劉 釗，徐富新

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

伴隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)公共平臺(tái)擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)種類(lèi)、數(shù)量、儀器數(shù)目、參與實(shí)驗(yàn)的人次數(shù)均有大幅度增加。在平臺(tái)發(fā)展過(guò)程中，由于條件限制，學(xué)生難以隨時(shí)接觸到實(shí)驗(yàn)儀器。在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生也容易因不熟悉而損壞實(shí)驗(yàn)儀器。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，可以較好地解決上述矛盾。虛擬實(shí)驗(yàn)是利用現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1-2]去模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[3]，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一種有效的輔助手段，在現(xiàn)代教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)很早就開(kāi)始了虛擬實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)，以滿(mǎn)足教學(xué)需要。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提升和軟件技術(shù)的發(fā)展，逼真度更好的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)變得可行，而仿真度和交互性則不斷進(jìn)步。

光柵光譜[4]實(shí)驗(yàn)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以虛擬出實(shí)驗(yàn)所需的儀器，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模型及實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)流程，以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的，彌補(bǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)這方面的不足。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)嚴(yán)苛的要求，有利于創(chuàng)造真實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，可以打破時(shí)間和空間的限制。在進(jìn)入真正實(shí)驗(yàn)之前，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)光柵光譜實(shí)驗(yàn)操作，從而有效地解決了這些問(wèn)題。光柵光譜虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以把抽象復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單化，調(diào)節(jié)虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)操作化訓(xùn)練，還可以讓實(shí)驗(yàn)者直觀地看到實(shí)驗(yàn)原理的現(xiàn)象，通過(guò)直觀感受會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)者的理解，激發(fā)更大的興趣，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)3D真實(shí)的效果，選擇Unity 3D[5-6]和3D Max[7]作為開(kāi)發(fā)軟件。在虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面，很多高校都創(chuàng)建了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大部分都是利用Flash、Labview等技術(shù)。但是，這類(lèi)平臺(tái)存在自身的不足，它們的仿真效果并沒(méi)有達(dá)到很高的三維逼真度，不易創(chuàng)建出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)交互的效果。Unity 3D是一套由Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)的三維開(kāi)發(fā)引擎，支持Javascript，C#，BOO語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)擴(kuò)展，可以使用插件，可支持3D Max或Maya等建模軟件的輸出格式，包括三維模型、骨骼動(dòng)畫(huà)等。憑借精簡(jiǎn)直觀的制作流程、功能強(qiáng)大的組件，擁有物理系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)、動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)等，它能夠創(chuàng)建出逼真度更好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器，可以完全滿(mǎn)足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

文中采用模塊化開(kāi)發(fā)了光柵光譜儀虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，采用Bmob后端云服務(wù)器，基于MVC分層思想進(jìn)行登錄注冊(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，3D實(shí)驗(yàn)環(huán)境交互功能設(shè)計(jì)以及利用網(wǎng)格通過(guò)代碼來(lái)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖表的繪制設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的要求。

1 光柵光譜仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光柵光譜虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要參考現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，根據(jù)需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩大模塊構(gòu)成，一是登錄注冊(cè)模塊，二是實(shí)驗(yàn)仿真模塊。其中，登錄注冊(cè)模塊采用基于Bmob移動(dòng)服務(wù)器；實(shí)驗(yàn)仿真模塊主要分為兩種模式：一是學(xué)習(xí)模式，主要是通過(guò)視頻、文本等學(xué)習(xí)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和步驟等，二是操作模式，讓實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 模型的建立

