基于Unity3D的微波暗室環(huán)境下天線測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛小榮， 李曉峰， 李韋泓， 史 卓

(桂林電子科技大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院; b.信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

天線或輻射器件的空間輻射特性測(cè)量需要對(duì)器件周圍空間的電磁波分布狀態(tài)進(jìn)行測(cè)繪，測(cè)繪過(guò)程是一個(gè)由機(jī)械掃描、電子測(cè)量、電氣控制等多系統(tǒng)協(xié)同工作的過(guò)程，為了避免其他外界電磁波以及周圍反射回來(lái)的電磁波的干擾，一般測(cè)繪需要在純凈的微波暗室中完成[1-2]。無(wú)論是微波暗室還是天線測(cè)量系統(tǒng)，其建造和維護(hù)成本都頗為高昂，而且測(cè)量過(guò)程包括設(shè)備調(diào)試、工件組裝、儀器校準(zhǔn)與設(shè)定、掃描測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等，單次測(cè)量花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，很難在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍應(yīng)用[3-4]。然而，了解微波暗室的結(jié)構(gòu)和功能，掌握微波與天線的空間特性及其測(cè)量方法是相關(guān)專業(yè)學(xué)生必要的技能。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以在一定程度上解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，實(shí)驗(yàn)時(shí)間和環(huán)境受限等問(wèn)題[6-12]。本項(xiàng)目以一個(gè)典型的實(shí)際天線測(cè)量系統(tǒng)為原型，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，模擬在微波暗室環(huán)境下天線測(cè)試的操作流程和幾種常見(jiàn)天線的測(cè)量結(jié)果。本系統(tǒng)以Unity3D為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C#為編程語(yǔ)言，以3ds Max為建模工具，其他輔助工具有Adobe PhotoShop、Premiere等。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：使用者通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)微波暗室的組成、內(nèi)部布局和功能有全面、直觀的了解；了解微波暗室內(nèi)天線測(cè)試系統(tǒng)、天線測(cè)試過(guò)程和系統(tǒng)的使用方法；能夠?qū)崿F(xiàn)一些常規(guī)天線或者自定義參數(shù)天線的虛擬方向圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體框架及功能

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.2 系統(tǒng)各主要功能模塊

1.2.1 儀 器

如圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖所示，此模塊分為5個(gè)二級(jí)功能模塊，分別介紹天線測(cè)量所需要的儀器與硬件環(huán)境。其中微波暗室、NSI系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3個(gè)子模塊是以圖、文結(jié)合的形式介紹各系統(tǒng)或儀器的功能和作用。在查看相應(yīng)儀器的圖文介紹時(shí)，點(diǎn)擊下方的“觀看模型”按鈕，即可全方位地觀察儀器的三維模型?！安榭床季帧弊幽K整體介紹所有硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)點(diǎn)擊，以圖片形式說(shuō)明微波暗室、掃描轉(zhuǎn)臺(tái)、測(cè)量?jī)x器以及操控室之間的空間布局關(guān)系。“進(jìn)入暗室”子模塊點(diǎn)擊可查看微波暗室內(nèi)部3D仿真模擬空間，拖動(dòng)鼠標(biāo)可旋轉(zhuǎn)觀察微波暗室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以第一人稱視角提供一種步入感，使人有身臨其境的感覺(jué)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)操作模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要部分。選取典型常用天線為例，設(shè)置了cm波矩形喇叭天線、平面微帶陣列天線和自定義參數(shù)天線的測(cè)試內(nèi)容。圖1框架圖以矩形喇叭天線為例給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)置及操作選項(xiàng)。按照實(shí)驗(yàn)流程,天線測(cè)量包括天線安裝、測(cè)量設(shè)置、測(cè)試過(guò)程模擬和結(jié)果顯示4方面內(nèi)容。

(1) 天線安裝。點(diǎn)擊會(huì)播放一個(gè)三維動(dòng)畫，利用分解組合的方式直觀地給出了天線安裝方式和安裝過(guò)程，圖2是喇叭天線安裝某一瞬態(tài)截圖。

圖2 天線裝載過(guò)程3D模擬動(dòng)畫

(2) 測(cè)量設(shè)置。該模塊模擬常規(guī)主流天線測(cè)試控制系統(tǒng)的操作界面，采用選項(xiàng)卡形式。測(cè)試設(shè)置包括項(xiàng)目建立、掃描設(shè)置、多波束設(shè)置、檢測(cè)探頭設(shè)置、參考設(shè)置和機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置[13-14]。機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置包括主轉(zhuǎn)臺(tái)位置設(shè)定和角度旋轉(zhuǎn)，探頭轉(zhuǎn)臺(tái)的極化軸設(shè)定及旋轉(zhuǎn)，參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。鼠標(biāo)停留在參數(shù)設(shè)置文本框位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)文本提示標(biāo)簽，解釋說(shuō)明該參數(shù)的性質(zhì)及設(shè)置方法。參數(shù)設(shè)置可以使用鍵盤輸入數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“+”，“-”可調(diào)整數(shù)值。

