基于Unity3D的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉峰, 薛小榮, 梁蘭花

(1. 桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院， 廣西 桂林 541004; 2. 桂林電子科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是“射頻微波領(lǐng)域的萬(wàn)用表”,被稱(chēng)為儀器之王。它價(jià)格昂貴,操作要求嚴(yán)格,容易受損,學(xué)校很難大量配置,是微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)瓶頸[1-2]。虛擬實(shí)驗(yàn)可以降低成本,為解決微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題提供一種解決途徑。

Unity3D是目前比較主流的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎。本文設(shè)計(jì)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以Unity3D為開(kāi)發(fā)平臺(tái),以C#為編程語(yǔ)言,以3ds Max為建模工具。其他輔助工具有Adobe Photoshop、Premiere等。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)形象直觀、簡(jiǎn)便易用,能夠打包生成Windows環(huán)境下的可執(zhí)行文件并在PC上運(yùn)行。學(xué)生能利用該系統(tǒng)了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)、功能及性能,并進(jìn)行常見(jiàn)電路與器件測(cè)試,開(kāi)展相關(guān)系列的微波技術(shù)實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。該系統(tǒng)也可用于課堂教學(xué)演示,方便理論教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合[3-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)潔、明了; 導(dǎo)航清晰; 配色清新、具有科技感; 與元器件有關(guān)的操作采用圖形用戶(hù)界面,形象直觀。

1.2 儀器外觀的設(shè)計(jì)

儀器三維模型外觀的設(shè)計(jì)以及功能按鍵、接口、儀器部件的排布和用色，遵循了主流儀器設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,盡可能與實(shí)際操作一致。同時(shí)又發(fā)揮多媒體技術(shù)的優(yōu)勢(shì),對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)、功能、操作設(shè)置等進(jìn)行演示說(shuō)明,使用戶(hù)可以對(duì)儀器進(jìn)行多角度、多層次地觀察了解,在功能簡(jiǎn)介模塊和實(shí)驗(yàn)操作模塊,用戶(hù)都可以用鼠標(biāo)對(duì)儀器三維模型進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)[6-7]。為提供良好的用戶(hù)體驗(yàn),還增加了按鍵名稱(chēng)及功能提示標(biāo)簽,即當(dāng)鼠標(biāo)移至儀器模型的按鍵、接口等部件時(shí),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)文本框,文本框內(nèi)顯示該按鍵、接口等部件的名稱(chēng)及功能介紹。

1.3 用戶(hù)幫助功能的設(shè)計(jì)

幫助功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)首頁(yè)的指南教程是一個(gè)包含字幕和解說(shuō)的視頻文件，利用文字、語(yǔ)音、軟件截圖等多媒體信息符號(hào)合成,其作用是幫助用戶(hù)快速了解系統(tǒng)的功能和使用方法; (2)在實(shí)驗(yàn)操作模塊中設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)操作幫助,通過(guò)語(yǔ)音和文字提示對(duì)實(shí)驗(yàn)流程加以控制,對(duì)不規(guī)范操作進(jìn)行警告、干預(yù)。

1.4 虛擬儀器的操作使用設(shè)計(jì)

虛擬儀器的操作過(guò)程完全遵照實(shí)際儀器的操作流程。按下開(kāi)機(jī)鍵后,儀器屏幕會(huì)顯示一個(gè)開(kāi)機(jī)模擬動(dòng)畫(huà),展示操作界面; 開(kāi)機(jī)后,可根據(jù)需要,通過(guò)按鍵,對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)操作; 并通過(guò)按鍵對(duì)儀器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定(例如頻率設(shè)置,可設(shè)置起始頻率、終止頻率和中心頻率)。也可利用旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)定數(shù)值(右鍵點(diǎn)擊旋鈕數(shù)值增加,左鍵點(diǎn)擊旋鈕數(shù)值減少)[8-10]。與真實(shí)儀器有所不同的是：按下按鍵和調(diào)節(jié)旋鈕時(shí),會(huì)伴隨提示音,利用多媒體的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。

1.5 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下3方面:

(1) 三維小型器件庫(kù)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)器件分類(lèi)存放在器件庫(kù),供用戶(hù)選擇。器件庫(kù)里的器件,部分采用標(biāo)準(zhǔn)件,還有一些是教師在科研和教學(xué)中自行設(shè)計(jì)和制作的實(shí)物模型的真實(shí)模擬,比如常規(guī)天線(xiàn)、常用的雙端口器件、三端口器件和四端口器件等。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為教學(xué)中常見(jiàn)器件測(cè)試,設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),包括單端口系列、雙端口系列和多端口系列器件測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括相位測(cè)試、頻譜測(cè)試和匹配測(cè)試等。

