張剛 潘衛(wèi) 賀明明

（核工業(yè)西南物理研究院 四川省成都市 610041）

1 引言

相較于國(guó)外核聚變科普宣傳方式，中國(guó)核聚變科普手段相對(duì)滯后。核發(fā)達(dá)國(guó)家的核能和核技術(shù)應(yīng)用起步早，核聚變科普工作體系相對(duì)完整，手段豐富、形式多樣，比如科普展覽、現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)、科普網(wǎng)頁(yè)、網(wǎng)絡(luò)課堂等方式。國(guó)內(nèi)許多科普領(lǐng)域也都相繼投入 3D、VR 等相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，但在核聚變科普領(lǐng)域，數(shù)字化科普手段收入不夠，難以吸引公眾興趣，科普效果難以達(dá)到預(yù)期。

為了引導(dǎo)公眾正確認(rèn)識(shí)核聚變，利用3D 互動(dòng)技術(shù)普及核聚變裝置最核心知識(shí)，促使大家認(rèn)識(shí)到核聚變能源對(duì)人類(lèi)未來(lái)生活的重要意義，需要構(gòu)建一個(gè)集成化、專(zhuān)業(yè)化、智能化、分布式的軟件系統(tǒng)。本項(xiàng)目利用數(shù)字化的科普互動(dòng)產(chǎn)品，采用嵌入式觸摸一體化顯示終端，基于Java 開(kāi)發(fā)在線(xiàn)Web 配置系統(tǒng)，并基于Unity3D 引擎開(kāi)發(fā)出TV 端系統(tǒng)，進(jìn)一步提升公眾參與的興趣和熱情，強(qiáng)化一線(xiàn)核聚變科普效果，鍛煉公眾的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)思想和科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新理念，圍繞 “人造太陽(yáng)”這一科技前沿專(zhuān)題開(kāi)展核聚變能源的開(kāi)發(fā)、利用等相關(guān)科技熱點(diǎn)、開(kāi)展相關(guān)培訓(xùn)，最終達(dá)到全民關(guān)注能源問(wèn)題，消除人們“談核色變”的恐懼的目的，同時(shí)吸引到更多學(xué)生對(duì)核聚變研究的熱情和興趣，便于越來(lái)越多的優(yōu)秀人才投身到解決未來(lái)能源問(wèn)題的科學(xué)工作中來(lái)，推動(dòng)磁約束聚變事業(yè)的快速進(jìn)步和發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)

Unity3D 是Unity Technologies 開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以進(jìn)行背景設(shè)計(jì)的可視化和三維動(dòng)畫(huà)控制的一款綜合性游戲平臺(tái)，通過(guò)Unity3D 強(qiáng)大的物理引擎，可以對(duì)相關(guān)的場(chǎng)景進(jìn)行模擬，讓整個(gè)動(dòng)畫(huà)和游戲更為逼真。Unity 類(lèi)似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder 等利用交互的圖型化開(kāi)發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件。其編輯器可運(yùn)行在Windows、Linux(目前僅支持Ubuntu 和Centos 發(fā)行版)、Mac OS X 下 。

C# 是一種運(yùn)行于.NET Framework 上的面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是c 語(yǔ)言延伸出來(lái)的，可以通過(guò)可視化操作來(lái)完成程序的編寫(xiě)，本系統(tǒng)TV 端展示系統(tǒng)基于Unity3D 引擎開(kāi)發(fā)，采用C#編寫(xiě)，主要組件為頁(yè)面3D 建模，內(nèi)置瀏覽器插件和視頻展示功能。

krpano 是目前世界上最強(qiáng)大的全景圖漫游制作引擎。隨著html5 和VR時(shí)代的到來(lái)，krpano 引入了WebGL、CSS3D、WebVR、3Dvr 等最新技術(shù)，優(yōu)化切片渲染和VR 功能， krpano 逐步會(huì)向純html5 及三維空間應(yīng)用方向過(guò)渡，本項(xiàng)目全景VR 部分均通過(guò)krpano 完成。

3 設(shè)計(jì)思路

3.1 總體設(shè)計(jì)