(3) 測(cè)試過(guò)程模擬。測(cè)試過(guò)程模擬界面的瞬態(tài)截圖如圖4所示：左邊是以彩色進(jìn)度條直觀顯示測(cè)試過(guò)程中信號(hào)的幅度和相位的實(shí)時(shí)狀態(tài)；同時(shí)，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)天線姿態(tài)通過(guò)右邊的三維動(dòng)畫進(jìn)行模擬。

(4) 結(jié)果顯示。測(cè)量結(jié)果的顯示是調(diào)用該天線的方向圖參考數(shù)據(jù)，包括E面方向圖、H面方向圖、3D方向圖等參數(shù)，并以數(shù)據(jù)列表、曲線擬合和三維合成的常規(guī)形式顯示。因?yàn)檎{(diào)取數(shù)據(jù)為實(shí)際天線的測(cè)量結(jié)果，所以顯示的各項(xiàng)參數(shù)可以做到真實(shí)、細(xì)致和逼真。

圖3 測(cè)試設(shè)置界面

圖4 測(cè)試過(guò)程模擬

1.2.3 操作考核

該模塊是以選擇題的形式考核使用者對(duì)天線測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)和技能的了解和掌握情況。題目涵蓋了操作流程、操作規(guī)范、測(cè)量?jī)x器使用、微波基本參數(shù)、天線測(cè)試過(guò)程等方面的內(nèi)容。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程用圖5所示流程圖說(shuō)明。

圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

2.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括三維模型創(chuàng)建、三維動(dòng)畫制作、UI界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、各種交互功能的實(shí)現(xiàn)等多個(gè)方面[15-16]。

2.2.1 三維模型創(chuàng)建、貼圖以及模型導(dǎo)出

(1) 三維模型創(chuàng)建。微波暗室環(huán)境下天線測(cè)量實(shí)驗(yàn)室由微波暗室內(nèi)部空間和外部操控室構(gòu)成。操控室主要包括控制電腦、控制器、驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備；微波暗室內(nèi)部空間由微波暗室超大空間、吸波材料、信號(hào)發(fā)射天線及發(fā)射支架、待測(cè)天線接收轉(zhuǎn)臺(tái)及底座、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等構(gòu)成[13-14]。本項(xiàng)目建模工作主要包括微波暗室建模、待測(cè)天線與探測(cè)天線結(jié)構(gòu)建模,測(cè)試結(jié)果的3D方向圖建模。

(2)材質(zhì)貼圖。所創(chuàng)建的模型主要采用VRayMtl材質(zhì)球和標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)球。根據(jù)實(shí)體物的材質(zhì)，制作了各種VRayMtl材質(zhì)球，比如吸波材料材質(zhì)球、金屬材質(zhì)球、烤漆材質(zhì)球、不銹鋼材質(zhì)球等。根據(jù)貼圖對(duì)象的形狀，選擇合適的貼圖工具和方法。比如吸波材料的貼圖，選擇漫反射給予藍(lán)色磨砂貼圖，反射均為0，0，0，形成吸波材料材質(zhì)球，將其給予所有的吸波材料。吸波材料的四棱錐形狀使用UVW貼圖工具，使貼圖適合其形狀。而測(cè)試結(jié)果的3D方向圖使用標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)球，漫反射給予紅到藍(lán)的顏色漸變，使用UVW貼圖工具，使紅色在橄欖球形狀的上方，藍(lán)色在橄欖球形狀下方，然后將編輯好的材質(zhì)球給予橄欖球形狀。最終喇叭天線的3D方向圖以及材質(zhì)貼圖效果如圖6所示。

圖6 喇叭天線3D方向圖

(3) 模型的導(dǎo)出。將打包成組的模型單獨(dú)導(dǎo)出為FBX格式。分割出來(lái)的模型包括：底座、發(fā)射天線、發(fā)射支架、吸波材料、接收轉(zhuǎn)臺(tái)、屏蔽門、微波暗室等。

2.2.2 天線測(cè)試過(guò)程3D動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)