(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)遵循矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)際操作流程。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)后,可根據(jù)語(yǔ)音、文字提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[11-13]，包括開(kāi)機(jī)、線(xiàn)纜接入、器件接入和數(shù)據(jù)觀測(cè)等提示。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

(1) 指南教程。該模塊是一個(gè)視頻,用戶(hù)通過(guò)瀏覽該視頻文件,可快速了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法。

(2) 功能介紹。主要實(shí)現(xiàn)以下功能:①通過(guò)閱讀“矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀”的介紹性文字,初步了解儀器;②縮放和旋轉(zhuǎn)儀器的三維模型,對(duì)儀器及按鍵進(jìn)行觀察和了解;③開(kāi)機(jī),通過(guò)按鍵對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)操作和參數(shù)設(shè)定。

(3) 實(shí)驗(yàn)操作。作為系統(tǒng)的核心模塊,主要實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。用戶(hù)可從單端口、雙端口和多端口三類(lèi)器件庫(kù)里選擇具體器件及相關(guān)配件搭建電路進(jìn)行測(cè)試操作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)度如圖2所示。

3.1 模型和貼圖

(1) 儀器和器件的建模。系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)采用3dsMax建模工具,可精確設(shè)定模型的尺寸,使得模型更為逼真和準(zhǔn)確。3dsMax軟件有多樣的建模方式,每個(gè)建模方式都有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),可以通過(guò)不同“修改器”的命令組合來(lái)達(dá)到需要的效果。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模型的創(chuàng)建屬于基礎(chǔ)建模,可由基本幾何體繪制、擴(kuò)展幾何體繪制以及兩者的結(jié)合獲得。由于前、后面板的模型需要?jiǎng)?chuàng)建的幾何體樣式較多,且?guī)缀误w模型表面的凹凸程度不一,需要復(fù)雜多樣的“修改器”命令疊加,所以將其與機(jī)身分開(kāi)創(chuàng)建。整體儀器分為前、中、后3部分,分別建模,最后再將3部分整合。除了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,系統(tǒng)還創(chuàng)建了天線(xiàn)、連接線(xiàn)以及放大器、衰減器、功分器、耦合器等教學(xué)中常用的微波器件模型。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)度圖

(2) 材質(zhì)貼圖的制作。為保證儀器、端口及器件模型的真實(shí)性,材質(zhì)和貼圖起到關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)分別制作了儀器按鈕貼圖、儀器面板貼圖和器件貼圖,制作了普通材質(zhì)和金屬材質(zhì),并進(jìn)行UVW展開(kāi)貼圖。

3.2 操作界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1) 虛擬儀器顯示界面的實(shí)現(xiàn)。建模和貼圖僅實(shí)現(xiàn)了儀器的外觀,在使用儀器時(shí),當(dāng)按下按鍵,儀器屏幕應(yīng)顯示相應(yīng)的內(nèi)容,所以需要針對(duì)按鍵設(shè)計(jì)和制作對(duì)應(yīng)的儀器屏幕內(nèi)容,并且儀器屏幕內(nèi)容要嚴(yán)格遵守儀器本身的邏輯。儀器屏幕內(nèi)容從結(jié)構(gòu)上包含3個(gè)部分,即頂部的選單欄,中間的顯示欄和右側(cè)的功能欄。顯示欄是實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果的顯示,是真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)果(包括實(shí)驗(yàn)設(shè)置操作的對(duì)話(huà)框顯示); 右邊的功能欄是層層嵌套的,每個(gè)大的功能下都會(huì)有2～3級(jí)的功能選單,功能繁多、層層遞進(jìn),包含幾百?gòu)埥缑鎴D片和數(shù)據(jù)表,要求在采集素材時(shí)做好歸類(lèi),形成嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3為虛擬儀器測(cè)試的顯示屏幕。

圖3 虛擬儀器屏幕

(2) 系統(tǒng)操作界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)操作界面的設(shè)計(jì)和制作使用Photoshop軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。先設(shè)計(jì)草圖,確定功能和結(jié)構(gòu),再用Photoshop實(shí)現(xiàn)。其中系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介和實(shí)驗(yàn)操作模塊的界面分別如圖4、圖5所示。

圖4 功能簡(jiǎn)介模塊界面

圖5 實(shí)驗(yàn)操作模塊界面

3.3 指南教程的實(shí)現(xiàn)和播放控制

(1) 指南教程的制作。系統(tǒng)最終版本確定后,通過(guò)錄屏軟件錄制操作過(guò)程,然后導(dǎo)入AdobePremiere進(jìn)行剪輯,并配以字幕、解說(shuō)和背景音樂(lè),然后渲染導(dǎo)出MP4文件。

