VR数字电子技术实验室的设计与实现

赵守凯 林慧君

摘  要： 利用VR技术，基于3ds Max设计并制作出一个VR数字电子技术实验室，，使之其中包括VR实验台、VR实验箱和相关实验仪器。阐述应用Unity3D引擎实现一体机漫游VR数字电子技术实验室和操作实验的步骤和方法。通过应用现象分析法得知，体验者能够获得沉浸性、交互性体验。大多数体验者认为该VR实验室具有创新性和想象力，能够激发他们的操作兴趣，使之更好地理解实验室的相关仪器和功能。

关键词： 虚拟现实技术; VR数字电子技术实验室; 3ds Max; Unity3D

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）04-48-03

Design and implementation of VR digital electronic technology laboratory

Zhao Shoukai， Lin Huijun

（Zhanjiang PreschoolEducation College， Zhanjiang， Guangdong 524037， China）

Abstract： Using VR technology， a VR digital electronic technology laboratory is designed and realized based on 3ds Max， which includes VR experiment platform， VR experiment box and related experiment instruments. This paper describes the steps and methods of using Unity3D engine by wearing a VR all in one to realize roaming the VR digital electronic technology laboratory and operating experiment. Through the application of phenomenological analysis， it is known that the experiencer can obtain the immersive and interactive experience. Most of the experimenters think that the VR digital electronic technology laboratory is innovative and imaginative， which can stimulate their interest in operation and make them better understand the relevant instruments and functions of the laboratory.

Key words： virtual reality technology; VR digital electronic technology laboratory; 3ds Max; Unity3D

0 引言

虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段组成一种虚拟环境，用户借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同感受[1]的一门交叉学科。与国外VR技术相比，国内VR技术虽起步较晚，但在国内5G通信技术的引领带动下，巨大的市场需求和发展潜力推动下，正激励越来越多高校、科研机构、科技创新公司从事VR技术研究和开发，VR产业将迎来消费级产品的盛宴时代。本文阐述应用3dsMax建立VR数字电子技术实验室及多功能实验台、实验箱、芯片、信号灯、发光二极管及导线等相关实验设备，将这些模型导入Unity3D进行交互式漫游功能编辑[2]，利用Unity 3D脚本编辑器对实验箱器件功能进行VR开发的方法。体验者可通过佩戴VR一体机实现在该VR实验室内漫游，参观并了解相关实验设备和仪器。通过应用现象分析法[3]对学生做了一个问卷调查，得知学生普遍获得沉浸性、交互性、想象性体验，该VR实验室能激发他们的学习实验兴趣。

1 VR数字电子技术实验室功能模块

该VR实验室的功能主要包括实验室场景设计及电源开关的总体控制、通过数据手柄或鼠标操作虚拟仪器碰撞体响应控制、与或非芯片逻辑功能模拟、电路连线次序控制、文本输出和提示控制、实验界面跳转控制、实验重新开始复位控制和实验操作者视角控制等各个部分。实验者可通过穿戴虚拟现实一体机在实验室漫游，展示实验室相关实验设备;在实验室内漫游，看相关实验介绍。使参观者获得360?沉浸式体验，每个实验点均可交互，通过文字介绍、动画、特效展示无法看到或讲解的实验内容，通过快速跳转、瞬间移动等位移功能，能快速跳转到需要演示讲解的内容区域。

2 总体设计与制作流程

虚拟实验室的设计需做到以下四点：逼真的外形外观、精细的内部结构、真实的电路原理、逼真的仿真现象[4]。其总体设计与制作流程如图1所示。

在制作模型之前，通过现场实物拍照、实验器材设备实际尺寸測量等大量前期工作，得到整个实验室完整的建筑、设备数据，根据真实实验室环境存在的不足，对真实实验场景做适当修改，设计出优美的理想实验场景、方便分组交流及团队协作的实验台，为满足多人同时进行实验操作，且便于主讲人进行具体内容介绍，设计1主机N从机漫游模式，主机控制所有VR设备内参观路线的选择，各从机可独立在该路线模式下进行漫游交互。

由于真实实验室内部空间结构、各实验室办公区域以及试验区域的相关桌椅可能存在破旧或设计缺陷的情况，建议设计者在参照原物的基础上作适当的外观创新设计，争取让参观者获得较佳的VR实验室场景漫游体验。各实验模块均设计内容介绍和实验过程动效展示，针对实验室大范围漫游的特点，设计自由行走和快速瞬移两种不同的移动方式。

