計算機硬件虛擬仿真系統的研究與設計

楊芬紅

摘要：為了解決計算機硬件實訓條件限制，本研究使用3Dmax和Unity3D制作虛擬仿真系統，前期制作計算機硬件各個模型，并進行動畫設計實現聚合分離旋轉效果。后期使用Unity3D進行界面設計，資源整合，腳本開發。界面設計使用UI來實現，資源整合中的ABC001插件可以聚集，縮放，調整硬件位置。腳本開發使用PlayMaker插件提供可視化的腳本設計。實現系統入口，基本知識介紹，拆分硬件與安裝硬件功能，該系統應用于教學中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：硬件；虛擬仿真；模型

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0260-03

1開發思路

高職計算機基礎課程中會涉及的硬件知識，要求學生掌握計算機基本結構及內部運行規律，熟悉各部件的性能指標，能對計算機系統進行優化，能熟練解決計算機硬件問題。課堂介紹時，通常以圖片，視頻等方式進行，由于實訓條件的限制，學生很少進行實踐動手安裝硬件，導致教學形式單一，學生知識掌握不扎實，遇到計算機硬件問題束手無策。針對上述問題，本研究主要使用3Dmax建模軟件生成計算機硬件各個部件，Unity3D虛擬現實軟件生成虛擬環境和虛擬交互，研究制作形象逼真，三維動態的計算機硬件實驗系統。

通過前期對師生的調研，收集共性需求，要求實驗平臺仿真度高，界面友好，能熟練掌握硬件的各個部件的功能，能熟練拆分計算機硬件，也能通過提供的零部件安裝完整的電腦。結合調研結果，本研究提出以下開發思路。

總體設計確定系統方案，并進行素材收集設計，資源開發使用3Dmax軟件實現，制作高仿真的三維計算機部件，并制作旋轉，位移動畫，系統實現使用Unity3D進行界面設計，資源整合，腳本開發。最后應用在教學中，根據反饋意見進行修改。

2 總體設計

2.1 方案設計

針對師生需求和計算機硬件教學的實際情況，確定虛擬實驗系統三個主要功能，第一，認識計算機每個部件，第二，拆分計算機硬件，第三，安裝計算機硬件。為了方便學生操作，系統能提供友好的界面入口，每個功能窗口中都要設置返加首頁功能，使用鼠標能對計算機各部件進行拖動，縮放，移動功能。為這使界面更加開闊，還要提供活動菜單功能，使菜單能靈活顯示隱藏。另外計算機部件還要加上觸發功能，單擊計算機部件，實現部件位置改變。

2.2 素材設計

結合當前計算機硬件發展規律，確定合適的機型，并對計算機硬件每個部件進行測量，拍照，記錄每個部件的參數，設計每個部件的貼圖，以便制作高仿真計算機部件。

3資源開發

3.1 模型制作

計算機硬件建模主要采用3Dmax，它是一款三維建模軟件，通過該軟件能逼真的模擬計算機硬件各部件，制作出高仿真的部件模型。硬件模型看起來復雜，都可以使用基本的幾何體進行復合建模，也可以通過基本圖形如線，圓，矩形等通過擠出等方式進行建模。建模完成后，通過uv拆分和材質球進行貼圖。這是建模完成后的圖形。

3.2 動畫設計

后期需要展示整機及各個部件，對電腦各個部件進行拆分與安裝，所以需要分別制作整機旋轉動畫，各個部件旋轉動畫，及部件的聚合與分離動畫，這里以聚合分離動畫為例介紹制作過程。首先選中主板，按ALT+Q進入孤立模式，設置動畫幀長為100幀，分別在第1，10，40，50制作關鍵幀，左視圖如下圖所示。

然后復制40幀至60幀，10幀至90幀，1幀至100幀，形成反向動畫，其他部件的動畫效果制作方法類似，聚合與分離的效果如圖4所示。

4系統實現

系統設計使用Unity3D來實現，它是一款虛擬現實的三維軟件，能制作游戲，仿真系統，三維動畫，建筑可視化等類型互動內容，具有強大的交互功能，能模擬真實場景。下面從界面設計，腳本開發，系統發布來闡述系統設計思路。

