基于Unity3D的電能計量實驗仿真教學系統

王大虎　唐益民

摘? 要： 針對當前高校電氣工程專業電能計量課程實驗教學環節存在的不足，設計并實現了電能計量實驗仿真系統。該系統根據電能計量課程實驗環節需求，采用3dsMax軟件進行輕量化建模及三維動畫制作，結合Premiere Pro軟件完成動畫后期處理，模型導入Unity3D引擎搭建虛擬場景，編寫C#腳本程序開發系統交互功能及UI界面。實現了動畫教學、仿真操作等功能，彌補了電能計量實驗教學環節的不足。測試表明，系統運行穩定、交互性強，較好的滿足了電能計量實驗環節的要求。

關鍵詞： 電能計量; Unity3D; 虛擬現實; 仿真系統

中圖分類號：TM933? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）04-66-04

Electric energy measurement experiment simulation teaching system based on Unity3D

Wang Dahu Tang Yimin

（School of Electrical Engineer and Automation， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China）

Abstract： In view of the shortcomings of the current teaching link in the course of electrical energy measurement in electrical engineering specialty， an experimental simulation system for electric energy measurement is designed and implemented. In the system， according to the requirements of experiment， 3dsMax software is used for lightweight modeling and 3D animation production. Combined with Premiere Pro software， the animation post-processing is completed. The model is imported into the Unity3D engine to build a virtual scene. The system interaction function and UI interface are developed by C# script programs. The functions of animation teaching and simulation operation are realized， which makes up for the shortage of the experimental teaching of electric energy measurement. The test shows that the system is stable and interactive， which can well meet the requirements of the electric energy measurement experiment.

Key words： Electric energy measurement; Unity3D; Virtual reality; Simulation system

0 引言

電能計量是電網輸、配電中的一個重要環節，對電網的安全、穩定運行具有重大意義[1]。電能計量技術課程是很多高校電氣工程專業的必修課程，該課程專業實踐性強，教學過程中要注重理論與實踐相結合。調查發現，在傳統的實驗教學模式下，由老師演示并帶領學生完成實驗，由于實驗條件的限制，很多學生實際并未參與實驗，也有很多高校未能開展電能計量實驗環節。

隨著虛擬現實技術的興起與發展，如今已被廣泛應用于教育、醫療、工業等領域，并提供了可視化的解決方案[2]。針對上述存在的問題，文章將虛擬現實技術與電能計量實驗相結合，設計并實現了電能計量實驗仿真教學系統，打破了傳統實驗教學模式對客觀條件的依賴性。系統具備設備認知、動畫教學、仿真操作等功能，學生以隨時使用系統進行多方位的學習，不受時間、地點、實驗條件的限制，提高學習效率。

1 系統設計

1.1 需求分析

電能計量實驗仿真系統主要用于高校電氣工程專業電能計量實驗教學環節，根據實驗教學需求，學生使用該系統學習要掌握實驗原理，能動手操作實驗，做到交互式學習。根據使用需求，系統需要操作簡單，界面美觀，具有可擴展性。因此將系統模塊化處理，系統分為實驗設備、視頻教學、實驗仿真、考核測試四個模塊。在實驗設備模塊，可以查看主要的實驗設備，了解計量設備的規格。視頻教學模塊以視頻動畫的形式學習實驗原理及實驗操作。實驗仿真模塊模擬實驗室及戶外真實場景，通過虛擬交互自主完成相關實驗。考核測試模塊以考題的方式檢查自身的學習情況。

1.2 開發流程

電能計量實驗仿真系統的實現可以分為前期準備與后期開發兩個部分。在前期準備階段，首先要收集整理實驗相關資料，如設備外觀照片、實驗原理等，其次使用3dsMax軟件創建模型及制作動畫，并將模型及動畫導入Unity3D中，搭建虛擬實驗場景。在后期開發階段，根據系統功能需求，編寫C#腳本程序進行虛擬交互開發，同時結合UGUI系統開發系統UI界面。系統開發完成后測試并發布系統，并調查學生對系統的使用情況。

