劉浩然　單瑩　徐浩然　劉金明

摘要：針對自動扶梯在內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示和工作原理學習等教學方面的需求，基于Unity3D虛擬現(xiàn)實軟件，設計并實現(xiàn)了自動扶梯虛擬仿真教學Web平臺，對自動扶梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行在線展示。該平臺使用C#腳本語言開發(fā)交互程序，實現(xiàn)虛擬場景中零部件的顯示隱藏和多角度觀察，交互性強，動態(tài)展示效果好。

關(guān)鍵詞：自動扶梯；虛擬展示；Unity3D；三維交互

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）10-0165-02

目前，電梯的教學模型主要有靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩種，靜態(tài)模型主要用于展示電梯各組成部分，而動態(tài)模型主要用于展示電梯的運行過程。在實際教學過程中，兩種模型在展示效果的逼真性和展示操作的便捷性方面卻有待提高。虛擬現(xiàn)實軟件Unity3D[1，2]對圖形渲染管道進行了高度優(yōu)化，能夠流暢地運行各種虛擬環(huán)境，其在沉浸感、交互性和實時性方面優(yōu)勢明顯[3，4]，廣泛應用于游戲開發(fā)、漫游展示和虛擬仿真設計。因此，本文針對自動扶梯在內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示和工作原理學習方面的需求，基于Unity3D游戲引擎的交互性和逼真性特點，構(gòu)建仿真教學Web平臺，對自動扶梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行虛擬展示。

1 三維仿真建模

三維仿真模型的好壞直接影響虛擬場景的運行速度和逼真度，若能獲取擬建模物體的詳細圖紙或精確尺寸，則應首選Pro/E、UG等參數(shù)化建模軟件進行三維零件建模和虛擬裝配，然后再使用3ds Max進行模型微調(diào)、貼圖和動畫制作等。因項目組沒有找到自動扶梯的詳細圖紙且難以精確測量其尺寸，因此直接采用3ds Max進行三維零件建模，先后完成自動扶梯的梯級、扶手、導軌、傳動系統(tǒng)等零部件的建模，然后再結(jié)合鏡像、陣列等功能完成虛擬零部件的裝配。

需要特別注意的是，在使用3ds Max進行零件建模時，一定要勾選模型的“背面消隱”屬性，否則在Unity3D進行虛擬仿真展示時，將無法正常顯示。

為獲得逼真的展示效果，需采用3ds Max及相關(guān)渲染器對三維仿真模型進行渲染和貼圖，尤其要注意相關(guān)金屬材質(zhì)、橡膠材質(zhì)和玻璃材質(zhì)的設計。

在完成零部件的裝配及貼圖渲染后，還需要在3ds Max中對自動扶梯三維模型零部件進行分組和重命名，并成組后的零部件進行坐標軸調(diào)節(jié)。為了保證Unity3D虛擬仿真展示的效率，還要對模型面數(shù)進行優(yōu)化。

2 Unity3D虛擬仿真設計

2.1 虛擬場景設計

為了將模型導入到Unity3D虛擬場景中，需要將3ds Max中創(chuàng)建的自動扶梯三維模型連同材質(zhì)一起導出為.FBX格式文件，并將該.FBX文件拷貝到Unity3D的資源文件夾Assets中，再次激活Unity3D主程序即可完成模型的自動導入。當將模型導入到Unity3D中后，若發(fā)現(xiàn)虛擬場景中的三維模型存在破面、面閃爍、材質(zhì)丟失等問題時，需返回到3ds Max中對模型進行修改完善，經(jīng)過多次反復后，才能獲得滿意的模型。將修改完善后的自動扶梯三維模型由Unity3D主程序的Assets窗口拖動到Scene窗口中即可將其添加到在虛擬場景中，然后再對其進行縮放、移動、旋轉(zhuǎn)、顯示隱藏等相關(guān)屬性的設置，最后在場景中添加主攝像機和燈光等其他元素，并進行相關(guān)屬性和從屬關(guān)系的設置，即可完成虛擬場景的基本設計。

2.2 虛擬交互腳本設計。

Unity3D支持使用C#、JavaScript等多種腳本語言進行交互式動畫的開發(fā)。首先，使用C#語言編寫了MouseView.cs交互式腳本實現(xiàn)虛擬場景中自動扶梯的多視角展示。同時，需在虛擬場景中添加cube并更名為center_aixs，將其放置到自動扶梯的中心位置，并將MouseView.cs賦予主攝像機，其觀察目標設定為center_aixs，即可實現(xiàn)對自動扶梯進行鼠標拖動旋轉(zhuǎn)和滾輪縮放的多視角展示。

為了對自動扶梯的各部分結(jié)構(gòu)和工作原理進行清晰展示，使用C#語言編寫了VirtualDisplay.cs腳本。該腳本通過添加相應的“顯示隱藏零部件”按鈕和“工作原理展示”按鈕來實現(xiàn)自動扶梯的對應零部件顯示隱藏和工作過程展示。在工作過程展示中，通過Lerp（）函數(shù)實現(xiàn)了梯級、扶手、導軌等零部件的運動補間動畫。交互式虛擬展示效果如圖1所示。

3 總結(jié)

針對自動扶梯在內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示和工作原理學習等方面的需求，深入研究了Unity3D虛擬交互技術(shù)，設計并實現(xiàn)了自動扶梯虛擬仿真在線教學平臺。該平臺動態(tài)教學展示效果好、逼真度高，對學生及維修人員學習自動扶梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握自動電梯維修和保養(yǎng)知識具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1] 劉金明， 馬鐵民， 王娜. 基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設計[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學學報， 2014， 26（3）： 66-68， 78.

[2] 陳洪， 馬欽， 朱德海. 基于Unity3d的交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺研究[J]. 農(nóng)機化研究， 2012， 24（3）： 184-186.

[3] 郭兵兵. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維礦井漫游演示系統(tǒng)開發(fā)與應用[J]. 中國煤炭， 2013， 39（3）： 64-67+72.

[4] 任鏷， 王文劍， 白雪飛. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的山西大學堂建筑復原[J]. 計算機仿真， 2012， 29（11）： 20-23+46.