吳 景，趙運生，黃海峰，徐小明，沈卓藝

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

基于Unity3D的多模塊虛擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

吳 景，趙運生，黃海峰，徐小明，沈卓藝

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

針對在校學生多、實驗器材緊缺、實驗周期長、實驗不安全等問題，結合傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的單一性以及虛擬現(xiàn)實技術的交互性等特點，利用Unity3D等引擎技術設計了多模塊的虛擬實驗平臺系統(tǒng)，能夠在虛擬世界中實現(xiàn)多種功能，從而為提高教學工作效率和教學質(zhì)量作出一定的貢獻。

虛擬現(xiàn)實；Unity3D；多模塊

0 引言

虛擬仿真實驗可以節(jié)省資金，突破了傳統(tǒng)實驗室在硬件設備上的限制，緩解了實驗經(jīng)費不足與實驗人數(shù)過多的矛盾，優(yōu)化了教育資源，提高了學生的學習興趣和學習效率，真正實現(xiàn)了理論教學與實驗教學的結合。利用虛擬仿真系統(tǒng)虛實結合、動靜相宜等多種教學手段，可以對學生進行有目的、有計劃的培養(yǎng)和影響，使學生帶著全新的可持續(xù)發(fā)展理念走向社會。為此本文開發(fā)了基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)，為學習者提供了一個自由的、虛擬的實驗操作平臺。

1 多模塊虛擬系統(tǒng)的設計

1.1 傳統(tǒng)虛擬系統(tǒng)的組成

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括硬件體系和軟件體系[1]，其組成框圖如圖1所示。硬件主要有計算機、輸入輸出設備，是用來與虛擬世界中的儀器進行交互的。計算機是整個系統(tǒng)的核心部分，其交互效果的好壞主要體現(xiàn)在計算機的配置，如果計算機的配置較低，則渲染的效果比較差；相反，則效果較好。傳統(tǒng)的輸入輸出設備，比如鼠標和鍵盤，已經(jīng)無法滿足人們的需求，隨著硬件技術的發(fā)展，近年已經(jīng)出現(xiàn)了3D頭盔、體感游戲、交互眼鏡等高端設備。軟件主要有應用軟件以及數(shù)據(jù)庫，是用來支撐虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的另一個重要部分。實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件主要有建模軟件和實現(xiàn)交互的交互軟件，最常用的三維建模軟件有Auto CAD、Maya、3DS MAX、Sketch等，除此之外，還有專門的聲音仿真、視景仿真軟件，如Creator、Creator-Pro、Poly Trans等；交互軟件主要是Web 3D系列軟件，如EON、Unity3D等。

1.2 多模塊虛擬系統(tǒng)的設計

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較單一，即一個系統(tǒng)里只實現(xiàn)一種功能。而在現(xiàn)實世界的環(huán)境中，比如一個實驗室里，同一高端設備，可實現(xiàn)不一樣的實驗，本文基于這種思想，提出了多模塊的概念，即在一個系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)多種功能。本文設計的多模塊虛擬系統(tǒng)總體框架如圖2所示。基于Unity3D的多模塊虛擬系統(tǒng)主要包括GUI(圖形用戶界面)和幾個模塊。本系統(tǒng)的操作流程是：用戶通過輸入/輸出設備操作Unity3D引擎軟件，在圖形用戶界面選擇想要操作的模塊，然后進行有序地操作，如果完成該模塊的所有流程，則退出，否則繼續(xù)操作該模塊的流程。

圖1 傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成框圖

圖2 多模塊虛擬系統(tǒng)的總體框架

2 多模塊虛擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

前面已經(jīng)說過，虛擬系統(tǒng)包括硬件和軟件這兩部分，本系統(tǒng)是基于Unity3D引擎技術開發(fā)的，要想實現(xiàn)整個系統(tǒng)的構建，則需要完成如圖3所示的內(nèi)容。

圖3 多模塊虛擬系統(tǒng)實現(xiàn)框架

2.1 前期工作

2.1.1 場景模型制作

場景模型的準備非常重要，模型的制作效果決定了整個虛擬系統(tǒng)場景的逼真性。虛擬實驗是對真實實驗進行模擬或者再現(xiàn)的一種實驗模式，如果場景中的模型制作不夠逼真，則整個實驗效果大打折扣。最常用的三維建模軟件有Auto CAD、Maya、3DS MAX、Sketch等，本系統(tǒng)制作模型所采用的軟件是3DS MAX。

