决定了虚拟实训系统的真实度，而决定模型真实度的关键在于建模技 术。因此本系统利用功能强大的3dsMax建模软件进行基础模型的制作与构建，主要釆用 了多边形建模、NURBS建模及二维图形建模等方法。
（一） 多边形建模
多边形建模是最为基本也是应用最多的一种建模方法，在3ds Max建模方法中也较为 简单。通过可编辑网格及编辑多边形两种命令将几何体类型塌陷为可编辑多边形网格，分 别控制点、线、面的修改以达到改变几何体直到成为理想状态模型的目的，同时多边形建 模可利用较少的面数完成复杂模型的制作。但是越精细的模型面数也越多，特别是三角面 的数量，三角面越多其所占用的系统资源也越多。因此在制作过程中需要平衡模型的面数 与细节程度间的关系。
（二） NURBS 建模
NURBS建模主要通过几条样条曲线自动计算出其曲面的精度，利用数学函数为曲线 及曲面作定义，其使用较少的控制点表现更为平滑的完美曲面，并且随时可以修改调整曲 面表面的精度，特别适合制作有机物体的模型。本系统中大部分拥有光滑曲面的家具及植 物模型都是用了 NURBS建模的方法。
（三） 二维图形建模
二维图形建模是一种高效的建模方法，利用车削、挤出、倒角、倒角剖面等命令对二 维图形进行编辑使其成为三维图形。在3dsMax建模软件中包含了样条线、NURBS曲线 及扩展样条线三种重要的线类型，因此在使用NURBS建模的基础上也可对曲面进行二维 图形建模。
尽管通过3ds Max建模软件制作的精细模型比较生动形象，真实度也较高，俱是越精 细的模型其所包含的数据量也越大，占用的系统资源也就越多。这不仅会对系统弁发环境 造成较大的压力，也会影响所开发的虚拟实训系统的运行效果，甚至有可能会导致实训系 统的崩溃。因此需要对模型进行优化的同时不影响模型外观的精细程度，其实现方法如下：
1.精简甚至删除多余的面数
在3dsMax中创建一个物体时会默认给出一个基础面数，而这种基础面数是此物体双
面（正面与背面）的总体数量，但是有些物体模型并不需要双面显示，对于模型效果而言, 模型的正面或背面是完全多余的。此外在前文多边形建模中曾提到，越精细的模型其面数 也越多，相应的多边形的个数及顶点的数量也会越多，而3dsMax软件及设备的性能却是 固定的，因此渲染这种面数极多模型时所消耗的计算能力将会远远超过性能所能提供的， 最终导致系统性能显著下降，用户的体验感也会极差。所以为了避免此种情况的出现，可 以减少甚至删除一些视觉效果需求不大或者完全多余的面，从而提高系统的计算能力，例 如一些组合模型的重复面数、看不见的面等等。
2,利用纹理贴图替代复杂造型
当在3dsMax中创建一个较为复杂模型所消耗的成本远远超过了其模型自身的价值， 完全可以通过制作相同效果的纹理贴图代替高精度的模型，不仅节省了大量时间也降低了 系统性能压力。这样便只需要制作一个面数极少的简模，在开发引擎中为其添加纹理等贴 图即可。
解决了模型的优化问题，初步构建的三维模型只有外观轮廓，表面不具备任何材质效 果。为了达到真实的外观效果，还必须要对各类模型的材质等贴图进行制作渲染，进而对 三维模型进行表面贴图材质处理。
二、材质及贴图绘制
在《室内设计》虚拟实训系统中只有逼真的模型是远远不够的，还需要贴近真实的材 质贴图才能够让整个场景及模型更为现实。在UE4开发环境中支持对材质贴图的创建。以 基础材质为例，创建方法如下。
1.在内容浏览器中新建Material目录文件夹，以保证目录规范明了，条理清晰。
2.在新建的Material文件夹下右击选择材质菜单，重命名为Base。
3.双击创建的Base材质，进入其蓝图编辑界面，对一些需要暴露的材质参数进行变量 赋值，这样当需要创建与名为Base材质类似，俩者间仅仅只是某些参数变化的第二个参数 时，笔者可以通过对变量接口进行重新赋值的操作来实现第二个材质。如图14所示
图14材质参数蓝图
4.右击Base材质创建材质实例，此时的材质实例便可对此前设置的变量进行参数修
改，这样第二个材质便创建成功。如图15所示。
图15材质实例参数
