基于Unity的工程制圖虛擬仿真實驗室的建設(shè)

潘亞威，徐國棟

（西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引 言

工程制圖是工程專用語言，“工程制圖”課程在高等工科課程中，尤其是對機械設(shè)計類專業(yè)的學(xué)生來說，是一門重要的基礎(chǔ)必修課，主要培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力和對構(gòu)思空間圖形概念的能力，而傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)與學(xué)習(xí)模式有諸多不便。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，以其沉浸式的虛擬環(huán)境給人一種身臨其境的感官體驗。

1 虛擬實驗室的特點

1.1 容量大、成本低

與傳統(tǒng)的課堂實物教學(xué)相比，虛擬實驗室不僅節(jié)約了教室空間成本，也節(jié)約了實驗儀器設(shè)備的建設(shè)成本。對于傳統(tǒng)教學(xué)可能存在的實驗器材短缺、實物教具因?qū)W生上課人數(shù)而出現(xiàn)不匹配。無法實現(xiàn)多人同時在線實操演練等現(xiàn)象都可以完美解決。對于教學(xué)的實際需要，只需在電腦上實時設(shè)定，就可以讓實驗課程變得更加簡單有效。只需一臺電腦或移動設(shè)備，便可完成線上實驗教學(xué)，大大減少了時間和空間成本。

1.2 功能更加完善

在實驗教學(xué)中，虛擬實驗室同時利用多媒體數(shù)字影音動畫播放、文字講述，當(dāng)用戶在操作虛擬實驗時，實時融入視頻、語音和文字操作的講解，以及用圖表的形式顯示出結(jié)果，方便快捷，這種圖文并茂的講解方式的便捷程度是只靠教學(xué)視頻播放和教師口述說明無法比擬的。

1.3 沉浸式交互體驗

虛擬實驗室能模擬真實環(huán)境，讓用戶仿佛置于真實場景中。在搭載的虛擬環(huán)境中通過虛擬按鍵或模擬設(shè)備在其中自由行走，360°實時觀察，逼真的實驗設(shè)備對人的交互實時做出反饋。這種沉浸式的數(shù)字化學(xué)習(xí)人機交互體驗可以讓用戶在身臨其境的環(huán)境中主動探索，激發(fā)自身的學(xué)習(xí)積極性和探索欲。

2 “工程制圖”虛擬實驗室建立的必要性

工程制圖是高校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，隨著近些年來高校的擴招，學(xué)生人數(shù)的增加，工程制圖課堂教學(xué)對模型的需求與日俱增。然而實物模型因不易攜帶，易損耗需要維護，數(shù)量有限不能靈活管理，因此在實際教學(xué)活動中有著諸多不便。

高校開設(shè)的工程制圖課程課時相比主課程來說并不多，缺少監(jiān)督考察。且部分學(xué)生課后作業(yè)不認(rèn)真，并且由于手動作圖有諸多條件限制，使得學(xué)生因缺乏練習(xí)使得熟練度不高。

工程制圖具有很強的空間和抽象性，需要學(xué)生有很強的空間想象能力。雖然隨著教育信息化的發(fā)展，在工程制圖課中多媒體技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，但現(xiàn)有的教學(xué)軟件多采用圖片和視頻來實現(xiàn)的，其交互過程中自主性較差，缺乏靈活的交互行為。從2020年至今，根據(jù)疫情防控要求，高校課程改革面臨著從“線下”向“線上”轉(zhuǎn)變的需要，充分發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢。因此，以當(dāng)前工程制圖課程為基準(zhǔn)，基于Unity3D 軟件，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相機結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建一個可以實時交互、具有沉浸感的虛擬實驗室勢在必行。

開發(fā)基于Unity 的工程制圖沉浸式虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件，建立工程制圖在線教學(xué)網(wǎng)站。軟件借鑒網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)置關(guān)卡，將VR 敘事的方法應(yīng)用到虛擬仿真實驗開發(fā)中，每關(guān)將學(xué)習(xí)、練習(xí)、思政、娛樂融為一體。用戶可以不受操作系統(tǒng)的限制，從手機或電腦端從不同角度觀察、縮放、旋轉(zhuǎn)模型，以任意平面剖切模型，實時投影生成工程圖，實現(xiàn)交互操作。逼真切具有沉浸感的操作環(huán)境能提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性。

3 “工程制圖”虛擬實驗室的搭建設(shè)計

3.1 模型庫的搭建

在工程制圖虛擬實驗室的建設(shè)中，所用到的所有實體模型均采用UG、CATIA、Solid Works 和3Ds Max 等三維軟件進行構(gòu)建。依托現(xiàn)有的教材，通過對教材所用到的模型進行測繪，按比例構(gòu)建教材中所用到的模型，避免因虛擬實驗室的模型與教材不匹配給用戶帶來不便。

