本发明涉及虚拟现实技术，尤其涉及一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法和装置。
背景技术：
近年来,随着制造业的发展,生产工人的素质高低对产品质量的影响越来越大。其中,装配作为产品生产的最后一个环节,其装配技能的重要性尤为突出。随着现代信息技术的飞速发展及其大量成果的广泛应用，传统的工业培训和教学模式中的缺陷越来越明显，在实际培训和教学中，不仅受时间、空间上的限制，教学的枯燥讲解还会降低学员学习的积极性；另外为了增加学员的参与性，会进行真实的拆装学习，因此错误操作会带来潜在的安全隐患，而且对部分精确度要求较高的产品也会带来损害。因此有必要发展基于虚拟现实的数字化装配，从以计算机为中心的设计方式变为以人为中心的设计方式，在操作培训过程中起指导作用，能够帮助从业人员快速掌握产品和元部件的装配技术。
技术实现要素：
本发明的目的是解决传统的工业培训和教学模式中存在的受空间、时间限制，学员积极性低，存在安全隐患及对产品带来损害的技术问题，提供一种基于虚拟现实的三维动画装配教学方法和装置，从而有效降低教学成本，提高了学员的学习效率，达到快速熟悉各个零部件以及装配过程效果。
为了解决达到前述目的，本发明的技术方案是一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法，应用于一电子设备，所述方法包括
步骤一：导入待装配的产品的全部零部件模型，并形成虚拟装配场景；
步骤二：规划步骤一所述全部零部件的初始位置；
步骤三：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
步骤四：根据步骤二和步骤三，形成步骤一所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述步骤三中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数，
作为优选，所述步骤三中，所述建立零部件运行路径为：
其中，
优选的，所述步骤一中，所述形成虚拟装配场景为：通过三维重建、全景拼接、计算机建模得到的360度沉浸式表达的虚拟装配场景。三维重建、全景拼接和计算机建模都可以采用现有技术，能得到虚拟装配场景即可。
进一步的，所述360度沉浸式表达的虚拟装配场景的个数大于1。这样可以进行场景切换，提高教学的趣味性和吸引力。
优选的，所述步骤二中，所述全部零部件的初始位置满足：全部零部件的初始位置随机产生，且在高度上不重叠。随机产生能够避免形成思维定势，使得教学更加全面完整，同时各个零部件之间不重叠，避免零部件遮挡，影响后续的操作。
优选的，按照待装配产品的零部件装配顺序逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型。具体来说，在本发明中按照机械装配通用技术要求jbt5994-1992的零部件装配顺序来逐一确定零部件的运行路径，由此不仅可以避免零部件遗漏，而且有条不紊，并且可以加强装配顺序的学习。
进一步的优选，一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法还包括步骤五：建立基于虚拟现实的自主教学与学习的交互系统，通过虚拟现实设备进行学习和观察，从而激发学员的积极性。在此步骤中，所述的虚拟现实设备为头戴显示设备或者虚拟眼镜。
具体的，所述步骤四中，三维装配教学动画交互方式为：
获取第一信息，所述第一信息为开始或者暂停的交互请求信息；
获取第二信息，所述第二信息为教学动画是否正在进行播放的判断信息；
根据第二信息发送第一指令信息，所述第一指令信息为若教学动画正在进行播放中，则暂停播放教学动画；若教学动画尚未开始播放，则开始播放教学动画；若教学动画处于暂停状态，则以暂停前的速度继续播放教学动画；
获取第三信息，所述第三信息为加速或还原的交互请求信息；
获取第四信息，所述第四信息为教学动画是否正在加速播放的判断信息；
根据第四信息发送第二指令信息，所述第二指令信息为若教学动画正在加速播放，则改为以初始速度播放；若教学动画正以初始速度播放，则改为以加速度播放。
基于上述技术方案，本发明还提供了一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤一：导入待装配的产品的全部零部件模型，并形成虚拟装配场景；
步骤二：规划步骤一所述全部零部件的初始位置；
步骤三：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
步骤四：根据步骤二和步骤三，形成步骤一所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述步骤三中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数，
采用了上述技术方案，本发明具有以下的积极的效果：（1）本发明通过构建虚拟装配场景、科学规划零部件运行路径和运行速度，形成了高精度的模型进行三维动画装配教学，成功的弥补了传统的工业培训和教学模式中学员参与度不高的不足，有效激发了学员的积极性，并且有效降低了教学成本，提高了学员的学习效率，达到快速熟悉各个零部件以及装配过程效果。
（2）本发明的全部零部件的初始位置随机产生，且在高度上不重叠。随机产生能够避免形成思维定势，使得教学更加全面完整，同时各个零部件之间不重叠，避免零部件遮挡，影响后续的操作。
（3）本发明根据三维重建、全景拼接、计算机建模得到的360度沉浸式表达的虚拟装配场景，能够模拟真实的实验场景，而且虚拟装配场景不止一个，为学生提供了多种感官刺激。
（4）本发明通过检测零部件运行路径中所有的障碍物，找到最高障碍物，特征位置的选取是在其基础上增加m个高度单位，由此可以使得零部件的运行与障碍物保持一定距离，避免“感觉撞到了”的视觉感受，进行三维动画教学时能够更清楚准确。
（5）本发明直接导入待装配产品模型，大大减少了模型数据分析的计算量。
（6）本发明根据基于特征位置的零部件运行路径和运行速度自适应的方法，进行三维动画自动化的展示教学，可以使学员能够以自由视角观察三维空间中零部件的结合关系，提高了学员的参与度。
(7）本发明采用虚拟现实的自主教学与学习的交互系统，通过ui界面交互和与物体交互大大激发了学员的积极性。
（8）本发明按照机械装配通用技术的零部件装配顺序来逐一确定零部件的运行路径，由此不仅可以避免零部件遗漏，而且有条不紊，并且可以加强装配顺序的学习。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的零部件运行路径示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