当然，这样的材质仅仅只是一些基础材质，笔者还需在UE4中通过Substance in Unreal Engine插件将模型导入Substance Painter及Substance Designer软件中对基础材质做精细化 处理，绘制纹理并生成贴图等等。Substance Painter与Substance Designer都是次时代游戏 模型材质纹理贴图的制作工具，其支持基于物理渲染的PBR材质，在效率和效果方面相对 于BodyPaint 3D、Mudbox和3D-Coat等传统三维纹理贴图绘制软件而言更为强大。甚至 Substance Designer可以通过调节参数便可修改材质，自动生成划痕纹理等等，灰尘、油漆 等复杂的纹理绘制可以用自然下落的物理粒子的轨迹生成，而Substance Painter更是可以 以将纹理直接绘制在模型上，这样便避免了因UV接缝而导致的各类问题。
下面便以Substance Designer为例展示制作一款材质贴图的完整流程。
1.选择Empty模板新建工程文件，命名为Bricks,需要注意的是，在Substance Designer 中尽量不要用中文命名以防一些未知问题的出现，并且需要设置好如Size Mode等等参数。
2.在同一个Substance Designer工程文件下可创建多种材质纹理，但笔者建议工程目录 下尽量创建同类型的材质纹理，方便日后对材质进行打包导入UE4开发环境中，将默认创 建的材质纹理重命名为Wall tileo
3.Substance Designer如同UE4 一般都属于节点编辑软件，所有操作都是通过节点实 现，在节点编辑界面右击选择Add Node添加原子节点，也可通过工具栏选择创建基本核 心节点，更为直观简便。将Libraiy （库）中Generators文件下Patterns菜单的Brick 1文件 拖入节点编辑界面，在SubstanceDesigner的Library （库）中有很多自带的非常丰富的素 材可供使用，完全满足了常规材质的创建。选中Brick 1节点，在2D视图中发现Brick 1的 纹理过于稀少。
4.在Brick 1节点的属性界面中，通过更改相应的属性参数改变其纹理外观，当然也可
通过一些快捷键达到相同目的，这里边不多赘述。如图16所示。
图16 Brick 1节点属性参数设置
5.创建Blend混合节点为Wall tile材质添加颜色做准备，将Brick 1节点与Blend节点 的中间输入节点相连，Substance Designer节点的输入与输出节点如图17所示。Brick 1节 点属于灰度节点，需要为其添加颜色且Brick 1作为纹理背景，故只能与与Blend的灰色/ 彩色输入节点连接，再添加Uniform Color颜色节点，在属性面板中为其选择颜色，并将 Uniform Color节点与Blend节点的第一个输入节点相连。
图17 Substance Designer节点模式选择
6.当Uniform Color节点与Blend节点相连时，此前与Blend连接的Brick 1节点变成 了虚线，这是因为Blend混合节点需要将Uniform Color的RGB颜色数据与Brick 1的灰色 通道进行混合计算，但二者并不是同一类型的数据，Blend混合节点无法计算二者，因此 笔者添加了 Gradient Map节点，将Brick 1节点的灰色通道数据转换成RGB颜色数据。选 择Blend节点混合模式为Multiply,即正片叠底模式。此时，在2D视图中便出现了编译的 纹理结果。
7.添加Output节点输出制作的材质纹理，在输出前需要对Output节点的属性做一些 更改。在Integration Attributes属性面板中将Format属性更改为RGBA （32b）,这样便能 输出彩色32位图像，此外还需对输出的贴图选择类型，点击Add Item为Output节点选择 Usage为Diffuse （漫反射贴图）,具体的贴图类型还需根据需求进行输出。
8.前文中便已提过Substance Designer是基于物理渲染技术的，所以制作后的材质还需 HDR照明来表现出更真实的效果，在3D视图中选择Environment环境进行编辑，打开背 后的HDR贴图，Library （库）中存在大量的HDR贴图，选择比较合适的HDR贴图为材 质进行照明。
9.分别对贴图参数进行Expose （参数导出）并根据贴图名称进行命名。在Wall tile材 质中需要对Uniform Color节点的Output Color及Brick 1节点的Tiling等参数分别Expose, 这样笔者便可在Substance Player中对材质进行后续加工，不必再回到Substance Designer 进行复杂操作。
