VR數字電子技術實驗室的設計與實現

趙守凱 林慧君

摘? 要： 利用VR技術，基于3ds Max設計并制作出一個VR數字電子技術實驗室，，使之其中包括VR實驗臺、VR實驗箱和相關實驗儀器。闡述應用Unity3D引擎實現一體機漫游VR數字電子技術實驗室和操作實驗的步驟和方法。通過應用現象分析法得知，體驗者能夠獲得沉浸性、交互性體驗。大多數體驗者認為該VR實驗室具有創新性和想象力，能夠激發他們的操作興趣，使之更好地理解實驗室的相關儀器和功能。

關鍵詞： 虛擬現實技術; VR數字電子技術實驗室; 3ds Max; Unity3D

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）04-48-03

Design and implementation of VR digital electronic technology laboratory

Zhao Shoukai， Lin Huijun

（Zhanjiang PreschoolEducation College， Zhanjiang， Guangdong 524037， China）

Abstract： Using VR technology， a VR digital electronic technology laboratory is designed and realized based on 3ds Max， which includes VR experiment platform， VR experiment box and related experiment instruments. This paper describes the steps and methods of using Unity3D engine by wearing a VR all in one to realize roaming the VR digital electronic technology laboratory and operating experiment. Through the application of phenomenological analysis， it is known that the experiencer can obtain the immersive and interactive experience. Most of the experimenters think that the VR digital electronic technology laboratory is innovative and imaginative， which can stimulate their interest in operation and make them better understand the relevant instruments and functions of the laboratory.

Key words： virtual reality technology; VR digital electronic technology laboratory; 3ds Max; Unity3D

0 引言

虛擬現實（VirtualReality，VR）技術是指采用計算機技術為核心的現代高科技手段組成一種虛擬環境，用戶借助特殊的輸入/輸出設備，與虛擬世界中的物體進行自然的交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同感受[1]的一門交叉學科。與國外VR技術相比，國內VR技術雖起步較晚，但在國內5G通信技術的引領帶動下，巨大的市場需求和發展潛力推動下，正激勵越來越多高校、科研機構、科技創新公司從事VR技術研究和開發，VR產業將迎來消費級產品的盛宴時代。本文闡述應用3dsMax建立VR數字電子技術實驗室及多功能實驗臺、實驗箱、芯片、信號燈、發光二極管及導線等相關實驗設備，將這些模型導入Unity3D進行交互式漫游功能編輯[2]，利用Unity 3D腳本編輯器對實驗箱器件功能進行VR開發的方法。體驗者可通過佩戴VR一體機實現在該VR實驗室內漫游，參觀并了解相關實驗設備和儀器。通過應用現象分析法[3]對學生做了一個問卷調查，得知學生普遍獲得沉浸性、交互性、想象性體驗，該VR實驗室能激發他們的學習實驗興趣。

1 VR數字電子技術實驗室功能模塊

該VR實驗室的功能主要包括實驗室場景設計及電源開關的總體控制、通過數據手柄或鼠標操作虛擬儀器碰撞體響應控制、與或非芯片邏輯功能模擬、電路連線次序控制、文本輸出和提示控制、實驗界面跳轉控制、實驗重新開始復位控制和實驗操作者視角控制等各個部分。實驗者可通過穿戴虛擬現實一體機在實驗室漫游，展示實驗室相關實驗設備;在實驗室內漫游，看相關實驗介紹。使參觀者獲得360?沉浸式體驗，每個實驗點均可交互，通過文字介紹、動畫、特效展示無法看到或講解的實驗內容，通過快速跳轉、瞬間移動等位移功能，能快速跳轉到需要演示講解的內容區域。

2 總體設計與制作流程

虛擬實驗室的設計需做到以下四點：逼真的外形外觀、精細的內部結構、真實的電路原理、逼真的仿真現象[4]。其總體設計與制作流程如圖1所示。

在制作模型之前，通過現場實物拍照、實驗器材設備實際尺寸測量等大量前期工作，得到整個實驗室完整的建筑、設備數據，根據真實實驗室環境存在的不足，對真實實驗場景做適當修改，設計出優美的理想實驗場景、方便分組交流及團隊協作的實驗臺，為滿足多人同時進行實驗操作，且便于主講人進行具體內容介紹，設計1主機N從機漫游模式，主機控制所有VR設備內參觀路線的選擇，各從機可獨立在該路線模式下進行漫游交互。

由于真實實驗室內部空間結構、各實驗室辦公區域以及試驗區域的相關桌椅可能存在破舊或設計缺陷的情況，建議設計者在參照原物的基礎上作適當的外觀創新設計，爭取讓參觀者獲得較佳的VR實驗室場景漫游體驗。各實驗模塊均設計內容介紹和實驗過程動效展示，針對實驗室大范圍漫游的特點，設計自由行走和快速瞬移兩種不同的移動方式。

