長輸管道教學(xué)虛擬實驗裝置系統(tǒng)的開發(fā)

屈成亮 王雷 楊壯 楊志偉 劉棋(吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

長輸管道教學(xué)虛擬實驗裝置系統(tǒng)的開發(fā)

屈成亮 王雷 楊壯 楊志偉 劉棋(吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

本文是利用3ds Max與Unity3D軟件設(shè)計的一個可進(jìn)行多視野觀察和人機(jī)交互操作的實驗裝置虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是對實驗器材進(jìn)行多角度觀察、詳細(xì)講解、交互操作，使操作者對實驗相關(guān)內(nèi)容掌握更充分。

3ds Max；Unity 3D；虛擬仿真系統(tǒng)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中去。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)、前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域[1]。

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)和實驗室安全培訓(xùn)與操作管理等業(yè)務(wù)知識結(jié)合在一起開發(fā)三維虛擬仿真實驗室，研究與開發(fā)長輸管道實驗的三維虛擬數(shù)字化安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了長輸管道安全管理、作業(yè)流程管理、管網(wǎng)管理等功能，實驗操作者或企業(yè)員工可在三維虛擬場景中更真實地進(jìn)行各種三維可視化監(jiān)控、日常操作練習(xí)等，有效地提高了學(xué)習(xí)能力與工作效率。將虛擬動畫應(yīng)用于教學(xué)中將是傳統(tǒng)教育史的突破，使學(xué)生們能走入3D時代，走入自我學(xué)習(xí)的時代。虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[2]。

1 三維虛擬實驗室的構(gòu)建步驟

在開發(fā)前先對實驗器材和環(huán)境進(jìn)行實地考察，對器材的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，形成報告并進(jìn)行可行性分析，當(dāng)確定可行后開始虛擬仿真實驗室的開發(fā)。第一步對相關(guān)實驗器材和環(huán)境進(jìn)行三維模型的建立，第二步進(jìn)行相關(guān)實驗動畫的制作使模型得以完善，第三步對三維模型進(jìn)行人機(jī)交互并進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試與各種源代碼的插入，第四部生成終端并進(jìn)行測試與使用。

2 三維模型的建立

2.1 模型的構(gòu)建

在3ds MAX中進(jìn)行模型的建立。一些簡單的圖形可以利用基礎(chǔ)圖形進(jìn)行構(gòu)建，復(fù)雜的圖形需要先構(gòu)建出二維圖形然后通過“擠出”構(gòu)建所需要的三維模型，當(dāng)所有小的模型構(gòu)建后我們可以用使用組(鑲嵌)進(jìn)行組合將多個小的模型組成一個大的成型模型。如控制臺的按鈕等也可以利用連接的方式進(jìn)行組合。最后將我們所有模型組合到一起將形成最終模型。

2.2 模型的渲染

渲染指的是將制作好的場景通過渲染器進(jìn)行實時觀察或最終輸出成圖片或動畫格式文件的過程。渲染器是3D引擎的核心部分，它完成將3D物體繪制到屏幕上的任務(wù)。在3ds Max中，渲染器可以說是最重要的一部分，當(dāng)我們畫出我們所需要的圖形時，只有通過渲染才能得到我們想要的類似于實體的圖形。

VRay(簡稱VR)，是由Chaosgroup發(fā)布推出最新渲染器VRay。VRay相對其他渲染器來說是“業(yè)余級”的，這是因為其軟件編程人員都是來自東歐的CG愛好者，而不像別的渲染器那樣是由雄厚實力的大公司所支撐。但經(jīng)過實踐表明，VRay的渲染效果絲毫不遜色于別的大公司所推出的渲染器。另外VRay也是目前使用最多的渲染器，本文也正是應(yīng)用這種渲染器完成的。通過對比渲染前后的效果更突出了渲染的重要性，只有經(jīng)過渲染后的模型我們才能真正用來人機(jī)交互并給操作者帶來真實感受。對整個虛擬仿真實驗系統(tǒng)起到點睛的作用，渲染了整個虛擬系統(tǒng)的環(huán)境，給人帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊。

圖 1 渲染后模型

3 人機(jī)交互

3.1 人機(jī)交互過程

將模型導(dǎo)入Unity3D中，我們可按照真實的實驗操作對軟件中的人物進(jìn)行編程使軟件中的人物可按照人們的指令去進(jìn)行操作，達(dá)到人機(jī)交互的效果，使學(xué)習(xí)者走入其中[3]。

先進(jìn)行鼠標(biāo)的位置檢測然后做射線碰撞進(jìn)行對話框的設(shè)置使操作者在點擊圖中某個設(shè)備時會彈出對話框進(jìn)行介紹，這是最基礎(chǔ)的一步。然后對人物的各種動作進(jìn)行設(shè)置，需要插入大量的源代碼，使人物能受鼠標(biāo)和鍵盤的控制，如真人一樣進(jìn)行各種動作。設(shè)備、儀表、控制臺等都需要插入大量的源代碼使之運行起來，并將人物與設(shè)備的運行進(jìn)行連接起來，讓虛擬實驗室中的人物能對設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的操作。同時在系統(tǒng)中進(jìn)行控制系統(tǒng)、檢錄系統(tǒng)、幫助系統(tǒng)、測評系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的插入，最后生成客戶端并進(jìn)行相關(guān)的使用。

