此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！)基于Unity3D三維電腦組裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 【摘要】實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，而且還能起到鞏固課本上理論知識(shí)的作用但是由于我們國(guó)家人口基數(shù)龐大，教育資源有限，實(shí)驗(yàn)器材緊缺，不能滿(mǎn)足廣大在校學(xué)生或者社會(huì)成人求學(xué)需求，因而成為教學(xué)和學(xué)習(xí)中最難以付諸實(shí)踐的薄弱環(huán)節(jié)隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有了新的思路Unity3D引擎對(duì)開(kāi)發(fā)仿真性非常高、交互性非常好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有很大的幫助本文在對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，借助Unity3D引擎和3DS Max三維建模軟件，搭建了一個(gè)逼真且操作方便、具有交互功能的組裝計(jì)算機(jī)硬件的虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，對(duì)組裝計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模擬系統(tǒng)的主要功能是讓用戶(hù)采用虛擬儀器完成組裝過(guò)程，從而達(dá)到學(xué)會(huì)組裝計(jì)算機(jī)的目的 【關(guān)鍵詞】 虛擬實(shí)驗(yàn)；Unity3D；計(jì)算機(jī)組裝；1. 引言1.1 研究背景及意義早在十六世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)就被運(yùn)用于教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)是指根據(jù)科學(xué)研究的目的，盡可能排除外界因素的影響的同時(shí)突出主要實(shí)驗(yàn)因素，并且利用一些專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備而人為地改變、控制或者模擬研究對(duì)象，使某一些事物（或過(guò)程）發(fā)生或再現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)的目的在于通過(guò)學(xué)習(xí)者親自動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的觀察能力、分析能力和實(shí)踐能力研究表明，人的動(dòng)作記憶效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于語(yǔ)言文字的記憶效率，所以通過(guò)動(dòng)手參與的學(xué)習(xí)比單純看書(shū)要更有效率，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)讓學(xué)習(xí)者了解事物的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的研究能力、創(chuàng)新能力，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的運(yùn)用和實(shí)踐，因此成為教育教學(xué)中一個(gè)不可分割的部分最開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡请S著人口數(shù)量的增加，知識(shí)研究領(lǐng)域的擴(kuò)展，真實(shí)實(shí)驗(yàn)暴露出了許多缺陷，比如許多實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)資源無(wú)法滿(mǎn)足廣大學(xué)習(xí)者的需求，實(shí)驗(yàn)存在安全隱患，真實(shí)場(chǎng)景帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差等等虛擬實(shí)驗(yàn)的概念也就應(yīng)運(yùn)而生了虛擬實(shí)驗(yàn)的概念最早由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫（William Walf）于1989年提出，它是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)盡心模擬或再現(xiàn)的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剿闹饕M成部分都是通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬而成的，包括實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室儀器以及實(shí)驗(yàn)資源在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者不受時(shí)空的限制，可以隨時(shí)隨地的進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)鍵盤(pán)或者鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的虛擬儀器進(jìn)行交互，完成與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的各種實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。

Unity3D作為一款專(zhuān)業(yè)的商業(yè)游戲引擎，早在2010年就進(jìn)入了我國(guó)，由于其友好的操作界面和強(qiáng)大的性能，在國(guó)內(nèi)積攢了眾多的開(kāi)發(fā)者其官網(wǎng)上得AssetStore也給廣大開(kāi)發(fā)者提供了數(shù)量眾多，類(lèi)目琳瑯的插件，可以大大的縮短開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)周期近年來(lái)，Unity3D為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了完整的解決方案，其強(qiáng)大的物理引擎，基于DirectX和OpenGL的高度優(yōu)化渲染管道，還有可編輯的Shader著色器，讓模擬真實(shí)多變的生活環(huán)境變成現(xiàn)實(shí)因此我選擇Unity3D來(lái)開(kāi)發(fā)這樣一個(gè)虛擬電腦組裝實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)自由、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件，掌握組裝電腦的一些基本技能1.2 研究?jī)?nèi)容本文主要在于借助Unity3D引擎將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入虛擬實(shí)驗(yàn)中，探索新的虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式具體研究?jī)?nèi)容包括以真實(shí)實(shí)驗(yàn)在教育教學(xué)中的重要作用和協(xié)作學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)者能力的培養(yǎng)作為立足點(diǎn)，將虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)；利用Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)算機(jī)硬件與實(shí)驗(yàn)者交互，突破實(shí)時(shí)交互的一些難點(diǎn)；完成整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并且編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能2. 虛擬實(shí)驗(yàn)器材的制作2.1 3DS Max模型創(chuàng)建2.1.1 多邊形建模技術(shù)多邊形建模技術(shù)是三維建模技術(shù)中比較常見(jiàn)的一種建模方式。

