Unity3D畫(huà)法幾何三維交互式課件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李波 李秋怡 宣珊珊

摘要：畫(huà)法幾何是工科類(lèi)學(xué)生必修的一門(mén)基礎(chǔ)課程，作為最早開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課程之一，其重要性不言而喻，該課程對(duì)學(xué)生的手工繪圖能力以及空間思維能力具有奠基的作用。在當(dāng)今的科教背景下，PPT已經(jīng)成為教師授課的主要工具。但對(duì)于概念抽象，空間性強(qiáng)的畫(huà)法幾何課程來(lái)說(shuō)，PPT已經(jīng)無(wú)法為學(xué)生提供最佳的教學(xué)效果。為了幫助學(xué)生理解畫(huà)法幾何課程，彌補(bǔ)傳統(tǒng)課件的不足。該研究利用Unity3D技術(shù)，設(shè)計(jì)與制作了一款適用于畫(huà)法幾何學(xué)科的三維交互式課件。該課件通過(guò)為三維模型搭建虛擬仿真場(chǎng)景，再現(xiàn)了畫(huà)法幾何課程中點(diǎn)線面投影，組合體投影，曲面投影等運(yùn)動(dòng)過(guò)程，使學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互形式，完成畫(huà)法幾何課程的學(xué)習(xí)，達(dá)到深入理解空間模型的變化及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的效果。

關(guān)鍵詞：Unity3D;畫(huà)法幾何;三維交互式課件;交互性;虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

畫(huà)法幾何這門(mén)課程是工科類(lèi)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程，主要研究空間形體變化與它在平面上投影的圖形之間的關(guān)系，概念抽象，具有較大的理解難度嘲。該課程對(duì)學(xué)生的手工繪圖能力以及空間思維能力具有奠基的作用，學(xué)好這門(mén)課程將為后續(xù)的課程以及今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前這門(mén)課程的教學(xué)方式主要以PPT和Flash動(dòng)畫(huà)為主，雖然PPT對(duì)教授課程有很大的幫助，有些動(dòng)畫(huà)甚至可以達(dá)到很好的效果，但對(duì)于理解難度較大的畫(huà)法幾何課程而言，在課堂的講解過(guò)程中由于對(duì)形體和投影的三維空間表現(xiàn)力不足，交互式弱，講解比較困難，無(wú)法達(dá)到最佳的教學(xué)效果。畫(huà)法幾何三維交互式課件通過(guò)為三維模型搭建虛擬仿真環(huán)境，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的模型運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行模擬。使用畫(huà)法幾何三維交互式課件時(shí)，通過(guò)使用交互設(shè)備硬件和虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬模型進(jìn)行交互，觀察與真實(shí)模型相識(shí)的變化過(guò)程。畫(huà)法幾何三維交互式課件可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課件在三維空間表現(xiàn)力不足，交互式弱所帶來(lái)的的問(wèn)題，并且能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)畫(huà)法幾何課程的興趣和效率。本文基于Unity3D平臺(tái)制作了三維交互式課件程序，通過(guò)實(shí)景仿真技術(shù)，為學(xué)生提供了一款虛擬的畫(huà)法幾何三維交互式課件。

1開(kāi)發(fā)背景介紹

1.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)Unity3D的介紹

Unity3D是一款適用于三維游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等綜合性開(kāi)發(fā)引擎。Unity3D與其他虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：它能夠同時(shí)處理音頻、視頻、圖形、三維模型等文件，人機(jī)交互性強(qiáng)，可以利用內(nèi)置的引擎模擬實(shí)際物體的運(yùn)動(dòng)變化嘲。同時(shí)支持C#、JavaScript等多種腳本語(yǔ)言。并且可以在多個(gè)平臺(tái)發(fā)布。本文以Unity3D作為虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在Unity3D中為三維模型提供虛擬仿真環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)畫(huà)法幾何三維交互式課件系統(tǒng)所需要的UGUI界面，渲染貼圖，交互式控制，旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)等關(guān)鍵技術(shù)。

2畫(huà)法幾何三維交互式課件制作思路

基于Unity3D的畫(huà)法幾何三維交互式課件制作包括教學(xué)三維形體的制作、虛擬仿真場(chǎng)景的搭建、形體動(dòng)畫(huà)展示、交互功能的實(shí)現(xiàn)、聲音圖片文檔視頻等輔助教學(xué)文件的實(shí)時(shí)控制、課件的發(fā)布等五個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1教學(xué)三維形體的制作

