基于unity3D的虛擬實驗平臺

孫壽鵬

摘 要：虛擬實驗環境的實現是基于多媒體計算機技術、網絡技術和建模技術的結合，包括相應的實驗室環境、相關的實驗設備、實驗對象和實驗信息資源。學習者可以自由進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗，豐富感性知識，加深對教學內容的理解。

關鍵詞：unity3D虛擬實驗平臺

一.unity3D技術概述

1.1 虛擬實驗

虛擬現實技術是信息領域的前沿技術，它在上世紀90年代作為一種基于可計算信息的沉浸式交互環境出現，它使用了多種計算機技術，如人工智能、模式識別、計算機圖形學和低層界面。虛擬現實技術是以計算機控制技術為核心，利用三維計算機圖形技術、網絡技術、多媒體技術、人機交互技術、人機界面技術、傳感器技術、可視化技術、立體顯示技術和仿真技術，建立一個具有視覺、聽覺和觸覺感受的虛擬世界。虛擬現實技術的目標是獲得真實世界的感覺，因此多感知是虛擬現實技術的靈魂。通過虛擬實驗室可以實現數據共享、軟件共享、遠程儀器控制等功能。虛擬實驗室是一種通用的虛擬技術，可以在通用計算機平臺上取代傳統的電子實驗室。通過虛擬實驗室可以進行各種實驗，具有靈活性高、成本低、效率高等特點。中國工業大學利用虛擬現實技術開展物理實驗取得了一定的成績，通過虛擬現實技術將實驗設備、教學內容、教學指導等整合在一起，克服了時間和空間的限制，使學生在虛擬實驗環境中進行實驗。然而，我國虛擬實驗室的發展仍處于起步階段，存在共享性差、互動性差、擴展能力不足等問題。針對高職院校計算機網絡實驗教學的需求和難點，設計了一個虛擬實驗系統。實驗教學的管理和維護集中在計算機上，開發了 b/s 和 c/s 混合系統結構的虛擬實驗平臺。

1.2虛擬實驗的發展

虛擬實驗的發展可以分為三個階段： 第一階段是思維模型階段和邏輯分析階段。本階段主要是基于物理實驗，利用邏輯分析和實驗數據對思想層面進行模擬。第二階段是計算機模擬階段。在此階段，以數學模型和邏輯模型為基礎，通過計算機處理和存儲數據，建立了數字化實驗模型。用戶通過計算機輸入設備操作實驗，具有一定的互動性，但實驗體驗較差。第三階段是虛擬現實階段。在這一階段，參與者使用虛擬現實專業設備和互聯網操作實驗來獲得最真實的實驗體驗。計算機模擬虛擬實驗的成本相對較低，可以獲得真實的實驗經驗。因此，計算機模擬虛擬實驗的形式更為廣泛。

UNIY3D 是一款針對游戲開發、可視化仿真、多平臺開發需求的三人男性游戲引用，基于開源.Net 平臺，一個真正實現開發、跨平臺發布的功能，其內置的 Ncui 插件、腳本語言、豐富的類庫和物理成果，可以幫助開發人員快速構建虛擬仿真系統。不需要編寫復雜的代碼，程序員可以使用 Unity3D 的可視化集成開發環境快速開發場景。Unity3D 在編寫程序方面有著特殊的優勢。例如，與平臺相關的操作封裝在其內部，復雜的游戲對象關系由不同的視圖管理，JavaScript或 Boo 腳本語言應用于軟件平臺的編程。一個腳本程序會被自動編譯成。腳本語言本質上具有相同的性能，它們的執行速度比傳統的 JavaScript 快20倍。這些腳本語言還具有良好的跨平臺能力。這意味著開發者可以在不同的平臺上部署軟件，比如 Windows，Mac，Xbox 360，PlayStation 3，Wii，iPad，iPhone 和 Android。此外，虛擬實驗平臺可以通過安裝插件在 Web 上運行。另一個特點是虛擬實驗平臺的資源和對象可以以包的形式進行導入或導出，這樣可以很容易地使不同的游戲項目共享開發工作。因此，在游戲開發中使用包可以大大提高開發效率。除了資源材料文件，具體功能可以打包，如人工智能，網絡操作，字符控制等。