3 VR实验室及仪器设备制作

VR实验箱是整个实验操作的核心，该部分的模型包括引脚端口、电阻、功能芯片、发光二级管、电容、面板层、螺丝钉、电源开关、实验箱把手等，是较为复杂的模型[5-7]，建模时尽量利用3DS MAX高级建模工具可编辑多边形结合展UV操作建立模型，以便导入Unity3D引擎进行交互式开发。数字电子技术实验用到的功能芯片有很多，比较典型的有74LS04反相器、74LS08二输入四与门芯片、74LS145译码器、74LS151选择器芯片、555定时器等多种。为了增强实验的沉浸性，芯片模型的构建要从芯片内部结构上考虑，重点设计关键部件及其连接关系，为其添加必要的仿真功能。建立的VR数字电子技术实验箱如图2所示。

在建立VR数字电子技术实验台时，考虑到实验台的多功能应用和实验的相互协作性，该实验台既可以摆放实验箱，也可以摆放电脑等其他实验仪器，每个实验台作为一个实验小组，以方便小组实验操作和交流。建立的数字电子技术实验台如图3所示。

在建立VR数字电子技术实验室时，应兼有普通教室和实验室的功能，至少应具备黑板、多媒体投影、电脑等教学设备，在渲染时应添加覆盖材质，使烘焙出来的贴图具备光影以方便导入Unity3D后保留光影效果。为节省渲染时间，在测试渲染时预设改为非常低，正式渲染后再改为高。烘焙时每个物体单独洪培，烘焙完之后再选中所有物体清除壳材质，以免影响导入Unity3D引擎后的效果。为营造一个明亮的实验室灯光效果，可使用片灯，如有特殊需要（如投射灯等），可以根据实际情况打灯，该VR实验室设置漫游视角、设备认知、实验操作等功能、最终制作的VR数字电子技术实验室如图4所示。

4 漫游设计与测试

应用Unity平台可实现一体机的漫游操作开发，通过头显设备与计算机连接，将体验者置身于虚拟现实环境中，进行沉浸性体验。添加BoxCollider组件，使其可以接收来自手柄射线的碰撞检测，控制UI按钮脚本如下：

ProtectedvirtualvoidOnTriggerEnter（Collidercollider）

{ varcolliderCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_PlayerObject>（）;

varpointerCheck=collider.GetComponentInParent<

VRTK_UIPointer>（）;

if （pointerCheck&&colliderCheck&&colliderCheck

.objectType==VRTK_PlayerObject.ObjectTypes.Collider）

{ pointerCheck.collisionClick=

（clickOnPointerCollision？true：false）; } }

體验者使用手柄选择主机体验，通过UI提示直接进行实验室环境漫游，手柄点击设备UI名称，可实现该实验点详细介绍及实验原理动画演示。通过点选观察点，VR眼镜内容跟随主机端控制而进入对应的沉浸式场景进行自主观看，该VR实验室漫游视角如图5所示。

5 结束语

为了验证该VR实验室的实用性及科学性，从参加《数字电子技术》实验课程学习的学生中选取20人，应用现象分析法主要从学习支持、体验感等方面对学生做了一个问卷调查，较为典型的意见为“有一定的创新性和想象力”、“有进一步体验学习的愿望”、“我能更好的理解所学实验内容”、“希望能参加更多的实验活动”等。从这些较为积极的评价中得知体验者对该VR实验室较为满意。本研究只是完成了VR实验室相关仪器的开发和部分实验的建立，后期将进一步建立和完善数字电子技术课程相关实验。

参考文献（References）：

[1] 谭杰夫，钟正，姚勇芳.虚拟现实基础与实战[M].化学工业出版社，2016.

[2] 王开宇，李安琪，马驰，陈景，姜艳红，于楠楠.基于仿真技术的数字电路3D虚拟实验室的设计[J].实验技术与管理，2017.34（2）：11-15

[3] 李海龙，贾利锋.智能体验式泛在学习研究——以师范生教学技能训练为例[J].电化教育研究，2016.5：92-100

[4] 邹萍.虚拟实验室中的场景建模研究[D].华东师范大学，2010.

[5] 刘新艳.虚拟电工电子实验室的设计与实现[D].电子科技大学，2014.

[6] 朱柱.基于Unity 3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].华中师范大学，2012.

[7] 杜保强，尹飞凰.电子电路虚拟实验的建构[J].现代电子技术，2004.4：16-18