天線方向圖測(cè)量的過(guò)程是探測(cè)器圍繞待測(cè)天線作球面掃描，測(cè)量其向空間各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度的過(guò)程，其通常的實(shí)現(xiàn)方法是保持探測(cè)器不動(dòng)，待測(cè)天線自身通過(guò)2個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其不同方向的檢測(cè)[2]。這個(gè)過(guò)程通過(guò)3D動(dòng)畫會(huì)很直觀地展現(xiàn)出來(lái)，本項(xiàng)目采用3dsmax制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)畫的幀速率設(shè)置為15FPS，根據(jù)微波暗室環(huán)境下天線測(cè)試的過(guò)程，待測(cè)天線極化旋轉(zhuǎn)180°對(duì)應(yīng)時(shí)間約為187幀，待測(cè)天線圍繞球面中心旋轉(zhuǎn)2.5°時(shí)間約為30幀，發(fā)射天線極化旋轉(zhuǎn)90°時(shí)間約為99幀。制作的動(dòng)畫從待測(cè)天線極化旋轉(zhuǎn)開(kāi)始到發(fā)射天線旋轉(zhuǎn)完90°為止，整個(gè)過(guò)程7911幀。測(cè)試過(guò)程中，極化軸的旋轉(zhuǎn)分為正、反360°交替進(jìn)行，由于反向測(cè)試的動(dòng)畫過(guò)程與正向反向，采用后期視頻剪輯技術(shù)完成。

其他天線的測(cè)試動(dòng)畫，與喇叭天線的測(cè)試動(dòng)畫一致，僅需進(jìn)行模型替換即可。

2.2.3 交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在Unity3D里，包含了基本的UI界面制作所使用到的控件。本系統(tǒng)的UI界面可以分為兩類，一類是各功能模塊的界面，包括首頁(yè)、儀器介紹、天線選擇和操作考核等界面，主要使用到的UI控件是Text、Image、Button、Canvas和Panel 5種控件；另一類是模擬天線近場(chǎng)測(cè)試控制系統(tǒng)軟件界面，這類界面的制作除了上述5種控件之外，還使用到Toggle、InputField、Dropdown等控件。

界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法大體相同，主要是根據(jù)界面的功能，先設(shè)計(jì)草圖，確定使用何種控件、以及控件的位置和大小，為了使界面清晰、簡(jiǎn)潔、美觀，在各畫布下添加背景圖片，并對(duì)按鈕進(jìn)行貼圖美化。

2.2.4 交互功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的交互功能主要包括界面間的跳轉(zhuǎn)、文本提示標(biāo)簽的顯示、打開(kāi)播放動(dòng)畫視頻、對(duì)3D模型控制操作、點(diǎn)擊“+”或“-”調(diào)整天線模型的旋轉(zhuǎn)角度等。本項(xiàng)目交互功能主要通過(guò)start.cs、cameraController.cs、Choose.cs、Introduce.cs、Operation.cs、test.cs、Rotator.cs、Player.cs、controller3D.cs、BtnText.cs等C#腳本文件實(shí)現(xiàn)。

start.cs主要實(shí)現(xiàn)各功能模塊界面間的跳轉(zhuǎn)；cameraController.cs為查看三維模型提供一個(gè)第一人稱控制攝像機(jī)視角；Choose.cs的作用是選擇要測(cè)試的天線類型；Introduce.cs主要實(shí)現(xiàn)“儀器介紹”模塊的交互功能；Operation.cs主要實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)操作”模塊的交互功能；test.cs主要實(shí)現(xiàn)“操作考核”模塊的功能；BtnText.cs實(shí)現(xiàn)文本提示標(biāo)簽的顯示。

(1) 調(diào)整天線模型的旋轉(zhuǎn)角度。在圖3所示測(cè)量設(shè)置界面，通過(guò)按鈕“+”或“-”調(diào)整發(fā)射天線和待測(cè)天線的旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)現(xiàn)該功能的主要步驟如下：

·在MovePanel下創(chuàng)建攝像機(jī)，設(shè)置參數(shù)，視角垂直向下。將模型拖入對(duì)象中。

·創(chuàng)建Rotator.cs，進(jìn)行對(duì)象實(shí)例化，創(chuàng)建函數(shù)來(lái)控制3個(gè)模型的旋轉(zhuǎn)。核心代碼為：GameObject.transform.Rotate(new Vector3(x, y,z) * Time.deltaTime。

·使用MovePanel下的按鈕來(lái)調(diào)整模型旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，為各按鈕添加On Click()事件，賦予對(duì)象的Rotator.cs的對(duì)應(yīng)函數(shù)。

(2) 對(duì)3D模型的控制操作。用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)控制各3D模型的縮放和旋轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)方法如下：