在創(chuàng)建Unity項(xiàng)目前需要準(zhǔn)備資源，包括人物模型、動(dòng)畫(huà)、紋理、音頻特效、功能腳本以及其他類(lèi)擴(kuò)展插件等等。首先對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的資源進(jìn)行信息采集，利用3D Max制作相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器模型，然后以.FBX文件導(dǎo)出，打開(kāi)Unity軟件，新建項(xiàng)目，創(chuàng)建3D場(chǎng)景，導(dǎo)入資源，在Unity中進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)象貼圖烘焙處理，根據(jù)不同用途來(lái)設(shè)置圖片類(lèi)型，如紋理、反射貼圖等設(shè)置格式使物體對(duì)象達(dá)到真實(shí)逼真的效果。從系統(tǒng)模型構(gòu)建看，主要分兩部分，一個(gè)是UI為主體的2D場(chǎng)景，另一個(gè)就是3D場(chǎng)景。

1.2.1 三維模型的建立

建模采用的是3D Max。主要制作3D模型，包括有光柵光譜儀(含光電倍增管、電箱、計(jì)算機(jī)系統(tǒng))、高壓電源、準(zhǔn)直氦燈、氫燈、白熾燈等。為了提高質(zhì)感和視覺(jué)效果，實(shí)驗(yàn)中對(duì)所需儀器逐一建模生成，并通過(guò)渲染器進(jìn)行烘焙渲染、貼圖，增強(qiáng)真實(shí)感，最后將3D Max導(dǎo)出時(shí)選中嵌入媒體復(fù)選框。然后打開(kāi)Unity應(yīng)用程序，在所開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中，導(dǎo)入U(xiǎn)nity會(huì)自動(dòng)生成該FBX模型配套貼圖的文件。在Unity中，根據(jù)圖片資源的用途不同設(shè)置相應(yīng)的格式來(lái)達(dá)到最佳效果，如作用于光源的Cookie，選擇此類(lèi)型，紋理適用于燈光對(duì)象。在創(chuàng)建3D場(chǎng)景過(guò)程中，為了提高資源利用率以及開(kāi)發(fā)的效率，往往會(huì)制作Prefabs(預(yù)設(shè)體)，Prefabs是一個(gè)對(duì)象及其組合的集合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室要求創(chuàng)建好3D實(shí)驗(yàn)室，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中所有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投贾皇庆o態(tài)的，根據(jù)需要添加各種組件來(lái)給予相應(yīng)的功能，比如說(shuō)提供了多個(gè)物理模擬的組件，通過(guò)修改相應(yīng)參數(shù)，從而使對(duì)象表現(xiàn)出與現(xiàn)實(shí)相似的各種物理行為，給每個(gè)模型一個(gè)網(wǎng)格，這樣人物就不可以穿過(guò)去，為對(duì)象添加剛體(RigidBody)組件，對(duì)象便可以接受外力才會(huì)受到重力的影響等等。

1.2.2 虛擬仿真UI設(shè)計(jì)

UI場(chǎng)景在實(shí)驗(yàn)中主要涉及到兩個(gè)功能模塊，即登錄注冊(cè)模塊和實(shí)驗(yàn)操作模塊中的學(xué)習(xí)模式。在Unity5以上的版本中，UGUI在易用和功能上一點(diǎn)不遜于NGUI，使用UGUI可以快速地建立UI界面，它的最主要的組件就是畫(huà)布(Canvas)，每一個(gè)GUI控件必須是畫(huà)布的子對(duì)象。在Canvas組件下有三種渲染模式：覆蓋、攝像機(jī)以及世界空間模式。在覆蓋模式下，Canvas下的UI會(huì)獨(dú)立于其他場(chǎng)景元素。而在常見(jiàn)的攝像機(jī)模式下，其渲染的繪制圖像會(huì)產(chǎn)生在攝像機(jī)的鏡頭下；世界空間模式下，就與其他場(chǎng)景對(duì)象一樣。

