虛擬實驗室設計與實現

張慶高 孫建剛 王惠青 崔利富 彭永鵬

摘 要：以虛擬教育為切入點，以土木工程專業擬靜力試驗為例，設計并實現了虛擬實驗室系統。該系統采用3Ds Max、Photo Shop對實驗室及實驗材料、設備等進行建模和貼圖，同時利用ADINA數值仿真分析軟件對實驗進行模擬，提取所需實驗數據并保存到SQL數據庫中，在Unity 3D平臺使用.Net腳本語言實現對模型的控制操作。該系統解決了大型試驗準備周期長、資源消耗大、不易操作等問題，最大限度地使學生參與整個實驗過程，以掌握更多的知識和科研成果。

關鍵詞：虛擬實驗室；Unity 3D；.Net腳本

DOI：10.11907/rjdk.172686

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0120-04

Abstract：This paper takes virtual education as the breakthrough point， designs and implements the virtual laboratory system by taking the civil engineering experiment as an example .The system uses 3Ds Max，PS to build model and pastes map about the laboratory， experimental materials， equipment and so on， meanwhile， it gets and saves the experimental data by ADINA in SQL Data Base ， controls the models by .Net script language on the Unity 3D platform. The system solves the problems such as long period of preparation， large resource consumption and difficult operation， and it makes students most involved in the whole process of experiment tobetter understand more knowledge and scientific research.

Key Words：Virtual laboratory； Unity 3D； .Net script

0 引言

虛擬實驗室是一種基于計算機技術，對實驗過程還原并提供交互性的實驗模式。虛擬實驗室與遠程教育特征非常相似，即都可以不受時間、地點約束，根據需要和時間進行自主學習。但相比遠程教育，虛擬實驗室可以讓用戶有更好的沉浸感、交互性及實時性[1]。虛擬實驗室不僅改變了學習方式，還因其低廉的成本而備受青睞。虛擬實驗可使學生系統地參與實驗，快速掌握實驗過程和步驟，實時交互性和漫游系統可讓使用者對實驗全方位了解。

虛擬現實與教育結合必須建立在教育理論基礎上，促進教育事業發展[2]。本文以土木工程專業擬靜力加載試驗為例，設計了擬靜力加載虛擬實驗室。

1 系統總體設計

虛擬實驗室系統由虛擬場景搭建、數據處理存儲及功能實現等模塊組成。如圖1所示，系統利用3Ds Max三維建模技術及Photo Shop圖片處理技術進行虛擬實驗室、試驗材料等場景搭建，結合ADINA有限元數值仿真分析軟件進行數值仿真分析，將計算所得的數據在SQL數據庫中保存，通過Unity 3D技術和.Net腳本實現虛擬實驗室功能[3]。

2 虛擬場景搭建

虛擬場景搭建是虛擬實驗室系統設計的核心內容，模型制作精細度、貼圖真實度、光影調整以及周圍環境的影響等都是需要考慮的重要因素。場景搭建分為3部分：①了解實驗過程及實驗儀器；②制作三維模型，進行貼圖和導出工作；③導入Unity進行場景搭建。圖2、圖3為實驗室加載裝置實物圖。

通過實際測量確定實驗室和試驗裝置尺寸后，進行三維建模。建模使用3Ds Max和Photoshop組合，將建好的模型保存為FBX格式，導入到Unity 3D中，進行場景環境和燈光搭建[4]。建模效果如圖4所示。

3 數據處理

虛擬試驗系統的建立必須有實驗數據支撐，從試驗的加載到試驗完成必須有數據顯示和曲線生成。墻體擬靜力試驗，通過對有限元數值仿真分析軟件（ADINA）和試驗得出的數據比對，找到最優數據，一般以ADINA數值仿真分析軟件提取的數據為主，建模過程如下：①點擊Points，首先建立一個點，以點、線、面的形式建立物理模型；②點擊Element Group，為模型分組。此處只有一個模型單元，使用3D實體單元；③點擊Mesh Volumes，為模型劃分網格。ADINA為有限元計算軟件，網格劃分越細，計算精度越高；④為模型添加材料，輸入泊松比、密度、楊氏模量、應力應變曲線等材料信息；⑤添加計算Time Step和Time Function；⑥分別點擊Apply Load和Apply Fixity按鈕，為模型添加力和邊界限制條件，墻體底面全固定，頂面分別施加一個豎向恒載和一個水平往復荷載[5]。

效果如圖5所示，提取的數據加載到Excel中，最后導入SQL數據庫，為后續的數據顯示和曲線生成提供保證。

4 功能實現

功能實現即Unity 3D的場景整合、.Net腳本控制以及Winform窗體實現。.Net腳本主要實現三維模型在Unity 3D場景中的移動、隱藏及顯示等，Winform窗體主要完成數據庫的讀取、數據顯示、曲線生成以及實驗報告修改下載等功能。

4.1 Unity 3D場景整合

將在3Ds Max中做好的模型導入到Unity 3D中，根據實驗室場景進行擺放安置，同時利用UGUI的Text、Image、Raw Image、Button、Toggle、Slider、Scrollbar、DropDown、Input Field、Canvas、Panel、Scroll View等基礎控件完成兩個場景的UI界面設計，即進入場景（見圖6）和實驗場景（見圖7）。