工程制圖虛擬模型庫包括點線面投影模型所用的畫法幾何、基本體及其組合成的組合體庫、常用標(biāo)準(zhǔn)件零件模型庫如螺紋、齒輪、軸承、鍵、銷等模型。將模型文件導(dǎo)出成FBX 格式，在Unity 中加載到Assets 文件夾下，此時這個模型在Unity3D 中作為預(yù)設(shè)體Prefab 存在，便于使用。

3.2 工程制圖虛擬實驗室的設(shè)計

工程制圖虛擬實驗室特色之一是課程知識與游戲功能進行結(jié)合，在游戲功能層的基礎(chǔ)上，將課程內(nèi)容與游戲功能相結(jié)合，做到寓教于樂，學(xué)生在輕松游戲同時，也掌握了課程知識，合理搭建游戲場景，讓枯燥的課程內(nèi)容在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中變得有趣起來，使學(xué)生沉浸其中。

工程制圖虛擬實驗室結(jié)構(gòu)的設(shè)計以課程知識為基礎(chǔ)，根據(jù)章節(jié)知識細分，將游戲關(guān)卡和練習(xí)考試融入其中，采用自上而下的結(jié)構(gòu)框架。如圖1所示為工程制圖虛擬實驗室結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 工程制圖虛擬實驗室結(jié)構(gòu)設(shè)計

明確了功能模塊后，從用戶的需求出發(fā)，將每個功能模塊串聯(lián)起來便構(gòu)成了虛擬實驗室。UI 設(shè)計效果如圖2所示。

圖2 虛擬實驗室界面

采用自上而下的構(gòu)架設(shè)計，先確定好主題，再按章節(jié)內(nèi)容細分到各個小節(jié)知識設(shè)計。工程制圖虛擬實驗室的部分界面如圖3所示。

圖3 剖切部分章節(jié)界面設(shè)計

在零件拆裝的模塊中，點擊拆裝UI 按鈕，進入拆裝界面，通過鼠標(biāo)點擊移動零件即可激活該零件進行自由拖拽。將拆裝步驟設(shè)定好之后，系統(tǒng)會根據(jù)操作者拆裝的順序進行判斷，若步驟錯誤則無法激活裝配體，并給出提示。當(dāng)裝配完成且全部正確后，TXT框則會做出“裝配完成”的文字提示。虛擬拆裝和運行原理模塊如圖4所示。

圖4 虛擬拆裝與運行原理模塊

當(dāng)工程制圖課程知識被安排好后，需要將課程知識與游戲功能進行結(jié)合，因此，在游戲功能層的基礎(chǔ)上，把課程知識與游戲功能適當(dāng)結(jié)合起來。讓學(xué)生在無感知的情況下，通過玩游戲，解決游戲中的游戲任務(wù)，輕松而愉快地掌握工程制圖的課程知識。

3.3 漫游相機功能的實現(xiàn)

環(huán)境交互設(shè)置為了增加虛擬實驗室的生動性，對交互界面進行了設(shè)置，通過設(shè)置相機Camera 屬性中的camera 組件，背景效果為自定義的Camera Clear Flags.Solid Color；同時在添加組件Add Component 中添加Audio 音頻組件，使虛擬交互界面更加形象生動。

為了增加空間感和操作感，將模型以全方位視角形式展示給用戶，需要360°全角度觀察模型，實現(xiàn)學(xué)生與虛擬實驗室中模型的全方位人機交互的自主性和靈活性。這需要使用Unity 相機模塊。操縱相機旋轉(zhuǎn)、縮放、平移相機視野來實現(xiàn)。創(chuàng)建C#腳本，將其掛載到創(chuàng)建的攝像機camera 下。實現(xiàn)其功能的部分代碼為：

其中Target 表示旋轉(zhuǎn)以及縮放中心的目標(biāo)物體。通過鼠標(biāo)滾輪（Mouse ScrollWheel）控制相機與目標(biāo)距離Distance 來實現(xiàn)物體的縮放。點擊鼠標(biāo)右鍵Input.GetMouseButton(1)，調(diào)用Quaternion.Euler（）方法實現(xiàn)相機繞物旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

基于Unity3D 開發(fā)的工程制圖虛擬仿真實驗室能應(yīng)用于各大院校的工程制圖課程教學(xué)中，特別是針對機械專業(yè)的學(xué)生，如車輛工程、機械制造及其自動化、機電工程、汽車服務(wù)過程、交通運輸?shù)葘I(yè)，通過沉浸式的人機交互來學(xué)習(xí)工程制圖知識，豐富和優(yōu)化教學(xué)方法，建立“以學(xué)生為中心，以興趣帶動學(xué)習(xí)”的新型游戲化學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生通過虛擬仿真的方式來掌握知識，感受愉快的學(xué)習(xí)體驗，進而激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，主動去學(xué)習(xí)知識，提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。