王開宇， 李安琪， 馬 馳， 陳 景， 姜艷紅， 于楠楠

(大連理工大學(xué) 電信學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

基于仿真技術(shù)的數(shù)字電路3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

王開宇， 李安琪， 馬 馳， 陳 景， 姜艷紅， 于楠楠

(大連理工大學(xué) 電信學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

基于虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)狀,給出數(shù)字電路3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)路線和解決方案,利用建模工具3ds Max和現(xiàn)場沉浸感強(qiáng)的游戲引擎Unity3D創(chuàng)建了數(shù)字電路3D可交互虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),搭建平臺(tái)的靜態(tài)模型框架、動(dòng)態(tài)交互控制模塊以及實(shí)驗(yàn)操作反饋運(yùn)行機(jī)制。該實(shí)驗(yàn)室具有良好的三維交互性、可操作性、功能完善和場景逼真生動(dòng)的特點(diǎn),激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性和想象力,在教學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)價(jià)值。

仿真技術(shù)； 虛擬實(shí)驗(yàn)； 3ds Max； Unity3D

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展起來的交叉學(xué)科[1]，而具有沉浸感的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，則是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而產(chǎn)生發(fā)展起來的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

與國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比[2],國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)雖起步較晚,但是隨著國家對虛擬仿真技術(shù)的重視和加大經(jīng)費(fèi)的投入,虛擬仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展,我們開發(fā)出了自己的虛擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)并在工業(yè)電子、機(jī)械等生產(chǎn)研發(fā)部門體現(xiàn)著強(qiáng)大的優(yōu)越性[3]。尤其是在軍事模擬、數(shù)字化顯示、醫(yī)學(xué)[4]、商業(yè)宣傳[5]、工業(yè)研發(fā)、教學(xué)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)[6]等與人們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè),逼真的虛擬現(xiàn)象和我們的日常生活已經(jīng)密不可分。

本文采用建模工具3ds Max建立數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)環(huán)境的三維元素,搭建數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)所用的桌椅、實(shí)驗(yàn)箱、芯片、信號燈、發(fā)光二極管及導(dǎo)線等,同時(shí),將這些模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行用戶交互功能編輯,針對數(shù)字電路中組合電路和邏輯電路特點(diǎn),利用VS腳本編輯器對虛擬器件模型進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)[7]。虛擬實(shí)驗(yàn)的功能設(shè)計(jì)主要包括電源開關(guān)的總體控制、操作單擊各個(gè)虛擬儀器碰撞體響應(yīng)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(shí)驗(yàn)界面跳轉(zhuǎn)控制、實(shí)驗(yàn)重新開始復(fù)位控制及實(shí)驗(yàn)操作者視角控制等各個(gè)部分[8]。

1 數(shù)字電路三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)方案及建模

1.1 數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)流程

設(shè)計(jì)一套完備的虛擬實(shí)驗(yàn)室需要做到以下 4 個(gè)方面:形象的外形外觀、精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、真實(shí)的電路原理、逼真的仿真現(xiàn)象[9]。其具體開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字電路三維虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)流程

從初建模型到程序控制,中間的每一步驟包含著精心設(shè)計(jì),最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在靜態(tài)建模和組裝交互制作2個(gè)板塊。靜態(tài)建模就是建立實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模型,組裝交互制作是基于Unity3D在靜態(tài)的模型上添加自定義組件和動(dòng)態(tài)組件,賦予真實(shí)的屬性(這個(gè)過程需要掛載C#腳本),使之能夠像真實(shí)物體那樣存在,進(jìn)行元素交互、視覺交互和人機(jī)交互。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取了10個(gè)經(jīng)典的代表性綜合實(shí)驗(yàn),分別是:交通燈工作狀態(tài)控制電路、水泵啟?？刂齐娐?、模11加法計(jì)數(shù)器、燈光控制邏輯電路、序列信號發(fā)生器、光控路燈開關(guān)控制電路、叮咚門鈴電路、水龍頭控制電路、雙向移位寄存器、節(jié)日彩燈控制電路。數(shù)字電路三維虛擬實(shí)驗(yàn)室整體框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 數(shù)字電路3D虛擬實(shí)驗(yàn)室整體框架

