段永良 宋燕燕 周洪萍 邢凱倫 李陳 周王劍

虛擬仿真實驗是一種基于數(shù)字化的開發(fā)技術(shù)，將現(xiàn)有各種教學(xué)實驗內(nèi)容通過先進技術(shù)數(shù)字化，能夠模擬真實實驗場景。虛擬實驗技術(shù)的關(guān)鍵在于，構(gòu)建效果真實、模型精細、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的虛擬實驗場景，創(chuàng)設(shè)實驗內(nèi)容多樣、不受時間空間限制的可操控式開放性實驗環(huán)境，適應(yīng)未來各種實驗的專項性和發(fā)展性。

一、實驗系統(tǒng)UI界面

首界面UI主要分為如下3個面板，如圖1。

StartUI中包含了一個“進入實驗”按鈕、校徽和一個標(biāo)題，其中校徽和標(biāo)題在場景開始時運行了DoTween動畫，如圖2。

StartUI2中是8個實驗場景的分類，點擊進入到不同的實驗準(zhǔn)備界面StartUI3。StartUI3界面中有一個實驗介紹面板，有該實驗的實驗?zāi)康?、實驗器材、實驗原理介紹，在閱讀后可點擊進入實驗按鈕進行相應(yīng)虛擬實驗。每個實驗場景界面的左上角是實驗的名稱，右邊是返回、暫停、操作方法提示3個按鈕，用于返回首界面、實驗暫停、查看操作方法。

二、實驗場景

虛擬實驗中的每個場景都是獨立的，互不影響。每個場景按照對應(yīng)的流程運行，每個流程有對應(yīng)的策劃案。每個場景中的設(shè)備都通過C4D建模軟件制作，精細到每個接口。

實驗桌上有 YDC-868型彩色/黑白電視信號發(fā)生器1臺、音頻信號發(fā)生器1臺、視音頻分配器1臺、彩色液晶電視機1臺、示波器1臺。

大部分實驗場景都由層級關(guān)系組成，如圖5。

SceneObjects中是實驗室的設(shè)備、燈光。shiyanshi中存放的是整個實驗室的墻體、桌子等物體。Canvas中存放提示面板、圖片展示面板。cameras中存放各個設(shè)備的相機位以及主相機。Obi中則存放各場景中的電線模型。

三、項目文件管理

由于整個虛擬實驗項目涉及的專業(yè)較廣，所包含的內(nèi)容也是非常多的，所以整個項目中包含了非常多的項目文件。在Unity中，每個項目都有一個根目錄Assets文件夾。所有的項目文件都保存在該文件夾中。圖中展示的是本項目整個文件層級。KXF文件夾是整個虛擬仿真實驗框架文件夾，里面包含了通用的編輯器腳本，工具類和DoTween插件文件。Obi文件夾存放Obi插件文件。整個項目文件都存放在Project文件夾中。整個Project文件層級由框架中的Editor腳本一鍵生成。

四、WebGL平臺

WebGL（Full-Write-Web圖形庫）是一種三維繪圖協(xié)議。這個繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過將JavaScript腳本語言和OpenGL2.0技術(shù)相結(jié)合，可以為HTML5的Canvas提供更快跟穩(wěn)定的渲染運算方式，使所有使用Web應(yīng)用的人可以只需要使用系統(tǒng)顯卡就能更流暢地在瀏覽器中顯示三維場景和模型。如此看來，WebGL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以用來創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁，甚至可以用來設(shè)計三維或者二維網(wǎng)頁游戲等。

1.WebGL程序編譯

Unity實驗框架開發(fā)完成后，將編譯項目。WebGL項目使用HTML5技術(shù)和JavaScript標(biāo)準(zhǔn)，將應(yīng)用呈現(xiàn)在網(wǎng)頁客戶端上。編譯只要在“build player”窗口中選擇WebGL構(gòu)建目標(biāo)，點擊“build&run”，就開始編譯了。

幾乎所有的桌面瀏覽器都支持Unity WebGL應(yīng)用，Unity WebGL不支持移動設(shè)備。因此，WebGL平臺不支持動態(tài)鏈接庫，包括類庫和網(wǎng)絡(luò)通信中的強連接。

2.程序文件修改

構(gòu)建WebGL項目時，Unity會創(chuàng)建包含以下文件的文件夾：一個index.html文件，瀏覽器可以使用它來瀏覽閱讀內(nèi)容。開發(fā)或分發(fā)文件夾包含生成的項目輸出文件（哪個文件夾取決于是否開發(fā)）模板數(shù)據(jù)文件夾（使用默認模板時可用），帶有加載欄和其他模板資源。JavaScript文件myproject.js包含播放器的代碼。 ?Myproject.data文件包含資源數(shù)據(jù)和方案。

3.服務(wù)器部署

首先需要創(chuàng)建IIS服務(wù)器。打開控制面板，點擊程序，點擊啟用或關(guān)閉Windows功能，點擊啟用IIS服務(wù)。然后打開IIS，右鍵添加網(wǎng)站，選擇物理路徑，IP地址默認“全部未分配”，寫好配置文件Web.config， 放在根目錄下面就可以了，系統(tǒng)在運行時會自動讀取該文件內(nèi)容。

五、系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)已經(jīng)成功部署在服務(wù)器上，使用的是阿里云彈性計算服務(wù)器，服務(wù)器版本為Windows Server 2012，接下來將進行測試。

在非服務(wù)器的任意PC上，打開瀏覽器，輸入地址http：//47.98.253.118：8081/，就會看到電視原理虛擬實驗系統(tǒng)的首界面。

點擊右下角進入實驗按鈕，就會進入到下一級界面，選擇實驗界面，進入到實驗場景中，可以看到實驗室、實驗器材、實驗圖片等。

經(jīng)過上述操作，實驗均可正常運行，實驗測試成功。

六、項目總結(jié)

一款應(yīng)用的開發(fā)周期相對網(wǎng)頁應(yīng)用來說是相當(dāng)長久的，在項目初期，首先開發(fā)了虛擬仿真實驗框架，然后在框架的基礎(chǔ)上進行電視原理虛擬實驗的開發(fā)。

電視原理虛擬實驗結(jié)合了圖形制作技術(shù)、模型建造、虛擬仿真技術(shù)與代碼開發(fā)技術(shù)，將其中的實驗虛擬仿真化，把平時需要在實驗室進行的實驗操作流程帶到電腦上或者智能手機中，極大地方便了學(xué)生的使用。在本次系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬仿真的同時，也存在著一些不足之處。例如，虛擬仿真的設(shè)備由于現(xiàn)實中的儀器存在損壞和時間不充分等原因沒有完全囊括其中，還需要進一步完善;虛擬實驗的場景與儀器的精細度還不夠逼真、精細;實驗中可操作的部分有待擴充。

本設(shè)計僅屬于虛擬仿真實驗桌面式應(yīng)用。由于成本、技術(shù)等限制，因此本設(shè)計沒有制作得那么完美。未來，本項目還可以加入VR技術(shù)、AR技術(shù)、GPU并行計算技術(shù)等一系列技術(shù)，使項目更加完善。

另外，可以增加考評系統(tǒng)，針對學(xué)生進行的實驗過程，找出學(xué)生理論和操作上的不足之處。