段永良 宋燕燕 周洪萍 邢凱倫 李陳 周王劍

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種基于數(shù)字化的開發(fā)技術(shù)，將現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過先進(jìn)技術(shù)數(shù)字化，能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵在于，構(gòu)建效果真實(shí)、模型精細(xì)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣、不受時(shí)間空間限制的可操控式開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，適應(yīng)未來各種實(shí)驗(yàn)的專項(xiàng)性和發(fā)展性。

一、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)UI界面

首界面UI主要分為如下3個(gè)面板，如圖1。

StartUI中包含了一個(gè)“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”按鈕、校徽和一個(gè)標(biāo)題，其中?；蘸蜆?biāo)題在場(chǎng)景開始時(shí)運(yùn)行了DoTween動(dòng)畫，如圖2。

StartUI2中是8個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的分類，點(diǎn)擊進(jìn)入到不同的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備界面StartUI3。StartUI3界面中有一個(gè)實(shí)驗(yàn)介紹面板，有該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)原理介紹，在閱讀后可點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)按鈕進(jìn)行相應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景界面的左上角是實(shí)驗(yàn)的名稱，右邊是返回、暫停、操作方法提示3個(gè)按鈕，用于返回首界面、實(shí)驗(yàn)暫停、查看操作方法。

二、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

虛擬實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)場(chǎng)景都是獨(dú)立的，互不影響。每個(gè)場(chǎng)景按照對(duì)應(yīng)的流程運(yùn)行，每個(gè)流程有對(duì)應(yīng)的策劃案。每個(gè)場(chǎng)景中的設(shè)備都通過C4D建模軟件制作，精細(xì)到每個(gè)接口。

實(shí)驗(yàn)桌上有 YDC-868型彩色/黑白電視信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)、音頻信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)、視音頻分配器1臺(tái)、彩色液晶電視機(jī)1臺(tái)、示波器1臺(tái)。

大部分實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景都由層級(jí)關(guān)系組成，如圖5。

SceneObjects中是實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、燈光。shiyanshi中存放的是整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的墻體、桌子等物體。Canvas中存放提示面板、圖片展示面板。cameras中存放各個(gè)設(shè)備的相機(jī)位以及主相機(jī)。Obi中則存放各場(chǎng)景中的電線模型。

三、項(xiàng)目文件管理

由于整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的專業(yè)較廣，所包含的內(nèi)容也是非常多的，所以整個(gè)項(xiàng)目中包含了非常多的項(xiàng)目文件。在Unity中，每個(gè)項(xiàng)目都有一個(gè)根目錄Assets文件夾。所有的項(xiàng)目文件都保存在該文件夾中。圖中展示的是本項(xiàng)目整個(gè)文件層級(jí)。KXF文件夾是整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)框架文件夾，里面包含了通用的編輯器腳本，工具類和DoTween插件文件。Obi文件夾存放Obi插件文件。整個(gè)項(xiàng)目文件都存放在Project文件夾中。整個(gè)Project文件層級(jí)由框架中的Editor腳本一鍵生成。

四、WebGL平臺(tái)

WebGL（Full-Write-Web圖形庫）是一種三維繪圖協(xié)議。這個(gè)繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過將JavaScript腳本語言和OpenGL2.0技術(shù)相結(jié)合，可以為HTML5的Canvas提供更快跟穩(wěn)定的渲染運(yùn)算方式，使所有使用Web應(yīng)用的人可以只需要使用系統(tǒng)顯卡就能更流暢地在瀏覽器中顯示三維場(chǎng)景和模型。如此看來，WebGL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以用來創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁，甚至可以用來設(shè)計(jì)三維或者二維網(wǎng)頁游戲等。

1.WebGL程序編譯

Unity實(shí)驗(yàn)框架開發(fā)完成后，將編譯項(xiàng)目。WebGL項(xiàng)目使用HTML5技術(shù)和JavaScript標(biāo)準(zhǔn)，將應(yīng)用呈現(xiàn)在網(wǎng)頁客戶端上。編譯只要在“build player”窗口中選擇WebGL構(gòu)建目標(biāo)，點(diǎn)擊“build&run”，就開始編譯了。