2 三維建模及動畫

3dsMax是Autodesk公司開發的一款基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，集建模、渲染、動畫于一體。3dsMax對PC設備配置要求低，操作簡便、功能強大，具有豐富的插件庫，廣泛應用于工業設計、三維動畫以及工程可視化等領域[3]。

2.1 建模及優化

三維模型是搭建虛擬場景的基礎，也是虛擬交互的主要對象。3dsMax中的建模手法有多邊形建模、NURBS建模、復合建模等，其中多邊形建模是最常用的建模手法，適用于大多數模型的創建[4]。文章系統模型主要采用先整體后細節的建模思路，建模之前觀察實體整體與細節，掌握實體的層次結構。先利用樣條線勾勒出實體的外形輪廓，或者根據實體輪廓創建標準基本體，再將樣條線或標準基本體轉換為可編輯多邊形。在可編輯多邊形模式下，對模型的點、邊、開放邊、面進行編輯，同時配合使用修改器及，使模型與實體基本一致。為了提高系統運行的流暢性，要達到輕量化建模，在不破壞模型的前提下，降低模型的面數。建模過程中，一是盡量避免使用復雜的修改器及命令，比如圓滑效果可以使用2～3次倒角命令來實現;二是要及時清除冗余模型，比如使用布爾運算后的冗余模型。在建模完成后需要做優化處理，一是要清除孤立點及視覺不可見的面;二是對模型的布線進行適當的刪減。

2.2 材質及貼圖

模型創建完成以后，需要給模型添加材質及貼圖，才能使模型更加逼真與實體無異。材質反映實體的光照信息，貼圖反映實體表面的紋理信息。在3dsMax中創建標準材質球，按照實體的材質信息，修改材質球的漫反射屬性及高光屬性，再將材質球賦予模型。對于貼圖先利用Photoshop軟件處理紋理貼圖，在材質球中以位圖的形式賦予模型。圖1為完整的感應式電能表模型。

2.3 三維動畫制作

文章系統的動畫主要分為兩類，一類是場景過場動畫，用于在運行時給學生提供指導或者場景過度，主要由Unity3D的TimeLine時間線性編輯器制作完成。另一類是實驗教學動畫，包含設備接線、實驗過程等動畫，模型創建完成后，在3dsMax中設置好時間軸，選擇自動關鍵點模式并添加關鍵幀，在不同關鍵幀處根據需要改變模型的參數信息，動畫制作完成后導出動畫，并導入Premiere Pro軟件，通過在不同的視頻及音頻軌道添加字幕及音效完成動畫的后期處理。圖2為經過后期處理的電能表的接線動畫。

3 場景交互開發

Unity3D平臺是用于開發交互式三維場景和集成游戲的圖形化開發工具，是當下比較流行的虛擬現實技術開發平臺。Unity3D虛擬引擎對PC設備的配置要求不高，開發性強，平臺兼容性高，開發的產品可以發布到Windows、Android、Linux等系統平臺，支持C#、JavaScript等腳本語言[5]。

3.1 場景搭建

模型制作完成后以FBX格式文件導出，再將FBX格式文件導入Unity3D中，根據實際場景參數信息，通過調整各模型的位置參數、旋轉角度、縮放比例完成三維場景的基礎搭建。其次再調節場景光照，光照可以提升場景視覺效果，通過調節Directional Light（平行光）的位置及參數，當光源不足或需要輔助光源時，可以適當添加Point Light（點光源）、Area Light（區域光）等達到系統需要的光照條件[6]。戶外計量接線場景如圖3所示。

