基于仿真技術(shù)的數(shù)字電路3D虛擬實驗室的設(shè)計

張麗娟

（甘肅省山丹培黎學(xué)校 甘肅 山丹 734100）

1 引言

與國外相比，我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展時間較晚，隨著國內(nèi)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逐漸重視，加之市場對虛擬現(xiàn)實技術(shù)擁有巨大的潛在需求，國內(nèi)對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入越來越大，極大地推動了國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。目前我國的虛擬仿真應(yīng)用已經(jīng)覆蓋電子、機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，此外在教育、醫(yī)學(xué)、軍事模擬、商業(yè)宣傳、工業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)等多個領(lǐng)域都有著極大的運(yùn)用前景，而生動逼真的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將來會與我們的日常生活息息相關(guān)[1]。本文利用3D數(shù)字電路建模技術(shù)建立數(shù)字電路實驗環(huán)境，通過搭建實驗室的芯片、試驗箱、信號燈、導(dǎo)線、桌椅等硬件材料，并將其運(yùn)用到數(shù)字3D中，開展用戶交互功能編輯，然后基于數(shù)字電路的邏輯特點利用程序腳本編輯器對于虛擬實驗室做獨(dú)立開發(fā)，為此本文首先闡述了數(shù)字電路3D虛擬實驗室的設(shè)計方案和建模，最后分析了虛擬實驗室的功能實現(xiàn)技術(shù)。

2 數(shù)字電路3D虛擬實驗室開發(fā)流程與建模

2.1 數(shù)字電路3D虛擬實驗室開發(fā)流程

設(shè)計一套完整的數(shù)字電路3D虛擬實驗室需要涉及實驗室外觀形象的設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計、電路圖原理設(shè)計以及逼真仿真現(xiàn)象模擬4個部分，其中具體的開發(fā)流程主要有：（1）采集原始素材；（2）3D Max建模；（3）將原始素材制作貼圖并將貼圖烘焙處理；（4）導(dǎo)出三維模型；（5）組裝交互；（6）導(dǎo)出到應(yīng)用軟件平臺。以上步驟從收集素材到導(dǎo)出模型至應(yīng)用軟件平臺，每個步驟都需要設(shè)計者精心設(shè)計，其中最關(guān)鍵的是建模和組裝交互2個模塊。本次建模是在建立靜態(tài)的實驗室模型，組織交互是在Unity3D靜態(tài)模型上通過自定義添加組間，來賦予實驗室的逼真屬性，將虛擬實驗室生動形象地展示出來，在這個過程中需要掛在C#腳本，凸顯視覺、人機(jī)以及元素之間的交互[2]。

本次虛擬實驗室選取了10個經(jīng)典模塊組件，主要包括 ：彩燈控制電路、交通燈工作狀態(tài)控制電路、燈光控制邏輯電路、序號發(fā)生器、雙向移位寄存器、叮咚門鈴控制電路、水龍頭控制電路、水泵控制電路、模11加法計算器、光控開關(guān)控制電路。具體的三維虛擬實驗室框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 三維虛擬實驗室框架設(shè)計

2.2 數(shù)字電路3D虛擬實驗室的模型構(gòu)建

本文基于3DMax建模，使用的是幾何建模與圖像建模結(jié)合的混合建模方式，虛擬實驗室靜態(tài)模型的元素主要包括以下2個部分：一是實驗環(huán)境構(gòu)成，包括桌椅、墻壁、地板、書架等；二是實驗操作部件，主要包括數(shù)碼管、電源開關(guān)、發(fā)光二極管、水箱水泵、功能芯片、數(shù)電試驗箱、繼電器等。為了突出虛擬實驗室的逼真效果，實驗室中所用的儀器可以用建模生成，然后使用渲染器對物品做烘焙渲染和貼圖，增加真實感。在建模過程中需要反復(fù)使用“合并原則”、模型復(fù)制技術(shù)、貼圖烘焙、群組等功能，這樣可有效提升建模效果，降低建模復(fù)雜程度[3]。

如圖2所示，試驗箱中的端口數(shù)量十分復(fù)雜多樣，為了降低計算機(jī)中場景占用過多的服務(wù)器資源，所有端口都是用一個渲染器，這樣便于在統(tǒng)一調(diào)整模型的外觀效果。此外在模型設(shè)計中，可采用三維視角來塑造實驗箱模型，將整個建模過程變得簡單便捷。

圖2 虛擬實驗環(huán)境

本次數(shù)字電路實驗運(yùn)用的芯片非常多，有555定時器芯片、74LS04反相器芯片等，為了提升虛擬實驗室的逼真感和沉浸式體驗感，構(gòu)建模型時，是從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)找出實驗操作關(guān)鍵部件以及部件之間的連接關(guān)系，進(jìn)而提升必要的仿真特性。當(dāng)構(gòu)建好功能芯片、實驗箱以及實驗環(huán)境等基礎(chǔ)后，開始連接導(dǎo)線，導(dǎo)線電路連接方式為：單機(jī)芯片的某兩個端口連接一條立體彎曲的導(dǎo)線，并跨接在兩個端口的中心之上。利用3DMax再建立高度差異化以及旋轉(zhuǎn)角度差異化的導(dǎo)線，每條導(dǎo)線由若干個錨點確定位置，某個錨點確定導(dǎo)向方向，某個錨點確定導(dǎo)向位置，通過調(diào)整錨點就能夠獲得自定義的導(dǎo)線模型，如圖3所示。

圖3 電路導(dǎo)線模型

3 數(shù)字電路3D虛擬實驗室的功能實現(xiàn)

