VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙守凱 林慧君

摘? 要： 利用VR技術(shù)，基于3ds Max設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，，使之其中包括VR實(shí)驗(yàn)臺(tái)、VR實(shí)驗(yàn)箱和相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器。闡述應(yīng)用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)一體機(jī)漫游VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和操作實(shí)驗(yàn)的步驟和方法。通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)象分析法得知，體驗(yàn)者能夠獲得沉浸性、交互性體驗(yàn)。大多數(shù)體驗(yàn)者認(rèn)為該VR實(shí)驗(yàn)室具有創(chuàng)新性和想象力，能夠激發(fā)他們的操作興趣，使之更好地理解實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)儀器和功能。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室; 3ds Max; Unity3D

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）04-48-03

Design and implementation of VR digital electronic technology laboratory

Zhao Shoukai， Lin Huijun

（Zhanjiang PreschoolEducation College， Zhanjiang， Guangdong 524037， China）

Abstract： Using VR technology， a VR digital electronic technology laboratory is designed and realized based on 3ds Max， which includes VR experiment platform， VR experiment box and related experiment instruments. This paper describes the steps and methods of using Unity3D engine by wearing a VR all in one to realize roaming the VR digital electronic technology laboratory and operating experiment. Through the application of phenomenological analysis， it is known that the experiencer can obtain the immersive and interactive experience. Most of the experimenters think that the VR digital electronic technology laboratory is innovative and imaginative， which can stimulate their interest in operation and make them better understand the relevant instruments and functions of the laboratory.

Key words： virtual reality technology; VR digital electronic technology laboratory; 3ds Max; Unity3D

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段組成一種虛擬環(huán)境，用戶借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進(jìn)行自然的交互，從而通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等獲得與真實(shí)世界相同感受[1]的一門交叉學(xué)科。與國(guó)外VR技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)VR技術(shù)雖起步較晚，但在國(guó)內(nèi)5G通信技術(shù)的引領(lǐng)帶動(dòng)下，巨大的市場(chǎng)需求和發(fā)展?jié)摿ν苿?dòng)下，正激勵(lì)越來(lái)越多高校、科研機(jī)構(gòu)、科技創(chuàng)新公司從事VR技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)，VR產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的盛宴時(shí)代。本文闡述應(yīng)用3dsMax建立VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室及多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱、芯片、信號(hào)燈、發(fā)光二極管及導(dǎo)線等相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將這些模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行交互式漫游功能編輯[2]，利用Unity 3D腳本編輯器對(duì)實(shí)驗(yàn)箱器件功能進(jìn)行VR開(kāi)發(fā)的方法。體驗(yàn)者可通過(guò)佩戴VR一體機(jī)實(shí)現(xiàn)在該VR實(shí)驗(yàn)室內(nèi)漫游，參觀并了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器。通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)象分析法[3]對(duì)學(xué)生做了一個(gè)問(wèn)卷調(diào)查，得知學(xué)生普遍獲得沉浸性、交互性、想象性體驗(yàn)，該VR實(shí)驗(yàn)室能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)興趣。

1 VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室功能模塊

該VR實(shí)驗(yàn)室的功能主要包括實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景設(shè)計(jì)及電源開(kāi)關(guān)的總體控制、通過(guò)數(shù)據(jù)手柄或鼠標(biāo)操作虛擬儀器碰撞體響應(yīng)控制、與或非芯片邏輯功能模擬、電路連線次序控制、文本輸出和提示控制、實(shí)驗(yàn)界面跳轉(zhuǎn)控制、實(shí)驗(yàn)重新開(kāi)始復(fù)位控制和實(shí)驗(yàn)操作者視角控制等各個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)者可通過(guò)穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)一體機(jī)在實(shí)驗(yàn)室漫游，展示實(shí)驗(yàn)室相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備;在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)漫游，看相關(guān)實(shí)驗(yàn)介紹。使參觀者獲得360?沉浸式體驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均可交互，通過(guò)文字介紹、動(dòng)畫(huà)、特效展示無(wú)法看到或講解的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)快速跳轉(zhuǎn)、瞬間移動(dòng)等位移功能，能快速跳轉(zhuǎn)到需要演示講解的內(nèi)容區(qū)域。

2 總體設(shè)計(jì)與制作流程

虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)需做到以下四點(diǎn)：逼真的外形外觀、精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、真實(shí)的電路原理、逼真的仿真現(xiàn)象[4]。其總體設(shè)計(jì)與制作流程如圖1所示。

在制作模型之前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物拍照、實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備實(shí)際尺寸測(cè)量等大量前期工作，得到整個(gè)實(shí)驗(yàn)室完整的建筑、設(shè)備數(shù)據(jù)，根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境存在的不足，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景做適當(dāng)修改，設(shè)計(jì)出優(yōu)美的理想實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、方便分組交流及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為滿足多人同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，且便于主講人進(jìn)行具體內(nèi)容介紹，設(shè)計(jì)1主機(jī)N從機(jī)漫游模式，主機(jī)控制所有VR設(shè)備內(nèi)參觀路線的選擇，各從機(jī)可獨(dú)立在該路線模式下進(jìn)行漫游交互。