4.1界面設計

仿真系統包括主界面，基礎知識，硬件拆分，硬件安裝四個界面，每個界面實現不同的功能。主界面提供系統入口，分別單擊基礎知識，系統拆分，系統安裝三個按鈕，進入不同的子系統，主窗口居中位置添加旋轉的機箱三維動畫，使界面更有立體感。基礎知識界面實現部件功能介紹，硬件拆分和硬件安裝能動態仿真系統拆分與安裝過程，通過人機交互，幫助學生熟悉計算機硬件系統。主界面使用PS軟件進行設計，基礎知識，系統拆分，系統安裝三個子系統的界面，使用Unity3D的UI功能來實現的，虛擬裝機系統的界面如下圖所示。

4.2資源整合

3Dmax制作的計算機部件導入到Unity3D中，我們需要執行以下操作。首先在3Dmax中選擇每個部件，導出選定對象，然后在Unity3D的ASSETS中導入每個部件，選中每個部件，在inspector窗口中分割動畫，take001設置0至50幀，實現分離效果，take010設置50至100幀，實現聚合效果。并將RIG選項的Animation Type設置為Legacy，每個部件拖放到hierarchy窗口，并將每個部件的動畫自動播放設為否，使每個部件的初始狀態是靜態的。

為了使系統界面與計算機硬件有機融合，并實現三維部件在系統中的縮放，旋轉和位置改變，可以使用ABC001插件來實現該功能。把該插件拖放該至主攝像機的inspector窗口，為了更好地聚集計算機硬件平臺，添加隱形的長方體（Cube），并拖放Cube至Target，設置合適的Distance值，使硬件大小剛好適應窗口大小。ABC001插件屬性窗口如下所示。

4.3 腳本開發

腳本開發主要采用PlayMaker插件來實現的， 它能提供可視化的腳本設計，用戶不需要撰寫腳本代碼，使用狀態機就能在Unity3D中設計交互功能與邏輯功能。本系統主要采用PlayMaker插件實現以下功能。

1）界面連接，實現進入系統與返回系統功能。

2）打散硬件，播放分離動畫，打散計算機各部件。

3）菜單滑動，實現動態菜單顯示與隱藏

4）顯示硬件，單擊每個部件按鈕，顯示每個部件及功能介紹。

5）拆分硬件，單擊每個部件按鈕，播放分離動畫，實現部件逐個拆分。

6）安裝硬件，顯示各個部件，并添加觸發器，單擊每個部件，播放聚合動畫。

界面連接功能的狀態機實現如圖7所示，下方是State1的狀態窗口，右側是狀態1的狀態窗口。

5總結

系統開發完畢后，通過發布功能，生成虛擬仿真系統，并應用于教學中，收到良好的教學效果，虛擬實驗系統引入計算機硬件教學具有明顯的優勢，主要包括三個方面。

1）有助于學生對硬件知識的掌握

虛擬實驗系統逼真模擬計算機硬件各部件，學生通過鼠標能360度觀察每個硬件部件，掌握每個部件的結構和功能，界面友好，使用靈活，通過活動菜單，鼠標觸發拖放功能幫助學生熟練掌握計算機硬件拆分方法與安裝方法。

2）有助于提高實驗教學的靈活性

虛擬實驗系統可以在課堂教學中進行演示操作，也可以在實訓室讓學生動手練習，同時也可以發到QQ群，網絡平臺，方便學生課后自主學習。能突破硬件設備數量的限制，讓每位學生都能動手參與實驗，教學不受時空限制

3）有助于減少實驗設備的損失

利用虛擬系統進行教學，可以反復進行拆裝實踐，幫助學生掌握計算機硬件的基本知識，提高拆裝計算機硬件的動手能力，卻不會損壞硬件部件，熟練以后再進行真實環境的操作，可以有效減少損失，節約經費。

同時收集師生的反饋，主要問題集中在幾個方面：界面不夠友好，沉浸性不夠，功能比較單一。針對上述問題，我們會在后期進行修改，以實現更多的功能，更好的體驗。

參考文獻：

[1] 楊江濤. 虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].信息通信，2015，1（45）：138.

[2] 劉金明，馬鐵民，王娜. 基于Unity3D 的電動機虛擬仿真展示平臺設計[J].黑龍江八一農墾大學學報，2014，26（3）：66-68.

[3] 陳澤嬋，陳靖，嚴雷，等. 基于Unity3D 的移動增強現實光學實驗平臺[J].計算機應用，2015，35（ S2） ： 194-199.

【通聯編輯：謝媛媛】