计算机硬件虚拟仿真系统的研究与设计

杨芬红

摘要：为了解决计算机硬件实训条件限制，本研究使用3Dmax和Unity3D制作虚拟仿真系统，前期制作计算机硬件各个模型，并进行动画设计实现聚合分离旋转效果。后期使用Unity3D进行界面设计，资源整合，脚本开发。界面设计使用UI来实现，资源整合中的ABC001插件可以聚集，缩放，调整硬件位置。脚本开发使用PlayMaker插件提供可视化的脚本设计。实现系统入口，基本知识介绍，拆分硬件与安装硬件功能，该系统应用于教学中取得了良好的教学效果。

关键词：硬件；虚拟仿真；模型

中图分类号：G434 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0260-03

1开发思路

高职计算机基础课程中会涉及的硬件知识，要求学生掌握计算机基本结构及内部运行规律，熟悉各部件的性能指标，能对计算机系统进行优化，能熟练解决计算机硬件问题。课堂介绍时，通常以图片，视频等方式进行，由于实训条件的限制，学生很少进行实践动手安装硬件，导致教学形式单一，学生知识掌握不扎实，遇到计算机硬件问题束手无策。针对上述问题，本研究主要使用3Dmax建模软件生成计算机硬件各个部件，Unity3D虚拟现实软件生成虚拟环境和虚拟交互，研究制作形象逼真，三维动态的计算机硬件实验系统。

通过前期对师生的调研，收集共性需求，要求实验平台仿真度高，界面友好，能熟练掌握硬件的各个部件的功能，能熟练拆分计算机硬件，也能通过提供的零部件安装完整的电脑。结合调研结果，本研究提出以下开发思路。

总体设计确定系统方案，并进行素材收集设计，资源开发使用3Dmax软件实现，制作高仿真的三维计算机部件，并制作旋转，位移动画，系统实现使用Unity3D进行界面设计，资源整合，脚本开发。最后应用在教学中，根据反馈意见进行修改。

2 总体设计

2.1 方案设计

针对师生需求和计算机硬件教学的实际情况，确定虚拟实验系统三个主要功能，第一，认识计算机每个部件，第二，拆分计算机硬件，第三，安装计算机硬件。为了方便学生操作，系统能提供友好的界面入口，每个功能窗口中都要设置返加首页功能，使用鼠标能对计算机各部件进行拖动，缩放，移动功能。为这使界面更加开阔，还要提供活动菜单功能，使菜单能灵活显示隐藏。另外计算机部件还要加上触发功能，单击计算机部件，实现部件位置改变。

2.2 素材设计

结合当前计算机硬件发展规律，确定合适的机型，并对计算机硬件每个部件进行测量，拍照，记录每个部件的参数，设计每个部件的贴图，以便制作高仿真计算机部件。

3资源开发

3.1 模型制作

计算机硬件建模主要采用3Dmax，它是一款三维建模软件，通过该软件能逼真的模拟计算机硬件各部件，制作出高仿真的部件模型。硬件模型看起来复杂，都可以使用基本的几何体进行复合建模，也可以通过基本图形如线，圆，矩形等通过挤出等方式进行建模。建模完成后，通过uv拆分和材质球进行贴图。这是建模完成后的图形。

3.2 动画设计

后期需要展示整机及各个部件，对电脑各个部件进行拆分与安装，所以需要分别制作整机旋转动画，各个部件旋转动画，及部件的聚合与分离动画，这里以聚合分离动画为例介绍制作过程。首先选中主板，按ALT+Q进入孤立模式，设置动画帧长为100帧，分别在第1，10，40，50制作关键帧，左视图如下图所示。

然后复制40帧至60帧，10帧至90帧，1帧至100帧，形成反向动画，其他部件的动画效果制作方法类似，聚合与分离的效果如图4所示。

4系统实现

系统设计使用Unity3D来实现，它是一款虚拟现实的三维软件，能制作游戏，仿真系统，三维动画，建筑可视化等类型互动内容，具有强大的交互功能，能模拟真实场景。下面从界面设计，脚本开发，系統发布来阐述系统设计思路。

