基于3DS Max和Unity3D的虛擬光學實驗系統

郭天太，王可為，孔 明，吳曉康

（中國計量大學計量測試工程學院，杭州 310018）

0 引言

實驗是培養工科學生動手能力的必由之路。近年來，隨著我國在校大學生人數的不斷增加，實驗儀器的臺套數不足已成為許多工科院校面臨的共性問題。在此背景下，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術在實驗教學領域的應用得到了越來越多的關注。以光學實驗為例，實驗儀器價格昂貴，脆弱易損壞，需要大量經費維護，且經常會因設備臺套數不足導致實驗時間安排倉促［1］。將VR技術引入光學實驗，不僅可以輔助并補充理論教學，培養學生的創新性思維，且能使抽象的光學理論體系變得通俗易懂［2］。虛擬光學實驗室的研發不僅可節省實驗室經費，而且有助于打破傳統光學實驗受制于時空限制的缺陷，但是部分虛擬光學實驗系統因產權問題無法免費向師生開放，面向大學生的虛擬光學實驗平臺更加稀少［3］。

國外在虛擬光學實驗室方面起步較早，水平較高。Gamo［4］開發了光學實驗室軟件模擬不同光闌產生的光學衍射；Perez-Garcia等［5］設計并實現了虛擬和現實相結合的光學練習實驗。國內近年來在這一領域進展很快，但虛擬光學實驗更注重理論分析與考核。寧禹等［6］開發了光學仿真平臺SeeLight，但有時查看圖像以后需要刷新頁面才能再次查看；尤勐等［7］將部分內容委托專業公司完成，其實驗內容局限于工程光學；趙洋洋等［8］建立了物理光學仿真平臺，其光學器件超出一定范圍時會輸出錯誤參數；崔海瑛等［9］應用Matlab自帶的庫函數實現仿真過程，但缺少物理光學實驗模塊，且畫面略單調，無實物模型。

開發功能多樣、擴展靈活、成本低廉的桌面型虛擬光學實驗系統是解決以上問題的有效途徑。本文提出開發基于3DS Max 和Unity3D 的虛擬光學實驗系統。初始階段的幾何建模可用建模軟件3DS Max 實施。該軟件使用簡單，可方便地對模型尺寸、材質等進行修改［10］。后續的功能可以用Unity3D 虛擬開發軟件實施。Unity3D 最大的優勢是其腳本語言簡單，對操作者的編程能力要求不高，且跨平臺性好，兼容性優，物理效果好［11］，適合開發各種虛擬光學實驗。運用Unity3D自帶功能完善各個實驗框架，對光學實驗進行仿真。

1 虛擬光學實驗系統模塊與功能設置

本文開發的虛擬光學實驗系統參考測控技術與儀器專業現有物理光學與幾何光學實驗，對光學實驗進行仿真。系統的模塊與功能設置如圖1 所示。

圖1 系統模塊與功能框架

除了實驗預習、參數設置、儀器觀察、結果輸出外，學生還可以對實際實驗結果與仿真結果進行誤差分析，彰顯了“計量”特色，也加深了學生對實驗測量結果準確度的認識。登錄界面和實驗主界面見圖2。

圖2 登錄界面和實驗主界面

虛擬光學實驗系統由以下模塊組成：

（1）實驗預習模塊。學生登錄系統之后，首先選定實驗，然后可通過指導性文字、原理圖、三維模型和動畫對實驗理論部分進行學習，在預習之后出現思考界面，所有思考題均可在虛擬實驗進行過程中得到答案。

（2）參數設置模塊。主要利用GUI 交互界面實現參數的輸入。在了解操作流程后，學生根據自己的設計思路輸入不同實驗的各種參數，系統實時監測輸入參數的有效性，并自動生成實驗現象或光路圖。

（3）儀器觀察模塊。學生可用鼠標或按鍵等實現與系統的交互，通過修改Hierarchy 面板中Main Camera的視角與位置，實現第一人稱漫游。學生可任意進行視角的縮放，全方位觀察實驗儀器和過程。

（4）結果輸出模塊。當學生進行實驗時，系統不僅會實時顯示實驗現象，對應的各種參數也會顯示出來，方便學生在觀察實驗現象的同時把系統給出的實驗結果與實驗現象對應起來，加深對實驗的理解。