1.2 數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室模型的構(gòu)建

基于3ds Max創(chuàng)作效果較好的3種建模技術(shù):幾何建模、圖像建模,還有將兩者結(jié)合起來的混合建模技術(shù)[10]。我們所搭建的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模型包括:(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境部分:實(shí)驗(yàn)桌椅、墻壁、書架、地板、紅綠燈；(2)實(shí)驗(yàn)操作部分:數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱、功能芯片、數(shù)碼管、電路原理顯示屏、電源開關(guān)、導(dǎo)線、發(fā)光二極管、水箱水泵、繼電器等。

將實(shí)驗(yàn)室從教學(xué)樓搬到了計(jì)算機(jī)上,為了提高質(zhì)感和視覺效果,實(shí)驗(yàn)中對所需儀器逐一建模生成,并通過渲染器進(jìn)行烘焙渲染、貼圖,增強(qiáng)真實(shí)感[11]。在實(shí)驗(yàn)室場景中不可避免地使用屬性相同的模型,如圖3所示,虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的桌椅及書架,需要用到建模技術(shù)中的“合并原則”和模型拷貝技術(shù),同時(shí)也可多次用到3ds Max中貼圖烘焙、關(guān)聯(lián)復(fù)制、群組等功能,有效降低建模復(fù)雜程度。

數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱是整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的中心,該部分的模型包括電阻、引腳端口、二極管、功能芯片、電容、面板層、螺絲釘、電源開關(guān)、實(shí)驗(yàn)箱把手等,較為復(fù)雜的模型就要利用高級建模工具3ds Max將簡單模型取交集、并集、插集，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)、縮放、拉伸功能調(diào)整模型的基本輪廓,再通過復(fù)制、組合、打造,合成更為復(fù)雜的模型。也可以利用3ds Max自帶的Mesh渲染器、Patch面片以及Nurbs等建模工具構(gòu)建理想的模型。模型外形塑造是一個(gè)較為費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的過程。

圖4中可看到實(shí)驗(yàn)箱上的端口數(shù)量十分多,為了減少場景在計(jì)算機(jī)上占用的資源,所有的端口模型公用一個(gè)渲染器,這樣也便于調(diào)整模型的顯示效果。在模型設(shè)計(jì)過程中,可通過鼠標(biāo)輸入調(diào)整視角從三維角度觀察塑造模型,最大程度上將建模過程簡單化。

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)用到的功能芯片有很多,包括74LS04反相器、74LS08二輸入四與門芯片、74LS32 兩輸入四與門芯片、555定時(shí)器等多種。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的沉浸性,其模型的構(gòu)建要從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手,找出實(shí)驗(yàn)操作涉及的關(guān)鍵部件及其連接關(guān)系,為其添加必要的仿真屬性。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)箱及功能芯片等基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)儀器模型建立好后,就要開始建立電路連接所用的導(dǎo)線,實(shí)驗(yàn)中的電路連接方式為:單擊芯片中某2個(gè)端口,引出一條立體的帶有彎曲度導(dǎo)線跨接在2個(gè)端口中心。在3ds Max中能較輕松建立高度不同、旋轉(zhuǎn)方向不同的導(dǎo)線,每個(gè)導(dǎo)線由幾個(gè)錨點(diǎn)確定,某個(gè)錨點(diǎn)確定導(dǎo)線長度,某個(gè)錨點(diǎn)確定導(dǎo)線方向,某個(gè)錨點(diǎn)定位導(dǎo)線位置,對這幾個(gè)錨點(diǎn)恰當(dāng)調(diào)整就能得到理想的導(dǎo)線模型，如圖5所示。圖5中有的導(dǎo)線材質(zhì)和顏色選擇完畢,有的導(dǎo)線處于加工初期,可以看到導(dǎo)線拐角處采用弧度平滑過渡的形式，確保建模精細(xì),看起來不生硬。

