李曉峰, 薛小榮, 梁蘭花

(1. 桂林電子科技大學信息與通信學院， 廣西 桂林 541004; 2. 桂林電子科技大學 藝術(shù)與設(shè)計學院， 廣西 桂林 541004)

矢量網(wǎng)絡分析儀是“射頻微波領(lǐng)域的萬用表”,被稱為儀器之王。它價格昂貴,操作要求嚴格,容易受損,學校很難大量配置,是微波實驗教學的一個瓶頸[1-2]。虛擬實驗可以降低成本,為解決微波實驗教學問題提供一種解決途徑。

Unity3D是目前比較主流的虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎。本文設(shè)計的矢量網(wǎng)絡分析儀虛擬實驗系統(tǒng),以Unity3D為開發(fā)平臺,以C#為編程語言,以3ds Max為建模工具。其他輔助工具有Adobe Photoshop、Premiere等。該虛擬實驗系統(tǒng)形象直觀、簡便易用,能夠打包生成Windows環(huán)境下的可執(zhí)行文件并在PC上運行。學生能利用該系統(tǒng)了解矢量網(wǎng)絡分析儀的結(jié)構(gòu)、功能及性能,并進行常見電路與器件測試,開展相關(guān)系列的微波技術(shù)實驗,加強學生對理論知識的理解和應用。該系統(tǒng)也可用于課堂教學演示,方便理論教學與實踐的結(jié)合[3-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計和簡介

1.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)界面設(shè)計要求簡潔、明了; 導航清晰; 配色清新、具有科技感; 與元器件有關(guān)的操作采用圖形用戶界面,形象直觀。

1.2 儀器外觀的設(shè)計

儀器三維模型外觀的設(shè)計以及功能按鍵、接口、儀器部件的排布和用色，遵循了主流儀器設(shè)計的標準規(guī)范,盡可能與實際操作一致。同時又發(fā)揮多媒體技術(shù)的優(yōu)勢,對儀器的結(jié)構(gòu)、功能、操作設(shè)置等進行演示說明,使用戶可以對儀器進行多角度、多層次地觀察了解,在功能簡介模塊和實驗操作模塊,用戶都可以用鼠標對儀器三維模型進行縮放和旋轉(zhuǎn)[6-7]。為提供良好的用戶體驗,還增加了按鍵名稱及功能提示標簽,即當鼠標移至儀器模型的按鍵、接口等部件時,會出現(xiàn)一個文本框,文本框內(nèi)顯示該按鍵、接口等部件的名稱及功能介紹。

1.3 用戶幫助功能的設(shè)計

幫助功能主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)首頁的指南教程是一個包含字幕和解說的視頻文件，利用文字、語音、軟件截圖等多媒體信息符號合成,其作用是幫助用戶快速了解系統(tǒng)的功能和使用方法; (2)在實驗操作模塊中設(shè)計了實驗操作幫助,通過語音和文字提示對實驗流程加以控制,對不規(guī)范操作進行警告、干預。

1.4 虛擬儀器的操作使用設(shè)計

虛擬儀器的操作過程完全遵照實際儀器的操作流程。按下開機鍵后,儀器屏幕會顯示一個開機模擬動畫,展示操作界面; 開機后,可根據(jù)需要,通過按鍵,對儀器進行校準操作; 并通過按鍵對儀器各項參數(shù)進行設(shè)定(例如頻率設(shè)置,可設(shè)置起始頻率、終止頻率和中心頻率)。也可利用旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)定數(shù)值(右鍵點擊旋鈕數(shù)值增加,左鍵點擊旋鈕數(shù)值減少)[8-10]。與真實儀器有所不同的是：按下按鍵和調(diào)節(jié)旋鈕時,會伴隨提示音,利用多媒體的技術(shù)優(yōu)勢以增強用戶體驗。

1.5 虛擬實驗設(shè)計

虛擬實驗設(shè)計主要體現(xiàn)在以下3方面:

(1) 三維小型器件庫的設(shè)計。實驗器件分類存放在器件庫,供用戶選擇。器件庫里的器件,部分采用標準件,還有一些是教師在科研和教學中自行設(shè)計和制作的實物模型的真實模擬,比如常規(guī)天線、常用的雙端口器件、三端口器件和四端口器件等。

(2) 實驗內(nèi)容的設(shè)計。實驗內(nèi)容為教學中常見器件測試,設(shè)計了一系列實驗,包括單端口系列、雙端口系列和多端口系列器件測試。測試內(nèi)容包括相位測試、頻譜測試和匹配測試等。