10.回到工程目下，选择Bricks.sbs工程进行发布材质，根据自身需求在Substance archive publish options中选择Random seedo这样，笔者在Bricks.sbs工程下制作的所有材
质、纹理、贴图等等都被压缩成一个文件包，方便在UE4中设计开发。
简单的墙砖贴图便制作完成了，还有一些做旧、污渍等等效果的操作大同小异，便不 多重复。
第二节设计与开发
一、虚拟场景的整合与优化
（-）场景导入
为防止场景模型在导入Unreal Engine 4时出现问题，笔者在3ds Max中按照不同的场 景模型统一以.FBX格式将其导出，随后继续针对模型在Unreal Engine 4中进行集中调整 设置，以获得能够提高沉浸感及正确比例的模型。由于模型的搭建工作与系统功能开发不 在同一个软件中进行，因此需要考虑两款软件的兼容性问题：
1.单位换算。由于Unreal Engine 4引擎以厘米为基础单位，模型导入后再更改单位颇 为复杂，因此在3dsMax导出模型时须将系统单位转换成厘米，以避免不必要的麻烦。
2.重置轴向。在Unreal Engine4引擎中所有模型的轴向都世界坐标，如若在模型制作 过程中对其进行旋转或附加等命令，则模型的轴向必定有所偏移，因此在模型导出时需要 对模型进行重置变换轴向操作，以防止导入Unreal Engine 4发生轴向倾斜等问题的出现。
3.背面消隐。为了方便快捷，笔者在3dsMax中搭建模型时会关闭背面消隐功能，这 将导致一些模型的法线出现错误或偏移，进而导致无法在Unreal Engine 4中为其添加材质 或纹理贴图，甚至有些需要双面显示的模型只能显示其中一个面，因此导出前需正确调整 法线或修改Shader属性使其双面显示。
（-）优化场景
Unreal Engine 4含有大量的自带资源包可供使用，合理充分地利用资源可以大大缩短 开发时间，优化效果。如天空盒，可以提高虚拟环境效果，进一步提高虚拟环境的真实度 和沉浸感。此外还可在Asset Store中下载资源，直接导入或粘贴至相应文件夹下，即可实 现资源地导入。除前文提到的光照构建外还需修改天空盒参数、.角色控制器设置等等。
1.修改天空盒。在Unreal Engine 4中新建Default关卡，其自带简单的一些天空盒资 源，如Atmospheric Fog （大气雾）、Light Source （平行光）、SkyLight （天空光源）及球 体反射捕获等，然而这些资源都需根据设定的场景更改参数以达到场景效果。依旧以“都 市公寓”场景为例，添加ExponentialHeightFog （指数级高度雾）组件，更改Fog Inscattering Color参数为浅蓝色，Fog Density参数为0.02,在城市周围及上空营造下薄上浓平滑过渡
的雾区，从而营造真是城市环境的氛围。此外，还需更改Light Source的Intensity强度参 数，避免光照过强影响ExponentialHeightFog的效果。修改天空盒后的效果如图18所示。
图18修改天空盒后效果
2.角色控制器设置。本系统在开发之初设定了 PC及HMD版本，为减轻在功能开发 过程中的压力及任务量，在场景导入后便需对整个场景的角色控制器进行设置，如此一来 在开发时只需调用即可。以本系统为例，在项目设置输入菜单中，添加6 4* Axis Mappings, 分别命名为 MoveForward、MoveRight、
二、UI界面的设计与实现
Unreal Engine 4中UI界面主要实现用户与系统内场景之间的交互功能，利用Unreal Engine4中的UMGUIDesigner图形用户界面，创建不同的UI实现系统的不同功能。
(-)注册登录UI界面
在上一章节系统的非功能性需求分析中，出于对用户管理及安全性的考虑，《室内设 计》虚拟实训系统设计成多用户版本，设置了账号注册登录功能，从而达到用户只能访问 自身账户内的存档信息。通过创建UMGUI界面，添加Button及Canvas面板，其中Button 面板控件主要是防止用户在该界面进行影响系统运行的误操作行为，保障系统的稳定性。 进而在Canvas面板上添加其他控件用于实现用户信息的读写、正确与否及格式判断。如图 20注册登录UI布局所示。
此外，为了防止用户注册信息紊乱及用户过多无法注册等问题的出现，笔者还对注册 信息进行了限制，满足条件的情况下才允许用户注册，并提示注册成功，如图21、22。最