由于Unity3D引擎只提供一些簡(jiǎn)單的模型，如正方體、球體、膠囊體等，想要制作復(fù)雜的教學(xué)三維形體需要借助3Ds max軟件。在3Ds max中創(chuàng)建的形體各部分尺寸需要和畫(huà)法幾何課本中圖例要求一致，畫(huà)法幾何課程對(duì)形體的投影要求高，形體在三視圖中的投影要準(zhǔn)確、清晰，如果形體運(yùn)動(dòng)，投影也會(huì)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。最后將模型、動(dòng)畫(huà)以FBX的格式從3Ds max中導(dǎo)出，基于.FBX的三維格式，使得模型可以無(wú)損地從三維模型軟件導(dǎo)入到Unity3D中，如果覺(jué)得模型的仿真度不高，可以在Unity3D中對(duì)形體添加材質(zhì)球效果，效果會(huì)更加的逼真。

2.2虛擬仿真場(chǎng)景的搭建

由于Unity3D無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜模型的制作，只能通過(guò)自帶的天空盒背景簡(jiǎn)單達(dá)到虛擬場(chǎng)景的效果，所以需要在建模軟件中3Ds max中進(jìn)行復(fù)雜三維模型場(chǎng)景的構(gòu)建，如教室、黑板等，場(chǎng)景構(gòu)建完成后為了保證模型材質(zhì)等不受到損失以.FBX的格式導(dǎo)入，將.FBX的文件導(dǎo)入到Unity3D中，對(duì)場(chǎng)景添加材質(zhì)球效果，在材質(zhì)球中導(dǎo)入相應(yīng)真實(shí)場(chǎng)景的紋理貼圖，貼圖完成后，場(chǎng)景更加的真實(shí)，達(dá)到虛擬仿真的效果。課件的界面包括課程主界面，章節(jié)選擇按鈕，動(dòng)畫(huà)、聲音、視頻播放按鈕，其他命令按鈕。在場(chǎng)景中新建UI界面，在界面中將模型、圖片、文字等組件進(jìn)行合理的位置擺放，并通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件的打開(kāi)與關(guān)閉。為每一個(gè)章節(jié)中的內(nèi)容展示新建一個(gè)場(chǎng)景放置，通過(guò)識(shí)別用戶(hù)按下的按鈕，調(diào)用LoadScene（）方法實(shí)現(xiàn)指定內(nèi)容場(chǎng)景的切換，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)章節(jié)的變化。

2.3形體動(dòng)畫(huà)展示

形體動(dòng)畫(huà)是畫(huà)法幾何三維交互式課件的關(guān)鍵，通過(guò)虛擬模型動(dòng)畫(huà)全方位展現(xiàn)空間形體的形成變化和相應(yīng)投影圖形的變化。實(shí)現(xiàn)模型的自由變化需要采用腳本語(yǔ)言編寫(xiě)控制代碼形成腳本文件，將腳本文件加載到需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的形體上，運(yùn)行程序時(shí)形體就能按照腳本所編輯的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。目前Unity3D支持的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有JavaScript、C#、Boo三種，三種語(yǔ)言的編輯邏輯和運(yùn)行效率都不相同。本文選用C#這種邏輯簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。具體實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果如下：

1）攝像機(jī)的控制。通過(guò)加載在攝像機(jī)上的腳本控制攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移，通過(guò)改變攝像機(jī)的視角，全方位360°的觀看教學(xué)形體。在腳本中通過(guò)改變Transform組件中的position和Rotation屬性進(jìn)行攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)形體的全方位觀察。

2）形體的形成。形成動(dòng)畫(huà)是針對(duì)教學(xué)模型自身的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)判斷教學(xué)模型的長(zhǎng)度、寬度以及高度是否到達(dá)書(shū)本要求的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，若未達(dá)到，則繼續(xù)生成圖形，若達(dá)到，則停止動(dòng)畫(huà)，在形體的形成過(guò)程中，形體的三視圖投影也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在腳本中通過(guò)首先IF語(yǔ)句判斷教學(xué)模型尺寸是否滿足，若未達(dá)到則通過(guò)教學(xué)模型Transform組件中的position生成長(zhǎng)度直到到達(dá)要求，部分腳本如下：