本次基于數(shù)字電路的3D虛擬實驗室的功能開發(fā)分組模塊主要分為邏輯抽象、場景視角控制、碰撞響應(yīng)功能以及界面跳轉(zhuǎn)功能四個模塊。

3.1 邏輯抽象功能的實現(xiàn)

本此設(shè)計的虛擬實驗室包括10個綜合模塊，這10個綜合實驗?zāi)K是依據(jù)現(xiàn)實邏輯規(guī)則設(shè)計出滿足要求的邏輯功能電路。以實驗的水泵關(guān)閉開啟控制電路舉例，首先編寫水泵關(guān)閉開啟的控制腳本，將控制攪拌拖動到開關(guān)電路模塊中，接通電源后，檢測功能是否生效，然后連線腳本DrawLine，連線狀態(tài)改為true，變量isDraw輸出先決判斷條件。在水泵開關(guān)控制腳本中，需要多個控制腳本來實現(xiàn)變量的相互控制和相互聯(lián)系，比如水位傳感器觸發(fā)后，變量由低到高設(shè)置為X1、X2、X3、X4，而低于水面的檢測元件分別為A、B、C，傳感器給出高度水平為1；當(dāng)水面高度高于傳感器，傳感器給出結(jié)果為0。按照數(shù)字電路原理，水泵的控制公式：

3.2 場景視角控制實現(xiàn)

從使用者的視角來控制整個實驗室，此時可通過控制鼠標(biāo)進(jìn)入子實驗室，右擊鼠標(biāo)控制整個實驗室的旋轉(zhuǎn)和遙控，點擊鼠標(biāo)中間可實現(xiàn)對整個實驗?zāi)Ｐ偷钠揭?，滾動鼠標(biāo)滾輪可對實驗室做放大和縮小操作。以上對實驗室模型做的放大縮小、平移、遙控等操作是基于控制實驗室模型的上下限而執(zhí)行的，為了實現(xiàn)該功能需要運(yùn)用到相應(yīng)的代碼。Input,GetmoseButton（1）代表右鍵，可實現(xiàn)對模型的角度控制，（0）表示左鍵，（2）表示中鍵。例如：

If（Input,GetmoseButton（1））{//}檢測到鼠標(biāo)右擊

X+=Input,GetAxis（“Mouse X”）*xSPeed*0.02f://設(shè)定新位置橫坐標(biāo)

Y-=Input,GetAxis（“Mouse Y”）*xSPeed*0.02f://設(shè)定新位置縱坐標(biāo)

3.3 碰撞響應(yīng)的實現(xiàn)

使用基于數(shù)字電路的3D實驗室模型設(shè)計時，Unity3D工具提供的觸發(fā)器碰撞方式是目前最有效的碰撞方式，為了實現(xiàn)碰撞，只需將帶有碰撞觸發(fā)傳感器的腳本掛在需要碰撞的模型上。比如在傳感器監(jiān)測水位上升時，水體碰撞與傳感器碰撞觸發(fā)后，此時引發(fā)碰撞相應(yīng)的水體速度發(fā)生變化，碰撞傳感器相應(yīng)控制器接收到信號后會將水泵做開關(guān)操作。

碰撞體觸發(fā)的代碼表達(dá)方式為：

（1）void on mouse down（）{}//鼠標(biāo)按下

（2）if（Input,GetmoseButton Down（0））{}// 鼠標(biāo)左擊

（3）void on TriggerEnter（Colloder colloisionlnfo）{}//發(fā)生觸碰

3.4 界面跳轉(zhuǎn)的實現(xiàn)

虛擬實驗室系統(tǒng)分為1個主界面和10個子系統(tǒng)界面，其中10個子系統(tǒng)實驗室界面是獨(dú)模塊，這樣便于理清思路，降低開發(fā)難度。當(dāng)10個獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊開發(fā)完成后，就要設(shè)計者解決10個子系統(tǒng)模塊的界面跳轉(zhuǎn)和鏈接問題，本次設(shè)計的實驗室場景跳轉(zhuǎn)分為：（1）重啟后重新跳轉(zhuǎn)到主界面，這是一種實現(xiàn)對實驗場景復(fù)位的跳轉(zhuǎn)命令。當(dāng)用戶處于主界面“star”場景下，點擊sbr11“restar”，重新跳轉(zhuǎn)到“star”主界面；（2）系統(tǒng)關(guān)閉界面。在主界面與子系統(tǒng)界面右下角設(shè)置退出按鈕，點擊退出可退回到當(dāng)前實驗；（3）點擊鏈接跳轉(zhuǎn)到其他界面。當(dāng)實驗在完成狀態(tài)下，點擊跳轉(zhuǎn)，則已經(jīng)進(jìn)行的實驗的狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)跳轉(zhuǎn)到新場景后，再復(fù)位時，原有的實驗狀態(tài)變量需要達(dá)到復(fù)位時保存的狀態(tài)。

4 結(jié)語

本次設(shè)計的基于數(shù)字電路3D虛擬實驗室是結(jié)合虛擬仿真軟件的開發(fā)環(huán)境，有效運(yùn)用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并探索了邏輯代數(shù)知識以及數(shù)字電路知識，為用戶開發(fā)了一個沉浸式的生動逼真的3D數(shù)字虛擬實驗室。從收集素材到導(dǎo)出模型至應(yīng)用軟件平臺，每個步驟都需要設(shè)計者精心設(shè)計，才能將虛擬實驗室生動形象展示出來，凸顯視覺、人機(jī)以及元素之間的交互，后期通過對實驗環(huán)境以及場景部件進(jìn)行渲染和軟件腳本制作，才實現(xiàn)了電路的還原仿真。