白帆　王大虎　劉浩　杜猛　孫存遠(yuǎn)

摘 ?要： 傳感器實(shí)驗(yàn)，是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生所必須掌握的科目之一，但是通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容抽象，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐時(shí)間也比較短。針對(duì)這一情況，文章從虛擬仿真教學(xué)的角度出發(fā)，以傳感器實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為原型，使用3ds Max完成模型建立和優(yōu)化，利用Adobe Premiere Pro和Adobe After Effects軟件完成三維動(dòng)畫(huà)制作，基于Unity3D平臺(tái)完成了傳感器實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的介紹，并且學(xué)生可以對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，具有很好的交互性，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)水平。

關(guān)鍵詞：?傳感器實(shí)驗(yàn);虛擬現(xiàn)實(shí);仿真教學(xué);3ds Max;Unity3D

中圖分類號(hào)： TP212????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.032

【Abstract】： Sensor experiment is one of the subjects that students majoring in measurement and control technology and instruments must master. However， through the study of students' learning， it is found that the content of traditional sensor experiment is abstract and the time of students' hands-on practice is relatively short. In view of this situation， from the perspective of virtual simulation teaching， this paper takes the experimental equipment of sensor experiment as the prototype， uses 3ds Max to complete the model establishment and optimization， uses Adobe Premiere Pro and Adobe After effects software to complete the three-dimensional animation production， and completes the development of sensor experiment simulation teaching system based on unity3d platform. The implementation results show that the The system realizes the introduction of the experiment principle and the structure of the experiment equipment， and the students can practice the whole process of the sensor experiment， which has a good interaction and helps to improve the students' learning interest and professional level.

【Key words】： Sensor experiment; Virtual reality; Simulation teaching; 3ds Max; Unity3D

0??引言

傳感器實(shí)驗(yàn)，是每個(gè)測(cè)控技術(shù)與儀器本科專業(yè)學(xué)生所必須學(xué)習(xí)的科目，但通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在傳感器實(shí)驗(yàn)課上，實(shí)驗(yàn)都是在老師的帶領(lǐng)下去完成的，而且由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的問(wèn)題，在老師演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，很多學(xué)生是看不到老師的演示細(xì)節(jié)，只是很盲目的跟著老師一步一步完成實(shí)驗(yàn)，一節(jié)實(shí)驗(yàn)課上完，完全不了解傳感器實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)效果比較差，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力提升也不大。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也就是VR技術(shù)，是一種融合了仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)的新型技術(shù)。近些年來(lái)，由于VR技術(shù)發(fā)展迅速，VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用也日益增多。2015年[1]，杜坤提出了由結(jié)構(gòu)與功能、組分與功能、設(shè)備與技能三大模塊以及平臺(tái)支撐軟件組成的生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室;2016年[2]，王富強(qiáng)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，開(kāi)發(fā)了機(jī)械原理認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);2018年[3]，董圓圓利用Unity3D及Java Web搭建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)。

本文則是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以常見(jiàn)的CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例，基于Unity3D平臺(tái)，使用3ds MAX、Photoshops、Adobe Premiere Pro和Adobe After Effects等軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的仿真教學(xué)。相較與以往的仿真教學(xué)系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的仿真更加具體，使學(xué)生能夠通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)可以清楚的觀看到實(shí)驗(yàn)使用設(shè)備的設(shè)備外觀、結(jié)構(gòu)，同時(shí)，可以親自動(dòng)手完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1??傳感器實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1??實(shí)驗(yàn)選材

在測(cè)控技術(shù)與儀表專業(yè)，其一系列實(shí)驗(yàn)的核心就是各類傳感器的應(yīng)用。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并且能夠?qū)⒏惺艿降男畔凑找欢ǖ囊?guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者其他形式的信息傳送出來(lái)，從而滿足信息的傳遞、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器早就隨著新技術(shù)革命的發(fā)展?jié)B透到了各行各業(yè)，如工業(yè)生產(chǎn)、生物工程、環(huán)境保護(hù)等，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步傳感器起著很重要的作用，同時(shí)傳感器也是測(cè)控技術(shù)與儀表專業(yè)學(xué)生所必須掌握的內(nèi)容。