(3) 實驗過程的設(shè)計。實驗過程的設(shè)計遵循矢量網(wǎng)絡分析儀的實際操作流程。進入實驗操作環(huán)節(jié)后,可根據(jù)語音、文字提示進行實驗操作[11-13]，包括開機、線纜接入、器件接入和數(shù)據(jù)觀測等提示。

2 系統(tǒng)簡介

圖1是矢量網(wǎng)絡分析儀虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

(1) 指南教程。該模塊是一個視頻,用戶通過瀏覽該視頻文件,可快速了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法。

(2) 功能介紹。主要實現(xiàn)以下功能:①通過閱讀“矢量網(wǎng)絡分析儀”的介紹性文字,初步了解儀器;②縮放和旋轉(zhuǎn)儀器的三維模型,對儀器及按鍵進行觀察和了解;③開機,通過按鍵對儀器進行校準操作和參數(shù)設(shè)定。

(3) 實驗操作。作為系統(tǒng)的核心模塊,主要實現(xiàn)虛擬實驗操作。用戶可從單端口、雙端口和多端口三類器件庫里選擇具體器件及相關(guān)配件搭建電路進行測試操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要技術(shù)

系統(tǒng)實現(xiàn)過程進度如圖2所示。

3.1 模型和貼圖

(1) 儀器和器件的建模。系統(tǒng)模型開發(fā)采用3dsMax建模工具,可精確設(shè)定模型的尺寸,使得模型更為逼真和準確。3dsMax軟件有多樣的建模方式,每個建模方式都有其特點和優(yōu)勢,可以通過不同“修改器”的命令組合來達到需要的效果。矢量網(wǎng)絡分析儀模型的創(chuàng)建屬于基礎(chǔ)建模,可由基本幾何體繪制、擴展幾何體繪制以及兩者的結(jié)合獲得。由于前、后面板的模型需要創(chuàng)建的幾何體樣式較多,且?guī)缀误w模型表面的凹凸程度不一,需要復雜多樣的“修改器”命令疊加,所以將其與機身分開創(chuàng)建。整體儀器分為前、中、后3部分,分別建模,最后再將3部分整合。除了矢量網(wǎng)絡分析儀,系統(tǒng)還創(chuàng)建了天線、連接線以及放大器、衰減器、功分器、耦合器等教學中常用的微波器件模型。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)過程進度圖

(2) 材質(zhì)貼圖的制作。為保證儀器、端口及器件模型的真實性,材質(zhì)和貼圖起到關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)分別制作了儀器按鈕貼圖、儀器面板貼圖和器件貼圖,制作了普通材質(zhì)和金屬材質(zhì),并進行UVW展開貼圖。

3.2 操作界面的設(shè)計與實現(xiàn)

(1) 虛擬儀器顯示界面的實現(xiàn)。建模和貼圖僅實現(xiàn)了儀器的外觀,在使用儀器時,當按下按鍵,儀器屏幕應顯示相應的內(nèi)容,所以需要針對按鍵設(shè)計和制作對應的儀器屏幕內(nèi)容,并且儀器屏幕內(nèi)容要嚴格遵守儀器本身的邏輯。儀器屏幕內(nèi)容從結(jié)構(gòu)上包含3個部分,即頂部的選單欄,中間的顯示欄和右側(cè)的功能欄。顯示欄是實驗輸出結(jié)果的顯示,是真實實驗操作的結(jié)果(包括實驗設(shè)置操作的對話框顯示); 右邊的功能欄是層層嵌套的,每個大的功能下都會有2～3級的功能選單,功能繁多、層層遞進,包含幾百張界面圖片和數(shù)據(jù)表,要求在采集素材時做好歸類,形成嚴格的對應關(guān)系。圖3為虛擬儀器測試的顯示屏幕。

圖3 虛擬儀器屏幕

(2) 系統(tǒng)操作界面的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)操作界面的設(shè)計和制作使用Photoshop軟件來實現(xiàn)。先設(shè)計草圖,確定功能和結(jié)構(gòu),再用Photoshop實現(xiàn)。其中系統(tǒng)功能簡介和實驗操作模塊的界面分別如圖4、圖5所示。

