VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)初探

鐘宇虹

摘要：近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合在當(dāng)下就是一個比較熱門的應(yīng)用，由于其仿真度高、運(yùn)行成本低、教學(xué)效果好、同時還增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的安全性、降低了實(shí)驗(yàn)的成本等，受到了廣大師生的歡迎和喜愛，因此，在廣大院校尤其是中小學(xué)中應(yīng)用比較普遍。但對于職業(yè)院校來說，由于其課程的專業(yè)性和實(shí)踐性都要求非常強(qiáng)，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)難度和成本就非常高，很少有企業(yè)愿意開發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品，導(dǎo)致這塊在職業(yè)院校應(yīng)用的不是很理想。作為職業(yè)教育人，我們不應(yīng)該一味地等、靠、要，而應(yīng)該主動承擔(dān)責(zé)任，利用自己專業(yè)知識，整合相關(guān)專業(yè)的優(yōu)秀教師資源，開發(fā)一個適合于職業(yè)院校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)職業(yè)教育發(fā)展做一些有意嘗試。

關(guān)鍵詞：三維虛擬仿真;Unity3D;網(wǎng)絡(luò)布線

中圖分類號：G718? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）32-0211-03

1 引言

近年來，隨著芯片制造工藝的不斷提升，計算機(jī)的體積在沒有擴(kuò)大的前提下性能得到的飛速提高，這也就為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的推廣普及提供了前提條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其可以創(chuàng)造逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并為體驗(yàn)者提供與場景良好的交互等特點(diǎn)，使其在教育、游戲、醫(yī)療等方面得到較快的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合在當(dāng)下就是一個比較熱門的應(yīng)用，由于其具有良好的三維交互性、可操作性和場景逼真等特點(diǎn)[1]，同時還增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的安全性、降低了實(shí)驗(yàn)的成本等，受到了廣大師生的歡迎和喜愛，因此，在廣大院校尤其是中小學(xué)中應(yīng)用比較普遍。但對于職業(yè)院校來說，由于其課程的專業(yè)性和實(shí)踐性都要求非常強(qiáng)，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)難度和成本就非常高，很少有企業(yè)愿意開發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品，導(dǎo)致這塊在職業(yè)院校應(yīng)用的不是很理想。作為職業(yè)教育人，我們不應(yīng)該一味地等、靠、要，而應(yīng)該主動承擔(dān)責(zé)任，利用自己所掌握的專業(yè)知識，整合相關(guān)專業(yè)的優(yōu)秀教師資源，開發(fā)一個適合于職業(yè)院校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，讓所有學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的學(xué)生都有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的機(jī)會，而不僅僅是走走看看，為有效提升計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線課程的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)做一些有意嘗試。

三維虛擬仿真技術(shù)是以計算機(jī)圖形技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的視聽感受，并根據(jù)相應(yīng)的操作進(jìn)行交互。三維虛擬仿真技術(shù)有以下特點(diǎn)。

1）沉浸性。人通過使用虛擬設(shè)備使視覺和聽覺進(jìn)入到虛擬環(huán)境當(dāng)中，原有的各種生理感受被虛擬環(huán)境中的感受所替代，身體會隨著虛擬環(huán)境的變化做出物理反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生時能夠被虛擬設(shè)備中的傳感器檢測測到，進(jìn)而傳輸給計算機(jī)系統(tǒng)，改變虛擬環(huán)境里的物體狀態(tài)，給參與者帶來近乎真實(shí)的感受。

2）交互性。參與者借助專門的虛擬設(shè)備和反饋設(shè)備，接收虛擬環(huán)境中的變化信息，并根據(jù)虛擬環(huán)境的變化做出相應(yīng)的動作，使用專門的輸入設(shè)備對將動作反應(yīng)輸入到虛擬系統(tǒng)中，以便獲得最真實(shí)的體驗(yàn)，比如用手拿捏一個虛擬物體時，手指可以感受到這個虛擬物體的硬度和重量等。

3）想象性。人沉浸在虛擬的仿真環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，從綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，進(jìn)而產(chǎn)生豐富的想象。想象性是一種高級表現(xiàn)形式，是在沉浸性和交互性的作用下而產(chǎn)生的一種抽象性思維。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線是職業(yè)院校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的技能型課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)在學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握課程知識的過程中起到至關(guān)重要的作用。建設(shè)一個真實(shí)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)訓(xùn)場所投資巨大，而且使用率不高，對于大多數(shù)職業(yè)院校來說都難以承擔(dān)，因此，使用三維虛擬傳真技術(shù)開發(fā)一個接近真實(shí)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境就顯得很有必要。

三維虛擬仿真技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的開發(fā)應(yīng)用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域的新技術(shù)在教育領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是信息化教學(xué)的重要內(nèi)容，它改變該課程以往實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)難的局面，以較少的投入，較真實(shí)的模擬自然環(huán)境、工作環(huán)境、生活環(huán)境等，使得學(xué)生人人都可以得到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的機(jī)會。同時，它可以大大地減少耗材的使用，學(xué)生可以反復(fù)操作而不要擔(dān)心沒有實(shí)訓(xùn)器材。三維虛擬仿真技術(shù)還可以讓學(xué)生遠(yuǎn)離高空作業(yè)、高危環(huán)境作業(yè)，減少了發(fā)生事故的概率，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際操作前必須通過虛擬仿真系統(tǒng)的考核才能上崗作業(yè)，真正做到虛擬與現(xiàn)實(shí)無縫銜接。

