CC BY
16
УДК 004.94: 661.124: 681.518
Гакиев А.Л., Алешин М.А., Василенко В.А.
Интерактивная виртуальная химическая лаборатория: интеграция объектов, разработка 3D-моделей
Гакиев Артур Лечиевич - студент группы КС-46; gakiev.artur1337@gmail.com Алешин Михаил Алексеевич - студент группы КС-46; alyoshinmihail@gmail.com
Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерный технологий; vasilenko.v.an@muctr.ru
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Данная статья посвящена разработке виртуального пространства для цифрового двойника химической лаборатории. С помощью для программного обеспечения Blender создана трехмерная модель химического изоляционного шкафа. Проведена её интеграции в виртуальном пространстве, разрабатываемом в среде Unreal Engine 5.
Ключевые слова: цифровой двойник, виртуальное пространство, химическая лаборатория, специализированное оборудование, SD-модель
Interactive Virtual Chemical Laboratory: Object Integration and 3D Model Development
Gakiev A.L., Alyoshin M.A., Vasilenko V.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
Given work is devoted to the development of a virtual space for a digital twin of a chemical laboratory. With the help of the Blender software, a three-dimensional model of a chemical fume hood was created. Its integration in the virtual space developed in the Unreal Engine 5 environment was carried out.
Key words: digital twin, virtual space, chemical laboratory, specialized equipment, 3D model
Введение
В последние годы наблюдается стремительное развитие виртуальной реальности (УБ) и ее применения в различных областях. Одной из таких областей является химия, где интерактивная виртуальная химическая лаборатория стала неотъемлемой частью образования и исследований [1].
На кафедре информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева с 2011 года ведутся работы по разработке виртуальных лабораторий [2-3].
Технология виртуальной и дополненной реальности позволяет интегрировать объекты и разрабатывать трехмерные модели, предоставляя пользователям уникальную возможность
взаимодействия с химическими процессами и веществами в виртуальной среде.
Одним из ключевых элементов виртуальной химической лаборатории является химический изоляционный шкаф. Это оборудование используется для защиты операторов лаборатории и окружающей среды от опасных химических веществ, которые могут испаряться при проведении экспериментов.
Разработка 3D-модели химического
изоляционного шкафа является важным шагом в создании полноценной виртуальной химической лаборатории. Модель должна быть реалистичной и точно отражать функциональность изоляционного шкафа, включая его конструкцию, размеры, материалы и технологии, используемые для очистки воздуха.
Ключевым фактором в создании 3D-модели является интеграция объектов. Это означает, что модель должна быть разработана с учетом всех объектов, которые будут использоваться в химических экспериментах, включая химические реагенты, лабораторное стекло, приборы и инструменты. Все объекты должны быть представлены в формате 3D-модели, чтобы пользователи могли взаимодействовать с ними в виртуальной среде.
Интеграция объектов в 3D-модель химического изоляционного шкафа позволяет обучающимся проводить различные действия, имитирующие реальные. Например, можно открывать и закрывать дверцу шкафа,
регулировать вентиляцию, размещать и перемещать химические реагенты и приборы внутри шкафа, а также наблюдать за химическими реакциями, происходящими внутри.
Одним из ключевых преимуществ виртуальной химической лаборатории с 3D-моделью изоляционного шкафа является возможность проведения виртуальных экспериментов без риска контаминации или опасности для здоровья обучающихся. Это особенно полезно для начинающих химиков, которые могут получить ценный опыт и знания, избегая возможных ошибок или аварийных ситуаций, которые могут возникнуть в реальной лаборатории.
Кроме того, виртуальная химическая лаборатория с 3D-моделью изоляционного шкафа (рис. 1) позволяет студентам углубить свои знания и навыки в области химии. Они могут экспериментировать с
различными сочетаниями химических реагентов, изменять условия эксперимента и наблюдать за результатами. Такой интерактивный подход способствует более глубокому пониманию химических процессов и позволяет студентам исследовать различные аспекты химии в контролируемой среде.
Рис 1. SD-модель химического изоляционного шкафа
Экспериментальная часть
Разработка SD-модели химического
изоляционного шкафа в Blender включает несколько шагов:
1) планирование и исследование: вначале проводится исследование и сбор информации о химических изоляционных шкафах, их размерах, форме и основных характеристиках. Затем определяются основные требования к модели;
2) создание геометрии: в программном обеспечении Blender создается основная геометрия модели. Этапы построения могут включать в себя создание прямоугольной коробки, которая будет представлять основу шкафа, а также полок и других внутренних деталей
3) детализация и текстурирование: после создания основной геометрии модели проводится детализация, добавление дверцей, стекол, ручек и других элементов шкафа.