图21提示信息
图22限制条件
图23注册登录UI
(-)用户管理5界面
用户管理UI界面用于用户对自身信息及保存的设计方案便于管理及二次设计。其主 要分为户型选择、我的设计、设计户型三大模块，根据模块化设计的思路分别对其进行设 计与实现。在户型选择模块中利用结构体及表数据，将创建的户型场景封装，再通过数组 ForEachLoop方法循环表数据内的户型场景，最后将各户型场景的缩略图、名称等信息呈 现在户型选择界面中。避免了因人工添加场景导致的信息紊乱等问题，也适当的减少了开 发过程的工作量，优化了部分控件蓝图。同样，我的设计模块也运用了结构体储存各信息 内容，方便管理，避免紊乱。而设计户型模块需要通过选取户型选择模块中的户型场景才 能显示相对应的户型。UI界面中交互设计的基本实现主要通过与OnChck函数关联的实体 按钮(即UI布局中的Button面板)，其也承担了实现各不同界面间的切换功能。当然， 基于不同版本的操作也不尽相同，PC端主要通过键盘与鼠标完成交互，而HMD端则以手 柄为主完成各模块切换的操作。其最终效果如图24所示。
（三）功能菜单UI界面
功能菜单UI界面依旧釆用UMG图形用户界面，其主要包括仿真资源库UI、漫游鸟 瞰切换UI以及信息设置UL三者之间相互独立，互不干涉。其中通过创建WidgetSwitcher 面板实现仿真资源库UI内部分类资源及信息设置UI内部功能的切换，并利用UE4中 Visibility绑定功能对资源与信息之间进行绑定，实现资源与信息相对应；漫游鸟瞰切换UI 主要用于设计中不同浏览模式的切换。此外，为了不影响设计完成后的观看效果，笔者还 对仿真资源库UI及信息设置UI分别做了动画效果，用户需要进行设计修改时，可通过鼠 标或手柄点击Arrow （箭头）图形打开或关闭所需的UI界面，方便快捷。当然，出于美观 的考虑，对Arrow图形素材也进行了动画处理，避免引起用户的不适感。如图25功能菜
单UI所示。
三、系统功能的设计与实现
在上一章节的系统需求分析中可以看出，对于《室内设计》虚拟实训系统主要的功能 模块为模型的控制、材质的仿真、漫游及鸟瞰、知识要点的展示以及全局设置，以此为据 进行功能的设计与实现。
(-)模型控制模块设计
模型的控制主要分为两部分，如图26模型的控制所示。
图26模型的控制
模型的基础控制是在选择的场景中直接对模型物体本身进行基础的移动，如控制模型 在场景内进行上下左右移动摆放等等。而模型自身元素的设置则是通过设置面板可对其材 质、颜色等自身元素的改变。控制模型是系统的基本功能，其实现方法如下：
1 .新建Actor类蓝图，命名为Move,然后在此蓝图下分别添加Scene及Scenel,完成 Rot和Move标志的视觉放置。如图27所示。
图27物体移动的视觉设置
2.对Rot和Move动作是否被选取及被选取的状态进行蓝图编译。通过反复测试，利 用物体自身位置信息叠加用户位置信息的三维坐标确定Rot及Move标志是否被选取，再 通过封装编译的鼠标或手柄射线蓝图决定被选取状态下的颜色来判定选取状态，未被选取 44
时颜色为蓝色，选取状态下为粉色。如图28、29、30所示。
图28判断是否被选取蓝图
图29选取状态的判定蓝图
图30鼠标或手柄射线蓝图
3.模型的基础操作。通过对Rot和Move标志的点选来判定物体的具体动作方式，滚 轮控制Rot,左键控制左右及上下移动。为了达到正常的移动还需对鼠标或手柄的移动量 及速度进行量级（倍速等等）控制。再反复测试其坐标轴Vector的值叠加至物体本身。相 见图31、32o
4.将模型从资源库中创建到场景内。笔者为这个功能设计了两种方式，满足不同用户
的需要。其亠，通过鼠标或手柄点击资源库中的资源并将其拖拽至场景内。其二，通过点 击鼠标左键或手柄左键实现资源跟随鼠标或手柄进行创建物体，然后通过右键取消资源跟 随。并且在创建物体部分的蓝图中，为了实现日后对其的保存载入等操作添加了 Need Save
的Tags,以区分并标记需保存的物体信息。此外，在物体众多的环境下识别选取物体，笔 者还在Rendering Features中为被选取物体进行了高光描边。各实现蓝图如图33、34、35、 36所示，最终效果如图37所示。
图35创建物体蓝图
▲ Rendering Features
诚 Post Process Matenals *3 ■ ■ ■ - ■ • ■•： ■ . - 「 .
