馮宗杰 火箭軍工程大學士官學院

基于Unity3D的接地電阻測量儀虛擬操作設計

馮宗杰 火箭軍工程大學士官學院

良好的沉浸感、交互性和實時性是虛擬現(xiàn)實技術的重要特點，虛擬現(xiàn)實技術是通過建立逼真的環(huán)境，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，具有身臨其境的感受。利用虛擬現(xiàn)實技術，不僅能夠構建具有真實感的虛擬仿真展示平臺，在產品開發(fā)設計過程中通過虛擬設計平臺降低研發(fā)成本，避免新產品開發(fā)的風險。Unity3D作為虛擬現(xiàn)實軟件的后起之秀，起步就定義為多平臺高端大型游戲開發(fā)引擎。它對DirectX和OpenGL的圖形渲染管道進行了高度優(yōu)化，使低端硬件也可以流暢地運行漫游展示、虛擬仿真、交互式動畫等，并能夠創(chuàng)造出高質量3D仿真系統(tǒng)和真實視覺效果。它能夠與HTML、Flash等進行良好的交互，并支持C#、JavaScript等多種腳本語言。針對接地電阻測量儀使用培訓、工作原理學習等方面的需求，基于Unity 3D游戲開發(fā)引擎，設計并實現(xiàn)了接地電阻測量儀虛擬操作平臺。

一、接地電阻測量儀虛擬操作設計流程

基于Unity 3D的接地電阻測量儀虛擬操作設計的設計流程如圖1所示。

圖1　接地電阻測量儀虛擬操作設計流程

二、接地電阻測量儀虛擬操作設計實現(xiàn)

（一）接地電阻測量儀Solidworks建模及裝配

虛擬現(xiàn)實三維模型是整個虛擬操作平臺的基礎，模型的好壞直接影響運行速度和效果，平臺首選Solidworks進行接地電阻測量儀的三維建模。該軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。

實現(xiàn)接地電阻測量儀三維建模的步驟如下：

（1）根據接地電阻測量儀外形進行設備拆分，獲得接地電阻測量儀結構組成及相關外形尺寸；

（2）根據設計思路，選擇合適的基準面，選取截面進行基本特征繪制，通過拉伸，陣列、拔模等命令建立單個零件三維逼真模型。

（3）利用Solidworks的強大功能，通過各種約束條件，將接地電阻測量儀所有零件進行裝配。

（4）將完整的接地電阻測量儀導出3DMAX能夠識別的格式文件。

（二）接地電阻測量儀三維模型貼圖

為了是接地電阻測量儀及相應場景具有逼真的效果，需要通過3DMAX軟件對接地電阻測量儀進行渲染，配合相關貼圖編輯軟件對接地電阻測量儀進行表面材質處理，提高渲染效果。

對于在Solidworks中難實現(xiàn)的不規(guī)則形狀，可以通過3DMAX軟件進行修改設計，達到逼真效果。同時對于用到的接地電阻測量儀操作動畫，可以在3DMAX軟件中進行編輯并保存。制作完成的接地電阻測量儀如圖2所示。

圖2　接地電阻測量儀外觀圖

（三）接地電阻測量儀虛擬操作設計

（1）虛擬場景設計

將3DMAX處理后的接地電阻測量儀導出為*.FBX文件，并放在Unity 3D的資源文件夾Assets中，Unity 3D將自動導入相應的貼圖和動畫文件，然后將模型添加到虛擬場景中，通過拖放、縮放、旋轉等指令對接地電阻測量儀模型進行屬性設置，達到理想效果。

為了進行可視化虛擬操作，必須對場景增加主攝像機和燈光，為了多視角觀察操作效果，可以在場景中不同角度添加不同的攝像機建立相應的從屬關系，通過設置選取不同的觀察角度。

（2）虛擬腳本設計

Unity3D支持JavaScript、C#、BOO三種不同的腳本，其中C#功能最強大。但對于初學之來說，格外是沒有編程語言基礎的人來說，這無疑增加了設計難度，為此，有人開發(fā)設計了Unity3D Playmaker插件，Playmaker既是一個可視化腳本工具，又是一個分層邏輯框架。設計師、程序員使用Playmaker能夠很快地完成游戲原型制作，既適合獨立開發(fā)者，又適用于團隊協(xié)作。Playmaker能夠大大提高開發(fā)效率，讓你的游戲變得更加完美，它可以實現(xiàn)不需要編寫代碼，并可以完成虛擬操作的功能。因此采用該插件進行編寫，從而縮短開發(fā)周期。其編寫代碼如圖3所示。

圖3　Playmarker編寫的部分可視化代碼

三、接地電阻測量儀虛擬操作效果展示

虛擬操作平臺搭建完成后，可實現(xiàn)整體場景與操作場景切換，操作場景縮放、平移、旋轉，線路安裝，儀表操作，數值讀取等功能，基本實現(xiàn)與實際操作一直的效果，提到訓練效果，整體效果如圖4所示。

圖4　虛擬操作效果圖

四、小結

基于Unity3D軟件平臺，采用Playmaker第三方插件，針對接地電阻測量儀的使用培訓，工作原理學習等方面的需求，設計了接地電阻測量儀的虛擬操作平臺，并對虛擬場景交互進行了深入研究。該平臺逼真度高，交互性強，對職業(yè)院校的學生進行學習接地電阻測量儀的結構原理，掌握其使用方法具有很大的應用價值。