幾乎所有的桌面瀏覽器都支持Unity WebGL應(yīng)用，Unity WebGL不支持移動(dòng)設(shè)備。因此，WebGL平臺(tái)不支持動(dòng)態(tài)鏈接庫，包括類庫和網(wǎng)絡(luò)通信中的強(qiáng)連接。

2.程序文件修改

構(gòu)建WebGL項(xiàng)目時(shí)，Unity會(huì)創(chuàng)建包含以下文件的文件夾：一個(gè)index.html文件，瀏覽器可以使用它來瀏覽閱讀內(nèi)容。開發(fā)或分發(fā)文件夾包含生成的項(xiàng)目輸出文件（哪個(gè)文件夾取決于是否開發(fā)）模板數(shù)據(jù)文件夾（使用默認(rèn)模板時(shí)可用），帶有加載欄和其他模板資源。JavaScript文件myproject.js包含播放器的代碼。 ?Myproject.data文件包含資源數(shù)據(jù)和方案。

3.服務(wù)器部署

首先需要?jiǎng)?chuàng)建IIS服務(wù)器。打開控制面板，點(diǎn)擊程序，點(diǎn)擊啟用或關(guān)閉Windows功能，點(diǎn)擊啟用IIS服務(wù)。然后打開IIS，右鍵添加網(wǎng)站，選擇物理路徑，IP地址默認(rèn)“全部未分配”，寫好配置文件Web.config， 放在根目錄下面就可以了，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)讀取該文件內(nèi)容。

五、系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)已經(jīng)成功部署在服務(wù)器上，使用的是阿里云彈性計(jì)算服務(wù)器，服務(wù)器版本為Windows Server 2012，接下來將進(jìn)行測(cè)試。

在非服務(wù)器的任意PC上，打開瀏覽器，輸入地址http：//47.98.253.118：8081/，就會(huì)看到電視原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的首界面。

點(diǎn)擊右下角進(jìn)入實(shí)驗(yàn)按鈕，就會(huì)進(jìn)入到下一級(jí)界面，選擇實(shí)驗(yàn)界面，進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，可以看到實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)圖片等。

經(jīng)過上述操作，實(shí)驗(yàn)均可正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)測(cè)試成功。

六、項(xiàng)目總結(jié)

一款應(yīng)用的開發(fā)周期相對(duì)網(wǎng)頁應(yīng)用來說是相當(dāng)長(zhǎng)久的，在項(xiàng)目初期，首先開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)框架，然后在框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行電視原理虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。

電視原理虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合了圖形制作技術(shù)、模型建造、虛擬仿真技術(shù)與代碼開發(fā)技術(shù)，將其中的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真化，把平時(shí)需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作流程帶到電腦上或者智能手機(jī)中，極大地方便了學(xué)生的使用。在本次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的同時(shí)，也存在著一些不足之處。例如，虛擬仿真的設(shè)備由于現(xiàn)實(shí)中的儀器存在損壞和時(shí)間不充分等原因沒有完全囊括其中，還需要進(jìn)一步完善;虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景與儀器的精細(xì)度還不夠逼真、精細(xì);實(shí)驗(yàn)中可操作的部分有待擴(kuò)充。

本設(shè)計(jì)僅屬于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)桌面式應(yīng)用。由于成本、技術(shù)等限制，因此本設(shè)計(jì)沒有制作得那么完美。未來，本項(xiàng)目還可以加入VR技術(shù)、AR技術(shù)、GPU并行計(jì)算技術(shù)等一系列技術(shù)，使項(xiàng)目更加完善。

另外，可以增加考評(píng)系統(tǒng)，針對(duì)學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，找出學(xué)生理論和操作上的不足之處。