基于Unity的中学化学实验虚拟现实系统

李谷伟

（浙江东方职业技术学院数字工程学院 浙江省温州市 325000）

1 引言

中学化学实验室里普遍存放着大量的化学物品，具备易燃、易爆、腐蚀性强的特点。在化学实验过程中，由于学生对实验过程不熟悉，操作不规范，往往极易造成火灾、爆炸、腐蚀人体皮肤等安全问题。除此之外，化学实验器具的老化、实验室自身条件简陋、供电线路老化、恶劣的天气等因素也会带来众多的安全隐患问题。

针对这些问题，本文提出一种基于Unity的化学实验虚拟现实重现方法。采用Maya对实验环境进行三维建模，采用Unity对实验过程中的交互功能进行设计，采用Visual Effect Graph技术、Shader Graph技术等方法，实现各种化学实验特效仿真。凭借这一方法，开发了中学化学实验虚拟仿真原型系统。实例表明，该方法可以形象、逼真的再现化学实验中的各种仿真效果，解决了传统化学实验过程中存在的中毒、腐蚀皮肤、火灾或爆炸等安全隐患问题。

2 基于Unity的化学实验虚拟现实系统

基于Unity的化学实验虚拟现实系统，采用Maya对实验环境进行三维建模，采用Unity对实验过程中的交互功能进行设计，采用Visual Effect Graph技术、Shader Graph技术等方法，实现各种化学实验特效仿真。同时，该系统将发布2个平台，一个是VR平台，一个是移动平台，学生可以借助VR头盔，配合手机，体验丰富的化学实验交互功能，能够在确保实验安全性的同时，增强了课堂实验的趣味性。

2.1 化学实验虚拟现实系统开发流程

根据基于Unity的化学实验虚拟现实系统的开发方法，提出该方法的总体流程如图1所示。

开发VR火灾隐患排查系统，首先需要了解宿舍发生火灾的全部隐患，将这些隐患点信息存储起来，用3dsMax为宿舍场景进行建模以及纹理贴图，对应所有的隐患点特别有针对性的建立精致模型，导入Unity引擎，在Unity引擎中，开发隐患点排查交互功能模块，利用相交球检测技术、添加爆炸点技术等为每个隐患点添加火灾特效、爆炸特效，设计醒目的UI，为体验者提供清晰的体验感，最终将生成的系统发布到HTC VIVE。

2.2 Maya技术

Maya是Autodesk公司出品的一款功能强大的三维动画软件，它在三维建模、影视动画、影视特效领域有非常多的应用。它最常用的建模方式是多边形建模，开发者可以通过捏泥人的方式去对模型的每个点进行精细的控制，建模的操作方式非常新颖，新版软件升级了UV模块，展UV非常方便，特别适合VR应用。因此，本文选用Maya对宿舍场景进行建模、UV处理与贴图制作。

图1：开发化学实验虚拟现实系统总体流程

图2：VFX Graph编辑界面

2.3 Unity技术

化学实验虚拟现实系统对三维场景的真实度要求非常高，所以需要一款能够制作3A级画面的引擎来制作。除此之外，还需要添加很多交互功能以及UI界面的制作，而这些功能与效果的实现，都需要Unity来完成。

Unity是一款开发三维游戏的引擎，特别是手游市场，占据了很大的比重，而开发语言使用的是C#语言，它是基于面向组件开发的一个引擎，兼容所有平台。本文采用Unity实现特效展现和交互功能。

Unity开发都是面向组件的开发，而本项目主要使用的是Visual Effect Graph模块，这个模块的强大效果以及掌控力是我们实现逼真特效的关键所在。而Shader Graph模块也是我们实现物理渲染效果的必要方法。

3 Visual Effect Graph技术

化学实验中存在着大量的实验效果，而这些实验效果靠传统的CG技术很难实现，尤其是接近于照片级的效果，同时还要考虑到运行效率的问题。采用Unity最新的Visual Effect Graph技术可以确保系统流畅运行，并实现接近于照片级的效果。