圖4 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱

圖5 電路導(dǎo)線模型

在已經(jīng)開發(fā)的2個(gè)實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)一效果顯示部分為紅綠燈邏輯控制,實(shí)現(xiàn)起來相對簡單；實(shí)驗(yàn)二效果輸出部分為2個(gè)水泵啟停控制實(shí)驗(yàn),該部分無論內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是外部形體都是相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu),在2個(gè)水泵之間還有1個(gè)透明材質(zhì)的水箱如圖6所示。上面有3個(gè)水位傳感器,用于監(jiān)測不同水位信號給后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)不同水位邏輯控制水泵啟停。

圖6 水箱模型

2 數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)現(xiàn)

依托數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體框架,將虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程分組分塊,開發(fā)出完備功能[12],具體如圖7所示,這樣利于一步步調(diào)試糾錯(cuò)。

圖7 功能設(shè)計(jì)

2.1 邏輯抽象及功能開發(fā)

本系統(tǒng)共10個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn),基本上是關(guān)于組合邏輯電路的設(shè)計(jì):根據(jù)實(shí)際的邏輯問題,設(shè)計(jì)出所要求的邏輯功能電路。以已經(jīng)開發(fā)完畢的實(shí)驗(yàn)二水泵啟?？刂齐娐窞槔?將編寫好的控制腳本拖動(dòng)到開關(guān)對象上,在電源接通的狀態(tài),當(dāng)檢測到電路連線成功后,將連線腳本DrawLine中的連線成功標(biāo)志isDraw置為true,變量isDraw實(shí)驗(yàn)輸出現(xiàn)象出現(xiàn)的先決判斷條件。在水體控制腳本中,若連線成功標(biāo)志變量isDraw為true,則將布爾變量x1設(shè)為true。此過程需多個(gè)腳本共同控制完成,通過變量相互控制、相互聯(lián)系,每個(gè)腳本中的變量之間存在著邏輯關(guān)系,水位A、B、C處的傳感器一旦碰撞觸發(fā),輸入變量由低到高設(shè)為X1、X2、X3,水面低于檢測元件A、B、C時(shí),傳感器件給出高電平1；水面高于傳感器件時(shí),傳感器件給出低電平0。而輸出變量設(shè)為ML、MS,按照數(shù)字電路原理,其控制關(guān)系滿足公式(1)和公式(2):

(1)

(2)

2.2 場景視角控制的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用第一人稱控制視角漫游整個(gè)實(shí)驗(yàn),即通過鼠標(biāo)左擊進(jìn)入子實(shí)驗(yàn)。鼠標(biāo)右擊拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)以整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹行牡男D(zhuǎn)和搖移,按下鼠標(biāo)中鍵拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)對以整個(gè)模型為中心的小范圍平移,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)當(dāng)前正畫面的放大與縮小。當(dāng)然,無論是平移、縮放還是搖移都要在以實(shí)驗(yàn)箱為中心前提下有一個(gè)模型運(yùn)動(dòng)的上下限,這也是便于實(shí)驗(yàn)控制的前提。實(shí)現(xiàn)該功能的代碼如下,其中Input.GetMouseButton(1)中的1表示右鍵,實(shí)現(xiàn)角度控制。若是0表示左鍵,2表示中鍵。

if(Input.GetMouseButton(1)){ //檢測到鼠標(biāo)右擊 x+=Input.GetAxis(″Mouse X″) * xSpeed * 0.02f; //設(shè)定新位置橫坐標(biāo) y-=Input.GetAxis(″Mouse Y″) * ySpeed * 0.02f; //設(shè)定新位置縱坐標(biāo) y=ClampAngle(y, yMinLimit, yMaxLimit); //設(shè)定Y方向 var rotation = Quaternion.Euler(y, x, 0); //旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定 var position = rotation * new Vector3(0.0f, 0.0f, -normalDistance) + CameraTarget; //設(shè)定指定物體旋轉(zhuǎn)后新的位置 transform.rotation = rotation; //記錄當(dāng)前物體的旋轉(zhuǎn)角 transform.position = position} //記錄當(dāng)前物體的位置