（5）誤差分析模塊。光學實驗結果必然存在實驗者操作誤差、公式的截斷誤差、儀器自身產生的誤差等［12］，這些都會影響實驗的準確度。學生通過對實際實驗數據進行誤差分析，或通過系統隨機擾動產生一組符合特定分布規律的模擬數據，再進行誤差分析，從而加深對所學專業知識的理解。

2 虛擬光學實驗系統核心技術的實現

2.1 實驗模型的處理與導入

本系統采用3DS Max繪制實驗模型。3DS Max的基本圖形有長方體、球體、四棱錐、管狀體等，也可利用擴展基本體對模型進行補充。最常用的建模指令有擠出、縮放、對齊等［13］。對于結構較復雜的儀器模型，可選擇復合對象面板下的“ProBoolean”進行操作。需要注意的是：在模型建立操作過程中，布爾運算不可逆，所以務必要做好保存備份工作。圖3（a）所示為繪制完成的望遠鏡模型不同方向的視圖。

模型繪制成功后，需以.FBX 格式導入Unity3D，并保證單位的統一。若采用3DS Max 自帶的材質編輯器處理模型外觀，導入Unity3D 后會出現材質丟失的問題。解決方案有二：①在3DS Max 中對不同外觀的模型賦予不同的材質，隨后在Unity3D 中進一步處理；②分別建立儀器模型，把整體模型拆分成組件，這樣在導入Unity3D中后可分別賦予材質。針對第2 種方案模型拆分不好選取的問題，可采用3DS Max 自帶的組功能，可將選中模型包含成一個組，且保證各個零件的獨立性。圖3（b）所示為望遠鏡模型在Unity3D中成功賦予材質后的圖樣。

圖3 模型的繪制與處理

2.2 交互方式的設計與實現

虛擬光學實驗平臺基于Unity3D 軟件進行開發。交互功能主要通過編寫腳本實現。

交互界面的主要內容如下：

（1）預習與思考等指導性文字的動畫設計。為體現指導性文字的靈活性，預習與思考之間的切換采取動畫方式。當選中物體后打開動畫窗口（Animation），動畫狀態機（Animator）組件會自動創建在對應物體上。以滑動動畫為例，點擊“Create”創建動畫名稱，創建動畫后單擊“Animator”面板對動畫進行控制，用過渡關系（Transitions）將各個狀態連接起來，建立布爾運算并編寫程序控制運算。把代碼掛在“預習完畢”的按鈕（Button）上，即實現對動畫的控制。動畫狀態機的布局如圖4 所示。

圖4 預習與思考界面的動畫狀態機

（2）按鈕（Button）組件功能的實現。按鍵功能也是交互的重要組成部分。本系統實驗的按鍵功能有進入預習、實現動畫并進入思考、進入實驗儀器分析、計算光強、進入參數分析、實驗誤差分析等界面和返回主頁面、進入觀察儀器模型場景。實際操作過程中，只需在各個“Button”組件上把對應的腳本及函數的名字添加在“On Click”上，即能實現所需功能。

（3）視角的旋轉與縮放。在儀器觀察模塊中，需要用鼠標讓學生與視圖進行交互。交互方式主要有3種：①點擊鼠標左鍵實現視角拉近；②按住鼠標右鍵并拖拽實現儀器模型各個方向的旋轉；③移動鼠標位置實現視角的移動。在Unity3D 中，運用函數camera.fieldOfView實現視場范圍的改變實現視角的改變，縮放對象；運用transform.RotateAround 函數實現了旋轉的功能；視角的移動則需要運用transform.Rotate函數

（4）輸入參數的提示界面設計。為實現學生與實驗的交互，需用到Unity3D 自帶的UI 制作參數界面。在Hierarchy面板右鍵選中UI，建立一個簡單的交互界面。為使界面美觀整潔，用PhotoShop 設計貼圖導入Unity3D，并把圖片格式（Texture Type）改為“Spite”，以拖拽的方式把貼圖設置在Ispector 面板的“Image”組件“Source Image”中，即完成了參數界面的設計。在輸入參數時，學生輸入的參數可能超過實驗參數的允許范圍，此時提示界面會彈出。