但是由于傳感器種類繁多，在此無(wú)法一一列舉出來(lái)，因此選取了相對(duì)經(jīng)典的CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)中的霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)為本文選材。

1.2??實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

1.2.1 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

此實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的目的是為了讓學(xué)生能夠?qū)鞲衅鲗?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)有更加詳細(xì)的了解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以親自完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，因此，將實(shí)驗(yàn)分為以下幾個(gè)模塊[4]。

（1）場(chǎng)景漫游模塊。在虛擬的場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，同時(shí)可以拉近場(chǎng)景中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，近距離觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備的外形和結(jié)構(gòu)。

（2）三維動(dòng)畫(huà)模塊。此模塊通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)的形式使學(xué)生可以了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備拆裝模塊。此模塊通過(guò)設(shè)備的拆裝和設(shè)備的結(jié)構(gòu)展示了可以讓學(xué)生很清楚的了解每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)結(jié)構(gòu)名稱，可以讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有了更清楚的認(rèn)識(shí)。

（4）實(shí)驗(yàn)操作模塊。此模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程的操作練習(xí)，學(xué)生可以自己動(dòng)手無(wú)次數(shù)限制進(jìn)行練習(xí)，同時(shí)在練習(xí)過(guò)程中，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)容易出錯(cuò)的地方會(huì)給出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，便于學(xué)生了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

1.2.2??設(shè)計(jì)流程

要想實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊和整個(gè)系統(tǒng)的功能[5]，具體的流程如圖1所示，首先要對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的資料進(jìn)行收集，包括外部照片、實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理、操作過(guò)程等資料的收集，然后根據(jù)收集到的資料用3ds MAX進(jìn)行模型的建立，接著對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，然后結(jié)合資料完成相關(guān)三維動(dòng)畫(huà)的制作，合成視頻，將模型和視頻導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，完成整個(gè)系統(tǒng)的交互。同時(shí)在系統(tǒng)完成后要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最后的測(cè)試，測(cè)試成功后完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，發(fā)布系統(tǒng)。

2??實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

需要?jiǎng)?chuàng)建的模型包括三個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境和人手模型。在建模過(guò)程中要按照一定的步驟和流程，才能加快建模的速度，增強(qiáng)模型的真實(shí)感。

由于模型比較多，無(wú)法一一進(jìn)行介紹，因此以CSY系列傳感器綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例，對(duì)建模進(jìn)行介紹。

2.1??利用3ds Max進(jìn)行模型建立

3ds MAX是屬于美國(guó)的Autodesk公司旗下的，一款基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作的軟件，這款軟件的功能強(qiáng)大，而且操作簡(jiǎn)單，上手時(shí)間快，所以廣泛的應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、輔助教學(xué)以及游戲等領(lǐng)域。

在利用3ds MAX進(jìn)行建模前[6]，要仔細(xì)觀察CSY系列傳感器綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的照片以及收集的資料，以保證所建立的模型最大程度的還原真實(shí)模型。收集的照片如圖2所示。

在整個(gè)建模過(guò)程中[7]，基本分為以下幾個(gè)步驟：

（1）先在3ds MAX中選擇所需建模部分的基 本幾何體，比如長(zhǎng)方體、正方體、圓柱體等，再根據(jù)其實(shí)際的尺寸，進(jìn)行參照調(diào)整。

（2）將新建立的基本幾何體轉(zhuǎn)化成可編輯多邊形，在編輯多邊形的命令下進(jìn)行操作。

（3）對(duì)基本幾何體在頂點(diǎn)、邊、邊界、面和元素等不同條件下進(jìn)行環(huán)形、循環(huán)、插入、連接和擠出等不同命令的操作，一步一步的將其改成所需要的模型。

（4）在每個(gè)部分建好之后[8]，再利用移動(dòng)、對(duì)齊、旋轉(zhuǎn)和鏡像等命令將所有的模型組好在一起，形成CSY系列傳感器綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模型，建好的模型如圖3所示。