由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、各實(shí)驗(yàn)室辦公區(qū)域以及試驗(yàn)區(qū)域的相關(guān)桌椅可能存在破舊或設(shè)計(jì)缺陷的情況，建議設(shè)計(jì)者在參照原物的基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)耐庥^創(chuàng)新設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取讓參觀者獲得較佳的VR實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景漫游體驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)?zāi)K均設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹和實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)效展示，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室大范圍漫游的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自由行走和快速瞬移兩種不同的移動(dòng)方式。

3 VR實(shí)驗(yàn)室及儀器設(shè)備制作

VR實(shí)驗(yàn)箱是整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的核心，該部分的模型包括引腳端口、電阻、功能芯片、發(fā)光二級(jí)管、電容、面板層、螺絲釘、電源開(kāi)關(guān)、實(shí)驗(yàn)箱把手等，是較為復(fù)雜的模型[5-7]，建模時(shí)盡量利用3DS MAX高級(jí)建模工具可編輯多邊形結(jié)合展UV操作建立模型，以便導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)用到的功能芯片有很多，比較典型的有74LS04反相器、74LS08二輸入四與門芯片、74LS145譯碼器、74LS151選擇器芯片、555定時(shí)器等多種。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的沉浸性，芯片模型的構(gòu)建要從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)上考慮，重點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件及其連接關(guān)系，為其添加必要的仿真功能。建立的VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱如圖2所示。

在建立VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的多功能應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)的相互協(xié)作性，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)既可以擺放實(shí)驗(yàn)箱，也可以擺放電腦等其他實(shí)驗(yàn)儀器，每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，以方便小組實(shí)驗(yàn)操作和交流。建立的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

在建立VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，應(yīng)兼有普通教室和實(shí)驗(yàn)室的功能，至少應(yīng)具備黑板、多媒體投影、電腦等教學(xué)設(shè)備，在渲染時(shí)應(yīng)添加覆蓋材質(zhì)，使烘焙出來(lái)的貼圖具備光影以方便導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后保留光影效果。為節(jié)省渲染時(shí)間，在測(cè)試渲染時(shí)預(yù)設(shè)改為非常低，正式渲染后再改為高。烘焙時(shí)每個(gè)物體單獨(dú)洪培，烘焙完之后再選中所有物體清除殼材質(zhì)，以免影響導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎后的效果。為營(yíng)造一個(gè)明亮的實(shí)驗(yàn)室燈光效果，可使用片燈，如有特殊需要（如投射燈等），可以根據(jù)實(shí)際情況打燈，該VR實(shí)驗(yàn)室設(shè)置漫游視角、設(shè)備認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)操作等功能、最終制作的VR數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室如圖4所示。

4 漫游設(shè)計(jì)與測(cè)試

應(yīng)用Unity平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一體機(jī)的漫游操作開(kāi)發(fā)，通過(guò)頭顯設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接，將體驗(yàn)者置身于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，進(jìn)行沉浸性體驗(yàn)。添加BoxCollider組件，使其可以接收來(lái)自手柄射線的碰撞檢測(cè)，控制UI按鈕腳本如下：

ProtectedvirtualvoidOnTriggerEnter（Collidercollider）

{ varcolliderCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_PlayerObject>（）;

varpointerCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_UIPointer>（）;

if （pointerCheck&&colliderCheck&&colliderCheck

.objectType==VRTK_PlayerObject.ObjectTypes.Collider）

{ pointerCheck.collisionClick=

（clickOnPointerCollision？true：false）; } }

體驗(yàn)者使用手柄選擇主機(jī)體驗(yàn)，通過(guò)UI提示直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境漫游，手柄點(diǎn)擊設(shè)備UI名稱，可實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)詳細(xì)介紹及實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)畫(huà)演示。通過(guò)點(diǎn)選觀察點(diǎn)，VR眼鏡內(nèi)容跟隨主機(jī)端控制而進(jìn)入對(duì)應(yīng)的沉浸式場(chǎng)景進(jìn)行自主觀看，該VR實(shí)驗(yàn)室漫游視角如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了驗(yàn)證該VR實(shí)驗(yàn)室的實(shí)用性及科學(xué)性，從參加《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生中選取20人，應(yīng)用現(xiàn)象分析法主要從學(xué)習(xí)支持、體驗(yàn)感等方面對(duì)學(xué)生做了一個(gè)問(wèn)卷調(diào)查，較為典型的意見(jiàn)為“有一定的創(chuàng)新性和想象力”、“有進(jìn)一步體驗(yàn)學(xué)習(xí)的愿望”、“我能更好的理解所學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“希望能參加更多的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)”等。從這些較為積極的評(píng)價(jià)中得知體驗(yàn)者對(duì)該VR實(shí)驗(yàn)室較為滿意。本研究只是完成了VR實(shí)驗(yàn)室相關(guān)儀器的開(kāi)發(fā)和部分實(shí)驗(yàn)的建立，后期將進(jìn)一步建立和完善數(shù)字電子技術(shù)課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

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