基于unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)電子積木設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊昊冉 申婧 程圖峰 賴豪東 陳杰

摘要：電子積木是以積木形式實(shí)現(xiàn)電路組裝的科教型玩具，其較難的電學(xué)項(xiàng)目具有相對(duì)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于兒童科學(xué)教育過(guò)程中，開發(fā)兒童電子積木虛擬仿真系統(tǒng)，利用虛擬環(huán)境中靈活的觀察視角和動(dòng)畫演示，能夠解釋復(fù)雜電學(xué)項(xiàng)目拼裝過(guò)程，以生動(dòng)有趣、易于理解的方式實(shí)現(xiàn)以兒童為主要受眾的電路拼裝教學(xué)。在該系統(tǒng)中可以使用各類虛擬電子積木組件進(jìn)行多次拼裝嘗試，能夠培養(yǎng)兒童探索學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)習(xí)電路知識(shí)的興趣。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);兒童教育;電子積木

1 背景

電子積木是將導(dǎo)線、燈泡等電子元器件固定在塑料片上，用子母扣做成獨(dú)立可拼裝的配件，在安裝底板上像拼積木一樣拼裝電路組合的一種科教型玩具。其說(shuō)明書中只有一張拼裝完成后的平面圖，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的電路組合，無(wú)法給予孩子足夠的指導(dǎo)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)虛擬電子積木軟件，能夠在虛擬空間中提供易于兒童理解的，更詳細(xì)、準(zhǔn)確、直觀的觀察視角，實(shí)現(xiàn)有效的拼裝指導(dǎo)，減少體驗(yàn)過(guò)程中的挫敗感，使兒童能更好地獲得動(dòng)手完成項(xiàng)目的樂(lè)趣。本項(xiàng)目以科教玩具產(chǎn)品電子積木為原型，沿用其富有童趣的電學(xué)積木單元，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)環(huán)境中拼裝不同電路實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，提供和元件自由拼裝功能和逐過(guò)程的拼裝教學(xué)動(dòng)畫。兒童使用此軟件能夠直觀地了解到從簡(jiǎn)單到復(fù)雜電路的拼裝過(guò)程，觀察到電學(xué)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)效果，在探究、體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)中學(xué)習(xí)科學(xué)[1]。

2 需求分析

虛擬現(xiàn)實(shí)又叫虛擬仿真，放眼世界，虛擬現(xiàn)實(shí)教育的概念在2004年被正式提出[2]，因其具有沉浸感、交互性、想象性三大特征，能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境限制，在教育上有著極大潛力[3]。從目前各個(gè)虛擬仿真教育平臺(tái)和軟件的數(shù)量來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多用于高等教育和深層次教育[4-5]，其次是初高中課堂、課外教育，如中學(xué)物理電路虛擬實(shí)驗(yàn)室等有關(guān)教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真軟件，針對(duì)兒童的虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺(tái)和軟件較少，幼教應(yīng)用主要依托于實(shí)體產(chǎn)品，集中在益智玩具市場(chǎng)。

電子積木產(chǎn)品將電路組裝與富有童趣的積木拼接游戲結(jié)合，是一種廣受歡迎的寓教于樂(lè)玩具，而其受限于實(shí)體產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，存在難以清晰解釋玩法和原理、單款產(chǎn)品提供的電學(xué)元件種類有限等問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在體現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的前提下，為這些問(wèn)題提供相應(yīng)的解決方案。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目旨在開發(fā)出一款能夠給兒童足夠指導(dǎo)并能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性操作的虛擬仿真教育教學(xué)軟件，在能給兒童以足夠清晰的演示步驟的同時(shí)也擁有能夠在便攜設(shè)備上實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)操作的功能，主要功能模塊為電學(xué)知識(shí)科普、自由模式、教程模式。

電學(xué)知識(shí)科普模式下能夠通過(guò)圖片、文字、語(yǔ)音三種方式對(duì)兒童進(jìn)行電學(xué)知識(shí)普及，包括電子元件介紹、關(guān)于電的基礎(chǔ)小知識(shí)、安全用電教育和與元件相關(guān)的電子知識(shí)科普，可以在電子積木游戲之前進(jìn)行嚴(yán)肅的科學(xué)教育。兒童可以在自由模式中，自主選擇想要的電子元件，選擇方向和位置進(jìn)行放置，在此模式下可以自由變換視角，多角度的觀察電子元件的擺放，如果元件放置正確電路正確，關(guān)閉開關(guān)，會(huì)有對(duì)應(yīng)的電學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生。教程模式下可以選擇想要學(xué)習(xí)的電路，然后通過(guò)自動(dòng)播放和分步驟播放兩種形式觀看教程。