4.1界面设计

仿真系统包括主界面，基础知识，硬件拆分，硬件安装四个界面，每个界面实现不同的功能。主界面提供系统入口，分别单击基础知识，系统拆分，系统安装三个按钮，进入不同的子系统，主窗口居中位置添加旋转的机箱三维动画，使界面更有立体感。基础知识界面实现部件功能介绍，硬件拆分和硬件安装能动态仿真系统拆分与安装过程，通过人机交互，帮助学生熟悉计算机硬件系统。主界面使用PS软件进行设计，基础知识，系统拆分，系统安装三个子系统的界面，使用Unity3D的UI功能来实现的，虚拟装机系统的界面如下图所示。

4.2资源整合

3Dmax制作的计算机部件导入到Unity3D中，我们需要执行以下操作。首先在3Dmax中选择每个部件，导出选定对象，然后在Unity3D的ASSETS中导入每个部件，选中每个部件，在inspector窗口中分割动画，take001设置0至50帧，实现分离效果，take010设置50至100帧，实现聚合效果。并将RIG选项的Animation Type设置为Legacy，每个部件拖放到hierarchy窗口，并将每个部件的动画自动播放设为否，使每个部件的初始状态是静态的。

为了使系统界面与计算机硬件有机融合，并实现三维部件在系统中的缩放，旋转和位置改变，可以使用ABC001插件来实现该功能。把该插件拖放该至主摄像机的inspector窗口，为了更好地聚集计算机硬件平台，添加隐形的长方体（Cube），并拖放Cube至Target，设置合适的Distance值，使硬件大小刚好适应窗口大小。ABC001插件属性窗口如下所示。

4.3 脚本开发

脚本开发主要采用PlayMaker插件来实现的， 它能提供可视化的脚本设计，用户不需要撰写脚本代码，使用状态机就能在Unity3D中设计交互功能与逻辑功能。本系统主要采用PlayMaker插件实现以下功能。

1）界面连接，实现进入系统与返回系统功能。

2）打散硬件，播放分離动画，打散计算机各部件。

3）菜单滑动，实现动态菜单显示与隐藏

4）显示硬件，单击每个部件按钮，显示每个部件及功能介绍。

5）拆分硬件，单击每个部件按钮，播放分离动画，实现部件逐个拆分。

6）安装硬件，显示各个部件，并添加触发器，单击每个部件，播放聚合动画。

界面连接功能的状态机实现如图7所示，下方是State1的状态窗口，右侧是状态1的状态窗口。

5总结

系统开发完毕后，通过发布功能，生成虚拟仿真系统，并应用于教学中，收到良好的教学效果，虚拟实验系统引入计算机硬件教学具有明显的优势，主要包括三个方面。

1）有助于学生对硬件知识的掌握

虚拟实验系统逼真模拟计算机硬件各部件，学生通过鼠标能360度观察每个硬件部件，掌握每个部件的结构和功能，界面友好，使用灵活，通过活动菜单，鼠标触发拖放功能帮助学生熟练掌握计算机硬件拆分方法与安装方法。

2）有助于提高实验教学的灵活性

虚拟实验系统可以在课堂教学中进行演示操作，也可以在实训室让学生动手练习，同时也可以发到QQ群，网络平台，方便学生课后自主学习。能突破硬件设备数量的限制，让每位学生都能动手参与实验，教学不受时空限制

3）有助于减少实验设备的损失

利用虚拟系统进行教学，可以反复进行拆装实践，帮助学生掌握计算机硬件的基本知识，提高拆装计算机硬件的动手能力，却不会损坏硬件部件，熟练以后再进行真实环境的操作，可以有效减少损失，节约经费。

同时收集师生的反馈，主要问题集中在几个方面：界面不够友好，沉浸性不够，功能比较单一。针对上述问题，我们会在后期进行修改，以实现更多的功能，更好的体验。

参考文献：

[1] 杨江涛. 虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].信息通信，2015，1（45）：138.

[2] 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.

[3] 陈泽婵，陈靖，严雷，等. 基于Unity3D 的移动增强现实光学实验平台[J].计算机应用，2015，35（ S2） ： 194-199.

【通联编辑：谢媛媛】