Затем применяются текстуры и материалы для создания реалистичного внешнего вида. Это может включать в себя добавление текстур дерева, металла или пластика, а также настройку отражений и прозрачности.
После завершения процесса моделирования изоляционного шкафа в программе Blender, необходимо экспортировать полученную SD-модель в используемую для разработки виртуального пространства среду - Unreal Engine. Перед экспортом модели важно осуществить проверку на наличие вывернутых граней и поверхностей [4], которые могут вызвать искажения и некорректное отображение модели в Unreal Engine. Вывернутые грани необходимо правильно ориентировать, чтобы избежать возможных проблем при визуализации и
использовании модели пользователем. При корректном импорте, цвет модели - синий. При некорректном - проблемные участки окрашиваются красным.
Далее следует экспорт модели в файл формата *.fbx. FBX (FilmBox) является популярным форматом файлов, используемым в области трехмерной графики и визуализации. Разработанный компанией Autodesk, FBX представляет собой универсальный формат, который позволяет обмениваться данными между различными программами и платформами.
FBX обладает широким спектром возможностей и предназначен для сохранения, импорта и экспорта трехмерных моделей, анимации, текстур, камер, освещения и других элементов сцены. Он поддерживает различные типы геометрии, включая полигональные сетки, B-сплайны (NURBS), патчи и скелетную анимацию. Благодаря этому FBX стал одним из наиболее распространенных форматов в индустрии компьютерной графики.
Важным аспектом формата FBX является его расширяемость. FBX поддерживает пользовательские атрибуты и метаданные, что позволяет разработчикам добавлять собственные данные и функциональность к файлам FBX. Это открывает дополнительные возможности для интеграции формата в собственные процессы и рабочие потоки.
При импорте модели в Unreal Engine важно учесть различные настройки импорта модели (рис. 2). Одной из настроек, на которую стоит обратить внимание, является опция "Combine Meshes", которая позволяет объединить все компоненты 3D модели в один монолитный объект. Это полезно, поскольку позволяет перемещать и работать с моделью в целом вместо того, чтобы оперировать с отдельными элементами модели._
FBX Import Options X
Import Static Mesh ® Reset to Default
Current Asset: /Game/sh_3
▼ Mesh
Skeletal Mesh
Build Nanite
Generate Missing Collision IS 1
▼ Advanced
Static MeshLODGroup None v
Vertex Cofor Import Option Ignore v
► Vertex Override Color
Remove Degenerates S-
Build Reversed Index Buffer Ей И
Generate Lightmap UVs
One Convex Hull Per UCX ■vi 1
Combine Meshes
Distance Field Resolution S.. l.a
Transform Vertex to Absol.
Рис. 2 Настройки импорта FBXмодели
Для визуализации и организации последовательности операций импорта 3D-модели в программу разработки, часто используется блок-
схема (рис. 3). Блок-схема представляет собой графическое представление шагов, необходимых для успешного импорта модели.
Рис. 3 Блок-схема импортирования 3Б-модели в Unreal Engine 5
Заключение
Разработка 3D-модели химического
изоляционного шкафа позволяет усилить меры безопасности и предотвратить возможные аварии или отравления при работе с химическими веществами.
Пользователи могут осуществлять виртуальное открытие и закрытие шкафа, правильно хранить химические реагенты, применять необходимые меры предосторожности и обучаться основам лабораторной безопасности.
Интерактивная виртуальная химическая лаборатория является инновационным инструментом, который способствует более эффективному и интересному обучению химии, позволяет расширить доступность образования и повысить уровень безопасности при проведении химических экспериментов. Такой подход открывает новые возможности для исследований и развития в области химии и является важным шагом в прогрессе науки и образования.
Список литературы
1. Virtual laboratories in (bio)chemical engineering education // Education for Chemical Engineers. Т. 10. 2010. №. 22, с. e22-e27.
2. Егоркина А.А., Васецкий А.М., Филиппова Е.Б. Разработка динамических элементов виртуального лабораторного практикума// Успехи в химии и химической технологии. Т. 33. 2019. № 11, с. 32-34.
3. Лобанов А.В., Филиппова Е.Б. Разработка виртуального пространства для цифрового двойника производства метанола // Успехи в химии и химической технологии. Т. 34. 2020. № 6. С. 127129
4. Blender 3.5 Reference Manual [Электронный ресурс] // Normals — URL: https://docs.blender.org/manual/en/latest/modeling/rn eshes/editing/mesh/normals.html (дата обращения 16.05.2023)