2.1.2 用戶界面制作

用戶界面(UI)是指對軟件的人機交互、操作邏輯和界面美觀的整體設計。好的UI設計不僅能使軟件變得有個性有品味，還能使軟件的操作變得舒適、簡單、自由，充分體現(xiàn)軟件的定位和特點。制作圖形用戶界面所用到的軟件有很多，其中Photoshop使用者較多，本文中使用的也是Photoshop軟件，其簡稱為PS，是由Adobe Systems開發(fā)和發(fā)行的圖像處理軟件。

在多模塊虛擬系統(tǒng)中，圖形用戶界面的設計主要包括實驗標題顯示、演示模式、操作模式、步驟提示、標簽提示等功能，其中演示模式又包括多模塊的演示，同樣，操作模式也包括多模塊的操作。

2.2 中期工作

經(jīng)過前期工作準備之后，我們可以得到三維模型、模型貼圖以及UI圖。中期工作主要是在Unity3D中導入相應的三維模型、模型貼圖以及UI圖，并編寫相應的腳本程序，以便實現(xiàn)場景模型的交互和用戶界面的交互。

2.2.1 用戶界面的實現(xiàn)

GUI界面的設計很重要，在整個項目工程的開發(fā)過程中，第一個映入用戶眼簾的就是UI界面。在本系統(tǒng)中，并不是直接采用Unity3D自帶的GUI控件，而是采用了NGUI插件來完成本系統(tǒng)整個GUI界面的設計。要想使用NGUI插件，則需要在網(wǎng)上下載該插件，下載之后，導入到Unity3D中，便可以使用。

2.2.2 交互腳本的實現(xiàn)

將場景模型、模型貼圖、UI切圖導入到Unity3D中，但是這些資源在Unity3D中是靜態(tài)的，要想使這些資源能夠在Unity3D中附有動態(tài)行為，則需要編寫相應的腳本程序，并附加到相應的三維模型或者UI切圖的屬性上。

Unity3D中支持3種程序語言編寫腳本，分別是JavaScript、C#和Boo，都可以達到同樣的目的。因C#語言更加符合Unity3D的編程思想，所以本系統(tǒng)中采用C#語言進行腳本編寫。每個編寫好的腳本與其他組件用法相同，必須綁定在GameObject中才能執(zhí)行它的生命周期。在本系統(tǒng)中編寫的腳本只綁定在少數(shù)對象中，其他的對象使用相應的腳本API來找到，并且執(zhí)行相應的動態(tài)行為即可。

針對多模塊虛擬系統(tǒng)，本文建立了7個腳本程序，即ComputerUIControl、EventControl、EventTemplate、ProcessControl、ShowToolTip、StepControl和UIControl。其中，ComputerUIControl主要負責虛擬場景中電腦端UI界面的交互行為；EventControl主要負責場景中對象的鼠標單擊、雙擊、右擊事件的處理；EventTemplate主要負責將場景對象的所有屬性編寫在一個腳本類中；ProcessControl的功能類似于C語言的main函數(shù)，學習者可以通過該腳本查看整個系統(tǒng)的執(zhí)行步驟；StepControl利用數(shù)據(jù)結構中的隊列功能，操作EventTemplate類的對象；UIControl主要負責整個系統(tǒng)UI界面交互的行為；ShowToolTip主要負責場景對象的標簽顯示。

很多操作者比較喜歡在每個場景對象中綁定一個腳本或者更多的腳本來執(zhí)行相應的動態(tài)行為，但是當場景中有很多GameObject時，則需要綁定的次數(shù)很多，因此導致工作量大大增多，后期維護的難度系數(shù)增加。本系統(tǒng)采用的腳本設計方式不需要每個GameObject都綁定一個腳本，只需要在程序中編寫相應的API找到場景的GameObject，并執(zhí)行相應的動態(tài)行為即可。每個GameObject的屬性用一個模板類來設計，這樣更加體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮乃季S方式。利用數(shù)據(jù)結構中的隊列方式來操作GameObject，可以有序地操作整個場景中的GameObject，如果在后期執(zhí)行腳本中出現(xiàn)Bug時，學習者可以很快知道是操作哪個GameObject出現(xiàn)的Bug，這樣可以節(jié)省很多開發(fā)時間，提高開發(fā)效率。