本文通過使用通用游戲引擎Unity3D、C#編程開發(fā)、平面制圖軟件Auto CAD和三維建模軟件3ds Max，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境為背景，研究了三維虛擬仿真技術(shù)的可行性，并初步實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線簡單項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

2 需求分析

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線是職業(yè)院校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的技能型課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)操作對學(xué)生較好地掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線知識是非常重要的?，F(xiàn)在，大多數(shù)職業(yè)院校進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)訓(xùn)基本上是以下幾種方式。

1）通過觀看視頻、動畫、圖片等多媒體資源的方式，把操作步驟和要領(lǐng)熟記于心，并通過筆答的方式把操作流程和操作細(xì)節(jié)描述出來。這種方式以筆試代替實(shí)際操作，完全沒實(shí)踐過程，這不符合職業(yè)院校學(xué)生的教學(xué)特點(diǎn)和認(rèn)知特點(diǎn)，不利于學(xué)生掌握操作要領(lǐng)。時間一久，學(xué)生就掌握了具體的操作步驟和要領(lǐng)。

2）通過參觀樓宇現(xiàn)場，對網(wǎng)線布線有一個比較直觀的認(rèn)識，但由于這些樓宇的網(wǎng)線布線系統(tǒng)都在使用中，學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)際操作，因此，這次實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)對學(xué)生來說只是看看而已，而沒有任何動手實(shí)踐。

3）通過物理仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，用一個小型的金屬框架結(jié)構(gòu)來仿真建筑樓宇，學(xué)生在此金屬框架上進(jìn)行實(shí)際操作，對學(xué)生的實(shí)踐操作有一定的幫助。但由于這種物理仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)規(guī)模小，無法進(jìn)行大型工程的施工，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡單，無法完成復(fù)雜項(xiàng)目的操作。而且實(shí)訓(xùn)工位有限，每次實(shí)訓(xùn)要分組分批依次進(jìn)行，實(shí)訓(xùn)器材損耗較大。因此，這種物理仿真系統(tǒng)只在少數(shù)條件較好的職業(yè)院校有使用，并沒有大面積覆蓋。

從以上情況不難看出，大多數(shù)職業(yè)院校需要一種能模擬真實(shí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線的環(huán)境，并能帶來較好實(shí)訓(xùn)效果的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)：

1）要能非常逼真的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，讓學(xué)生有種身臨其境的感受，真正做到虛擬與現(xiàn)實(shí)無縫銜接;

2）要能模擬真實(shí)的交互效果，學(xué)生可以根據(jù)操作結(jié)果做出判斷和反應(yīng)，進(jìn)而決定后面的操作;

3）教師可以通過分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的情況，及時調(diào)整教學(xué)策略，改進(jìn)教學(xué)方法，有針對性地開展教學(xué);

4）降低實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的成本，可以一次性安排大批量學(xué)生的集體實(shí)訓(xùn);

5）實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)效果較好，能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固理論知識、掌握實(shí)操技能;

6）建設(shè)和維護(hù)成本合理，使得絕大多數(shù)職業(yè)院校都能夠承擔(dān)得起。

因此，把三維虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中，可以較好實(shí)現(xiàn)大多數(shù)職業(yè)院校對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的要求，為培養(yǎng)實(shí)踐技能型人才發(fā)揮作用。

3 系統(tǒng)設(shè)計

開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的流程可分為虛擬實(shí)驗(yàn)建模、虛擬實(shí)驗(yàn)場景搭建以及虛擬實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計3個階段[2]。

3.1 虛擬實(shí)訓(xùn)場景的構(gòu)建

虛擬實(shí)訓(xùn)場景的構(gòu)建要以真實(shí)環(huán)境為依據(jù)，以真實(shí)的物體為參照。在構(gòu)建虛擬物體之前，需要對真實(shí)物體進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，如物體的具體尺寸、數(shù)量、形狀、結(jié)構(gòu)及位置、并拍攝物體的相關(guān)圖片，為后期的3D建模做好準(zhǔn)備工作。虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境的制作是一個非常繁雜的過程，且涉及較多的計算機(jī)相關(guān)技術(shù)[3]。

在制作虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場景時，首先要根據(jù)真實(shí)物體的具體尺寸，使用AutoCAD繪制出整個實(shí)訓(xùn)大樓、實(shí)驗(yàn)室的平面空間圖，以確定建筑物內(nèi)房間的平面布局和位置。繪制好平面圖后，接下來就可以將AutoCAD平面結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入到三維建模軟件3DS MAX，并根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行三維建模，完成虛擬實(shí)訓(xùn)場所的創(chuàng)建。有了三維模型后，接著就是要對模型進(jìn)行貼圖、渲染，需要將建筑物的不同部分根據(jù)需要進(jìn)行材質(zhì)、紋理、色彩、光反射等物理屬性的設(shè)置，以達(dá)到較為真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境的效果，這樣才會讓學(xué)生有一種身臨其境的感受。