2.2??模型優(yōu)化

模型雖然在3ds MAX中完成了制作，但是在3ds MAX中各個(gè)模型的顏色比較單一，很難表現(xiàn)出來(lái)真實(shí)物體的效果，這時(shí)就要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化[9]：

（1）進(jìn)行材質(zhì)貼圖的優(yōu)化，為了使更像真實(shí)的物體，要從現(xiàn)實(shí)的照片中裁取貼圖，用PS等工具進(jìn)行加工以后，再將貼圖附加到模型表面。

（2）光照效果也是必不可少的一步，通過(guò)增加局部光源和整體光源，并且調(diào)整模型對(duì)光吸收、放射和折射等參數(shù)，使模型表現(xiàn)出真實(shí)的效果。優(yōu)化后的模型如圖4所示。

（3）我們?cè)?ds MAX中的模型稱為工程文件，但是如果要合成動(dòng)畫(huà)，就必須進(jìn)行渲染操作，將燈光和材質(zhì)調(diào)整好之后，對(duì)模型進(jìn)行渲染，產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)序列幀，使輸出的照片具有很強(qiáng)的真實(shí)感。

（4）此時(shí)的模型雖然可以滿足動(dòng)畫(huà)制作的需要，但是做出來(lái)的模型面數(shù)很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果在后期直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，會(huì)Unity 3D無(wú)法正常運(yùn)行，這時(shí)就要使用到烘焙技術(shù)[10-11]，把復(fù)雜的模型的效果烘焙到一個(gè)簡(jiǎn)化之后的模型上，便于后期模型的導(dǎo)入和處理。

3??三維動(dòng)畫(huà)合成

模型經(jīng)過(guò)渲染之后，開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)畫(huà)合成。本文采用Adobe Premiere和Adobe After Effects兩款軟件進(jìn)行合成動(dòng)畫(huà)。Adobe Premiere和Adobe After Effects是兄弟產(chǎn)品，是一套動(dòng)態(tài)圖形的設(shè)計(jì)工具和特效合成軟件，并且兩款軟件的兼容性很好，能滿足當(dāng)今大部分視頻制作的要求。

動(dòng)畫(huà)合成的大致流程是：

（1）先根據(jù)需求編寫(xiě)相關(guān)的視頻腳本，對(duì)視頻腳本進(jìn)行配音。

（2）將配音與渲染出來(lái)的照片導(dǎo)入Adobe Premiere中，在軟件中將圖片與相應(yīng)的配音音頻一一對(duì)照，同時(shí)要注意使用“視頻切換”特效，以保證視頻的流暢。

（3）再利用Adobe After Effect對(duì)視頻進(jìn)行進(jìn)一步的加工，增加片頭和標(biāo)題，同時(shí)根據(jù)腳本配上相應(yīng)的字幕和特效，完成動(dòng)畫(huà)視頻的合成。

4??三維場(chǎng)景交互

4.1??利用Unity3D進(jìn)行人機(jī)交互

Unity3D和虛幻引擎4是當(dāng)前比較主流的兩個(gè)綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，而Unity3D更簡(jiǎn)單容易上手，并且對(duì)配置要求低沒(méi)事，所以這里選擇Unity3D進(jìn)行人機(jī)交互。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D的效果圖。

4.2??碰撞檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備拆裝的功能，這時(shí)要進(jìn)行拆裝區(qū)域的判斷，當(dāng)進(jìn)行這個(gè)區(qū)域的時(shí)候，進(jìn)行設(shè)備拆裝的操作，這時(shí)就需要碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要包括邊界框算法，基于距離的算法等[12]。

在這個(gè)系統(tǒng)中，所有區(qū)域都是長(zhǎng)方體。我們選擇一個(gè)名為軸對(duì)齊邊界框（簡(jiǎn)稱AABB）的邊界框算法作為該系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)算法。