n Array 1 Airay elements - ► a
5.模型自身元素的设置最主要还是对材质的仿真，在下面的材质仿真模块设计中笔者 将一并进行阐释。
（-）材质仿真模块设计
材质仿真简而言之便是将仿真的材质赋予至系统内的三维模型，从而达到以假乱真的 效果。本模块主要实现材质更换及赋予的功能，其中材质更换可利用材质库内的材质进行 更换赋予，亦可通过设置面板对原有材质进行细微的变动，使其焕然一新，方法如下。
1.选择物体。在设计场景中有无数不同信息的物体对象，因此强制将场景内的物体类 型转换为Move对象，再根据Actors Tag分别对其通过Mouse Trace Blocking Hit进行判断 物体是否有效，若有效则进行确定材质赋予对象。其蓝图如图38所示。
4.材质参数面板的设置。通过功能UI界面可对物体对象的材质、颜色等信息进行设 置改变，选择对象并强制转换为StaticMeshActor类,从而调出材质面板并刷新其材质参数,. 其次创建其材质实例，复制保存实例的同时获取Scale Parameter Values （系统暴露出的材 质参数）及Vector Parameter Values （颜色参数），然后分别循环查找改变过后的Scale Parameter值及Vector Parameter值，并设置为新的参数值。
（三）要点信息模块设计
要点信息模块是将《室内设计》课程的知识要点通过文字的表达方式展现在设计过程 之中，起到边学边巩固边实践的作用。其知识要点主要基于全国高等职业院校艺术设计类 专业“十三五”规划教材《室内设计基础》，根据《室内设计基础》由专业教师提炼出教 学内容及设计过程中极易出错的要点，以信息窗口的形式提醒系统使用者。具体实现如下。
1.获取要点信息面板。自定义Tolnfbr事件，点击要点信息按钮弹出UI面板，通过调 用OnClick事件确定选择的按钮，并将点击的按钮类型强制转换为笔者制作的
Button_Switcher类型，然后将其颜色更改为米黄色以示区别。
2.刷新要点信息面板。自定义Refresh Actor Information事件，调用此前创建的Model Struct中的各类信息，通过Actor Mesh类判别对象的有效性，再分别各类信息添加前缀名 称，从而实现要点信息的提示及课堂理论教学的巩固，如图44所示。
图44刷新信息面板
（四）全局设置模块设计
全局设置模块主要控制影响整个场景的各项参数。如光照、环境等等。对于每个场景 参数的调整，都会影响设计的整体效果。通过全局设置面板可更改参数以达到用户理想的 场景氛围，从而实现用户的设计效果。
1.初始化全局设置参数。自定义Int Post Setting事件，调用自定义Get Post Setting事 件获取所有全局参数，并将其值赋予系统所暴露出的全局的参数，已达到面板参数与场景 参数一致。
2,更改参数设置。分别为不同的全局参数创建On Value Changed事件，通过参数值是 否改变判断是否设置参数，进而改变全局参数。以全局参数——色温为例，如图45。
第三节封装与优化
一、《室内设计》虚拟实训系统的资源封装
在前一章节的需求分析中曾提到，《室内设计》虚拟实训系统对模型、材质贴图等资 源的需求量较大，而在功能的设计过程中仅仅只是针对某一资源所编译的蓝图，因此如何 对资源进行封装从而不影响系统功能的正常使用便显得尤为重要。不同于Unity 3D开发环 境中复杂的封装写法，UE4引擎支持对表数据、枚举及结构体等类型的蓝图创建与编译。 既避免了繁琐沉重的逻辑代码也可直观形象地理清蓝图路线。
1.针对模型进行封装。首先在实训系统中模型被分为两类，其一为场景模型，另一类 为家具等实例模型。
(1)场景模型即系统内的户型是作为游戏关卡，分别单独地对其进行整合优化，添 加天空盒、创建光照等等。笔者为初始化的系统制作了三种不同类型的户型场景，即创建 了三个关卡,分别为其整合优化后新建名为HouseLayout_Struct的结构体蓝图，将户型名 称、关卡名称及缩略图等信息提升为变量，根据其信息类型选择变量类型，封装场景模型 的第一步便基本完成，但封装资源最主要的目的是为了整合资源方便使用，接下来便要完 成资源数据的提取。基于House Layout Struct的结构体新建表数据，命名为House Layout_Data。根据在House Layout Struct中提升为变量的信息完善House Layout Data表 数据以待调用。值得注意的是HouseLayout_Data表数据中的数据并不会因外部关卡名或 资源名的重命名而随之更新，因此要遵循命名的规则，此处便不多赘述。至此，场景模型 的封装流程便已结束，如图46。