二.基于unity3D平臺的虛擬實驗平臺創建流程

一個虛擬實驗平臺是由程序腳本控制的，用來訪問 Unity3D 的內部。在 Unity3D 中有許多系統類，這些類在腳本中很有用。有兩種類型。一個被命名為應用于操作虛擬實驗平臺對象的運行時類，另一個被命名為應用于修改諸如插件和視圖信息等 Unity3D 工具的編輯器類。

盡管 Unity3D 中的一個類只有少量的方法，但它不僅易于使用，而且開發虛擬實驗平臺功能強大。理解方法函數是在虛擬實驗平臺程序中使用方法函數的關鍵。一些類表示可視的虛擬實驗平臺對象，它們都從 Object 類繼承。這些類與相機、聲音、動畫、粒子、剛性、材質、紋理、顏色、字體、圖形用戶界面文本有關。其他類用作輔助操作。

將組件模型應用于三維虛擬實驗平臺開發中，提供了一種可擴展的編程體系結構。該組件模型可以方便地重用虛擬實驗平臺功能模塊。虛擬實驗平臺場景中的每個實體都被稱為一個 Object。一個虛擬實驗平臺對象代表一個虛擬實驗平臺對象，在實際的平臺設計與構建過程中，一個組件可以看作是一個集合，其中包含一組相關的函數，可以通過接口訪問這些函數。例如，一個腳本可以為虛擬實驗平臺對象提供一個邏輯操作，而且 Unity3D 中的 Box Collider 組件特別提供了對虛擬實驗平臺對象的碰撞偵測支持。Unity3D 有許多預定義的組件。程序員可以將其中的一些組合起來創建一個功能豐富的虛擬實驗平臺對象。圖1顯示了 Unity3D 中組件模型的概念。

一個虛擬實驗平臺由一個或多個場景組成，每個場景包含一個或多個虛擬實驗平臺對象，而且每個虛擬實驗平臺對象都由一些組件或子對象組成。在虛擬實驗平臺開發中，除了直接使用三維虛擬實驗平臺中預定義的虛擬實驗平臺對象外，程序員還可以創建一個空的虛擬實驗平臺對象，其中包含對象的位置、旋轉和比例等信息，然后添加腳本或其他組件。為了促進同類型的虛擬實驗平臺對象管理，軟件提供了預置，這是一種類似模板的技術。預置可以同時包含對象和虛擬實驗平臺資源，比如3 d 模型。當需要創建同類型的虛擬實驗平臺對象時，可以在這種情況下使用預設。所有的虛擬實驗平臺物體將同時更新時，其預置被改變。Prefab 的上述機制可以大大提高虛擬實驗平臺的維護效率。

四.結束語

選擇 unity3D 作為開發工具，開發模擬實驗系統應彌補傳統數學條件的不足，為教師和學生提供一個真實的、沒有時間和空間限制的實驗環境，改革現代實驗教學，充分利用數學資源對提高教學質量具有重要的促進作用。

參考文獻：

[1]施新宇，邱峰，石承玉，施浩. 基于VR的渦噴六航空發動機虛擬實驗平臺的設計與制作[J]. 電腦知識與技術，2020，16（01）：251-252+256.

[2]楊國鑫，鄭阿群，李健軍，白艷紅. 基于Unity3D的化學虛擬實驗教學平臺構建[J]. 實驗室科學，2019，22（05）：72-76+80.

[3]趙顯敏. 基于Unity3D的初中物理虛擬實驗平臺的設計與應用研究[D].四川師范大學，2019.