基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和共享研究

丘美玲 謝建華 陳惠紅

摘要：探索如何有效地利用Unity 3D游戲引擎設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，研究如何有效的實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的漫游功能、演示功能、互動(dòng)功能、考核功能、管理功能五大核心功能模塊，并且分析在實(shí)現(xiàn)五大功能過(guò)程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，為其提供相關(guān)的解決方法。為優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和共享研究提供依據(jù)，探索出一條基于Unity 3D技術(shù)進(jìn)行VR/VA教學(xué)資源開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的道路。

關(guān)鍵詞：Unity 3D；仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)；共享

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0204-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，VR/AR仿真技術(shù)的發(fā)展也日漸成熟，并開(kāi)始引入到教育教學(xué)領(lǐng)域，VR/AR仿真技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，具有開(kāi)創(chuàng)性價(jià)值，打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，創(chuàng)造出一種嶄新的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式，是教育教學(xué)信息化發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的五大功能模塊的開(kāi)發(fā)技術(shù)

主要研究在Unity 3D游戲引擎中，如何有效的實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的漫游功能、演示功能、互動(dòng)功能、考核功能、管理功能五大核心功能模塊（圖1），并且，總結(jié)在實(shí)現(xiàn)五大功能過(guò)程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，為其提供相關(guān)的解決方法。

基于unity的三維虛擬仿真技術(shù)結(jié)合vr的設(shè)備，通過(guò)漫游功能使學(xué)生有一種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的沉浸式體驗(yàn)，提高學(xué)生在面對(duì)現(xiàn)實(shí)操作中對(duì)場(chǎng)景、設(shè)備的正確認(rèn)識(shí)，從而增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際操作的正確率力，避免重復(fù)性的錯(cuò)誤。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的演示功能，能清晰明了的為學(xué)生展示實(shí)習(xí)操作的注意事項(xiàng)和關(guān)鍵要點(diǎn)，為學(xué)生在真實(shí)的實(shí)踐中，提供準(zhǔn)確的提示；三維仿真系統(tǒng)的仿真的互動(dòng)功能，三維立體的UI界面，使學(xué)生能通過(guò)鼠標(biāo)或者VR操縱器，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行仿真的練習(xí)，為學(xué)生提供可操作的仿真聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)操作前的課堂模擬教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)中存在的限制性和機(jī)械性的問(wèn)題，得到了很好的解決；在管理的功能模塊，主要包括：學(xué)生基本信息的處理，學(xué)生的權(quán)限設(shè)置，學(xué)生成績(jī)的統(tǒng)計(jì)和管理，知識(shí)內(nèi)容的添加和修改、管理，平臺(tái)的自身的管理和維護(hù)等等。

2 研究基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程

使用Unity 3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，主要有四個(gè)階段（圖2）：第一階是段準(zhǔn)備和收集仿真系統(tǒng)相關(guān)素材，圖片、文字、音樂(lè)、視頻、動(dòng)畫(huà)等富媒體。第二階段是對(duì)素材進(jìn)行篩選并且重新加或再創(chuàng)作，是素材復(fù)合仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

第三階段，用三維建模工具，maya或3Dmax軟件，把實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的環(huán)境和操作對(duì)象進(jìn)行建模，還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并且導(dǎo)出符合標(biāo)準(zhǔn)的模型，例如，單個(gè)模型的面數(shù)不得超過(guò)6.5W個(gè)三角面在Unity中，圖片一般可以分為兩種：Texture和Sprite，可以簡(jiǎn)單的理解為3D模型使用圖片和2DUI使用的圖片。Texture一般作為3D模型上的貼圖，需要有對(duì)應(yīng)的材質(zhì)球并關(guān)聯(lián)到相應(yīng)3D網(wǎng)格模型去使用。一般來(lái)說(shuō)Texture會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)寬像素都是2的n次方的正方形，這也是大部分建模軟件如maya規(guī)定的。Sprite一般作為UI上的圖片，一般不會(huì)去制作對(duì)應(yīng)的材質(zhì)球。在UGUI上一般是拖動(dòng)到相應(yīng)的控件上就可以了。Sprite是一個(gè)資源導(dǎo)入的方式，一個(gè)資源導(dǎo)入后并非只能是單個(gè)Sprite，在Sprite Mode選項(xiàng)上可以選擇Multiple去生成多個(gè)Sprite，不過(guò)需要在Sprite Editor選項(xiàng)上對(duì)圖片進(jìn)行切割，Sprite一般對(duì)大小不會(huì)做限制，UI需要多大就用多大，但是Unity在壓縮上，對(duì)4的倍數(shù)分辨率的圖片支持上會(huì)更好一點(diǎn)（應(yīng)該是方便圖片在POT下的位置計(jì)算），所以在制作時(shí)可以對(duì)PS的畫(huà)布大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

無(wú)論是模型、材質(zhì)球、貼圖都不能有中文，unity3d里面任何路徑、名稱也不能有中文，否則可能會(huì)導(dǎo)致未知的錯(cuò)誤。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并發(fā)布，調(diào)試完善并提交。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)難度大，如何設(shè)計(jì)和總結(jié)出合理得，科學(xué)的開(kāi)發(fā)流程，能有效的提高真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

第四個(gè)階段使用unity把所有素材和資源進(jìn)行整合，并且設(shè)計(jì)操作的交互方式。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和發(fā)布測(cè)試。

3 實(shí)現(xiàn)基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的校際共享

目前各高校之間的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)集成度不高，異構(gòu)平臺(tái)下資源難以共享的問(wèn)題，提出利用Unity的跨平臺(tái)發(fā)布技術(shù)優(yōu)勢(shì)（圖3），并結(jié)合Unity Analytics分析服務(wù)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)API與.NET環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了校際教學(xué)資源共享平臺(tái)。在實(shí)現(xiàn)高校教育教學(xué)資源共享中，研究如何有效利用基于Unity Analytics分析服務(wù)的云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建高性能、高可用、多服務(wù)器計(jì)算集群，能夠提高資源共享的綜合性能。

通過(guò)實(shí)訓(xùn)室局域網(wǎng)經(jīng)vpn網(wǎng)關(guān)與校園網(wǎng)連接，使學(xué)生在完成實(shí)訓(xùn)預(yù)約后可以通過(guò)校園網(wǎng)訪問(wèn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、下載實(shí)訓(xùn)資源進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。所以，基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，便捷且效經(jīng)地解決了校際虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互性困難、教學(xué)資源共享問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息技術(shù)融合后，教育教學(xué)不單在形式上突顯出新技術(shù)，教育教學(xué)的價(jià)值、本質(zhì)和功能都相應(yīng)地發(fā)生了巨大的改變。從教育信息化發(fā)展研究，VR/AR技術(shù)將會(huì)成為教育技術(shù)領(lǐng)域中最具潛力和發(fā)展前景的新型技術(shù)。對(duì)基于Unity 3D的虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的實(shí)踐研究，將為各個(gè)學(xué)科課程教學(xué)的演示和實(shí)訓(xùn)模式提供了創(chuàng)新性的方向。為教育信息技術(shù)與學(xué)科課程教學(xué)有效整合的研究提供依據(jù)。

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