（2）家具等实例模型在导入UE4开发环境后便可直接使用，但在开发过程中发现， 当创建多个同一家具模型并单独对其中一个模型进行操作设置时其他模型也会随着改变。 因此在封装家具等实例模型前需要单独对每一模型进行创建实例蓝图，保证资源内部的独 立性。此后新建名为Model_Type的枚举蓝图，对模型根据功能性进行分类，形成模型的 类型。再新建名为Model_Struct的结构体蓝图，为Name、ThumbnaiR Actor_Mesh、类别、 提示信息等等变量选择变量类型进行封装操作，再以Model_Struct为基础建立表数据，为 其命名为Model_Data,依次为各类信息填补完善，如图47所示。
图47家具模型封装
2.针对材质贴图等资源的封装。对UE4开发环境而言，不管是模型还是材质贴图等等 都仅仅只是基础资源，无法分辨具体类型，因此在模型资源封装后还需针对资源大类进行 判别。新建Source_Type枚举类蓝图，对模型、材质贴图及其他类型资源进行定义分类； 为蓝图编译减少麻烦，避免冗长蓝图，此后再根据材质贴图的类型新建Material_Type枚举 类蓝图。这样资源及资源内部的分类整合便基本完成，其后再创建名为Matenal_Struct的 结构体蓝图及以Material_Struct为基础的表数据，依次填充材质贴图资源，使实例资源数 据化。
至此，《室内设计》虚拟实训系统的资源封装己全部完成。封装资源后的数据更方便 蓝图编译时的调用与调试，也避免了资源紊乱与系统逻辑问题。并且在系统设计之初便要 求系统考虑用户的多样性及个性化预留功能拓展端口，资源封装也使拓展端口的实现更为 简单。
二、《室内设计》虚拟实训系统的性能优化
性能，是系统开发过程中无法避免的话题，并且基于不同设备的系统性能需求也不一样，因此需要开发者针对设备特性及系统内部核心因素进行优化以适应不同的运行环境， 在开发中通过STAT UNIT命令查看帧时间出现瓶颈的地方，STAT SLOW命令寻找性能波 动的问题。下面笔者将对系统线程、渲染线程、GPU及内存四大最主要影响系统性能的因 素进行优化。
（-）优化系统线程
在复杂的设计场景内笔者对所有模型都利用LOD层次细节技术为《室内设计》虚拟 实训系统做了部分优化，但是如何从系统逻辑的层面让系统模块去修正加速LOD的计算， 在根本上解决系统的性能问题？追根溯源，其根本问题是一定量的Bucket针对同一资源在 不同设备平台分配的数量不一样。举例而言，同一款游戏或App在PC端与移动端呈现的 效果截然不同，然而场景复杂程度其实是一样的，主要便是不同硬件设备在针对同一资源 分配的相同的Bucket的计算能力差别太大，因此需要对Bucket在不同设备环境下的分配 进行管理。
在UE4开发环境中笔者通过Significance Manager （重要度管理）对Bucket进行管理 分配,根据与用户间的距离、屏幕尺寸或可见性，决定同一时间内分配给同一资源的Bucketo 例如，在用户使用过程中，背后物体虽然距离很近，但用户根本看不见或感受不到，那么 如果依旧分配给“不可见”物体同样的Bucket,便造成了性能资源的浪费。因此利用 Significance Manager分配Bucket进而控制、修正、加速LOD的各种计算。
此外，UI中Canvas Panek Horizontal Box等等面板控件，系统会依次逐层逐帧对其计 算保存结果，对于基本没有太大改动的《室内设计》虚拟实训系统UI而言太过奢侈，在 Unreal Engine 4.18 版本中更新 了新的 UMG 面板 Invalidation Box,利用其对 User Widget 进行封装，从而缓存Prepass和On Paint计算结果，当User Widget渲染信息未发生变化时 便不需要每帧都进行计算；即使发生变化，Invalidation Box也会重新计算并更新Prepass 和On Paint缓存结果信息。这样Widget Tree始终在Invalidation Box中的缓存会降低UI方 面的性能开销。
（-）优化渲染线程
场景的复杂度决定了渲染线程中第一个性能开销。即使对《室内设计》虚拟实训系统 的初始化的简单场景而言，系统也会进行场景遍历，而场景遍历所耗费的性能开销与内存 中场景的基础数据量有关，其成正比关系。因此需要利用Streaming Level （关卡流）对不 同类型对象进行渲染排序。其次为Culling （剔除），这一部分在模型创建中笔者就对模型 进行了优化，因此Culling方面的CPU开销并不是很大。最后便是Draw Calls （即OpenGL
