一种基于虚拟现实的精酿啤酒糖化操作系统及方法与流程

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。

技术实现要素：

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lighttracer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hisense55英寸超高清4k显示器。

可选的，vr头戴式显示器为htcvive头戴式显示器。

可选的，手柄设备为htcvive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htcvive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lighttracer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generatelightmapuv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hisense55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htcvive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htcvive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。htcvive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htcvive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。