2.2.3 碰撞檢測技術

虛擬世界中的物體之間之所以需要進行碰撞檢測，是因為在現(xiàn)實世界中同一個空間區(qū)域內(nèi)不能存在兩個或者多個不可穿透的物體[2]。在Unity3D中實現(xiàn)碰撞檢測的方法是在GameObject中添加相應的碰撞器組件，其中碰撞器有多種，常用的是Box Collider(盒碰撞器)、Capsule Collider(膠囊碰撞器)、Mesh Collider(網(wǎng)格碰撞器)、Sphere Collider(球碰撞器)等，可以針對不同的物體形狀添加相應的碰撞器。如當用戶在與虛擬世界中的三維模型進行交互時，三維模型則需要添加相應的碰撞器組件，這樣用戶才能拖拽到物體，圖4為添加Box Collider。

2.3 后期工作

前期工作以及中期工作的內(nèi)容完成之后，則整個系統(tǒng)的開發(fā)工作大部分已經(jīng)完成了。如果測試了整個系統(tǒng)的腳本程序沒有任何Bug，則可以進行系統(tǒng)的發(fā)布工作。Unity3D是一款可以發(fā)布多平臺的引擎技術，操作者可以按照自己的需求將系統(tǒng)發(fā)布成不同平臺的應用程序[3]。

圖4 添加Box Collider

3 多模塊虛擬系統(tǒng)的案例實現(xiàn)[4]

本系統(tǒng)是多模塊的虛擬系統(tǒng)，用戶選擇模式框圖如圖5所示。當用戶選擇了操作模式，則可以選擇對應的模塊進行虛擬實驗操作。

圖5 菜單選擇模式

本文以“瀝青混合料低溫小梁彎曲實驗”為例進行虛擬實驗操作。根據(jù)“瀝青混合料低溫小梁彎曲實驗”的實際操作流程，制定了虛擬系統(tǒng)操作流程，如圖6所示。

圖6中，用戶可以分別選擇演示模式或操作模式。對于初學者而言，應先選擇演示模式，通過觀看視頻操作演示熟悉整個實驗的操作步驟。對于熟練的操作者，則可以直接選擇操作模式。

在Unity3D中，任何一個完整的項目工程都是由若干個場景組成的，通過這些場景的組合，可將整個工程拆分為若干模塊。然后可以利用應用程序即Application類中的方法調(diào)用各模塊，完成模塊之間的切換。完成了“瀝青混合料低溫小梁彎曲實驗”整個過程后的虛擬系統(tǒng)整體風貌如圖7所示。

4 結束語

建立多模塊虛擬系統(tǒng)，可以使學習者在虛擬環(huán)境中開展多功能的實驗，可以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危險或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作和高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗教學，可拓展實踐領域，豐富教學內(nèi)容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。

圖6 “瀝青混合料低溫小梁彎曲實驗”虛擬系統(tǒng)操作流程

圖7 多模塊虛擬系統(tǒng)整體風貌

[1] 李治軍.基于Unity3D的船舶舵機艙虛擬現(xiàn)實設計與研究[D]. 大連：大連海事大學，2014：12-13.

[2] 歐陽攀，李強，盧秀慧.基于Unity3D的虛擬校園開發(fā)研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36(4)：21-22.

[3] 張典華，陳一民.基于Unity3D的多平臺虛擬校園設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2014，24(2)：128-129.

[4] 朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學，2012：9-11.

Design and Implementation of A Multi-module Virtual System Based on Unity3D

WU Jing, ZHAO Yun-sheng, HUANG Hai-feng, XU Xiao-ming, SHEN Zhuo-yi

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

With a huge population, a lot of students in school in China, there are the problems of the shortage of experiment equipment, long experimental period, etc. Combined with the singleness of traditional virtual reality systems and the interactivity of virtual reality technology, a virtual experimental platform system is developed by Unity3D engine technology, which can realize a variety of functions in the virtual world, to improve the teaching efficiency and teaching quality.

virtual reality; Unity3D; multiple modules

1672- 6413(2015)06- 0059- 03

2015- 01- 21；

2015- 08- 25

吳景(1987-)，男，廣東湛江人，在讀碩士研究生，研究方向：虛擬系統(tǒng)的設計。

TP391.9

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