現(xiàn)實(shí)世界中的很多物體都可以看成是由基本的幾何體進(jìn)行變形和細(xì)分得來(lái)的多邊形建模就是基于簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方體、圓柱體、球和其它一些幾何體，運(yùn)用添加線，點(diǎn)來(lái)進(jìn)行細(xì)分，面擠出，邊擠出等三維建模手法來(lái)完成模型的創(chuàng)建多邊形建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它能很快的把目標(biāo)模型的大體輪廓勾勒出來(lái)，對(duì)于精度要求比較低的模型來(lái)講，甚至可可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾次變形就可以達(dá)到想要的效果因此對(duì)于較為規(guī)則的家具或者家用電器來(lái)講，使用多邊形建模可以極大地提高工作效率計(jì)算機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)所用到的計(jì)算機(jī)的主板、內(nèi)存條、顯卡、電源以及機(jī)箱顯示器等主要零部件都是比較規(guī)則的幾何體，主板上看似比較復(fù)雜的各種電阻和插針，仔細(xì)看其實(shí)都是一些簡(jiǎn)單的圓柱體下面圖1、圖2、圖3是用3DS Max多邊形建模方法制作的計(jì)算機(jī)部件模型 圖1 CPU制冷風(fēng)扇 圖2 主板 圖3 液晶顯示器2.2 模型UV拆分和材質(zhì)貼圖UV的是貼圖坐標(biāo)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它定義了一張二維圖片將以何種方式貼到三維對(duì)象的表面之上在3DS Max中通過(guò)加UVW Map修改器可以為一些常用模型選擇貼圖方式，比如平面映射、柱面映射、球面映射、立方體映射等。

但是當(dāng)遇到比較復(fù)雜的模型時(shí)，就不能依賴(lài)這種方式了，需要手動(dòng)來(lái)為模型拆解UVUV拆分有幾個(gè)原則：拆分出來(lái)的UV碎塊要盡量少，這要貼圖貼上的接縫就會(huì)更少，便于處理；需要將拉伸降低到最小，UV反映的是圖片上的每一個(gè)像素點(diǎn)到模型表面上每一個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果UV出現(xiàn)拉伸，就會(huì)出現(xiàn)模型的表面一些區(qū)域承載過(guò)多的圖像信息，另一些區(qū)域承載的圖像信息卻太少，貼圖就得不到正確的顯示；還要避免貼圖坐標(biāo)的重疊貼圖坐標(biāo)重疊將直接導(dǎo)致重疊的貼圖部分分配不到正確的圖像信息；最后還要盡可能有效使用紋理空間由于在建模的過(guò)程中，經(jīng)常需要將一個(gè)模型拆分成很多部分來(lái)創(chuàng)建，最終將各個(gè)部分整合成一個(gè)完整的模型而模型在最終的材質(zhì)表現(xiàn)上，各個(gè)不同的部分可能需要不同的貼圖或者材質(zhì)這在計(jì)算機(jī)的硬件上體現(xiàn)的尤為明顯，比如一塊顯示器的顯示屏幕和底座的材質(zhì)是明顯不一樣的，而在顯示器的邊框上可能還有生產(chǎn)廠商的Logo和按鈕因此，很多時(shí)候需要用到多維子對(duì)象（MultiSub-Object）材質(zhì)只要在建模的時(shí)候，給每個(gè)子對(duì)象分配好材質(zhì)ID，就可以將子材質(zhì)賦予給指定的模型子部件下面以?xún)?nèi)存條為例：首先在面級(jí)別下選中內(nèi)存條上所有的芯片，在右側(cè)的修改器欄里找到多邊形材質(zhì)ID組，設(shè)置材質(zhì)ID號(hào)為2,如圖4： 圖4 為內(nèi)存芯片指定材質(zhì)ID然后用同樣的方法選中內(nèi)存條的側(cè)邊，為它指定材質(zhì)ID號(hào)為1，如圖5： 圖5 為內(nèi)存條側(cè)面指定材質(zhì)ID用這種方法給內(nèi)存的其它部分也指定ID后，就可以進(jìn)入材質(zhì)編輯器，創(chuàng)建一個(gè)多維子對(duì)象材質(zhì)，因?yàn)榭偣矠閮?nèi)存條指定了5個(gè)材質(zhì)ID，所以需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)包含5個(gè)子對(duì)象的多維子對(duì)象材質(zhì)，每個(gè)子對(duì)象材質(zhì)材質(zhì)可以單獨(dú)編輯，漫反射顏色可以純色也可以貼圖，環(huán)境光和高光反射根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。

