特种设备仿真模拟器采用半实物模拟仿真的培训方式，利用虚拟现实技术，构建一个接近现实环境的模拟仿真训练系统，使培训者通过三维交互操作，可以获得图片及文字所不具备的直观体验，通过对模型的漫游操作，学员可以从整体上对各类特种设备模型进行详尽的观察，进而对特种设备的内部构造有更直观的了解。此外，三维仿真技术还提供了动画展示的功能，学员可以在虚拟现实的环境中观察各类特种设备运作情况，最后通过虚实交互操作，可完成特种设备作业规程的模拟操作训练，进而熟练掌握操作技能。不仅能够节省训练费用，而且高效地培养相关技术人员。本文以下电梯虚拟仿真培训系统来展开详细描述。

电梯虚拟仿真培训系统是通过测量、三维仿真、脑电波技术以及网络技术等搭建的培训系统，具有沉浸感与交互性，使得电梯检验员获得高临在感，以达到培训的目的。

电梯虚拟仿真培训系统的设计首先利用相机拍摄相关零部件图片以及搜集电梯结构图纸；然后进行任务分解，按照电梯的结构进行零部件的分解，利用3dsMAX三维建模软件对电梯零部件建模，构建电梯的机械结构模型，并进行模型的贴图，添加材质以及关联关系，完成模型的搭建；最后将建模文件导入到Unity引擎中，添加电梯运行的场景动画以及运动效果。模型搭建完成后进行系统交互设计，该交互设计包括人物行走的交互、手部运动的交互等等。

电梯虚拟仿真培训系统的设计主要涵盖硬件设计和软件设计。

1. 电梯虚拟仿真培训系统硬件设备设计

电梯虚拟仿真培训系统有两个版本，分别为PC版本以及VR版本。

PC版作为电梯检验员业余时间学习的工具，选用PC端显示沉浸式设计，通过电脑屏幕、鼠标以及键盘实现虚拟培训这种用户的沉浸感以及临在感较低。

VR版作为主要培训工具，对沉浸感要求较高，因此选用头戴式设备。同时选用手柄等其他硬件设备进一步提高电梯检验员的沉浸感。

2. 电梯虚拟仿真培训系统软件设计

2.1 数据采集及任务计划分解

为了更加真实、准确地建立电梯模型，利用相机拍摄相关零部件图片以及搜集电梯结构图纸。数据采集后，为了后续的建模更加快速、有效，按照电梯结构分类别进行任务计划分解，按系统结构进行命名分类。

2.2 基于3dsMAX的电梯虚拟仿真培训系统建模

为建立电梯零部件复杂精细的模型，选用3dsMAX软件进行仿真建模。

2.2.1 按照机械结构进行建模

3dsMAX常用的建模方式主要有多边形建模、NUＲBS建模、面片建模等。

由于电梯运行地面环境基本上为平坦地面，因此主要利用多边形建模工具建立对象模型，完成地面建模。电梯及其零部件主要根据收集的资料进行建模，对于形状比较规则的零部件一般使用多边形建模，并结合布尔算法进行实现，对于较为复杂的零部件则可利用二维曲线以及轮廓线，并在其基础之上，运用多边形工具进行其主体的构建。

在利用3dsMAX软件建模的过程中，布尔运算能够简化建模过程。通过各个模型之间的逻辑运算，可以完成复杂零部件的建模，常用的布尔运算包括交、并、减等等。

2.2.2 按部件进行分组、拆分、命名

由于电梯零部件较多，如果所有的建模过程都在整体电梯建模场景中实现，容易出错并且运行速度较慢，因此建立好所有电梯零部件模型之后，需要根据电梯整体结构层对各个部件进行分组、拆分，并按照系统结构进行命名。最后通过3dsMAX软件中的文件合并命令，将所有电梯部件模型合并到一个场景文件中，形成虚拟电梯的整体模型。

2.2.3 展UV操作

为了使贴图效果更为自然、真实，需要将模型拆开，尽量让拆开的每一部分近似于平面，然后再为平面进行贴图。在展UV过程中，需要注意以下3点：①面积比例。一般情况下要保证UV足够大，UV与UV之间的距离不要过大，同时要避免出现重叠错误。②接缝分配。接缝会在绘制过程中造成贴图错位，为了尽量避免这种情况的发生，需要减少接缝并隐藏接缝。③拉伸度。为了提高模型的真实感，需要保证视觉重要位置尽量没有拉伸，而无法避免的拉伸则尽量减少或隐藏。

2.2.4 材质贴图

将展UV完成后的模型根据类别进行贴图。对于电梯模型的贴图来说，其纹理主要来自数码照片，拍摄的照片整合了抠像、校色、摄像机贴图、光栅与矢量绘画、基于样条的变形、运动模糊、景深以及立体视效［5］，通过图像处理软件进行一系列效果处理，将它们作为零部件融入实拍镜头并存储在纹理库中。

2.2.5 添加关联关系(骨骼)并放入模型

为了让后续的电梯模型能够动起来，需要在3dsMAX软件中添加关联关系(骨骼)。将所有的电梯骨骼结构组合在一起，并为每个动画类型定义一组关键帧。关键帧包含沿着动画路径的关键点的所有骨骼的变换。添加骨骼之后，引擎Unity通过关键帧的变换进行插值，促使模型平滑运动。

2.3 基于Unity引擎的电梯虚拟仿真培训系统开发

2.3.1 漫游场景设计

角色漫游的设计主要包括角色控制和摄像机控制两个部分，角色是电梯虚拟仿真培训系统中的主角，而摄像机则负责展示角色周围的环境。视角通常以第一人称或第三人称实现，在电梯虚拟仿真培训系统中选择第一人称视角，用户可以直接观看到电梯的周围环境，便于学习，同时能够提高用户的沉浸感以及临在感。

对于PC版中的角色控制主要通过编写脚本实现，当用户按下相应按键时，控制角色的坐标位置在相应方向上移动，从而实现角色在场景中走动的效果。摄像控制也是通过脚本实现，当角色移动时，控制摄像机跟随角色移动，并与角色保持一定的相对距离。而VR版则通过HTCVive中的定位系统控制角色的移动与跳跃，摄像控制也是通过脚本实现。

2.3.2 人机交互设计

（1）图形用户界面(GUI)设计

在界面中建立引导栏可让电梯检验员在培训过程中能够更加快速地熟悉系统的具体操作方法，同时也使得人机交互更为方便、快捷。

（2）交互设计

有效的人机交互设计能通过多种信息的呈现方式刺激学习者的感官，增强学习者的学习兴趣与学习参与性，使用户由被动转为主动。通过人机交互设计，能够提高用户学习的兴趣，充分发挥用户学习主动性，从而提高用户学习效率。在电梯虚拟仿真培训系统中主要的人机交互设计包括高亮提示、菜单提示、滑动提示以及楼层快速切换等。

电梯虚拟仿真培训系统通过3dsMAX建立电梯的结构模型，通过分组、展UV、贴图以及添加骨骼完成整体的虚拟电梯模型，然后利用Unity引擎实现电梯的动画效果。通过编写脚本实现场景漫游以及人机交互等功能，使用户能够获得较高的沉浸式体验，对提高用户的学习兴趣以及学习效率有着重要的意义。