2.3 碰撞響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

Unity3D中總共有3種碰撞檢測方法[13],最為有效的檢測方法是觸發(fā)器碰撞,只要將帶有該方法的腳本掛載到待碰撞的模型上即可。又如實(shí)驗(yàn)二中傳感器檢測水位上升過程中,水體碰撞器和傳感器碰撞器碰撞觸發(fā),觸發(fā)器碰撞后的響應(yīng)控制是水體速度發(fā)生變化和兩個(gè)水泵的啟停。以下是碰撞體觸發(fā)的3種代碼表現(xiàn)形式。

(1) void OnMouseDown(){} //鼠標(biāo)按下

(2) if(Input.GetMouseButtonDown(0)){}//鼠標(biāo)左擊

(3) void OnTriggerEnter(Collider collisionlnfo){}//發(fā)生觸碰

2.4 界面跳轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)

為了使數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為清晰,將整個(gè)系統(tǒng)分為1個(gè)主界面和10個(gè)子實(shí)驗(yàn)逐個(gè)獨(dú)立開發(fā),這樣模塊獨(dú)立,有利于理清設(shè)計(jì)思路,降低開發(fā)難度。當(dāng)每個(gè)獨(dú)立模塊開發(fā)完畢,就要考慮各個(gè)子場景的相互連接,此時(shí)要為各個(gè)子場景添加跳轉(zhuǎn)按鈕及跳轉(zhuǎn)語句實(shí)現(xiàn)界面跳轉(zhuǎn),場景跳轉(zhuǎn)的情況分為3種:重新跳轉(zhuǎn)到本界面(重啟)；系統(tǒng)關(guān)閉按鈕；跳轉(zhuǎn)到其他界面(鏈接)。這3種跳轉(zhuǎn)命令,將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)歸為一個(gè)統(tǒng)一有機(jī)整體,使實(shí)驗(yàn)操作者收放自如。

(1) 如下面的語句為第一種類型跳轉(zhuǎn)命令:實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景的復(fù)位。假如用戶處于主界面場景“start”,當(dāng)用戶單擊按鈕sbr11“restart”時(shí),實(shí)驗(yàn)環(huán)境重新跳轉(zhuǎn)到start場景,可以重新開始子實(shí)驗(yàn)。這是一種最為簡單的界面跳轉(zhuǎn)命令。

if(GUI.Button (sbr11, ″restart″)) //如果檢測按下按鈕″restart″ {Application.LoadLevel(″start″);} //跳轉(zhuǎn)到start場景

(2) 主界面和子實(shí)驗(yàn)場景右下角有退出按鈕。子實(shí)驗(yàn)上的按鈕功能為退出當(dāng)前實(shí)驗(yàn),返回到主界面,子實(shí)驗(yàn)按鈕設(shè)置屬于第三種界面跳轉(zhuǎn)。這里介紹第二種類型跳轉(zhuǎn)命令,主界面按鈕的功能:退出整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

if(GUI.Button (sbr12, ″e(cuò)xit″)) //如果檢測按下按鈕″e(cuò)xit″ {Application.Quit();} //程序關(guān)閉,退出界面

(3) 有些實(shí)驗(yàn)情況并非一個(gè)跳轉(zhuǎn)動(dòng)作這么簡單,如果實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行或近完成,此時(shí)點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)按鈕,而由于已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作使一些實(shí)驗(yàn)狀態(tài)變量已經(jīng)改變,則跳轉(zhuǎn)的同時(shí)必須實(shí)現(xiàn)場景的復(fù)位即實(shí)驗(yàn)變量的復(fù)位,因?yàn)槊刻D(zhuǎn)到一個(gè)新的場景,意味著重新打開界面,重新啟動(dòng),這時(shí)就必須仔細(xì)考慮場景復(fù)位元素有哪些,往往將碰撞檢測標(biāo)志變量歸為原始狀態(tài)就可以達(dá)到歸位的效果。

