基于Unity3D的電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示平臺設(shè)計(jì)

劉金明，馬鐵民，王娜

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過生成比較真實(shí)的模擬環(huán)境，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，通過用戶與虛擬環(huán)境的交互打造身臨其境的感覺，其在沉浸感、交互性和實(shí)時(shí)性方面優(yōu)勢明顯[1-2]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅能夠構(gòu)建具有真實(shí)感的產(chǎn)品虛擬仿真展示平臺，用于產(chǎn)品的演示和培訓(xùn)，而且可以在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中通過虛擬設(shè)計(jì)平臺降低研發(fā)成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。Unity3D作為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的后起之秀，起步就定義為多平臺高端大型游戲開發(fā)引擎。它對DirectX和OpenGL的圖形渲染管道進(jìn)行了高度優(yōu)化，使低端硬件也可以流暢地運(yùn)行漫游展示、虛擬仿真、交互式動(dòng)畫等，并能夠創(chuàng)造出高質(zhì)量3D仿真系統(tǒng)和真實(shí)視覺效果。它能夠與HTML、Flash等進(jìn)行良好的交互，并支持C#、JavaScript等多種腳本語言。基于Unity3D進(jìn)行三維展示、虛擬漫游和仿真已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。郭海新[5]對Unity3D與HTML網(wǎng)頁的交互機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，并設(shè)計(jì)了一個(gè)型材虛擬仿真展示系統(tǒng)，充分展示了Unity3D在實(shí)時(shí)交互方面的優(yōu)勢。陳洪等[6]基于Unity3D設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)，對虛擬作物在各種環(huán)境下的生長過程進(jìn)行了模擬。郭兵兵等[7]基于Unity3D開發(fā)了一套三維礦井漫游演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)在相關(guān)人員的安全培訓(xùn)、安全管理方面發(fā)揮著重要作用。段金榮等[8]基于Unity3D實(shí)現(xiàn)了三維標(biāo)本場館的虛擬演示系統(tǒng)，對魚類標(biāo)本和虛擬場景進(jìn)行交互漫游展示。針對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在銷售展示、使用培訓(xùn)、工作原理學(xué)習(xí)等方面的需求，基于Unity3D游戲開發(fā)引擎，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示W(wǎng)eb平臺，對電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、拆裝和工作原理進(jìn)行在線展示。

1 虛擬仿真展示平臺架構(gòu)及設(shè)計(jì)流程

基于Unity3D的電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示在線平臺采用B/S結(jié)構(gòu)，其主要分為網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)和Unity3D虛擬仿真展示兩部分。其中網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)部分負(fù)責(zé)用戶在瀏覽器上的各種操作和管理，重點(diǎn)是選取要展示的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及相關(guān)零部件；而Unity3D虛擬展示部分則利用Unity3D引擎開發(fā)具有統(tǒng)一接口的展示框架，實(shí)現(xiàn)相關(guān)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品載入場景及交互式虛擬仿真展示?；赨nity3D的電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示在線平臺設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flowchart of system design

2 虛擬仿真展示平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 三維仿真建模

2.1.1 Pro/E零件建模及裝配

虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型是整個(gè)虛擬仿真展示平臺的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運(yùn)行的速度和虛擬環(huán)境的逼真度。平臺首選Pro/E進(jìn)行電動(dòng)機(jī)三維建模，其步驟如下：

（1）分析電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙或電動(dòng)機(jī)設(shè)備實(shí)體的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)行零部件拆分。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)思路，選取零部件的基本截面，進(jìn)行基本特征草繪，然后利用拉伸、陣列等操作添加附加特征完成零部件整體制作，最后使用倒角、拔模等操作完成修飾特征的設(shè)計(jì)。

（3）利用Pro/E強(qiáng)大的裝配功能，通過各種約束條件組裝、零部件鏡像和陣列等操作，完成電動(dòng)機(jī)模型的裝配。

2.1.2 3DS Max模型貼圖及動(dòng)畫制作

為獲得更好的仿真效果，系統(tǒng)采用3DS Max對模型進(jìn)行貼圖渲染，配合使用Photoshop對材質(zhì)貼圖進(jìn)行處理，提升3DS Max的渲染效果。

對于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的繞組等具有不規(guī)則特性的零部件，使用Pro/E進(jìn)行建模時(shí)很難獲得逼真的效果，可以在3DS Max中進(jìn)行真實(shí)感建模。同時(shí)，需要在3DS Max中對Pro/E制作的電動(dòng)機(jī)三維模型零部件進(jìn)行重命名、成組、坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)、模型面數(shù)優(yōu)化等操作。

3DS Max具有強(qiáng)大的三維動(dòng)畫制作功能，使用它很容易在制作3D模型過程中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的拆裝動(dòng)畫，且沒有任何局限性。在3DS Max中，通過在各關(guān)鍵幀處記錄相應(yīng)零部件的位置變化關(guān)系來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的拆裝動(dòng)畫。

2.2 Unity3D虛擬仿真設(shè)計(jì)

2.2.1 虛擬場景設(shè)計(jì)

將3DS Max處理后的電動(dòng)機(jī)三維模型導(dǎo)出為.FBX格式文件，并放到 Unity3D的資源文件夾Assets中，Unity3D將自動(dòng)導(dǎo)入對應(yīng)的三維模型及相應(yīng)的貼圖和動(dòng)畫文件。然后，將模型添加到虛擬場景中，并對電動(dòng)機(jī)三維模型進(jìn)行縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、顯示隱藏等相關(guān)屬性的設(shè)置。