3.2 三維模擬仿真系統(tǒng)對話框添加

(1)碰撞器的設(shè)定

先創(chuàng)建一個界面，在該界面中會產(chǎn)生多個控件，給我們要點擊彈出對話框介紹的物體設(shè)置碰撞器。通過源代碼的插入我們將對碰撞器附加的剛體、碰撞器框的體積大小、啟用碰撞器將會碰撞其他碰撞器、禁用碰撞器就不會碰撞其他碰撞器、碰撞器是否是一個觸發(fā)器、用于碰撞器的材質(zhì)、該碰撞器的共享的物理材質(zhì)等進(jìn)行相關(guān)問題進(jìn)行設(shè)置[4]。

(2)鼠標(biāo)位置檢測

進(jìn)行鼠標(biāo)的位置檢測，來確定鼠標(biāo)所在的三維位置坐標(biāo)，該過程為射線檢測與相關(guān)鼠標(biāo)移動的設(shè)定作鋪墊。

(3)射線的檢測

在程序運行后，需要進(jìn)行射線的檢測，對射線投射的物體進(jìn)行設(shè)定。

(4)對話框的彈出

當(dāng)射線檢測時我們需要把最先設(shè)置好的對話框彈出，這樣當(dāng)我們單擊系統(tǒng)中設(shè)定的物體時將彈出對話框。

(5)對話框內(nèi)容編輯

此步應(yīng)是在設(shè)置對話框彈出前設(shè)定的，需要賦予框中控件的text值。例如如需對泵進(jìn)行對話框介紹，我們要把框中控件的text值賦予為泵的名稱和相關(guān)功能的介紹，如果我們對控制臺進(jìn)行對話框介紹，我們要把框中控件的text值賦予為控制臺的名稱和相關(guān)功能的介紹。

3.3 視野的調(diào)控

在我們設(shè)計的長輸管道三維虛擬仿真實驗室時，要求視野360度無死角?？梢酝ㄟ^不同的角度對所建立的實驗裝置進(jìn)行觀察，使學(xué)習(xí)者能更加充分的對所用實驗器材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

(1)整體移動

在整個長輸管道三維虛擬實驗室構(gòu)建成的終端前，要求能將整個實驗器材和界面進(jìn)行整體的上下左右全方位移動。在整個虛擬實驗室中我們通過長按鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行上下左右的移動，從而達(dá)到不同的視覺效果。

(2)視野角度的移動

在長輸管道三維虛擬實驗室中，視野角度是可以通過我們的調(diào)控進(jìn)行改變的。操作者可通過長按鼠標(biāo)右鍵然后通過拖動鼠標(biāo)進(jìn)行視野角度的變換，從而表現(xiàn)出實驗器材在不同角度的狀態(tài)。

(3)視野距離的變換

長輸管道三維虛擬實驗室的視野距離是可以變換的。當(dāng)比較近的距離觀察將起到對某一物體放大的效果，當(dāng)比較遠(yuǎn)的距離觀察時將起到整體的觀察效果。該變化在我們的終端中，將通過鼠標(biāo)的滾輪進(jìn)行控制。當(dāng)鼠標(biāo)滑輪逆時針的轉(zhuǎn)動時將逐漸減小操作者的視野距離，當(dāng)鼠標(biāo)滑輪順時針轉(zhuǎn)動時將逐漸加大操作者的視野距離。我們可以通過視野距離的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)整個實驗所用器材和局部單個實驗器材的轉(zhuǎn)換。通過單個實驗器材的認(rèn)識進(jìn)而對整個實驗裝置的認(rèn)識，從而使操作者對實驗裝置深層次的進(jìn)行認(rèn)識。

4 結(jié)語

本文探討了長輸管道虛擬仿真實驗技術(shù)，提出了長輸管道虛擬仿真系統(tǒng)整體模型與渲染，對模型的功能進(jìn)行初步劃分，并介紹了基于3ds max 和unity3D進(jìn)行虛擬實驗室創(chuàng)建的實現(xiàn)方法。虛擬實驗室的構(gòu)建可以讓學(xué)生更好地掌握實驗?zāi)康摹⒃?、實驗裝置介紹等。虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的合理使用，可明顯改善實驗的教學(xué)效果，提高學(xué)生的實驗積極性，同時使學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實踐能力、綜合素質(zhì)等方面得到明顯提高。

[1]鄒湘軍，孫健,等，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J]，系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004,(09) ：1905-1909.

[2]教育部辦公廳.開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知.[EB/OL]

[3]方沁.基于Unity和3dmax的虛擬實驗室三維建模設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2015.

[4]呂文梅,宋代廣.基于Unity3D與3Dmax的虛擬船舶液壓系統(tǒng)三維模型展示[J].軟件導(dǎo)刊,2014,13(06):74-76.

屈成亮(1980- )，男，吉林吉林人，碩士，講師，主要從事油氣儲運工程實驗教學(xué)與管理工作。