的描绘次数）,最简单的OpenGL绘图次序是：设置颜色一绘图方式-顶点座标一绘制一 结束，并且以上的步骤将在每一帧都进行重复，这就是一次完整的单个模型的DrawCallso 而在本系统内可能会出现大量重复使用的对象，即便笔者釆用了实例蓝图模型的方式也无 法避免Draw Calls的数量，由此Draw Calls便占据大部分的渲染性能开销。笔者中利用 HLOD （分层细节级别系统）将Mesh合并为Proxy Mesh从而减少远处物体的Draw Calls 和减少模型面数，并且UE4自带HLOD菜单，使得优化Draw Calls的操作更为方便自动 化。
（三） 优化GPU
在《室内设计》虚拟实训系统中为了最大化仿真且资源库的材质资源需要，笔者用到 了大量的Shader （着色器），Shader越复杂度材质也越逼真，但是相应的也会增加GPU 的性能消耗，因此笔者对Quality Switch进行了设置，使材质的复杂度针对不同设备进行 了优化。此外在光照构建中全场景动态阴影的设置也仅仅适合于PC端等大型设备平台， 移动端只能对动态对象进行投射。因此利用Device Profile控制CSM （动态阴影），系统 在运行环境相对较高的设备上可以进行Filtering做多次采样，一般设备便无需做PCF Filtering,甚至在极端的环境中完全可以没有Shadow。
（四） 优化内存
2018年8月Epic Games中国资深技术工程师王祢老师在第二届腾讯游戏开发者大会 （TGDC）上便对设备内存提出了划分。如图48设备的内存。不同设备其内存也不尽相同, 因此内存的优化是相对独立于其他优化措施的，需要笔者利用Bucket设置针对具体的设备 平台可用内存进行优化，决定其Memoiy Bucket的设置。
其次，耗费内存资源较大还有UE4内建的Texture Streaming功能。不同于IOS系统， 有些Android设备并没有GL扩展，这对于《室内设计》虚拟实训系统的HMD版本相对 不利，因此笔者抛弃了贴图资源并重新用r.Streaming.PoolSize创建便于在不同设备上管理 的全局贴图资源的内存Budget,减少了相当一部分的性能开销。此外，《室内设计》虚拟 实训系统的交互基本靠UI设计来实现，存在着大量的尺寸较大的UI贴图，内存开销也是 相当可观的。在默认情况下Class Default Object (CDO)会引用贴图资源，从而无法对贴 图资源进行GC操作，因此笔者釆用了弱引用技术解决贴图资源无法GC的问题，减少荣 誉的空贴图内存。
第四节调试与打包
系统设计及优化都基本完成后，便要开始准备调试系统并打包发布进行应用了 0
—\调试
打包前笔者需对系统进行调试，测试系统功能及运行的性能状况。系统在使用时需进 行用户注册，注册成功方可登陆。其后进入用户菜单界面通过选择户型进行正式设计。
系统中用户可根据具体的任务在用户界面中选择不同的任务界面，进入系统默认为户 型选择界面，选择户型后自动跳转至设计户型界面，此时用户可利用家具库及材质仿真模 块和要点信息及全局设置模块正式开始设计任务。当然，用户还可通过漫游鸟瞰选择按钮
选择观看的模式，系统初始为漫游模式，如图50所示。
各项功能均能正常使用，基本畅通。然后通过Session Frontend （会议前端）工具的控
制台Stat startfile命令让系统自动运行3min获取多帧的平均值，再利用分析器分析刚刚获 取的平均值，发现系统运行时性能良好，无明显加载过程或卡顿的地方，FPS也基本平衡
在112左右，能够满足一般PC电脑的正常使用。性能分析如图51所示。
二、打包
《室内设计》虚拟实训系统在设计之初便设定开发PC版本及HMD版本，因此笔者
事先下载了 Windows及Android的UE源码，分别运行并安装。通过STATUNIT、STAT SLOW等等命令再次调试系统的运行情况，一切正常后打开Project Setting,确定Default Modes、Maps 及 Game Instance 的设置无误后，进入 Packaging 菜单选择 Build Configuration 模式，在正式发布版本前需打包Debug模式的系统，再次进行打包后的设置或调试，如一 切正常则正式发布进行测试，将默认的Development开发者模式更改为Shipping正式版本 模式，这样在调试阶段的一些数据便都被移除，从而不影响用户的使用。值得注意的是， 在打包HMD版本时还需勾选Create compressed cooked packages选项，其作用是控制打包 后的系统程序包APK的大小。在《室内设计》虚拟实训系统中笔者设计了三个关卡场景， 因此还需在List of maps to Include in a packaged build中将三个关卡添加进去，否则打包好 的工程便会丢失场景，只剩下默认的主场景。打包后系统便可直接在PC端或HMD设备 中正常运行。
