長輸管道教學虛擬實驗裝置系統的開發

屈成亮 王雷 楊壯 楊志偉 劉棋(吉林化工學院石油化工學院， 吉林 吉林 132022)

長輸管道教學虛擬實驗裝置系統的開發

屈成亮 王雷 楊壯 楊志偉 劉棋(吉林化工學院石油化工學院， 吉林 吉林 132022)

本文是利用3ds Max與Unity3D軟件設計的一個可進行多視野觀察和人機交互操作的實驗裝置虛擬仿真系統。該系統的特點是對實驗器材進行多角度觀察、詳細講解、交互操作，使操作者對實驗相關內容掌握更充分。

3ds Max；Unity 3D；虛擬仿真系統

0 引言

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中去。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術、前沿學科和研究領域[1]。

本文將虛擬現實技術、計算機仿真技術和實驗室安全培訓與操作管理等業務知識結合在一起開發三維虛擬仿真實驗室，研究與開發長輸管道實驗的三維虛擬數字化安全管理系統，實現了長輸管道安全管理、作業流程管理、管網管理等功能，實驗操作者或企業員工可在三維虛擬場景中更真實地進行各種三維可視化監控、日常操作練習等，有效地提高了學習能力與工作效率。將虛擬動畫應用于教學中將是傳統教育史的突破，使學生們能走入3D時代，走入自我學習的時代。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[2]。

1 三維虛擬實驗室的構建步驟

在開發前先對實驗器材和環境進行實地考察，對器材的相關數據進行記錄，形成報告并進行可行性分析，當確定可行后開始虛擬仿真實驗室的開發。第一步對相關實驗器材和環境進行三維模型的建立，第二步進行相關實驗動畫的制作使模型得以完善，第三步對三維模型進行人機交互并進行相關的調試與各種源代碼的插入，第四部生成終端并進行測試與使用。

2 三維模型的建立

2.1 模型的構建

在3ds MAX中進行模型的建立。一些簡單的圖形可以利用基礎圖形進行構建，復雜的圖形需要先構建出二維圖形然后通過“擠出”構建所需要的三維模型，當所有小的模型構建后我們可以用使用組(鑲嵌)進行組合將多個小的模型組成一個大的成型模型。如控制臺的按鈕等也可以利用連接的方式進行組合。最后將我們所有模型組合到一起將形成最終模型。

2.2 模型的渲染

渲染指的是將制作好的場景通過渲染器進行實時觀察或最終輸出成圖片或動畫格式文件的過程。渲染器是3D引擎的核心部分，它完成將3D物體繪制到屏幕上的任務。在3ds Max中，渲染器可以說是最重要的一部分，當我們畫出我們所需要的圖形時，只有通過渲染才能得到我們想要的類似于實體的圖形。

VRay(簡稱VR)，是由Chaosgroup發布推出最新渲染器VRay。VRay相對其他渲染器來說是“業余級”的，這是因為其軟件編程人員都是來自東歐的CG愛好者，而不像別的渲染器那樣是由雄厚實力的大公司所支撐。但經過實踐表明，VRay的渲染效果絲毫不遜色于別的大公司所推出的渲染器。另外VRay也是目前使用最多的渲染器，本文也正是應用這種渲染器完成的。通過對比渲染前后的效果更突出了渲染的重要性，只有經過渲染后的模型我們才能真正用來人機交互并給操作者帶來真實感受。對整個虛擬仿真實驗系統起到點睛的作用，渲染了整個虛擬系統的環境，給人帶來強烈的視覺沖擊。

圖 1 渲染后模型

3 人機交互

3.1 人機交互過程

將模型導入Unity3D中，我們可按照真實的實驗操作對軟件中的人物進行編程使軟件中的人物可按照人們的指令去進行操作，達到人機交互的效果，使學習者走入其中[3]。

先進行鼠標的位置檢測然后做射線碰撞進行對話框的設置使操作者在點擊圖中某個設備時會彈出對話框進行介紹，這是最基礎的一步。然后對人物的各種動作進行設置，需要插入大量的源代碼，使人物能受鼠標和鍵盤的控制，如真人一樣進行各種動作。設備、儀表、控制臺等都需要插入大量的源代碼使之運行起來，并將人物與設備的運行進行連接起來，讓虛擬實驗室中的人物能對設備進行相關的操作。同時在系統中進行控制系統、檢錄系統、幫助系統、測評系統等輔助系統的插入，最后生成客戶端并進行相關的使用。