由于Unity3D引擎也是支持多維子對(duì)象材質(zhì)的，所以在3DS Max中做的這些工作都不會(huì)是徒勞的 圖6 多維子對(duì)象材質(zhì)設(shè)置將用到的貼圖保存在一個(gè)文件夾里，在導(dǎo)入U(xiǎn)3D引擎的時(shí)候需要重新進(jìn)行指定準(zhǔn)備工作做完之后就可以導(dǎo)入U(xiǎn)3D引擎了2.3 資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎 將三維軟件制作的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎時(shí)需要注意一些問(wèn)題 首先是X軸向偏轉(zhuǎn)3DS Max模型導(dǎo)入引擎后將自動(dòng)有一個(gè)繞X軸270度的偏轉(zhuǎn)，在Unity中旋轉(zhuǎn)模型的時(shí)候，Y軸的參照方向永遠(yuǎn)朝上，而X和Z軸則以模型的自身局部坐標(biāo)為準(zhǔn)，所以當(dāng)模型旋轉(zhuǎn)270度后，Z軸正好與Y軸重合解決這個(gè)問(wèn)題需要將模型文件導(dǎo)出成為.3ds類(lèi)型的文件再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 其次是材質(zhì)問(wèn)題模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity后，Unity只會(huì)自動(dòng)生成材質(zhì)球，但是材質(zhì)的貼圖需要手動(dòng)導(dǎo)入U(xiǎn)nity工程然后進(jìn)行指定如果模型具有法線貼圖或者光照貼圖，還需要選擇正確的著色器（Shader）才能達(dá)到想要的效果 最后是縮放因子三維模型的單位需要在前期建模的時(shí)候就設(shè)置并統(tǒng)一，否則模型出來(lái)的大小會(huì)不匹配Unity中的1單位是fbx文件中1單位的100倍，因此如果Unity中1單位定義為1米的話，那么在3DS Max中制作模型的時(shí)候，單位就應(yīng)該設(shè)置為1厘米。

縮放因子在導(dǎo)入模型時(shí)也可以手動(dòng)設(shè)置，如果是以fbx格式的文件導(dǎo)入的模型，可以將模型的縮放因子設(shè)置為0.01將外部資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity有三種方式 第一種方式是存入工程文件夾創(chuàng)建工程以后，在磁盤(pán)上會(huì)有一個(gè)工程文件夾，找到工程名下的Asset文件夾，將需要的模型資源、貼圖資源復(fù)制粘貼到這里即可為了工程結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔明了以及方便查找資源，可以分別為模型和貼圖創(chuàng)建自己的文件夾第二中方式是在直接拖入到Unity中在外部文件夾中選中需要導(dǎo)入的資源，直接拖拽進(jìn)Unity的Project窗口中即可第三種方式主要是用來(lái)導(dǎo)入.unitypackage類(lèi)型資源Unitypackage是Unity打包文件生成的一種格式在Unity的頂部菜單欄找到Asset→Import Package→Custom Package,在本地磁盤(pán)找到需要導(dǎo)入的unitypackage文件點(diǎn)擊確定就行了，如圖7所示 圖7 導(dǎo)入unitypackage文件 圖8 模型導(dǎo)入設(shè)置模型導(dǎo)入U(xiǎn)3D后需要設(shè)置一些參數(shù)，正確設(shè)置這些參數(shù)，模型才能更好的被程序使用選中導(dǎo)入的模型，在監(jiān)視器窗口會(huì)出現(xiàn)如圖8的菜單。

其中有幾個(gè)主要參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)置:Scale Factor——前面提到的縮放因子，這里我根據(jù)實(shí)際模型的匹配需要將它設(shè)置為0.004Mesh Compression——面片壓縮優(yōu)化模型的面數(shù)從而優(yōu)化最終程序的性能ReadWrite Enabled——勾選將使得導(dǎo)入的資源可以在引擎內(nèi)被讀寫(xiě)Generate Colliders——生成碰撞器勾選將會(huì)生成匹配模型的碰撞器其他的參數(shù)因?yàn)樵谶@個(gè)系統(tǒng)中無(wú)需用到，所以按照默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置就可以了3. Unity3D引擎研究3.1 引擎介紹Unity3D是一個(gè)用于創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型互動(dòng)內(nèi)容的綜合型的創(chuàng)作工具，開(kāi)發(fā)者是Unity Technologies,目前最新的穩(wěn)定版本是2013年12月發(fā)布的4.3.12005年6月Unity第一個(gè)版本1.0.1發(fā)布，標(biāo)志著Unity的誕生Unity是一個(gè)跨多平臺(tái)的游戲引擎，利用交互的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境作為編輯器提供給開(kāi)發(fā)者，可運(yùn)行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布應(yīng)用到Windows、Mac OS X、Android、iOS、Web等平臺(tái)Unity擁有以下主要特性：層級(jí)式的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境、視覺(jué)化編輯，詳細(xì)的屬性編輯器和動(dòng)態(tài)游戲預(yù)覽。

跨平臺(tái)支持可以開(kāi)發(fā)Windows、Mac OS X、iOS、Android、Blakberry、Xbox、Windows Phone等平臺(tái)的應(yīng)用程序自動(dòng)資源導(dǎo)入項(xiàng)目中的資源會(huì)被自動(dòng)導(dǎo)入，并根據(jù)資源的改動(dòng)自動(dòng)更新基于Direc3D（Windows）、OpenGL(Mac、Windows)的圖形引擎，并且有自己的API（Wii）支持Bump mapping、Reflection mapping、Parallax mapping、Screen Space Ambient Occlusion，動(dòng)態(tài)陰影使用的是Shader Ma。