第五章《室内设计》虚拟实训系统运行效果分析
在上一章节中主要对《室内设计》虚拟实训系统的基础模型与材质贴图的制作、系统 的设计与开发以及性能优化与打包等流程进行了详细的阐述，结合第三章对《室内设计》 虚拟实训系统的设计中的设计原则、需求分析、架构设计及关键技术等等设计理论进行了 实际的开发设计，用理论指导实践，避免常规原则性的问题，在开发中少走一些弯路。本 章主要运用焦点小组访谈的方法收集分析《室内设计》虚拟实训系统的运行效果及应用价 值。
第一节焦点小组访谈
焦点小组访谈法是社会科学研究中定性研究方法的一种。其不仅能够让研究者迅速对 研究中的潜在问题有所了解，形成基础的研究假设，而且还能补充分析大规模、定量调查 中的缺失。相对问卷调查等方法而言，焦点小组访谈法的成本更低，更适合用于时间、经 费等成本都相对有限的研究项目搜集更多用户直观真实的感受及看法等信息。
基于开发进度及成本的考虑，笔者选择了实习高职院校中《室内设计》课程的部分老 师和学生作为小组访谈的对象。首先，《室内设计》虚拟实训系统本身便是基于《室内设 计》课程的老师和学生的需求而开发的，而且作为年轻人迅速接受新事物的能力还是很强 的，对于虚拟仿真系统等新技术新模式也有一定的了解。更为重要的是需要他们在使用系 统的过程中表达自己的一些想法，系统运行使用的感受等等，为系统运行效果分析做准备。 这样才能发现系统运行的漏洞并及时修正，使其能够更好地服务于用户。制定科学规范合 理的评价体系为实践创作的调整提供依据，通过焦点小组访谈数据分析进一步说明项目所 具有的实际应用价值。
第二节运行效果分析
在小组讨论之前笔者让教师及学生们都对《室内设计》虚拟实训系统进行了使用，然 后根据事先拟好的访谈提纲对访谈对象进行提问，并依次让访谈对象回答或谈谈自己的感 受。在回答问题前，访谈对象可以相互讨论交流完善自己对实训教学新模式的看法及对本 系统的意见和态度，从而形成系统的有逻辑的效果分析。
焦点访谈中笔者釆取了音频的记录方式对整个访谈过程进行了全程记录，从而在效果 分析中能够做到囊括无遗。在使用过《室内设计》虚拟实训系统之后，按照随机抽样的方 法抽取了 12名不同年级的学生及2名任课教师进行了访谈。
访谈目的：
1.使用之后，了解教师及学生各自对《室内设计》虚拟实训系统教学的认同程度。
2.从教师及学生的体验中了解《室内设计》虚拟实训系统的功能是否达到需求。
3.了解学生使用之后对系统界面友好性的感受。
从接受访谈的学生及老师的回答中，我们发现学生相对喜欢虚拟仿真这种新型的实训 模式，觉得这样的实训方式比较有意思，系统的界面交互也较简单快捷，功能基本齐全， 能够发挥主观能动性的同时复习巩固理论知识。但是也有教师表示本系统所囊括的理论知 识还不够全面无法做到面面俱到，在设计效果方面还不够精致，体验较为一般等等，少部 分学生也反映出系统仍存在一些不影响正常使用的BUG及性能要求较高的问题，系统使 用起来不太顺畅，所以笔者还需在日后对系统进行深度优化及改进。学生使用及讨论如图
参考文献
一'著作类
[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.
[2]Jason Busby, Zak Parrish, Joel Van Eenwyk.精通 Unreal 引擎技术 关卡设计
艺术丽.沙鹰，李洲，童寅山，黄玉义译，北京：人民邮电出版社，2007.
[3]李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京：科学出版社，2008.
[4]罗丁力，张三.大象无形一一虚幻引擎程序设计浅析[M].北京：电子工业出版社，2 017.
[5]秦文虎.虚拟现实基础及可视化设计[M].北京：化学工业出版社，2009.
[6]Ryan Shah.精通Unrea游戏引擎[M].王晓慧译.北京：人民邮电出版社，2015.
[7]唐茜，耿晓武.3ds Max 2018从入门到精通皿.北京：中国铁道出版社，2018.
[8]赵经成.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2008.
[9]庄春华，王普.虚拟现实技术极其应用[M].北京：电子工业出版社，2010.