如圖2所示，它分為兩部分，一種是可視化組件，有文本、圖像、遮罩等，如text(文本)用來(lái)顯示非交互文本，可以作為標(biāo)題，Image(圖像)可用作裝飾、圖標(biāo)、背景圖等等。另一種就是互動(dòng)性組件，部分組件中可以添加代碼與其相互響應(yīng)，比如Button(按鈕)響應(yīng)來(lái)自用戶(hù)的單擊事件，如果鼠標(biāo)在單擊釋放之前離開(kāi)Button控件，則動(dòng)作不會(huì)發(fā)生。在這個(gè)畫(huà)布下根據(jù)要求用到所需的UI元素，通過(guò)組合這些UI控件來(lái)完成UI場(chǎng)景。

在實(shí)際的Unity場(chǎng)景制作中，為了使對(duì)象在場(chǎng)景中層次不會(huì)錯(cuò)亂，可以創(chuàng)建不同的工作層來(lái)管理對(duì)象，使得場(chǎng)景更加分明，對(duì)象之間操作也更加方便。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 登錄注冊(cè)

創(chuàng)建一個(gè)空對(duì)象UI來(lái)管理整個(gè)UI場(chǎng)景，向場(chǎng)景中添加Canvas組件，通過(guò)Rect Transform組件將其調(diào)整至合適位置。在Canvas組件下添加一個(gè)Image組件和一個(gè)空對(duì)象，Image作為整個(gè)背景圖，而空對(duì)象Window用來(lái)管理注冊(cè)和登錄的窗口。在空物體Window下分別創(chuàng)建Panel，取名Regist和Logon，這樣形成兩個(gè)不同的窗口，在Panel下添加文字、圖片、按鈕等等UI元素，根據(jù)它們的需求創(chuàng)建不同的功能，最后形成了登錄和注冊(cè)的窗口。

2.1.1 MVC動(dòng)態(tài)加載登錄窗口

利用UI架構(gòu)，設(shè)置場(chǎng)景管理器來(lái)完成這一部分的功能。MVC[8-9]思想是將一個(gè)應(yīng)用分成三個(gè)基本部分：Model(模型)、View(視圖)和Controller(控制器)，這三個(gè)部分以最少的耦合協(xié)同關(guān)系工作，從而提高應(yīng)用的可擴(kuò)展性及可維護(hù)性。UI是所有UI*的基類(lèi)，包括兩個(gè)子類(lèi)，其中一個(gè)為UIScene，它是所有場(chǎng)景UIScene*的基類(lèi)，它的子類(lèi)UISceneLogonCtrl,是一個(gè)場(chǎng)景UI的控制器，UIWindow是所有窗口UIWindow*的基類(lèi)。

登錄視圖LogonView，只負(fù)責(zé)與UI交互，而控制器負(fù)責(zé)把Model的數(shù)據(jù)顯示在View上或者從View上采集數(shù)據(jù)。MVC框架中，控制器控制視圖，且把Model的數(shù)據(jù)顯示在View上。比如登錄模式，view=UILogOnView視圖，只負(fù)責(zé)和UI交互，控制器負(fù)責(zé)把Model的數(shù)據(jù)顯示在View上，或者從View采集數(shù)據(jù)，打開(kāi)或者關(guān)閉窗口，點(diǎn)擊按鈕之后，賬戶(hù)控制器就會(huì)接收到按鈕接收到的數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)就會(huì)通過(guò)Model傳輸給服務(wù)器。Model中包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊傳輸給服務(wù)器。Model還有本地?cái)?shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)讀取和本地存儲(chǔ)，如圖3所示。

2.1.2 基于Bmob實(shí)現(xiàn)登錄、注冊(cè)功能

通過(guò)Bmob[10]可以隨時(shí)存儲(chǔ)和讀取自己在平臺(tái)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，很好實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與后端云的數(shù)據(jù)連通。使用輕量級(jí)的Bmob C# SDK開(kāi)發(fā)包，將Bmob-Window文件引用到項(xiàng)目工程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登錄和注冊(cè)的功能。免去了服務(wù)器維護(hù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)互通等繁瑣的工作，大幅度提高開(kāi)發(fā)效率，減少研發(fā)時(shí)間和成本。

