基于Unity3D的虚拟现实技术的应用研究

何丹青

摘 要：针对传统实训教学存在形式单一、时间空间受限、维运成本高、缺乏情景感等缺点，本文提出了一种基于Unity的虚拟仿真实训平台，并以机械设计课程中的减速器教学单元为例，阐述平台的开发技术体系和应用于课堂教学的解决方案。经测试，该平台能显著提升学生学习积极性，具有良好的交互性、沉浸性，能够较好地提升了课堂教学的实效性。

关键词：Unity；虚拟现实；教学应用；减速器；交互仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）16-0036-02

信息技术与教育全过程的深度融合是教育教学改革的重要内容，也是实现教育现代化的必由之路。必须高度重视信息技术对教育发展的革命性影响，构建教育信息化体系，推动教育思想和理念的转变，促进教育内容、教学手段和方法现代化，更好地支撑教育改革和发展。传统实训教学存在许多不足之处：受限于设备、时间、场地等实训条件，不能开展重复多次的实验；由于经费等原因，实验耗材、器件、模型等教学硬件资源不能支持全覆盖教学内容，其维护、更新、升级成本很高；机电一体化、自动化等专业的一些实训项目存在一定安全隐患，实训危险系数较高；现有实训模式单一，沉浸性、交互性、感知性差，学生在实训时缺乏主动性。虚拟仿真技术是近年信息技术发展而产生的一类试验研究的心技术。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是虚拟仿真技术的一个重要方向，它是一种先进的人计算机接口技术，利用计算机生成一种三维的、基于感知信息的模拟环境，并使用户“进入”到该环境中进行行为控制，从而实现用户与虚拟环境的交互。VR技术最大特点就是用户可以自然的与虚拟场景进行交互操作，可以实现人“身临其境”的效果，有很强的沉浸感。VR技术广泛应用于医学模拟手术、产品的模拟装配、仪器设备的模拟使用等领域，并在近几年逐步应用于教育领域。

1 平台简介和解决方案

VR技术具有3I特性，即交互特性（Interaction）、沉浸特性（Immersion）和想象特性（Imagination）。它的应用研究包含了三维建模、人机交互、实验对象的虚拟仿真、图形学、数据库等方面内容。本文通过Unity引擎实现虚拟现实的交互，并以机械设计课程的减速器单元为例，对基于Unity的虚拟仿真平台的开发技术体系和流程做简要说明。

1.1 Unity简介

Unity是一个用于创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的专业跨平台开发引擎。

Unity的开发技术体系主要包含3D建模技术、UI技术、多媒体技术、数据库开发技术、Web开发技术和系统交互技术等。

Unity具有出色的跨平台性，支持开发者跨越20余种不同平台，包括WebGL、游戏主机、台式机、VR设备和移动设备等。Unity图像渲染引擎采用OpenGL、API和Direct3D，能支持Max、Maya、Lightwave、XSI、Pro-E等多种常用建模软件输出的模型文件。另外，强大易用的着色系统、地形编辑、物理特效、在线开发、项目发布和光影渲染等功能支撑，使得Unity具有简单易学、灵活便捷、高性能等特性。

1.2 解决方案

基于开发技术体系，Unity的开发流程主要包括内容导入、内容编辑和内容发布三个阶段。其中，内容导入阶段包含3D模型、图片、音效和视频等素材的导入；内容编辑阶段包含VR开发引擎、插件、第三方服务器等步骤；内容发布可以有应用程序单机发布、在线发布、移动设备发布等多种形式。开发完成后，支持VR外设，可以进行沉浸式体验。针对课堂教学，设计基于Unity的虚拟仿真平台的系统框图，如图1所示。

2 交互仿真测试

以机械设计课程中的减速器教学单元为例，测试基于Unity的VR技术在课堂教学中的应用实效。

2.1 教学内容与要求

齿轮减速器教学内容与要求包括：传动机构与装置原理讲解、演示；减速器设计、计算与零件图建模；减速器的测绘、装配与调整等。本文选用典型齿轮减速箱作为交互仿真测试案例，如图2所示。

2.2 交互仿真

经过3D建模、内容输入、内容编辑（交互操作等）、内容发布等步骤，用Unity开发齿轮箱单元交互虚拟教学demo，如图3所示。

该交互仿真包含知识点讲解、零件拆解、动态演示。相比一般的虚拟仿真，基于Unity的虚拟仿真加入了VR技术，可以让学习者沉浸在真实的情景中，实现全方位的实验观察；同时，学习者可以拆解装配体，对零配件个体进行观察分析，整个过程无需考虑设备顺坏和人身安全问题；另外，可以直观学习、理解、解析减速器的内部工作状态，这是在真实实验中无法实现的。

3 结语

加快推进信息化教学进程，促进信息技术与教育全过程的深度融合，是实现教育现代化的必由之路。本文在研究基于Unity的VR技术的基础之上，充分比较传统实训与虚拟仿真实训之间的优缺点，以减速器教学单元为例，阐明了基于Unity的虚拟仿真平台在课堂教学中的应用思路和系统框架。该平台具有以下特征：实验情境逼真，交互性强，显著提高学生学习兴趣；学习不受时间、空间限制，资源可共享性强；有利于提高学生时间操作能力、创新创造能力；有效降低教学成本，节约教学资源，提高实验实训安全系数；有助于提升课堂教学质量，推动教育教学改革。此外，该虛拟仿真平台在交互体验、在线教学等方面有很大的提升空间。

参考文献

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