本发明的总体思路如下：
一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法，应用于一电子设备，所述方法包括
步骤一：导入待装配的产品的全部零部件模型，并形成虚拟装配场景；
步骤二：规划步骤一所述全部零部件的初始位置；
步骤三：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
步骤四：根据步骤二和步骤三，形成步骤一所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述步骤三中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数，
本发明通过构建虚拟装配场景，规划零部件摆放位置、运行路径、运行速度，形成全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画，有效降低了教学成本，提高了学员的学习效率，达到快速熟悉各个零部件以及装配过程效果。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例1
一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法，应用于一电子设备，在本实施例中，电子设备可以理解为台式电脑或笔记本电脑，但不限于这两种。
所述方法包括：
步骤一：导入待装配的产品的全部零部件模型，并形成虚拟装配场景；
具体来说，“导入待装配模具的零部件模型”即将3d创建（可通过三维重建和计算机仿真建模获得）的3d模型直接导入，比如直接拖进本发明装置上装载的本发明方法对应的软件画面中。然后通过三维重建（比如单目重建方法）、全景拼接（比如基于时域的方法）、计算机建模（3d建模软件，比如ug、solidworks等）得到360度沉浸式表达的虚拟装配场景来模拟真实的实验场景，比如太空场景、装配工厂场景、办公室场景、家居场景等，这样在后续交互中可以进行场景切换，为学生提供了多种感官刺激。
步骤二：规划步骤一所述全部零部件的初始位置；所述全部零部件的初始位置满足：全部零部件的初始位置随机产生，且在高度上不重叠。这样可以避免学员每次进入学习时零部件位置都摆放在同一个地方而产生思维定势。在本实施例中，虽然随机产生，也可以依据一定的规定，比如根据零部件的种类或者零部件的大小再随机产生初始位置。
步骤三：按照待装配产品的零部件装配顺序（在本实施例中按照机械装配通用技术要求jbt5994-1992）逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型，从而达到1.零部件依次运行到装配位置既可以方便学员360观察；2.避免撞到障碍物；3.运行路径高度尽量一致，视觉美观。
所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述建立零部件运行路径为：
其中，
所述运行速度满足：
其中，n为≥3的整数，
详细解释如下：
步骤四：根据步骤二和步骤三，形成步骤一所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
三维装配教学动画交互方式为：
获取第一信息，所述第一信息为开始或者暂停的交互请求信息；在此具体表现为点击开始/暂停图标；
获取第二信息，所述第二信息为教学动画是否正在进行播放的判断信息；
根据第二信息发送第一指令信息，所述第一指令信息为若教学动画正在进行播放中，则暂停播放教学动画；若教学动画尚未开始播放，则开始播放教学动画；若教学动画处于暂停状态，则以暂停前的速度继续播放教学动画；
获取第三信息，所述第三信息为加速或还原的交互请求信息；在此具体表现为点击加速/还原图标；
获取第四信息，所述第四信息为教学动画是否正在加速播放的判断信息；
根据第四信息发送第二指令信息，所述第二指令信息为若教学动画正在加速播放，则改为以初始速度播放；若教学动画正以初始速度播放，则改为以加速度播放；
获取第五信息，所述第五信息为教学动画播放结束的信息；
获取第六信息，所述第六信息为重新开始的交互请求信息；在此具体表现为点击重新开始图标；则重新开始以上所有步骤。
步骤五：建立基于虚拟现实的自主教学与学习的交互系统，通过虚拟现实设备进行学习和观察。所述的虚拟现实设备为头戴显示设备或者虚拟眼镜。
如图1所示，展示了本发明的完整构思：
模型导入支持三维重建、计算机建模或者第三方模型；
然后通过三维重建、全景拼接和计算机建模构建多个虚拟场景；
通过零部件位置规划、建立基于特征位置的零部件运行路径和运行速度自适应方法来形成模具装配三维动画；
构建了包括ui界面交互和物体交互的自主教学学习交互系统，ui界面交互包括三维动画交互（三维动画自动化展示教学控制的交互）、文字语音教学交互（配合模具零部件装配三维动画教学的文字教学和语音教学交互）、零部件名称显示交互（显示/隐藏）；虚拟场景切换交互（多种虚拟场景之间的切换）。物体的交互包括模具零部件装配时需要使用的工具抓取交互和模具成品的物体抓取交互。
实施例2
基于与前述实施例中一种基于虚拟现实的三维动画装配教学方法同样的发明构思，本发明还提供一种基于虚拟现实的三维动画装配教学装置。
具体来说，一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤一：导入待装配的产品的全部零部件模型，并形成虚拟装配场景；
步骤二：规划步骤一所述全部零部件的初始位置；
步骤三：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
步骤四：根据步骤二和步骤三，形成步骤一所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述步骤三中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数，
前述实施例1中的一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学置，通过前述对一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种基于虚拟现实技术的三维动画装配教学装置的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。