3.2 三維模擬仿真系統對話框添加

(1)碰撞器的設定

先創建一個界面，在該界面中會產生多個控件，給我們要點擊彈出對話框介紹的物體設置碰撞器。通過源代碼的插入我們將對碰撞器附加的剛體、碰撞器框的體積大小、啟用碰撞器將會碰撞其他碰撞器、禁用碰撞器就不會碰撞其他碰撞器、碰撞器是否是一個觸發器、用于碰撞器的材質、該碰撞器的共享的物理材質等進行相關問題進行設置[4]。

(2)鼠標位置檢測

進行鼠標的位置檢測，來確定鼠標所在的三維位置坐標，該過程為射線檢測與相關鼠標移動的設定作鋪墊。

(3)射線的檢測

在程序運行后，需要進行射線的檢測，對射線投射的物體進行設定。

(4)對話框的彈出

當射線檢測時我們需要把最先設置好的對話框彈出，這樣當我們單擊系統中設定的物體時將彈出對話框。

(5)對話框內容編輯

此步應是在設置對話框彈出前設定的，需要賦予框中控件的text值。例如如需對泵進行對話框介紹，我們要把框中控件的text值賦予為泵的名稱和相關功能的介紹，如果我們對控制臺進行對話框介紹，我們要把框中控件的text值賦予為控制臺的名稱和相關功能的介紹。

3.3 視野的調控

在我們設計的長輸管道三維虛擬仿真實驗室時，要求視野360度無死角。可以通過不同的角度對所建立的實驗裝置進行觀察，使學習者能更加充分的對所用實驗器材進行自主學習。

(1)整體移動

在整個長輸管道三維虛擬實驗室構建成的終端前，要求能將整個實驗器材和界面進行整體的上下左右全方位移動。在整個虛擬實驗室中我們通過長按鼠標左鍵進行上下左右的移動，從而達到不同的視覺效果。

(2)視野角度的移動

在長輸管道三維虛擬實驗室中，視野角度是可以通過我們的調控進行改變的。操作者可通過長按鼠標右鍵然后通過拖動鼠標進行視野角度的變換，從而表現出實驗器材在不同角度的狀態。

(3)視野距離的變換

長輸管道三維虛擬實驗室的視野距離是可以變換的。當比較近的距離觀察將起到對某一物體放大的效果，當比較遠的距離觀察時將起到整體的觀察效果。該變化在我們的終端中，將通過鼠標的滾輪進行控制。當鼠標滑輪逆時針的轉動時將逐漸減小操作者的視野距離，當鼠標滑輪順時針轉動時將逐漸加大操作者的視野距離。我們可以通過視野距離的調節來調節整個實驗所用器材和局部單個實驗器材的轉換。通過單個實驗器材的認識進而對整個實驗裝置的認識，從而使操作者對實驗裝置深層次的進行認識。

4 結語

本文探討了長輸管道虛擬仿真實驗技術，提出了長輸管道虛擬仿真系統整體模型與渲染，對模型的功能進行初步劃分，并介紹了基于3ds max 和unity3D進行虛擬實驗室創建的實現方法。虛擬實驗室的構建可以讓學生更好地掌握實驗目的、原理、實驗裝置介紹等。虛擬仿真技術在實驗教學中的合理使用，可明顯改善實驗的教學效果，提高學生的實驗積極性，同時使學生的創新能力、工程實踐能力、綜合素質等方面得到明顯提高。

[1]鄒湘軍，孫健,等，虛擬現實技術的演變發展與展望[J]，系統仿真學報，2004,(09) ：1905-1909.

[2]教育部辦公廳.開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知.[EB/OL]

[3]方沁.基于Unity和3dmax的虛擬實驗室三維建模設計與實現[D].北京郵電大學,2015.

[4]呂文梅,宋代廣.基于Unity3D與3Dmax的虛擬船舶液壓系統三維模型展示[J].軟件導刊,2014,13(06):74-76.

屈成亮(1980- )，男，吉林吉林人，碩士，講師，主要從事油氣儲運工程實驗教學與管理工作。