4 用戶界面設(shè)計(jì)

根據(jù)兒童身心發(fā)展特點(diǎn)[6]，為了使得此軟件能夠適合2-15歲全年齡的兒童使用，用戶界面和虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)中相應(yīng)地考慮到趣味性、易操作性和容錯(cuò)性的平衡。整體場(chǎng)景以明亮的色彩營(yíng)造充滿活力的環(huán)境氛圍，以簡(jiǎn)單的小玩具作為裝飾性元素，活潑可愛的界面風(fēng)格充滿童趣，能夠引起兒童使用軟件的興趣。

采用觸摸拖拽完成的直接操作作為主要交互方式，使得缺乏軟件操作經(jīng)驗(yàn)的兒童能夠像生活中使用手中物品一樣直接操作所觸碰到的元件，降低軟件使用初期的學(xué)習(xí)成本，激發(fā)兒童的探索欲。對(duì)于具備軟件操作經(jīng)驗(yàn)的父母來(lái)說(shuō)，在指導(dǎo)孩子時(shí)可使用常規(guī)的點(diǎn)擊交互模式，此模式下積木擺放操作簡(jiǎn)單，搭建過(guò)程得到簡(jiǎn)化，可以將更多的注意力放在跟孩子的溝通交流上?？紤]到容錯(cuò)性，軟件中除了搭建操作中的撤銷功能外，還在教程等動(dòng)畫解釋模塊中提供了便捷的分解和回看功能。

5 軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

5.1模型和場(chǎng)景制作

使用maya和blender兩個(gè)三維建模軟件完成整體模型制作。首先，對(duì)元件進(jìn)行測(cè)量，記錄每種元件的長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)，并拍照記錄其三視圖和配色，然后通過(guò)maya和blender軟件完成元件的模型制作，并且根據(jù)實(shí)際模型賦予模型貼圖，使用燈光渲染進(jìn)行深度烘焙將深度信息烘焙到模型貼圖，最后通過(guò)UV展開技術(shù)，將模型和貼圖導(dǎo)出成單一文件，最后導(dǎo)入到Uinty3d中使用。

5.2元件搭建邏輯結(jié)構(gòu)和搭建操作邏輯設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用unity2019.2以及visual2019中的.net4.0以上編程環(huán)境操作。

1）底盤實(shí)現(xiàn)

底盤索引值通過(guò)利用一個(gè)三維數(shù)組來(lái)對(duì)零件位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)，其中x，y分別存儲(chǔ)零件坐標(biāo)信息，z存儲(chǔ)零件高度信息，當(dāng)零件放置時(shí)，會(huì)基于零件當(dāng)前高度，零件自身長(zhǎng)度、旋轉(zhuǎn)度，調(diào)整底盤格子信息，同時(shí)，存儲(chǔ)一個(gè)零件放置時(shí)，被零件覆蓋的底盤格子信息，方便在零件拿起時(shí)還原放置前格子位置。

同時(shí)零件自身會(huì)儲(chǔ)存相應(yīng)的索引值，當(dāng)進(jìn)行拿起或者放置的操作時(shí)，底盤的索引數(shù)組將會(huì)基于零件高度添加零件自身的索引，例如放置一個(gè)3*1的導(dǎo)線時(shí)，底盤數(shù)組的三個(gè)相應(yīng)格子會(huì)增加一個(gè)高度，而且放置一個(gè)3*3的電池組時(shí)候，由于電池部分不再可操作，那么電池部分就為最大高度，而電池組接口處增加一個(gè)高度。

2）零件操作

當(dāng)鼠標(biāo)選擇工具欄生成需要的零件后，該零件就為選中零件，在pc端，零件處于可移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)通過(guò)獲取當(dāng)前鼠標(biāo)在的屏幕中的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)，具體為從mainCamera中發(fā)出一根射線，打倒世界中可與此射線碰撞的物體（軟件中的零件底盤），獲取到當(dāng)前的世界坐標(biāo)后，將零件位置信息中的x，y變化為此坐標(biāo)，便可以實(shí)現(xiàn)零件移動(dòng)。在Android端時(shí)，當(dāng)零件處于可移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)獲取用戶在屏幕中滑動(dòng)的滑動(dòng)向量，同時(shí)計(jì)算當(dāng)前攝像機(jī)與底盤中心點(diǎn)的夾角值，對(duì)零件的位置進(jìn)行變化。