2.2 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的構(gòu)建

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制作與建筑物的建模過程差不多，但是建模的對象要更多、更復(fù)雜，因此，在建模前要統(tǒng)計好各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的尺寸、型號、數(shù)量、安放位置等。由于這些虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程要具有一定的交互作用，因此，必須把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的各種接口和功能模塊進(jìn)行單獨(dú)建模，最后再將這些模塊組合到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模型內(nèi)，實(shí)現(xiàn)具有虛擬通信交互功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建模過程與前面實(shí)訓(xùn)場所的建模過程相似，因此就不再具體化介紹了。

通過使用3DS MAX完成實(shí)訓(xùn)場所和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建模工作之后，需要把這些模型分別導(dǎo)出為兼容的 fbx格式，并導(dǎo)入到Unity3D開發(fā)環(huán)境，完成在游戲場景中的建模，并根據(jù)相互坐標(biāo)位置進(jìn)行安放。

3.3 虛擬交互實(shí)現(xiàn)

交互性是衡量虛擬仿真系統(tǒng)效果的重要方面，它能將物體的真實(shí)反饋通過相關(guān)的設(shè)備傳遞給操作者，讓操作者得到與真實(shí)設(shè)備近乎一致的感受。因此，交互性的設(shè)計與開發(fā)要貼近現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并能根據(jù)物理設(shè)備的工作原理來進(jìn)行交互，這樣才能達(dá)到逼真的效果。在Unity3D中的交互效果實(shí)現(xiàn)上，將使用C#語言進(jìn)行開發(fā)。

1）自主漫游的實(shí)現(xiàn)

為模仿人物在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的行為，在Unity3D開發(fā)環(huán)境中加入代表用戶的第一人稱對象，把該對象的行為與相應(yīng)的腳本代碼進(jìn)行綁定，腳本程序能夠根據(jù)對象的行為做出邏輯判斷，進(jìn)而改變物體的物理狀態(tài)。一個腳本就是對象的一個組件，只要把腳本拖曳到相應(yīng)對象的Inspector區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)與對象的綁定。學(xué)生可以通過操作鍵盤上的光標(biāo)鍵、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備來控制學(xué)生的走動行為，部分關(guān)鍵代碼如下：

2）碰撞檢測的實(shí)現(xiàn)

虛擬物體在虛擬場景內(nèi)運(yùn)動過程中難免會發(fā)生相互碰撞，當(dāng)碰撞發(fā)生時，虛擬物體應(yīng)當(dāng)發(fā)生相應(yīng)的物理變化，以反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物體的物理變化。碰撞檢測技術(shù)可以對虛擬物體的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，目的是避免碰撞發(fā)生時產(chǎn)生一些違背常理的現(xiàn)象出現(xiàn)，比如：可以避免運(yùn)動物體穿墻而過、穿過地面等現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

在Untiy3D中，虛擬物體在運(yùn)動過程中會調(diào)用其父類中的OnControllerColliderHit（）方法檢測是否與其他對象發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞，就可能通過使用hit.gameObject引用得到碰撞后的游戲?qū)ο?。部分關(guān)鍵代碼如下：

3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互功能的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)訓(xùn)過程中，虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有獨(dú)立的構(gòu)件屬性、功能、端口[5]，它要對學(xué)生的操作做出響應(yīng)，比如說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通電時虛擬設(shè)備要有指示燈閃爍、當(dāng)有網(wǎng)線連接到虛擬交換機(jī)的接口上時，交換機(jī)就要給指定的接口發(fā)送數(shù)據(jù)，接口收到數(shù)據(jù)后就發(fā)送給RJ45接頭，RJ45接頭把數(shù)據(jù)發(fā)給連接的網(wǎng)線，網(wǎng)線再把數(shù)據(jù)傳給另一頭的RJ45接頭……，虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的所有行為都要模擬真實(shí)設(shè)備工作行為，這樣才能達(dá)到較好的實(shí)訓(xùn)效果。部分關(guān)鍵代碼如下：

4 結(jié)論

本文對三維虛擬仿真技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的研究和實(shí)踐，通過使用游戲引擎Unity3D、C#編程開發(fā)、平面制圖軟件Auto CAD和三維建模軟件3DS MAX等完成了場景的搭建、設(shè)備的模擬，交互的實(shí)現(xiàn)，研究了虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所要用到的一些關(guān)鍵技術(shù)，并初步實(shí)現(xiàn)了簡單的《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線》實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，更復(fù)雜、更逼真的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容還將在以后的研究過程中逐步實(shí)現(xiàn)和完善，爭取為《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線》的課程實(shí)訓(xùn)創(chuàng)建一個優(yōu)良的虛擬仿真環(huán)境，讓更多職業(yè)院校都能夠?qū)崿F(xiàn)自己的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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