基于邊界框的算法有三個(gè)步驟：

（1）計(jì)算AABB（軸對(duì)齊的邊界框）。

（2）建立邊界框的級(jí)別。

（3）執(zhí)行邊界框的重疊測(cè)試。

首先，計(jì)算拆裝區(qū)域的AABB和移動(dòng)鼠標(biāo)區(qū)域的AABB。通常，移動(dòng)鼠標(biāo)區(qū)域的AABB的位置可以通過(guò)計(jì)算其中心點(diǎn)，長(zhǎng)度，寬度和高度來(lái)獲知。但是，拆裝區(qū)域AABB的區(qū)域與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的邊界框不同。拆裝區(qū)域邊界框的長(zhǎng)度應(yīng)加上拆裝距離。我們將m作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備邊界框的中心點(diǎn)，a為長(zhǎng)度，b為寬度，c為高度。同時(shí)，D是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的拆裝距離。拆裝區(qū)域的邊界框的參數(shù)包括中心點(diǎn)m′，長(zhǎng)度a′，寬度b′和高度c′，這些值可以通過(guò)以下表達(dá)式計(jì)算：m′= m，a′= a?+ D，b′= b?+ D，c′= c?+ D。

然后，通過(guò)自上而下的方法建立兩個(gè)簡(jiǎn)單的級(jí)別等級(jí)，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的級(jí)別等級(jí)，一個(gè)是移動(dòng)鼠標(biāo)區(qū)域的級(jí)別等級(jí)。

最后，在兩個(gè)級(jí)別等級(jí)中進(jìn)行交叉測(cè)試，從而判斷虛擬檢查員是否進(jìn)入了拆裝區(qū)域。如果進(jìn)入了，我們開(kāi)始執(zhí)行拆裝命令。

4.3??使用C#編寫(xiě)腳本

要在Unity3D中實(shí)現(xiàn)各種交互功能，就必須有相關(guān)程序的編寫(xiě)，本文采用C#語(yǔ)言完成程序的編寫(xiě)[13]。

在整個(gè)程序的編寫(xiě)過(guò)程中，動(dòng)畫(huà)的導(dǎo)入是很重要的一步，其中導(dǎo)入的部分腳步程序如下：

using UnityEngine;

using System.Collections;

public class NewBehaviourScript ： MonoBehaviour

{

public MovieTexture mov;

void Start（）

{

audio.clip = mov.audioClip;

audio.Play（）;

mov.Play（）;

}

void OnGUI（）

{

if（GUI.Button（new Rect （ 310，0，100，50），"2倍速播放"））

{

audio.pitch = 2f;

}

if（GUI.Button（new Rect （ 410，0，100，50），"1倍速播放"））

{

audio.pitch = 1f;

}

GUI.DrawTexture（new Rect（0，0，300，300），mov）;

}

根據(jù)需求一步步完成整個(gè)程序腳本的編程，從而在Unity3D中實(shí)現(xiàn)所有想實(shí)現(xiàn)的交互功能。

5??系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，還應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試[14]，如圖6所示，是系統(tǒng)的主頁(yè)面，按照系統(tǒng)剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的需求分為了四個(gè)功能模塊：型號(hào)展示模塊、內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示模塊、設(shè)備拆裝模塊和工作原理模塊。需要進(jìn)行哪個(gè)模塊用鼠標(biāo)點(diǎn)擊一下即可進(jìn)入。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)每個(gè)模塊的功能都滿足設(shè)計(jì)的基本要求。

由于Unity3D軟件具有很強(qiáng)大的系統(tǒng)兼容性，所以發(fā)布出來(lái)的程序基本能在PC、IOS、Android等多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行。在發(fā)布過(guò)程中是在Project視圖下進(jìn)行Assets資源包的打包，在Build Setting中進(jìn)行發(fā)布配置，在Inspector操作面板中進(jìn)行軟件產(chǎn)品名稱和圖標(biāo)的修改等。

6??結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)技術(shù)高速發(fā)展的社會(huì)，各個(gè)高校都慢慢開(kāi)始注重虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，VR技術(shù)在教育方面的應(yīng)用也越來(lái)越多，本文設(shè)計(jì)的傳感器實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)生可以隨時(shí)隨地對(duì)相關(guān)的傳感器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成果。

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