圖3 MVC動(dòng)態(tài)加載結(jié)構(gòu)

首先需要下載相對(duì)應(yīng)的Bmob-unity文件放入工程的libs下，然后將BmobUnity組件掛載在攝影機(jī)下，在Bmob移動(dòng)云官網(wǎng)中注冊(cè)賬號(hào)，將申請(qǐng)賬號(hào)下的Application ID和Rest key分別寫(xiě)入相對(duì)應(yīng)的BmobUnity中。然后創(chuàng)建相應(yīng)的類(lèi)繼承BombUser類(lèi)，重寫(xiě)其中的login()和register()函數(shù)。在這個(gè)過(guò)程中需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)。也有相應(yīng)的函數(shù)，只要調(diào)用就行，十分方便。

注冊(cè)代碼如下：

MyBmobUser user=new MyBmobUser();

user.username=userName.text;

user.password=pwd.text;

Bmob.Signup (user,(resp,excp)=>{

if(excp !=null)

{

tishi.text="注冊(cè)失敗";

return;

}

else

{

tishi.text="注冊(cè)成功";

}

});

2.2 實(shí)驗(yàn)操作交互技術(shù)

任何一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作都有一定的操作流程，這對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的保護(hù)、實(shí)驗(yàn)人員的安全以及實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。在操作過(guò)程中采用了分步式的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。操作者可以自行糾正操作的錯(cuò)誤，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀器的操作，熟練實(shí)驗(yàn)流程，避免儀器的損害，進(jìn)而達(dá)到訓(xùn)練的目的，為以后實(shí)時(shí)操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[11-12]。

交互的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)程序代碼對(duì)物體之間的觸發(fā)來(lái)完成。在Unity中,操作者通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)來(lái)控制虛擬實(shí)驗(yàn)中的人物,而虛擬世界中的人物與3D物體之間的交互(如碰撞、觸發(fā)等)則需要函數(shù)等程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。以單色儀定標(biāo)過(guò)程為例，打開(kāi)計(jì)算機(jī)(主機(jī)、顯示器)，開(kāi)啟光柵光譜儀電箱電源，啟動(dòng)光柵光譜儀控制系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化操作，檢查并設(shè)置參數(shù)使其滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需要，開(kāi)啟氦燈電源，將燈對(duì)準(zhǔn)光柵光譜儀狹縫，執(zhí)行“工作/單程掃描”，執(zhí)行“讀取數(shù)據(jù)/尋峰”，收集數(shù)據(jù)，關(guān)閉儀器。

在虛擬實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)景中，實(shí)驗(yàn)者以第一人稱(chēng)視角，用鼠標(biāo)操作執(zhí)行相應(yīng)的內(nèi)容。在操作場(chǎng)景中可以操作儀器做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)包含有對(duì)該步驟的文字說(shuō)明，便于加深使用者對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解[13]。

比如，提前做好一個(gè)關(guān)于錯(cuò)誤信息的預(yù)設(shè)體，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤步驟，就會(huì)響應(yīng)函數(shù)方法，代碼如下：

GameObject errPre=Instantiate(errObj,tipSystem.transform.position,tipSystem.transform.rotation) as GameObject;

errPre.transform.SetParent(tipSystem.transform);

errPre.GetComponentInChildren().text =displayText;

當(dāng)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)按鈕時(shí)，按鈕會(huì)由白色變?yōu)榧t色，這是提醒電源已開(kāi)，表示已經(jīng)觸發(fā)激活了電腦屏幕，此時(shí)啟動(dòng)光柵光譜儀控制系統(tǒng)程序，會(huì)有提示提醒先打開(kāi)電箱電源開(kāi)關(guān)和單色儀。這樣就會(huì)按照提示，一步步進(jìn)行試驗(yàn)，而不會(huì)出現(xiàn)操作步驟的錯(cuò)誤從而導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗,如圖4中(a)和(b)所示。