如下面的語句是重啟本場景,可看到除了重新跳轉(zhuǎn)到shiyan1場景外,還將DrawLine腳本下的isDraw和shift狀態(tài)變量重置為false,其中布爾變量isDraw和shift分別代表電路連線成功標(biāo)志和開關(guān)狀態(tài)標(biāo)志?？上攵?當(dāng)重啟場景,電路連線成功標(biāo)志和開關(guān)狀態(tài)標(biāo)志必定是關(guān)閉狀態(tài)。這屬于第三種類型的界面跳轉(zhuǎn):帶有狀態(tài)復(fù)位的界面跳轉(zhuǎn)。界面跳轉(zhuǎn)命令用于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使得實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更為靈活、有序,每個(gè)獨(dú)立的子實(shí)驗(yàn)操作不受其他實(shí)驗(yàn)影響,同時(shí)這些獨(dú)立的子實(shí)驗(yàn)又構(gòu)成了一個(gè)整體。

if (GUI.Button (sbr, ″Restart″)) { //如果檢測按下按鈕″restart″ DrawLine.isDraw=false; //狀態(tài)變量重置 DrawLine.shift=false; //狀態(tài)變量重置 Application.LoadLevel (″shiyan1″);} //再進(jìn)行場景跳轉(zhuǎn)到″shiyan1″

2.5 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)功能的具體實(shí)現(xiàn)

完整的實(shí)驗(yàn)邏輯開發(fā)包括以下功能的具體實(shí)現(xiàn):主界面和子界面之間的跳轉(zhuǎn)、子場景中開關(guān)的控制、電路連線控制、輸出現(xiàn)象控制。每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的輸出取決于不同的輸入狀態(tài),正確的開關(guān)及連線等狀態(tài)是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)的開發(fā)不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境及器材的高度仿真,在此基礎(chǔ)上,改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 結(jié)語

針對數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)特點(diǎn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)者對電學(xué)虛擬仿真軟件要求,深入探索了數(shù)字電路邏輯思想和邏輯代數(shù)知識,開發(fā)了一個(gè)用戶體驗(yàn)良好的數(shù)字電路3D虛擬實(shí)驗(yàn)室。首先對整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)流程和功能模塊實(shí)施明確的整體規(guī)劃,搜集了大量素材,整合了多種方法手段,利用建模工具3ds Max創(chuàng)建了仿真度極高的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬儀器基本模型。將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎,在腳本編輯器Microsoft Visual Studio編寫面向?qū)ο蟮目刂颇_本,實(shí)現(xiàn)對虛擬場景中的儀器實(shí)時(shí)精確控制。后期再度進(jìn)行場景渲染與制作,完成了數(shù)字電路3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路再抽象與還原仿真,完成了虛擬教學(xué)環(huán)境中數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)仿真。

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Design of 3D virtual laboratory with digital circuit based on simulation technology

Wang Kaiyu， Li Anqi， Ma Chi， Chen Jing， Jiang Yanhong， Yu Nannan

(Faculty Department of Electronic Information and Electrical Engineering Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Based on virtual instruments, virtual experiments and the virtual reality technology, this paper shows the list architectural design, technical route and the specific solution of 3D virtual experiment. Using 3ds Max modeling tools and the unity3D game engine can create a 3D interactive virtual digital circuit experiment environment, for example, static model, dynamic interactive control module, and the experiment operation feedback mechanism. The laboratory has maneuverability, functionality, lifelike and vivid scene, which can stimulate students’ creativity and imagination, enjoying potential application value and development value in the field of teaching.

simulation technology； virtual experiment； 3ds Max； Unity3D

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.003

2016-10-14

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助(DUT16QY32)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(201601523)

王開宇(1973—),男，遼寧大連，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榛旌想娐吩O(shè)計(jì)以及集成電路芯片的安全性.

E-mail：wkaiyu@dlut.edu.cn.

TP391.9；G482

A

1002-4956(2017)2-0011-05