基于Unity的中學化學實驗虛擬現實系統

李谷偉

（浙江東方職業技術學院數字工程學院 浙江省溫州市 325000）

1 引言

中學化學實驗室里普遍存放著大量的化學物品，具備易燃、易爆、腐蝕性強的特點。在化學實驗過程中，由于學生對實驗過程不熟悉，操作不規范，往往極易造成火災、爆炸、腐蝕人體皮膚等安全問題。除此之外，化學實驗器具的老化、實驗室自身條件簡陋、供電線路老化、惡劣的天氣等因素也會帶來眾多的安全隱患問題。

針對這些問題，本文提出一種基于Unity的化學實驗虛擬現實重現方法。采用Maya對實驗環境進行三維建模，采用Unity對實驗過程中的交互功能進行設計，采用Visual Effect Graph技術、Shader Graph技術等方法，實現各種化學實驗特效仿真。憑借這一方法，開發了中學化學實驗虛擬仿真原型系統。實例表明，該方法可以形象、逼真的再現化學實驗中的各種仿真效果，解決了傳統化學實驗過程中存在的中毒、腐蝕皮膚、火災或爆炸等安全隱患問題。

2 基于Unity的化學實驗虛擬現實系統

基于Unity的化學實驗虛擬現實系統，采用Maya對實驗環境進行三維建模，采用Unity對實驗過程中的交互功能進行設計，采用Visual Effect Graph技術、Shader Graph技術等方法，實現各種化學實驗特效仿真。同時，該系統將發布2個平臺，一個是VR平臺，一個是移動平臺，學生可以借助VR頭盔，配合手機，體驗豐富的化學實驗交互功能，能夠在確保實驗安全性的同時，增強了課堂實驗的趣味性。

2.1 化學實驗虛擬現實系統開發流程

根據基于Unity的化學實驗虛擬現實系統的開發方法，提出該方法的總體流程如圖1所示。

開發VR火災隱患排查系統，首先需要了解宿舍發生火災的全部隱患，將這些隱患點信息存儲起來，用3dsMax為宿舍場景進行建模以及紋理貼圖，對應所有的隱患點特別有針對性的建立精致模型，導入Unity引擎，在Unity引擎中，開發隱患點排查交互功能模塊，利用相交球檢測技術、添加爆炸點技術等為每個隱患點添加火災特效、爆炸特效，設計醒目的UI，為體驗者提供清晰的體驗感，最終將生成的系統發布到HTC VIVE。

2.2 Maya技術

Maya是Autodesk公司出品的一款功能強大的三維動畫軟件，它在三維建模、影視動畫、影視特效領域有非常多的應用。它最常用的建模方式是多邊形建模，開發者可以通過捏泥人的方式去對模型的每個點進行精細的控制，建模的操作方式非常新穎，新版軟件升級了UV模塊，展UV非常方便，特別適合VR應用。因此，本文選用Maya對宿舍場景進行建模、UV處理與貼圖制作。

圖1：開發化學實驗虛擬現實系統總體流程

圖2：VFX Graph編輯界面

2.3 Unity技術

化學實驗虛擬現實系統對三維場景的真實度要求非常高，所以需要一款能夠制作3A級畫面的引擎來制作。除此之外，還需要添加很多交互功能以及UI界面的制作，而這些功能與效果的實現，都需要Unity來完成。

Unity是一款開發三維游戲的引擎，特別是手游市場，占據了很大的比重，而開發語言使用的是C#語言，它是基于面向組件開發的一個引擎，兼容所有平臺。本文采用Unity實現特效展現和交互功能。

Unity開發都是面向組件的開發，而本項目主要使用的是Visual Effect Graph模塊，這個模塊的強大效果以及掌控力是我們實現逼真特效的關鍵所在。而Shader Graph模塊也是我們實現物理渲染效果的必要方法。

3 Visual Effect Graph技術

化學實驗中存在著大量的實驗效果，而這些實驗效果靠傳統的CG技術很難實現，尤其是接近于照片級的效果，同時還要考慮到運行效率的問題。采用Unity最新的Visual Effect Graph技術可以確保系統流暢運行，并實現接近于照片級的效果。