圖4 提示圖

同時(shí)，為了進(jìn)一步體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的交互性，還設(shè)計(jì)了放大功能，在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可以進(jìn)一步觀看實(shí)驗(yàn)儀器，如圖4(c)所示。此時(shí)需要鼠標(biāo)來(lái)完成，鼠標(biāo)輸入的相關(guān)事件包括鼠標(biāo)移動(dòng)、按鍵的單擊等，鼠標(biāo)位置的變量類(lèi)型為Vector3，其中x分量對(duì)應(yīng)水平坐標(biāo)，y分量對(duì)應(yīng)垂直坐標(biāo)，z分量始終為零。GetMouse ButtonDown需要傳入?yún)?shù)來(lái)判斷鼠標(biāo)按鍵，0代表左鍵，1代表右鍵，2對(duì)應(yīng)中間。其關(guān)鍵代碼如下：

if(Input.GetMouseButtonDown(1) && showTips)

{

flag=true;

tmp=Instantiate(prefab,cam.transform.position,cam.transform.rotation) as GameObject;

tmp.transform.position +=cam.transform.forward * 1.0f;

tmp.transform.position+=cam.transform.up*0.1f;

tmp.transform.Rotate(Vector3.forward *Input.GetAxis("MouseX") * -speed);

tmp.transform.Rotate(Vector3.right *Input.GetAxis("Mouse Y") * speed);

}

而showTips判斷的依據(jù)是鼠標(biāo)是否經(jīng)過(guò)物體。主要通過(guò)鼠標(biāo)與物體之間的觸發(fā)函數(shù)，其中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以第一人稱(chēng)視角為中心。在腳本中，預(yù)設(shè)一個(gè)新的放大物體距人物一定距離，方便操作者仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)儀器，為實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)較為真實(shí)且操作方便的體驗(yàn)感[14]。

2.3 動(dòng)態(tài)仿真圖

光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)中最主要的部分是獲取光譜曲線，包括單色儀定標(biāo)、測(cè)量氫光譜、氦光譜等。

主要做法有：(1)根據(jù)以往在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量的光譜圖，將其制作為圖片，導(dǎo)入unity中生成UI圖片，以圖片的方式呈現(xiàn)給操作者；(2)運(yùn)用unity3D的圖表插件GraphMaker動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)生成的圖表。這兩種方法都能產(chǎn)生光譜圖，可是對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，光譜圖波長(zhǎng)的產(chǎn)生是根據(jù)光柵在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，復(fù)合光通過(guò)光柵產(chǎn)生衍射形成單色光，波長(zhǎng)并不是一次就出來(lái)的，這樣給操作者的真實(shí)體驗(yàn)就差一些。

在Unity中Graphic是所有可視化UI組件的基類(lèi)。在創(chuàng)建可視UI組件時(shí)，從這個(gè)類(lèi)繼承。其在繼承了MaskableGraphic的子類(lèi)關(guān)鍵方法OnPopulateMesh中重寫(xiě)該方法，向OnPopulateMesh方法中傳入對(duì)應(yīng)的VertexHelper類(lèi)型的數(shù)據(jù)，即可構(gòu)建出自己想要的組件。VertexHelper是UnityEngine.UI一個(gè)實(shí)用程序類(lèi)，是一個(gè)包含了網(wǎng)格數(shù)據(jù)中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和三角面對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的序號(hào)，可以幫助生成UI的網(wǎng)格。以下通過(guò)兩個(gè)點(diǎn)來(lái)制作矩形。首先獲取兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，分別將兩點(diǎn)在X、Y方向的斜率作為單位，創(chuàng)建UIVertex,重新設(shè)置四個(gè)頂點(diǎn)vertex的位置，從而得到矩形。關(guān)鍵代碼如下:

protected UIVertex[] Quad(Vector2 startPoint,Vector2 endPoint)