2.3 基于Line Renderer的模擬光路生成

在光學實驗中，一些儀器會使光路發生改變。以顯微鏡實驗為例，為實現光遇到透鏡后出射方向發生改變，可使用網格碰撞器（Mesh Collider）進行檢測。利用Unity3D 自帶的Line Render 組件操作會更加簡便。把該組件添加至光源起點后，設置光線的材質、粗細、是否投射陰影等，然后點擊“Positions”，將“size”的數值設置為“3”，即設置了所畫線的3 個點，分別為起點、光路在透鏡上的轉折點和焦點，并用“SetPosition”函數畫線，其他點也用相似的處理方法，最后的效果如圖5 所示。

圖5 開普勒望遠鏡光路效果圖

2.4 應用粒子系統對光源進行設計

為增加實驗平臺的沉浸性體驗，需要添加粒子系統（Particle System）使模型直觀、動態地顯示。以蠟燭模型為例，制作好貼圖與模型后，添加粒子系統，設置的主要參數如下：持續時間（Duration）5 s，生命周期（Start Delay）0.5 s，單位時間產生的粒子數（Rate Over Time）為7，啟動循環播放與預熱等。在設置參數過程中，粒子效果面板可以為系統調試提供參考，具體數值如圖6 所示。圖7 所示為蠟燭的最終顯示效果。

圖6 粒子效果面板的參數

圖7 蠟燭燃燒效果展示

3 虛擬光學實驗系統的功能與實例展示

以物理光學中的單縫衍射實驗為例，展示系統的功能與操作。實驗具體步驟如下：

步驟1實驗準備。此界面主要包含預習與思考2 個環節。預習中包含實驗原理、實驗儀器和實驗目的的介紹。思考部分包含實驗思考題以及實驗平臺的操作指南，如圖8 所示。

圖8 實驗預習與思考界面

步驟2參數輸入。在系統初始界面上可以觀察實驗儀器以及交互界面。系統會給出各個參數的范圍，由學生自主設計參數并輸入。在單縫衍射實驗中，學生可設計縫寬與狹縫到光屏的距離，當參數超出預定范圍時，系統提示如圖9 所示。

圖9 系統提示界面

若參數在正確的數值范圍內，實驗現象會根據設置的參數發生相應變化。在單縫衍射實驗中，設置相應參數，實驗現象如圖10 所示。

圖10 單縫衍射實驗光斑變化效果圖

步驟3儀器觀察。點擊主界面“Observe”按鈕，進入觀察界面。點擊左鍵放大視角，長按右鍵并移動鼠標實現儀器不同角度觀察，通過鼠標左、右移動對視角進行操控，如單縫衍射實驗中觀察儀器模型，如圖11（a）、（b）所示。其他實驗，學生還可利用鍵盤對實物進行控制，如顯微鏡實驗中被控制部分會高亮顯示，如圖12（a）、（b）所示。

圖11 單縫衍射光學儀器觀察界面

圖12 對顯微鏡進行控制

步驟4結果輸出。系統會針對當前輸入參數自動計算其他參數。在單縫衍射中，系統會輸出如出線寬度、角寬度、各個條紋大小等重要參數的計算結果，如圖13 所示。

圖13 單縫衍射實驗數據計算界面

步驟5誤差分析。點擊“誤差分析”，學生可選擇“實際數據”，在此直接輸入實際操作的各個實驗參數，或者選擇“模擬數據”，系統會放大所需測量的位置并顯示刻度讓學生自行讀數，每隔5 s系統會按照誤差的分布規律生成擾動后的模擬測量結果。隨后，系統會生成記錄數據的圖表，并自動計算最佳估計值、實驗標準偏差等與測量結果相關的參數。學生也可直接輸入實際的實驗數據進行誤差分析。實驗誤差分析界面如圖14 所示。

圖14 實驗誤差分析界面

4 結語

本文基于3DS Max 和Unity3D 軟件開發了方便、實用的桌面虛擬光學實驗系統，成功模擬了光學實驗的儀器與環境。系統不僅具有很強的交互性和沉浸感，不受人數、時間、空間、實驗次數等的限制，還可自動對數據進行進一步處理，深刻挖掘各個光學參數的內在聯系，加深學生對光學知識的理解。系統幾乎無需維護經費，可大大節省運行成本。所用技術擴展性強，且很容易移植到別的課程，對于提升高等工科院校的人才培養質量具有積極的意義。