基于Unity3D的自动扶梯虚拟仿真展示

刘浩然　单莹　徐浩然　刘金明

摘要：针对自动扶梯在内部结构展示和工作原理学习等教学方面的需求，基于Unity3D虚拟现实软件，设计并实现了自动扶梯虚拟仿真教学Web平台，对自动扶梯的内部结构和工作原理进行在线展示。该平台使用C#脚本语言开发交互程序，实现虚拟场景中零部件的显示隐藏和多角度观察，交互性强，动态展示效果好。

关键词：自动扶梯；虚拟展示；Unity3D；三维交互

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）10-0165-02

目前，电梯的教学模型主要有静态模型和动态模型两种，静态模型主要用于展示电梯各组成部分，而动态模型主要用于展示电梯的运行过程。在实际教学过程中，两种模型在展示效果的逼真性和展示操作的便捷性方面却有待提高。虚拟现实软件Unity3D[1，2]对图形渲染管道进行了高度优化，能够流畅地运行各种虚拟环境，其在沉浸感、交互性和实时性方面优势明显[3，4]，广泛应用于游戏开发、漫游展示和虚拟仿真设计。因此，本文针对自动扶梯在内部结构展示和工作原理学习方面的需求，基于Unity3D游戏引擎的交互性和逼真性特点，构建仿真教学Web平台，对自动扶梯的内部结构和工作原理进行虚拟展示。

1 三维仿真建模

三维仿真模型的好坏直接影响虚拟场景的运行速度和逼真度，若能获取拟建模物体的详细图纸或精确尺寸，则应首选Pro/E、UG等参数化建模软件进行三维零件建模和虚拟装配，然后再使用3ds Max进行模型微调、贴图和动画制作等。因项目组没有找到自动扶梯的详细图纸且难以精确测量其尺寸，因此直接采用3ds Max进行三维零件建模，先后完成自动扶梯的梯级、扶手、导轨、传动系统等零部件的建模，然后再结合镜像、阵列等功能完成虚拟零部件的装配。

需要特别注意的是，在使用3ds Max进行零件建模时，一定要勾选模型的“背面消隐”属性，否则在Unity3D进行虚拟仿真展示时，将无法正常显示。

为获得逼真的展示效果，需采用3ds Max及相关渲染器对三维仿真模型进行渲染和贴图，尤其要注意相关金属材质、橡胶材质和玻璃材质的设计。

在完成零部件的装配及贴图渲染后，还需要在3ds Max中对自动扶梯三维模型零部件进行分组和重命名，并成组后的零部件进行坐标轴调节。为了保证Unity3D虚拟仿真展示的效率，还要对模型面数进行优化。

2 Unity3D虚拟仿真设计

2.1 虚拟场景设计

为了将模型导入到Unity3D虚拟场景中，需要将3ds Max中创建的自动扶梯三维模型连同材质一起导出为.FBX格式文件，并将该.FBX文件拷贝到Unity3D的资源文件夹Assets中，再次激活Unity3D主程序即可完成模型的自动导入。当将模型导入到Unity3D中后，若发现虚拟场景中的三维模型存在破面、面闪烁、材质丢失等问题时，需返回到3ds Max中对模型进行修改完善，经过多次反复后，才能获得满意的模型。将修改完善后的自动扶梯三维模型由Unity3D主程序的Assets窗口拖动到Scene窗口中即可将其添加到在虚拟场景中，然后再对其进行缩放、移动、旋转、显示隐藏等相关属性的设置，最后在场景中添加主摄像机和灯光等其他元素，并进行相关属性和从属关系的设置，即可完成虚拟场景的基本设计。

2.2 虚拟交互脚本设计。

Unity3D支持使用C#、JavaScript等多种脚本语言进行交互式动画的开发。首先，使用C#语言编写了MouseView.cs交互式脚本实现虚拟场景中自动扶梯的多视角展示。同时，需在虚拟场景中添加cube并更名为center_aixs，将其放置到自动扶梯的中心位置，并将MouseView.cs赋予主摄像机，其观察目标设定为center_aixs，即可实现对自动扶梯进行鼠标拖动旋转和滚轮缩放的多视角展示。

为了对自动扶梯的各部分结构和工作原理进行清晰展示，使用C#语言编写了VirtualDisplay.cs脚本。该脚本通过添加相应的“显示隐藏零部件”按钮和“工作原理展示”按钮来实现自动扶梯的对应零部件显示隐藏和工作过程展示。在工作过程展示中，通过Lerp（）函数实现了梯级、扶手、导轨等零部件的运动补间动画。交互式虚拟展示效果如图1所示。

3 总结

针对自动扶梯在内部结构展示和工作原理学习等方面的需求，深入研究了Unity3D虚拟交互技术，设计并实现了自动扶梯虚拟仿真在线教学平台。该平台动态教学展示效果好、逼真度高，对学生及维修人员学习自动扶梯的内部结构和工作原理，掌握自动电梯维修和保养知识具有一定的应用价值。

参考文献：

[1] 刘金明， 马铁民， 王娜. 基于Unity3D的电动机虚拟仿真展示平台设计[J]. 黑龙江八一农垦大学学报， 2014， 26（3）： 66-68， 78.

[2] 陈洪， 马钦， 朱德海. 基于Unity3d的交互式虚拟农业仿真平台研究[J]. 农机化研究， 2012， 24（3）： 184-186.

[3] 郭兵兵. 基于虚拟现实技术的三维矿井漫游演示系统开发与应用[J]. 中国煤炭， 2013， 39（3）： 64-67+72.

[4] 任镤， 王文剑， 白雪飞. 基于虚拟现实技术的山西大学堂建筑复原[J]. 计算机仿真， 2012， 29（11）： 20-23+46.