·創(chuàng)建空對(duì)象，為空對(duì)象創(chuàng)建攝像機(jī)，并設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)。

·創(chuàng)建controller3D.cs，在Start()函數(shù)下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)坐標(biāo)的獲取，攝像機(jī)的初始狀態(tài)，攝像機(jī)和目標(biāo)模型之間的距離。

·在Update()函數(shù)下，實(shí)現(xiàn)按下鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)模型，按下Esc鍵則返回之前的軟件操作界面。

·創(chuàng)建static float ClampAngle(float angle, float min, float max)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值在360°范圍內(nèi)變化。

·將腳本controller3D.cs賦予到空對(duì)象下的攝像機(jī)。

(3) 播放測(cè)試過(guò)程相位、幅度動(dòng)態(tài)變化動(dòng)畫視頻和測(cè)試中天線模型運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫視頻。天線測(cè)試設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“Create New Scan”按鈕，則“Acquire”按鈕由灰色顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹僮鳡顟B(tài)，點(diǎn)擊“Acquire”按鈕，會(huì)打開(kāi)圖4所示“測(cè)試過(guò)程模擬”界面，并播放幅度、相位實(shí)時(shí)變化的動(dòng)畫視頻和相對(duì)應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)及天線姿態(tài)的三維動(dòng)畫視頻。主要實(shí)現(xiàn)方法如下：

·在Operation.cs中，定義函數(shù)clickAcquire()和clickReturn()，其功能分別是打開(kāi)和關(guān)閉“測(cè)試過(guò)程模擬”界面。

·為“Acquire”按鈕，添加On Click()事件，運(yùn)行Operation.cs中的函數(shù)clickAcquire()。為返回按鈕添加On Click()事件，運(yùn)行Operation.cs中的函數(shù)clickReturn()。

·創(chuàng)建Player.cs，聲明對(duì)象，并創(chuàng)建播放動(dòng)畫的函數(shù) movTexture.Play()和停止播放的函數(shù)movTexture.Stop()。

·將Player.cs和video目錄下兩個(gè)視頻文件testing.ogv和喇叭.ogv分別賦予到對(duì)象的MovTexture中。

·為“Acquire”按鈕添加兩個(gè)On Click()事件，運(yùn)行Player.cs的函數(shù)clickPlay()，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)視頻文件的同時(shí)播放。

·為返回按鈕添加兩個(gè)On Click()事件，運(yùn)行Player.cs的函數(shù)clickStop()，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)視頻文件的同時(shí)停止播放。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特色

(1) 二維和三維相結(jié)合。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，系統(tǒng)采用二維和三維結(jié)合的呈現(xiàn)方式。在需要提供直觀、形象感知時(shí)，采用三維模型或三維動(dòng)畫呈現(xiàn)。

(2) 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相結(jié)合。系統(tǒng)采用文本、圖片、模型、動(dòng)畫等媒體形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)信息。為了直觀、生動(dòng)和真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)的一些實(shí)際過(guò)程，系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程的幾個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，用二維或三維動(dòng)畫形式呈現(xiàn)。

(3) 參數(shù)設(shè)置和機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)變化狀態(tài)對(duì)應(yīng)。在天線測(cè)試設(shè)置時(shí)，將暗室內(nèi)部的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)及天線姿態(tài)的三維變化與參數(shù)設(shè)置放置在同一界面，直觀呈現(xiàn)參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生的效果。

(4) 測(cè)試過(guò)程天線運(yùn)動(dòng)變化和幅度、相位變化對(duì)應(yīng)。將測(cè)試過(guò)程中幅度、相位變化與天線運(yùn)動(dòng)變化的三維動(dòng)畫放置在同一界面，方便對(duì)照，使使用者全程觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，直觀了解電磁波的空間分布。

4 結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目采用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在微波暗室環(huán)境下天線方向圖測(cè)量的虛擬實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)能夠使使用者對(duì)微波暗室的構(gòu)成、布局以及功能獲得直觀認(rèn)知，了解天線測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成及使用方法，熟悉天線與電磁波的測(cè)量原理和技術(shù)，練習(xí)微波測(cè)量?jī)x器的操作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)天線或自定義天線進(jìn)行模擬測(cè)量；該系統(tǒng)也可輔助教師進(jìn)行理論教學(xué)與課堂演示。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，使原本昂貴復(fù)雜的空間電磁波分布測(cè)繪實(shí)驗(yàn)可以用電腦方便地自主完成。本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是虛擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)結(jié)合，是對(duì)虛擬技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)探索，也是對(duì)電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)擴(kuò)充和支撐，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。