{

float length=Vector2.Distance(startPoint,endPoint);

float xS=(endPoint.y-startPos.y)/length;

float yS=(endPoint.x-startPos.x)/length;

UIVertex[] vertex=new UIVertex[4];

vertex[0].position=new Vector3(startPoint.x-xS,startPoint.y-yS);

vertex[1].position=new Vector3(startPoint.x+xS,startPoint.y+yS);

vertex[2].position=new Vector3(endPoint.x+xS,endPoint. y+yS);

vertex[3].position=new Vector3(endPoint.x-xS,endPoint. y-yS);

return vertex;

}

這個(gè)矩形就相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)，線段就是由許多點(diǎn)構(gòu)成，光譜圖動(dòng)態(tài)顯示則是根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一組坐標(biāo)，使用協(xié)同逐點(diǎn)顯示連線。在設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之前，已經(jīng)做過(guò)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)和構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)的仿真界面過(guò)程中，包括儀器參數(shù)設(shè)置和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，把數(shù)據(jù)進(jìn)行本地化存儲(chǔ)。根據(jù)之前得到的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中本地存儲(chǔ)不同的光譜圖，與此同時(shí)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)也是根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加入了部分隨機(jī)函數(shù)，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更真實(shí)、合理。圖5為用已知波長(zhǎng)的氦燈光譜線對(duì)光柵單色儀定標(biāo)界面。

圖5 氦光譜

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體要求和實(shí)驗(yàn)者的一些操作行為來(lái)得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)效果良好[15]。

3 系統(tǒng)發(fā)布

Unity擁有強(qiáng)大的圖形引擎和功能，為開(kāi)發(fā)者提供了平臺(tái)，用于開(kāi)發(fā)豐富的2D、3D、VR及AR交互式內(nèi)容。擁有直觀的工作流程和功能強(qiáng)大的工具集，支持多種資源格式導(dǎo)入，可以將3D模型、圖像、視頻、聲音等進(jìn)行結(jié)合快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，并結(jié)合Unity內(nèi)部強(qiáng)大的系統(tǒng)組件功能，如專(zhuān)業(yè)的物理引擎系統(tǒng)模擬包含剛體、柔體、重力、碰撞等各種物理行為；快速的UGUI界面設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的可視化編輯器，可以滿(mǎn)足各種界面制作需求等。這些功能可以輕松完成三維互動(dòng)開(kāi)發(fā)，創(chuàng)建出虛擬仿真內(nèi)容。通過(guò)Build Setting中的PC選項(xiàng)就可以將內(nèi)容部署輕松送達(dá)至PC平臺(tái)，生成可執(zhí)行文件及其數(shù)據(jù)文件包。圖6為系統(tǒng)模塊展示。

圖6 系統(tǒng)模塊展示

圖6(a)，進(jìn)入登錄注冊(cè)窗口完成登錄后，在實(shí)驗(yàn)主場(chǎng)景中有兩種模式選擇，分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式和實(shí)驗(yàn)操作模式，可以自己選擇進(jìn)入相應(yīng)的場(chǎng)景進(jìn)行學(xué)習(xí)。進(jìn)入學(xué)習(xí)模式后，包括實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，如圖6(b)；用戶(hù)可以自己選擇進(jìn)行最基礎(chǔ)的理論學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完成后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,如圖6(c)；如果對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器感興趣，可以去儀器場(chǎng)景，將儀器打開(kāi)，觀察儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖6(d)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，設(shè)備昂貴且易損，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高，因此將Unity3D和3D Max技術(shù)引進(jìn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練中。就其自身優(yōu)點(diǎn)來(lái)講，它精簡(jiǎn)直觀的制作流程、功能強(qiáng)大的組件，突破了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，可以提前讓學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)各種交互功能，熟悉操作實(shí)驗(yàn)流程，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器組成部件的認(rèn)識(shí)和操作，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，有效地減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備損害，提高了實(shí)驗(yàn)利用效率。因此，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。