科普互動(dòng)體驗(yàn)APP 基于MVC 模式，主要實(shí)現(xiàn)核聚變專(zhuān)題知識(shí)版塊介紹、環(huán)流器模型科普演示及核聚變反應(yīng)過(guò)程展示 ,包括用戶(hù)管理，后臺(tái)管理，TV 端展示三部分模塊。Web 管理端的主要功能有用戶(hù)的登錄注冊(cè)，用戶(hù)角色權(quán)限的管理，TV 端的后臺(tái)管理?？破掌脚_(tái)TV 端系統(tǒng)基于Unity3D 開(kāi)發(fā)，該引擎的最大特點(diǎn)是其跨平臺(tái)特性，能夠創(chuàng)建實(shí)時(shí)、可視化的2D 和3D 動(dòng)畫(huà)。TV 端的主要功能有展示院校簡(jiǎn)介，待機(jī)音視頻，聚變小咖，聚變天地宣傳視頻，系統(tǒng)設(shè)置等功能。如圖1 所示。

圖1

圖2

3.2 模塊劃分

管理平臺(tái)后臺(tái)部分主要由以下幾部分組成。

（1）用戶(hù)管理。用戶(hù)管理為用戶(hù)權(quán)限管理設(shè)置，分為賬號(hào)管理、功能管理、權(quán)限管理、角色管理。

（2）系統(tǒng)設(shè)置。對(duì)TV 端進(jìn)行滑動(dòng)切換音效、開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)、待機(jī)動(dòng)畫(huà)設(shè)置。

（3）內(nèi)容管理。內(nèi)容管理是針對(duì)在科普軟件平臺(tái)TV 端顯示的內(nèi)容進(jìn)行添加、修改操作，對(duì)應(yīng)TV 端的5 個(gè)功能項(xiàng)：院所概況、宣傳視頻、VR 展示、聚變天地、聚變小咖。

4 功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由WEB 后臺(tái)系統(tǒng)和TV 展示系統(tǒng)組成，采用pdlegacyshell 模型工具和SQLyog 管理工具。以Axure RP 做為原型設(shè)計(jì)工具，Sketch 做為界面設(shè)計(jì)工具，采用Maven 項(xiàng)目管理工具完成。其中WEB 后臺(tái)系統(tǒng)的功能主要是對(duì)TV 展示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)展示。

4.1 設(shè)計(jì)規(guī)范

圖3

圖4

根據(jù)需求分析及概要設(shè)計(jì)，將Service 層定義為業(yè)務(wù)邏輯處理層，同時(shí)采用面向接口的編程思想，將業(yè)務(wù)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)與定義分隔開(kāi)，使得系統(tǒng)的耦合度大大降低的同時(shí)也使得系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性大幅度提高。將Dao 層定義為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，同時(shí)采用面向接口的編程思想，將數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能的實(shí)現(xiàn)與定義分隔開(kāi)，使得系統(tǒng)的耦合度大大降低的同時(shí)也使得系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性大幅度提高。

4.2 設(shè)計(jì)模型

MVC全名是Model View Controller，是模型(model)-視圖(view)-控制器(controller)的縮寫(xiě)，是一種軟件設(shè)計(jì)典范。用一種業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個(gè)部件里面，在改進(jìn)和個(gè)性化定制界面及用戶(hù)交互的同時(shí)，不需要重新編寫(xiě)業(yè)務(wù)邏輯。MVC 主要用于把傳統(tǒng)的輸入、處理和輸出功能映射在一個(gè)邏輯的圖形化用戶(hù)界面的結(jié)構(gòu)中，如圖2 所示。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

其物理數(shù)據(jù)庫(kù)主要有以下幾個(gè)，文章標(biāo)題表article，聚變天地表cafe，聚變小咖表earth，文件屬性表file，院所介紹表institutes，待機(jī)設(shè)置表swith_video 等，系統(tǒng)表關(guān)系如圖3、圖4 所示。

5 結(jié)論

核聚變交互式科普展覽平臺(tái)，其硬件上借鑒2017年阿斯塔納世博會(huì)的“中國(guó)核聚變能源開(kāi)發(fā)與ITER 計(jì)劃”展項(xiàng)的設(shè)計(jì)理念，并對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)成本優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的核聚變科普互動(dòng)產(chǎn)品，基于Unity3D 引擎開(kāi)發(fā)，采用B/S 分布式系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了不同終端受眾的3D 交互及傳播展覽。通過(guò)該系統(tǒng)，用戶(hù)可以輕松地構(gòu)建一個(gè)集中化、專(zhuān)業(yè)化、智能化、分布化的交互式科普展覽系統(tǒng)，提供信息編輯、傳輸、發(fā)布和管理等媒體交互式服務(wù)。