(2) 播放控制。視頻播放功能用的是AVProVideo插件,將導(dǎo)出的MP4文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中使用,添加進(jìn)度條,stop、play以及“退出”按鈕,然后調(diào)用Unity中的按鈕事件。

3.4 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互功能的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)交互功能是用Unity3D實(shí)現(xiàn)的。將前期制作好的模型、處理好的圖片導(dǎo)入項(xiàng)目里,做好分類(lèi),然后新建所需場(chǎng)景。系統(tǒng)交互包含以下功能：

(1) 旋轉(zhuǎn)和縮放。旋轉(zhuǎn)和縮放功能在系統(tǒng)的3個(gè)模塊都可以使用。用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)控制使其縮放和旋轉(zhuǎn)來(lái)觀察矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)。模型的縮放要通過(guò)鼠標(biāo)中鍵的滾動(dòng)，控制相機(jī)與模型之間距離的變化實(shí)現(xiàn); 模型的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)鼠標(biāo)右鍵+移動(dòng)來(lái)控制相機(jī)與模型的相對(duì)位置的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2) 面板按鍵及部件名稱(chēng)提示標(biāo)簽。給每一個(gè)按鍵添加一個(gè)碰撞器,在OnGUI函數(shù)中定義文本框和矩形框。因?yàn)槲淖质窃诎存I旁邊顯示的,所以用儀器界面作為文字背景不夠簡(jiǎn)潔,影響閱讀,因此設(shè)計(jì)矩形框作為文字背景。當(dāng)鼠標(biāo)指向按鍵時(shí),通過(guò)Swich語(yǔ)句判斷識(shí)別鼠標(biāo)所指的按鍵碰撞器,然后在按鍵旁邊顯示矩形框和相應(yīng)的說(shuō)明文本。

(3) 儀器按鍵交互功能。儀器按鍵的功能涉及層層遞進(jìn)關(guān)系,所以給每一層的功能鍵設(shè)置一個(gè)類(lèi),類(lèi)包括功能名稱(chēng)、要顯示的圖片、功能的層次、按鍵按下的次數(shù),然后通過(guò)類(lèi)的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的層層遞進(jìn)。

(4) 數(shù)字小鍵盤(pán)的輸入和顯示。通過(guò)OnGUI函數(shù)制作輸入框,用來(lái)進(jìn)行儀器的參數(shù)設(shè)置,例如關(guān)于頻率可以設(shè)置起始頻率、終止頻率、中心頻率、頻率跨度等數(shù)值,通過(guò)4個(gè)文本框分別顯示起始頻率、終止頻率、中心頻率、頻率跨度的數(shù)值。虛擬儀器的數(shù)字小鍵盤(pán)與電腦鍵盤(pán)都可以使用,數(shù)字小鍵盤(pán)通過(guò)調(diào)用電腦數(shù)字鍵盤(pán)輸入的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入。

(5) 實(shí)驗(yàn)操作功能模塊。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作后,每個(gè)類(lèi)別的器件庫(kù)有對(duì)應(yīng)的不同規(guī)格的元器件。器件的每個(gè)端口位置分別設(shè)置一個(gè)碰撞器,當(dāng)鼠標(biāo)觸發(fā)碰撞器時(shí)顯示接口線(xiàn)。在開(kāi)機(jī)和接好纜線(xiàn)的狀態(tài)下再接入元件才顯示接入成功,儀器屏幕顯示接入元器件后的圖片。給每個(gè)規(guī)格的元器件分別設(shè)置一個(gè)按鈕事件,當(dāng)點(diǎn)擊該按鈕時(shí),執(zhí)行其按鈕事件。例如三端口器件接入的操作界面,如圖6所示。

(6) 音效和語(yǔ)音提示。儀器按鍵和界面上的按鈕分別有按鍵音效,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作也有相應(yīng)的語(yǔ)音操作提示。實(shí)現(xiàn)方法是:在腳本定義音頻數(shù)組,然后將導(dǎo)入到Unity3D的音頻文件拖到相應(yīng)的變量中。用按鈕監(jiān)聽(tīng)事件控制音頻的播放。

圖6 三端口器件接入

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的微波測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)可以幫助學(xué)生了解和掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能與用途,完成儀器的基本操作,實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的搭建與虛擬測(cè)試。學(xué)生用電腦方便地完成實(shí)驗(yàn),降低了微波實(shí)驗(yàn)的儀器成本,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是虛擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合,是對(duì)虛擬技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用的一個(gè)探索,也是對(duì)微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)擴(kuò)充和支撐,具有一定的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。