3.2 C#交互腳本編寫

實驗場景搭建完場后，根據系統功能需求，需要進行開發交互功能。系統中的各種人機交互、邏輯控制，主要是通過給GameObject添加腳本組件完成事件響應，就需要使用C#語言編寫交互腳本程序。在編程過程中，視頻的播放控制是很重要的一部分，其部分控制腳本程序如下：

public Text text;

publicGameObjectgameObject;

privateVideoPlayervideoPlayer;

privatebool flag=false;

void Start（）

{? videoPlayer=gameObject.GetComponent

<VideoPlayer>（）; //獲取VideoPlayer組件

}

public voidPlayOrPause（）

{? if （flag）

{? videoPlayer.Play（）; //播放視頻

text.text="暫停";

flag=false;

}

else

{? videoPlayer.Pause（）; //暫停播放視頻

text.text="播放";

flag=true;

}

}

實現整個系統功能，程序控制是必不可少的部分。在編寫程序時，遵循一定的設計模式能使程序更加簡潔、高效。

3.3 交互UI開發

UI是系統交互功能的重要組成部分，承擔大量的點擊、拖動等輸入事件并響應，同時也提供展示、提示等功能[7]。文章系統采用Unity 3D自帶的UGUI來進行UI界面開發，根據需求創建相應的UI控件，同時給控件添加C#腳本程序組件響應交互功能。三維動畫的播放可用UI來完成，先在Canvas（畫布）上創建一個RawImage并添加Video Player組件，將動畫賦給Video Player組件下的Video Clip，再編寫C#腳本程序，使動畫渲染到RawImage上，圖4為動畫播放，其渲染部分的腳本程序如下：

privateVideoPlayervideoPlayer;

privateRawImagerawImage;

void Start（）

{? videoPlayer=this.GetComponent<VideoPlayer>（）;

//獲取VideoPlayer組件

rawImage=this.GetComponent<RawImage>（）;

//獲取RawImage組件

}

void Update（）

{? if （videoPlayer.texture == null） return;

rawImage.texture=videoPlayer.texture;

//將動畫渲染到RawImage

}

4 系統測試與發布

系統功能開發完成以后，還需要對系統進行測試。在Unity3D中選擇Windows平臺，將系統生成為exe格式的可執行文件發布。發布完成后進行系統測試，首先通過登錄頁面進入系統主頁，系統主頁包含系統所有的功能模塊，根據自己所需進入模塊學習。經測試，系統功能正常，運行穩定。圖5為系統登錄頁面。

5 結論

虛擬現實技術應用于教育領域是發展趨勢。傳統的電能計量實驗教學環節難以滿足教育要求，本文探討了將虛擬現實技術應用于電能計量實驗教學環節，利用Unity3D平臺與三維建模技術開發了電能計量實驗仿真教學系統，編寫C#語言腳本程序實現了系統交互功能，滿足了電能計量實驗環節的需求。該系統交互性強、操作簡便，學生可以反復學習，激發學習興趣，提升學習效率，達到實驗效果。

參考文獻（References）：

[1] 李鵬程，樂文靜，張玉平，等.電能計量仿真培訓系統的設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2015（10）：63-65

[2] 劉安平，邵文冕，苑鵬濤，等.Unity3D技術在電氣工程實訓教學中的應用[J].教育現代化，2019，6（A3）： 148-150

[3] 嚴雨靈，陳閔葉，劉同強.基于Unity3D的虛擬維修教學系統設計與實現[J].軟件，2019，40（11）：128-130

[4] 劉艷榮.基于3Ds Max 2016建模技術的研究[J]. 電腦編程技巧與維護，2021（3）：151-153

[5] 王磊，錢英軍，黃浩.基于Unity3D的機器人物料搬運VR仿真系統開發[J].長江信息通信，2021，34（1）： 18-20

[6] 馬程，閆俊均，徐踐.基于VR的虛擬校園漫游系統研究與建設[J].軟件，2019，40（3）：104-112

[7] 郝孜奇，張文勝.基于Unity3D的鐵路實訓虛擬仿真系統開發[J].計算機仿真，2020，37（6）：99-103