圖4 功能簡介模塊界面

圖5 實驗操作模塊界面

3.3 指南教程的實現(xiàn)和播放控制

(1) 指南教程的制作。系統(tǒng)最終版本確定后,通過錄屏軟件錄制操作過程,然后導入AdobePremiere進行剪輯,并配以字幕、解說和背景音樂,然后渲染導出MP4文件。

(2) 播放控制。視頻播放功能用的是AVProVideo插件,將導出的MP4文件導入Unity3D中使用,添加進度條,stop、play以及“退出”按鈕,然后調(diào)用Unity中的按鈕事件。

3.4 虛擬實驗系統(tǒng)交互功能的實現(xiàn)

虛擬實驗交互功能是用Unity3D實現(xiàn)的。將前期制作好的模型、處理好的圖片導入項目里,做好分類,然后新建所需場景。系統(tǒng)交互包含以下功能：

(1) 旋轉(zhuǎn)和縮放。旋轉(zhuǎn)和縮放功能在系統(tǒng)的3個模塊都可以使用。用戶可以通過鼠標控制使其縮放和旋轉(zhuǎn)來觀察矢量網(wǎng)絡分析儀的結(jié)構(gòu)。模型的縮放要通過鼠標中鍵的滾動，控制相機與模型之間距離的變化實現(xiàn); 模型的旋轉(zhuǎn)是通過鼠標右鍵+移動來控制相機與模型的相對位置的變化來實現(xiàn)。

(2) 面板按鍵及部件名稱提示標簽。給每一個按鍵添加一個碰撞器,在OnGUI函數(shù)中定義文本框和矩形框。因為文字是在按鍵旁邊顯示的,所以用儀器界面作為文字背景不夠簡潔,影響閱讀,因此設(shè)計矩形框作為文字背景。當鼠標指向按鍵時,通過Swich語句判斷識別鼠標所指的按鍵碰撞器,然后在按鍵旁邊顯示矩形框和相應的說明文本。

(3) 儀器按鍵交互功能。儀器按鍵的功能涉及層層遞進關(guān)系,所以給每一層的功能鍵設(shè)置一個類,類包括功能名稱、要顯示的圖片、功能的層次、按鍵按下的次數(shù),然后通過類的調(diào)用來實現(xiàn)功能的層層遞進。

(4) 數(shù)字小鍵盤的輸入和顯示。通過OnGUI函數(shù)制作輸入框,用來進行儀器的參數(shù)設(shè)置,例如關(guān)于頻率可以設(shè)置起始頻率、終止頻率、中心頻率、頻率跨度等數(shù)值,通過4個文本框分別顯示起始頻率、終止頻率、中心頻率、頻率跨度的數(shù)值。虛擬儀器的數(shù)字小鍵盤與電腦鍵盤都可以使用,數(shù)字小鍵盤通過調(diào)用電腦數(shù)字鍵盤輸入的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入。

(5) 實驗操作功能模塊。進入實驗操作后,每個類別的器件庫有對應的不同規(guī)格的元器件。器件的每個端口位置分別設(shè)置一個碰撞器,當鼠標觸發(fā)碰撞器時顯示接口線。在開機和接好纜線的狀態(tài)下再接入元件才顯示接入成功,儀器屏幕顯示接入元器件后的圖片。給每個規(guī)格的元器件分別設(shè)置一個按鈕事件,當點擊該按鈕時,執(zhí)行其按鈕事件。例如三端口器件接入的操作界面,如圖6所示。

(6) 音效和語音提示。儀器按鍵和界面上的按鈕分別有按鍵音效,進入實驗操作也有相應的語音操作提示。實現(xiàn)方法是:在腳本定義音頻數(shù)組,然后將導入到Unity3D的音頻文件拖到相應的變量中。用按鈕監(jiān)聽事件控制音頻的播放。

圖6 三端口器件接入

4 結(jié)語

本文采用虛擬技術(shù)實現(xiàn)了以矢量網(wǎng)絡分析儀為核心的微波測量虛擬實驗。該系統(tǒng)可以幫助學生了解和掌握矢量網(wǎng)絡分析儀的功能與用途,完成儀器的基本操作,實現(xiàn)常規(guī)實驗的搭建與虛擬測試。學生用電腦方便地完成實驗,降低了微波實驗的儀器成本,提高了實驗教學的效率。該系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬技術(shù)和實驗技術(shù)的結(jié)合,是對虛擬技術(shù)在教學應用的一個探索,也是對微波實驗教學的一個擴充和支撐,具有一定的應用價值和推廣意義。