4.2 .Net腳本控制

.Net腳本控制，實現在Unity 3D中的動態控制和展示，包括實驗室漫游和交互式實驗操作等。

4.2.1 漫游功能

虛擬實驗常見的漫游有3種：①第一人稱漫游，在漫游過程中，借助鍵盤和鼠標的操作實現前進、后退、轉向等操作，借助攝像機視角獲取實驗室信息。第一人稱的沉浸感更強，能很好地把自己融入到實驗場景中；②第三人稱漫游，可以在實驗室中設置一個人物，人機交互過程與第一人稱漫游類似，不同的是，第三人稱漫游可以看到人物和實驗室操作情況，通過控制人物行為，以第三視角觀察，更加清晰地看到實驗的整體情況；③網格探路，通過點擊場景內的路線、視角自動探路，通過一系列計算實現網格自動探路功能[6-7]。虛擬實驗室主要以室內實驗為主，因此采用第一人稱漫游方式，對實驗細節可以更好地觀察分析。設置第一人稱漫游，可根據實際需要，隨時對實驗過程近距離觀察。為了增強虛擬實驗室的真實感，可安裝固定視角觀看實驗。鼠標控制方向，鍵盤W、S、A、D分別控制前后左右，將第一人加入剛體組件。第一人稱漫游部分代碼如下：

[RequireComponent（typeof （Rigidbody））]

[RequireComponent（typeof （CapsuleCollider））]

public class RigidbodyFirstPersonController ： MonoBehaviour{

[Serializable]

public class MovementSettings{

public float ForwardSpeed = 8.0f； // 前移速度

public float BackwardSpeed = 4.0f； // 后移速度

public float StrafeSpeed = 4.0f； // 左右移動速度

public float RunMultiplier = 2.0f； // 加速度

public KeyCode RunKey = KeyCode.LeftShift；

public float JumpForce = 30f；

public AnimationCurve SlopeCurveModifier = new AnimationCurve（new Keyframe（-90.0f， 1.0f）， new Keyframe（0.0f， 1.0f）， new Keyframe（90.0f， 0.0f））；

[HideInInspector] public float CurrentTargetSpeed = 8f；

#if ！MOBILE_INPUT

private bool m_Running；

#endif

4.2.2 交互式實驗操作功能

虛擬實驗室人機交互操作包括材料尺寸的選擇、實驗準備、墻體吊裝、監測設備安裝、豎向荷載加持、往復荷載加持等步驟。操作過程如下：

（1）實驗材料和尺寸選擇。該過程在UI界面完成，本系統設置6種不同材料和尺寸的實驗模具，通過不同場景實現相應選擇。以 “砌塊”選擇為例，主要實現代碼如下：

public void Click（）

{

p0.SetActive（false）；

if （Drop0.options[Drop0.value].text == "砌塊" && Drop1.options[Drop1.value].text == "1360*890*236"）

{

p1.SetActive（true）；

（2）實驗準備。實驗模具的材料和尺寸確認后，開始實驗準備階段，顯示要進行的實驗墻體、分配量及混凝土墊板等，主要實現代碼如下：

public GameObject wall；

public GameObject FenPL1；

public GameObject DianBan；

public void OnClick（） {

wall.SetActive（true）；

FenPL1.SetActive（true）；

DianBan.SetActive（true）；}

（3）開始實驗。點擊實驗準備按鈕后，場景固定攝像機視角如圖8，場景中出現實驗的墻體模具、分配梁以及混凝土墊板，準備進行實驗。

墻體的吊裝、分配量的移動、橫向、縱向荷載加持原理相同，都是通過Translate方法實現的。仿真的荷載為橫載，加載過程一次性完成。彈出加載窗體即Winform窗體，窗體中顯示荷載大小及力-時間曲線等荷載信息。Translate實現代碼如下：

using UnityEngine；

using System.Collections；

public class WallTrans1 ： MonoBehaviour {

public float speed = 30；

void Update（）{

float step = speed * Time.deltaTime；

gameObject.transform.localPosition = Vector3.MoveTowards（gameObject.transform.localPosition， new Vector3（1861.3f， 60.1f， 1370.2f）， step）；}}

4.3 Winform窗體實現

Winform窗體主要包括虛擬實驗室的加載機制及實驗報告編寫窗體。窗體在Visual Studio 2010開發環境中完成，界面仿照北京佛力系統公司的加載系統設計，包括加載、暫停、結束、保存數據等按鈕以及曲線顯示模塊等[8]，如圖9、圖10所示。

5 結語

虛擬實驗室以Unity 3D為主要開發環境，結合3Ds Max建模技術、Photo Shop圖像處理技術、Adina數值仿真分析技術以及.Net開發技術，將實驗過程模擬仿真，學生通過電腦中的虛擬實驗室就可以完成教學實驗，了解大型科研實驗過程及相應科研成果。虛擬實驗室可反復進行試驗，節約了大量花費，為虛擬現實技術以及Unity 3D技術在教育、科研方面應用提供了一定的技術支撐。

參考文獻：

[1] 汪明.工程制圖虛擬實驗室的設計與研究[D].綿陽：西南科技大學，2016.

[2] 史鐵軍.虛擬現實在教育中的應用[D].沈陽：東北師范大學，2008.

[3] 蔣德志，姚文龍，張均東.Unity 3D虛擬現實技術在機艙資源管理模擬器開發中的應用[J].中國航海，2015，38（3）：14-17.

[4] 牛慶麗，薛煥堂，黃海林.基于Unity 3D的黃河風景名勝區虛擬漫游的實現[J].電腦知識與技術，2015，11（20）：149-154.

[5] 孫建剛，崔利富，王振，等.藏族民居砌體材料物理力學性能試驗研究[J].大連民族學院學報，2015，17（1）：61-64.

[6] LU G P， XUE G H， CHEN Z. Design and implementation of virtual interactive scene based on unity 3D[J]. Advanced Materials Research，2011，1380（317）：116-119.

[7] LIANG S. Design and implementation of virtual roaming based on unity3D[J]. Advanced Materials Research，2015，37（16）：1079-1121.

[8] 王開宇.基于C#的數據與視頻監控上位機軟件設計[J].現代電子技術，2017，40（10）：62-63.

（責任編輯：杜能鋼）