Visual Effect Graph技術是在Unity 2018.3之后推出一項新技術，它其實是一種新的特效工具。它與原本的粒子系統相似，但它最直觀的特點是可視化的節點，支持編程，運行在GPU之上。這些特點讓它能夠支持更龐大的圖形運算量以及對開發者、創作者提供了更加靈活的開發空間。因此，可以用來制作游戲里大量的3A級特效。例如：本系統中所需化學實驗中發生的各種化學反應特效。

Unity中使用Visual Effect Graph技術的方法：

3.1 安裝與配置

Visual Effect Graph需要通過Package Manager來安裝，目前只支持HDRP，所以還需要安裝HDRP。安裝完之后，需要在Project窗口的Create菜單創建HDRP的配置文件。

3.2 創建于編輯VFX Graph

先創建一個VFX Graph資產，拖到場景中后會自動生成一個GameObject，Unity會自動添加一個Visual Effect組件，并引用到之前創建的VFX Graph資產，打開可以編輯它，如圖2所示。

System：虛線包裹的幾個Context的集合叫做System。一個System包含Initialize，Update和Output。一個VFX Graph可以包含多個System。

Spawn：這個Context定義了生成粒子的數量以及生成的時機。

Initialize：這個Context類似編寫腳本時的Start方法，用來對粒子進行初始化操作，它需要以Capacity和Bounds開始。

Capacity定義同一時間可以存在的粒子最大數量。這個值很重要，決定了初始分配多少內存，應該根據生成粒子的數量來設置數值。一般可以通過公式計算：Rate × Max Lifetime=Capacity。

Bounds：定義粒子的模擬區域

Update：這個Context類似編寫腳本時的Update方法，設置粒子隨著時間的變化。它可以使用力，比如添加碰撞、力場等。

Output：用來渲染粒子，它決定了生成粒子的類型、紋理、顏色、朝向等。一個System可以有多個Output輸出。

3.3 運行測試

設置適當的參數值，可以得到如圖3所示效果。

4 Shader Graph技術

4.1 創建與設置

使用Shader Graph，需要安裝Shader Graph包和Universal RP包（Unity 2019.3之前的名稱為LightWeight RP）。創建并配置SRP（可編程渲染管線），然后新建PBR Graph。打開PBR Graph文件即可開始設置基于物理渲染的材質效果了。

4.2 測試PBR渲染效果

圖3：簡單火焰測試效果

圖4：測試爆炸效果

圖5：化學實驗虛擬現實系統總體設計

通過各種節點的連接，調試參數，可以得到如圖4所示的邊緣發光效果。

5 系統總體設計

針對現有的VR重現系統的功能模塊以及存在的缺點，改良設計了化學實驗虛擬現實系統，如圖5所示。

功能模塊如下：

（1）實驗室再現：創建化學實驗室場景模型，添加各種實驗過程中發生的特效，添加實時更新的UI界面。

（2）VR核心模塊：VFX Graph技術、Shader Graph技術。

（3）實時模擬：實時更新實驗數據、實時顯示交互過程中的特效。

6 實例研究

圖6：實驗過程重現

場景中添加了由Visual Effect Graph技術實現的火焰和火星效果，所有的材質渲染都是基于Shader Graph技術實現的。加上了實時交互的UI界面，以及實時顯示的數據信息，如圖6所示。根據研究，此系統能夠讓學生使用VR手柄來操控實驗儀器和設備，并實時產生預設的化學效果。學生可以利用此系統完成所有的化學實驗，效果非常逼真。

7 結語

為了解決化學實驗過程中極易造成火災、爆炸、腐蝕人體皮膚等安全問題，本文研究了一種基于Unity的化學實驗虛擬現實系統，給出了化學實驗虛擬現實系統的總體設計、開發流程以及技術解決方案，探討了Visual Effect Graph、Shader Graph等關鍵技術，實現各種化學實驗特效仿真，開發了中學化學實驗虛擬仿真原型系統。實例表明，該方法可以形象、逼真的再現化學實驗中的各種仿真效果，解決了傳統化學實驗過程中存在的中毒、腐蝕皮膚、火災或爆炸等安全隱患問題，并且增加了化學實驗課堂的趣味性，提高了學生學習積極性。