計算機(jī)硬件虛擬仿真系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊芬紅

摘要：為了解決計算機(jī)硬件實(shí)訓(xùn)條件限制，本研究使用3Dmax和Unity3D制作虛擬仿真系統(tǒng)，前期制作計算機(jī)硬件各個模型，并進(jìn)行動畫設(shè)計實(shí)現(xiàn)聚合分離旋轉(zhuǎn)效果。后期使用Unity3D進(jìn)行界面設(shè)計，資源整合，腳本開發(fā)。界面設(shè)計使用UI來實(shí)現(xiàn)，資源整合中的ABC001插件可以聚集，縮放，調(diào)整硬件位置。腳本開發(fā)使用PlayMaker插件提供可視化的腳本設(shè)計。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)入口，基本知識介紹，拆分硬件與安裝硬件功能，該系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：硬件；虛擬仿真；模型

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0260-03

1開發(fā)思路

高職計算機(jī)基礎(chǔ)課程中會涉及的硬件知識，要求學(xué)生掌握計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律，熟悉各部件的性能指標(biāo)，能對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能熟練解決計算機(jī)硬件問題。課堂介紹時，通常以圖片，視頻等方式進(jìn)行，由于實(shí)訓(xùn)條件的限制，學(xué)生很少進(jìn)行實(shí)踐動手安裝硬件，導(dǎo)致教學(xué)形式單一，學(xué)生知識掌握不扎實(shí)，遇到計算機(jī)硬件問題束手無策。針對上述問題，本研究主要使用3Dmax建模軟件生成計算機(jī)硬件各個部件，Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件生成虛擬環(huán)境和虛擬交互，研究制作形象逼真，三維動態(tài)的計算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

通過前期對師生的調(diào)研，收集共性需求，要求實(shí)驗(yàn)平臺仿真度高，界面友好，能熟練掌握硬件的各個部件的功能，能熟練拆分計算機(jī)硬件，也能通過提供的零部件安裝完整的電腦。結(jié)合調(diào)研結(jié)果，本研究提出以下開發(fā)思路。

總體設(shè)計確定系統(tǒng)方案，并進(jìn)行素材收集設(shè)計，資源開發(fā)使用3Dmax軟件實(shí)現(xiàn)，制作高仿真的三維計算機(jī)部件，并制作旋轉(zhuǎn)，位移動畫，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使用Unity3D進(jìn)行界面設(shè)計，資源整合，腳本開發(fā)。最后應(yīng)用在教學(xué)中，根據(jù)反饋意見進(jìn)行修改。

2 總體設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

針對師生需求和計算機(jī)硬件教學(xué)的實(shí)際情況，確定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三個主要功能，第一，認(rèn)識計算機(jī)每個部件，第二，拆分計算機(jī)硬件，第三，安裝計算機(jī)硬件。為了方便學(xué)生操作，系統(tǒng)能提供友好的界面入口，每個功能窗口中都要設(shè)置返加首頁功能，使用鼠標(biāo)能對計算機(jī)各部件進(jìn)行拖動，縮放，移動功能。為這使界面更加開闊，還要提供活動菜單功能，使菜單能靈活顯示隱藏。另外計算機(jī)部件還要加上觸發(fā)功能，單擊計算機(jī)部件，實(shí)現(xiàn)部件位置改變。

2.2 素材設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前計算機(jī)硬件發(fā)展規(guī)律，確定合適的機(jī)型，并對計算機(jī)硬件每個部件進(jìn)行測量，拍照，記錄每個部件的參數(shù)，設(shè)計每個部件的貼圖，以便制作高仿真計算機(jī)部件。

3資源開發(fā)

3.1 模型制作

計算機(jī)硬件建模主要采用3Dmax，它是一款三維建模軟件，通過該軟件能逼真的模擬計算機(jī)硬件各部件，制作出高仿真的部件模型。硬件模型看起來復(fù)雜，都可以使用基本的幾何體進(jìn)行復(fù)合建模，也可以通過基本圖形如線，圓，矩形等通過擠出等方式進(jìn)行建模。建模完成后，通過uv拆分和材質(zhì)球進(jìn)行貼圖。這是建模完成后的圖形。

3.2 動畫設(shè)計

后期需要展示整機(jī)及各個部件，對電腦各個部件進(jìn)行拆分與安裝，所以需要分別制作整機(jī)旋轉(zhuǎn)動畫，各個部件旋轉(zhuǎn)動畫，及部件的聚合與分離動畫，這里以聚合分離動畫為例介紹制作過程。首先選中主板，按ALT+Q進(jìn)入孤立模式，設(shè)置動畫幀長為100幀，分別在第1，10，40，50制作關(guān)鍵幀，左視圖如下圖所示。

然后復(fù)制40幀至60幀，10幀至90幀，1幀至100幀，形成反向動畫，其他部件的動畫效果制作方法類似，聚合與分離的效果如圖4所示。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計使用Unity3D來實(shí)現(xiàn)，它是一款虛擬現(xiàn)實(shí)的三維軟件，能制作游戲，仿真系統(tǒng)，三維動畫，建筑可視化等類型互動內(nèi)容，具有強(qiáng)大的交互功能，能模擬真實(shí)場景。下面從界面設(shè)計，腳本開發(fā)，系統(tǒng)發(fā)布來闡述系統(tǒng)設(shè)計思路。