3 VR實驗室及儀器設備制作

VR實驗箱是整個實驗操作的核心，該部分的模型包括引腳端口、電阻、功能芯片、發光二級管、電容、面板層、螺絲釘、電源開關、實驗箱把手等，是較為復雜的模型[5-7]，建模時盡量利用3DS MAX高級建模工具可編輯多邊形結合展UV操作建立模型，以便導入Unity3D引擎進行交互式開發。數字電子技術實驗用到的功能芯片有很多，比較典型的有74LS04反相器、74LS08二輸入四與門芯片、74LS145譯碼器、74LS151選擇器芯片、555定時器等多種。為了增強實驗的沉浸性，芯片模型的構建要從芯片內部結構上考慮，重點設計關鍵部件及其連接關系，為其添加必要的仿真功能。建立的VR數字電子技術實驗箱如圖2所示。

在建立VR數字電子技術實驗臺時，考慮到實驗臺的多功能應用和實驗的相互協作性，該實驗臺既可以擺放實驗箱，也可以擺放電腦等其他實驗儀器，每個實驗臺作為一個實驗小組，以方便小組實驗操作和交流。建立的數字電子技術實驗臺如圖3所示。

在建立VR數字電子技術實驗室時，應兼有普通教室和實驗室的功能，至少應具備黑板、多媒體投影、電腦等教學設備，在渲染時應添加覆蓋材質，使烘焙出來的貼圖具備光影以方便導入Unity3D后保留光影效果。為節省渲染時間，在測試渲染時預設改為非常低，正式渲染后再改為高。烘焙時每個物體單獨洪培，烘焙完之后再選中所有物體清除殼材質，以免影響導入Unity3D引擎后的效果。為營造一個明亮的實驗室燈光效果，可使用片燈，如有特殊需要（如投射燈等），可以根據實際情況打燈，該VR實驗室設置漫游視角、設備認知、實驗操作等功能、最終制作的VR數字電子技術實驗室如圖4所示。

4 漫游設計與測試

應用Unity平臺可實現一體機的漫游操作開發，通過頭顯設備與計算機連接，將體驗者置身于虛擬現實環境中，進行沉浸性體驗。添加BoxCollider組件，使其可以接收來自手柄射線的碰撞檢測，控制UI按鈕腳本如下：

ProtectedvirtualvoidOnTriggerEnter（Collidercollider）

{ varcolliderCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_PlayerObject>（）;

varpointerCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_UIPointer>（）;

if （pointerCheck&&colliderCheck&&colliderCheck

.objectType==VRTK_PlayerObject.ObjectTypes.Collider）

{ pointerCheck.collisionClick=

（clickOnPointerCollision？true：false）; } }

體驗者使用手柄選擇主機體驗，通過UI提示直接進行實驗室環境漫游，手柄點擊設備UI名稱，可實現該實驗點詳細介紹及實驗原理動畫演示。通過點選觀察點，VR眼鏡內容跟隨主機端控制而進入對應的沉浸式場景進行自主觀看，該VR實驗室漫游視角如圖5所示。

5 結束語

為了驗證該VR實驗室的實用性及科學性，從參加《數字電子技術》實驗課程學習的學生中選取20人，應用現象分析法主要從學習支持、體驗感等方面對學生做了一個問卷調查，較為典型的意見為“有一定的創新性和想象力”、“有進一步體驗學習的愿望”、“我能更好的理解所學實驗內容”、“希望能參加更多的實驗活動”等。從這些較為積極的評價中得知體驗者對該VR實驗室較為滿意。本研究只是完成了VR實驗室相關儀器的開發和部分實驗的建立，后期將進一步建立和完善數字電子技術課程相關實驗。

參考文獻（References）：

[1] 譚杰夫，鐘正，姚勇芳.虛擬現實基礎與實戰[M].化學工業出版社，2016.

[2] 王開宇，李安琪，馬馳，陳景，姜艷紅，于楠楠.基于仿真技術的數字電路3D虛擬實驗室的設計[J].實驗技術與管理，2017.34（2）：11-15

[3] 李海龍，賈利鋒.智能體驗式泛在學習研究——以師范生教學技能訓練為例[J].電化教育研究，2016.5：92-100

[4] 鄒萍.虛擬實驗室中的場景建模研究[D].華東師范大學，2010.

[5] 劉新艷.虛擬電工電子實驗室的設計與實現[D].電子科技大學，2014.

[6] 朱柱.基于Unity 3D的虛擬實驗系統設計與應用研究[D].華中師范大學，2012.

[7] 杜保強，尹飛凰.電子電路虛擬實驗的建構[J].現代電子技術，2004.4：16-18