Visual Effect Graph技术是在Unity 2018.3之后推出一项新技术，它其实是一种新的特效工具。它与原本的粒子系统相似，但它最直观的特点是可视化的节点，支持编程，运行在GPU之上。这些特点让它能够支持更庞大的图形运算量以及对开发者、创作者提供了更加灵活的开发空间。因此，可以用来制作游戏里大量的3A级特效。例如：本系统中所需化学实验中发生的各种化学反应特效。

Unity中使用Visual Effect Graph技术的方法：

3.1 安装与配置

Visual Effect Graph需要通过Package Manager来安装，目前只支持HDRP，所以还需要安装HDRP。安装完之后，需要在Project窗口的Create菜单创建HDRP的配置文件。

3.2 创建于编辑VFX Graph

先创建一个VFX Graph资产，拖到场景中后会自动生成一个GameObject，Unity会自动添加一个Visual Effect组件，并引用到之前创建的VFX Graph资产，打开可以编辑它，如图2所示。

System：虚线包裹的几个Context的集合叫做System。一个System包含Initialize，Update和Output。一个VFX Graph可以包含多个System。

Spawn：这个Context定义了生成粒子的数量以及生成的时机。

Initialize：这个Context类似编写脚本时的Start方法，用来对粒子进行初始化操作，它需要以Capacity和Bounds开始。

Capacity定义同一时间可以存在的粒子最大数量。这个值很重要，决定了初始分配多少内存，应该根据生成粒子的数量来设置数值。一般可以通过公式计算：Rate × Max Lifetime=Capacity。

Bounds：定义粒子的模拟区域

Update：这个Context类似编写脚本时的Update方法，设置粒子随着时间的变化。它可以使用力，比如添加碰撞、力场等。

Output：用来渲染粒子，它决定了生成粒子的类型、纹理、颜色、朝向等。一个System可以有多个Output输出。

3.3 运行测试

设置适当的参数值，可以得到如图3所示效果。

4 Shader Graph技术

4.1 创建与设置

使用Shader Graph，需要安装Shader Graph包和Universal RP包（Unity 2019.3之前的名称为LightWeight RP）。创建并配置SRP（可编程渲染管线），然后新建PBR Graph。打开PBR Graph文件即可开始设置基于物理渲染的材质效果了。

4.2 测试PBR渲染效果

图3：简单火焰测试效果

图4：测试爆炸效果

图5：化学实验虚拟现实系统总体设计

通过各种节点的连接，调试参数，可以得到如图4所示的边缘发光效果。

5 系统总体设计

针对现有的VR重现系统的功能模块以及存在的缺点，改良设计了化学实验虚拟现实系统，如图5所示。

功能模块如下：

（1）实验室再现：创建化学实验室场景模型，添加各种实验过程中发生的特效，添加实时更新的UI界面。

（2）VR核心模块：VFX Graph技术、Shader Graph技术。

（3）实时模拟：实时更新实验数据、实时显示交互过程中的特效。

6 实例研究

图6：实验过程重现

场景中添加了由Visual Effect Graph技术实现的火焰和火星效果，所有的材质渲染都是基于Shader Graph技术实现的。加上了实时交互的UI界面，以及实时显示的数据信息，如图6所示。根据研究，此系统能够让学生使用VR手柄来操控实验仪器和设备，并实时产生预设的化学效果。学生可以利用此系统完成所有的化学实验，效果非常逼真。

7 结语

为了解决化学实验过程中极易造成火灾、爆炸、腐蚀人体皮肤等安全问题，本文研究了一种基于Unity的化学实验虚拟现实系统，给出了化学实验虚拟现实系统的总体设计、开发流程以及技术解决方案，探讨了Visual Effect Graph、Shader Graph等关键技术，实现各种化学实验特效仿真，开发了中学化学实验虚拟仿真原型系统。实例表明，该方法可以形象、逼真的再现化学实验中的各种仿真效果，解决了传统化学实验过程中存在的中毒、腐蚀皮肤、火灾或爆炸等安全隐患问题，并且增加了化学实验课堂的趣味性，提高了学生学习积极性。