3）三視圖的形成。形體的三視圖指左視圖、正視圖、俯視圖，是形體分別向三個(gè)平面投影所得到平面圖形。由于Unity3D是無(wú)法自動(dòng)生成形體的三視圖，因此形體的三視圖是在三維軟件3Dsmax中實(shí)現(xiàn)的，將形體的三視圖以.FBX格式導(dǎo)入到Unity3D中，把三視圖分別放置到對(duì)應(yīng)三個(gè)面中，確保位置與形體對(duì)應(yīng)。開(kāi)始時(shí)將三視圖的可見(jiàn)關(guān)閉。在腳本中通過(guò)IF語(yǔ)句判斷形體是否與相應(yīng)的三個(gè)面接觸，若接觸則將相應(yīng)的視圖可見(jiàn)打開(kāi)。

2.4交互功能的實(shí)現(xiàn)

2.4.1自由視角查看

自由視角查看允許使用者從形體的任意高度或視角觀察形體的總體情況，能對(duì)形體的整體有更加清晰的理解與認(rèn)識(shí)。使用者可以通過(guò)鼠標(biāo)或者觸屏旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)任意角度觀察形體，或使用鍵盤(pán)按鍵WASD控制攝像機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來(lái)觀察形體。

2.4.2功能演示

通過(guò)鼠標(biāo)或者觸屏點(diǎn)擊課件主界面的按鈕，來(lái)對(duì)課件的各個(gè)功能進(jìn)行演示。例如點(diǎn)擊主界面的開(kāi)始演示按鈕，形體則自動(dòng)按照編寫(xiě)的腳本代碼實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和變化。點(diǎn)擊演示結(jié)束按鈕，則形體按照編寫(xiě)的腳本代碼停止運(yùn)動(dòng)。

2.5聲音文檔視頻等輔助教學(xué)文件的實(shí)時(shí)控制

將聲音、圖片、文檔、視頻等文件導(dǎo)入到三維交互式課件中進(jìn)行輔助教學(xué)，幫助學(xué)生更加理解教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)編寫(xiě)代碼形成腳本文件存放在UGUI控件中，進(jìn)行教學(xué)文件的實(shí)時(shí)控制，UGUI控件包括顯示題目、打開(kāi)圖片、播放視頻等其他功能性插件，開(kāi)始時(shí)，聲音、圖片、文檔、視頻等文件被隱藏，通過(guò)點(diǎn)擊UGUI控件，計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取腳本的函數(shù)和參數(shù)，并輸出運(yùn)算結(jié)果;如果程序錯(cuò)誤，點(diǎn)擊UCUI控件沒(méi)有反應(yīng)，程序會(huì)發(fā)生報(bào)錯(cuò)。

2.6課件的發(fā)布

Unity3D編輯器運(yùn)行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布產(chǎn)品至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android等多個(gè)平臺(tái)。課件可以發(fā)布為.exe程序，在電腦上直接雙擊鼠標(biāo)打開(kāi)即可使用課件，也可以發(fā)布到IOS、Android等移動(dòng)平臺(tái)，學(xué)生可以直接在手機(jī)上通過(guò)觸屏控制觀看課件，操作簡(jiǎn)單。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的課件對(duì)畫(huà)法幾何課程三維表現(xiàn)力的不足，本文結(jié)合Unity3D技術(shù)，對(duì)教學(xué)三維形體的制作、虛擬仿真場(chǎng)景的搭建、形體動(dòng)畫(huà)展示、交互功能的實(shí)現(xiàn)等功能進(jìn)行了三維交互式課件的制作，進(jìn)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該課件和傳統(tǒng)課件相比具有三維空間性高，交互式強(qiáng)，便于理解等優(yōu)點(diǎn)，并且畫(huà)法幾何三維交互式課件作為教學(xué)工具提高了學(xué)生們的空間想象能力和思維能力，增加了對(duì)學(xué)習(xí)畫(huà)法幾何課程的興趣和效率。但是本課件仍然有不足之處如課件缺少文字不能為使用者提供說(shuō)明解釋?zhuān)约罢n件的內(nèi)存太大等。在后續(xù)的改進(jìn)中，將進(jìn)一步完善本課件，為使用者提供更為完美的交互體驗(yàn)。