為了進(jìn)行可視化虛擬仿真展示，必須在場景中添加主攝像機(jī)和燈光等其他虛擬環(huán)境的必備元素，并進(jìn)行相關(guān)屬性和主從關(guān)系的設(shè)置。

2.2.2 虛擬交互腳本設(shè)計(jì)

Unity3D支持JavaScript、C#和Boo三種腳本語言，其中C#的功能最強(qiáng)大，因此本平臺采用C#進(jìn)行交互腳本的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

為了對電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行多角度虛擬展示，編寫了MouseView.cs腳本實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)和滾輪縮放的功能。同時(shí)，將該腳本賦予主攝像機(jī)，并將觀察目標(biāo)對準(zhǔn)到模型的中部，即可完成以電動(dòng)機(jī)模型為視角中心的虛擬仿真展示。

為了對電動(dòng)機(jī)的拆裝過程進(jìn)行清晰展示，編寫了AssembleDisplay.cs腳本，并設(shè)置了觸發(fā)按鈕。由于在3DS Max中進(jìn)行電動(dòng)機(jī)拆裝動(dòng)畫設(shè)計(jì)時(shí)，僅設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)的拆解動(dòng)畫，因此組裝動(dòng)畫需要使用拆解動(dòng)畫的倒序播放來實(shí)現(xiàn)。

2.3 HTML網(wǎng)頁與Unity3D交互實(shí)現(xiàn)

2.3.1 網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示在線平臺中，用戶可以通過單擊網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)中相應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品前的單選按鈕，將其載入到Unity3D虛擬仿真展示部分，并通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊該產(chǎn)品各零部件前的復(fù)選框進(jìn)行相應(yīng)零部件的顯示和隱藏，利于用戶觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。

網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)的生成方法為：規(guī)劃電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的類型和對應(yīng)產(chǎn)品的零部件名稱，并依據(jù)此名稱制作生成樹形結(jié)構(gòu)所需的.XML文件；然后通過編寫的JavaScript小程序?qū)?XML文件轉(zhuǎn)化為網(wǎng)頁樹形結(jié)構(gòu)。

2.3.2 HTML網(wǎng)頁調(diào)用Unity3D腳本函數(shù)

為實(shí)現(xiàn)HTML樹形結(jié)構(gòu)中單選按鈕和復(fù)選框狀態(tài)改變時(shí)，Unity3D虛擬仿真展示部分載入特定電動(dòng)機(jī)模型及對相應(yīng)零部件進(jìn)行顯示和隱藏，需要在HTML網(wǎng)頁中使用SendMessage（）函數(shù)向Unity3D發(fā)送消息。在Unity3D 4.0版本導(dǎo)出的HTML網(wǎng)頁中，在添加復(fù)選框狀態(tài)改變時(shí)對應(yīng)的JavaScript觸發(fā)函數(shù)后，需要在該函數(shù)中添加如下代碼：

此時(shí)，若復(fù)選框狀態(tài)改變，則HTML網(wǎng)頁中對應(yīng)的JavaScript觸發(fā)函數(shù)將向Object對象的Function函數(shù)傳遞字符串參數(shù)String，進(jìn)而觸發(fā)Unity3D虛擬仿真展示部分內(nèi)容的改變。

3 虛擬仿真展示平臺效果展示

在展示平臺中，鼠標(biāo)單擊三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)前的單選按鈕，將該電動(dòng)機(jī)模型載入虛擬場景；然后通過鼠標(biāo)拖動(dòng)可實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)、通過滾輪滾動(dòng)可實(shí)現(xiàn)模型的縮放；通過取消選中零部件前的復(fù)選按鈕，可以在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)零部件的隱藏。交互式展示效果如圖2所示。

圖2 交互展示Fig.2 Interactive display

在圖2中的虛擬場景部分點(diǎn)擊“加電轉(zhuǎn)動(dòng)”按鈕，可將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，還可以通過觸發(fā)的速度調(diào)節(jié)滑塊調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。當(dāng)點(diǎn)擊“拆解電機(jī)”按鈕時(shí)可以播放電動(dòng)機(jī)的拆解動(dòng)畫，此時(shí)拆解電機(jī)按鈕變?yōu)椤敖M裝電機(jī)”按鈕，再次點(diǎn)擊時(shí)可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的組裝。通過點(diǎn)擊觸發(fā)的“暫停拆裝”按鈕可以暫停電動(dòng)機(jī)的拆裝動(dòng)畫，能夠增進(jìn)用戶對電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的理解。動(dòng)畫展示效果如圖3所示。

圖3 動(dòng)畫展示Fig.3 Display of animation

4 小結(jié)

針對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在銷售展示、使用培訓(xùn)、工作原理學(xué)習(xí)等方面的需求，基于Unity3D設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示W(wǎng)eb平臺，并對Unity3D虛擬場景的交互技術(shù)進(jìn)行了深入研究。該平臺動(dòng)態(tài)展示效果好、逼真度高，對企業(yè)設(shè)計(jì)和展示電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，學(xué)生及維修人員學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握電動(dòng)機(jī)維修和保養(yǎng)知識具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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