4.1界面設(shè)計

仿真系統(tǒng)包括主界面，基礎(chǔ)知識，硬件拆分，硬件安裝四個界面，每個界面實(shí)現(xiàn)不同的功能。主界面提供系統(tǒng)入口，分別單擊基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)拆分，系統(tǒng)安裝三個按鈕，進(jìn)入不同的子系統(tǒng)，主窗口居中位置添加旋轉(zhuǎn)的機(jī)箱三維動畫，使界面更有立體感?；A(chǔ)知識界面實(shí)現(xiàn)部件功能介紹，硬件拆分和硬件安裝能動態(tài)仿真系統(tǒng)拆分與安裝過程，通過人機(jī)交互，幫助學(xué)生熟悉計算機(jī)硬件系統(tǒng)。主界面使用PS軟件進(jìn)行設(shè)計，基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)拆分，系統(tǒng)安裝三個子系統(tǒng)的界面，使用Unity3D的UI功能來實(shí)現(xiàn)的，虛擬裝機(jī)系統(tǒng)的界面如下圖所示。

4.2資源整合

3Dmax制作的計算機(jī)部件導(dǎo)入到Unity3D中，我們需要執(zhí)行以下操作。首先在3Dmax中選擇每個部件，導(dǎo)出選定對象，然后在Unity3D的ASSETS中導(dǎo)入每個部件，選中每個部件，在inspector窗口中分割動畫，take001設(shè)置0至50幀，實(shí)現(xiàn)分離效果，take010設(shè)置50至100幀，實(shí)現(xiàn)聚合效果。并將RIG選項(xiàng)的Animation Type設(shè)置為Legacy，每個部件拖放到hierarchy窗口，并將每個部件的動畫自動播放設(shè)為否，使每個部件的初始狀態(tài)是靜態(tài)的。

為了使系統(tǒng)界面與計算機(jī)硬件有機(jī)融合，并實(shí)現(xiàn)三維部件在系統(tǒng)中的縮放，旋轉(zhuǎn)和位置改變，可以使用ABC001插件來實(shí)現(xiàn)該功能。把該插件拖放該至主攝像機(jī)的inspector窗口，為了更好地聚集計算機(jī)硬件平臺，添加隱形的長方體（Cube），并拖放Cube至Target，設(shè)置合適的Distance值，使硬件大小剛好適應(yīng)窗口大小。ABC001插件屬性窗口如下所示。

4.3 腳本開發(fā)

腳本開發(fā)主要采用PlayMaker插件來實(shí)現(xiàn)的， 它能提供可視化的腳本設(shè)計，用戶不需要撰寫腳本代碼，使用狀態(tài)機(jī)就能在Unity3D中設(shè)計交互功能與邏輯功能。本系統(tǒng)主要采用PlayMaker插件實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）界面連接，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入系統(tǒng)與返回系統(tǒng)功能。

2）打散硬件，播放分離動畫，打散計算機(jī)各部件。

3）菜單滑動，實(shí)現(xiàn)動態(tài)菜單顯示與隱藏

4）顯示硬件，單擊每個部件按鈕，顯示每個部件及功能介紹。

5）拆分硬件，單擊每個部件按鈕，播放分離動畫，實(shí)現(xiàn)部件逐個拆分。

6）安裝硬件，顯示各個部件，并添加觸發(fā)器，單擊每個部件，播放聚合動畫。

界面連接功能的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)如圖7所示，下方是State1的狀態(tài)窗口，右側(cè)是狀態(tài)1的狀態(tài)窗口。

5總結(jié)

系統(tǒng)開發(fā)完畢后，通過發(fā)布功能，生成虛擬仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用于教學(xué)中，收到良好的教學(xué)效果，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入計算機(jī)硬件教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，主要包括三個方面。

1）有助于學(xué)生對硬件知識的掌握

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)逼真模擬計算機(jī)硬件各部件，學(xué)生通過鼠標(biāo)能360度觀察每個硬件部件，掌握每個部件的結(jié)構(gòu)和功能，界面友好，使用靈活，通過活動菜單，鼠標(biāo)觸發(fā)拖放功能幫助學(xué)生熟練掌握計算機(jī)硬件拆分方法與安裝方法。

2）有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示操作，也可以在實(shí)訓(xùn)室讓學(xué)生動手練習(xí)，同時也可以發(fā)到QQ群，網(wǎng)絡(luò)平臺，方便學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。能突破硬件設(shè)備數(shù)量的限制，讓每位學(xué)生都能動手參與實(shí)驗(yàn)，教學(xué)不受時空限制

3）有助于減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損失

利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，可以反復(fù)進(jìn)行拆裝實(shí)踐，幫助學(xué)生掌握計算機(jī)硬件的基本知識，提高拆裝計算機(jī)硬件的動手能力，卻不會損壞硬件部件，熟練以后再進(jìn)行真實(shí)環(huán)境的操作，可以有效減少損失，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。

同時收集師生的反饋，主要問題集中在幾個方面：界面不夠友好，沉浸性不夠，功能比較單一。針對上述問題，我們會在后期進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)更多的功能，更好的體驗(yàn)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】