电视原理虚拟实验系统

段永良 宋燕燕 周洪萍 邢凯伦 李陈 周王剑

虚拟仿真实验是一种基于数字化的开发技术，将现有各种教学实验内容通过先进技术数字化，能够模拟真实实验场景。虚拟实验技术的关键在于，构建效果真实、模型精细、数据准确的虚拟实验场景，创设实验内容多样、不受时间空间限制的可操控式开放性实验环境，适应未来各种实验的专项性和发展性。

一、实验系统UI界面

首界面UI主要分为如下3个面板，如图1。

StartUI中包含了一个“进入实验”按钮、校徽和一个标题，其中校徽和标题在场景开始时运行了DoTween动画，如图2。

StartUI2中是8个实验场景的分类，点击进入到不同的实验准备界面StartUI3。StartUI3界面中有一个实验介绍面板，有该实验的实验目的、实验器材、实验原理介绍，在阅读后可点击进入实验按钮进行相应虚拟实验。每个实验场景界面的左上角是实验的名称，右边是返回、暂停、操作方法提示3个按钮，用于返回首界面、实验暂停、查看操作方法。

二、实验场景

虚拟实验中的每个场景都是独立的，互不影响。每个场景按照对应的流程运行，每个流程有对应的策划案。每个场景中的设备都通过C4D建模软件制作，精细到每个接口。

实验桌上有 YDC-868型彩色/黑白电视信号发生器1台、音频信号发生器1台、视音频分配器1台、彩色液晶电视机1台、示波器1台。

大部分实验场景都由层级关系组成，如图5。

SceneObjects中是实验室的设备、灯光。shiyanshi中存放的是整个实验室的墙体、桌子等物体。Canvas中存放提示面板、图片展示面板。cameras中存放各个设备的相机位以及主相机。Obi中则存放各场景中的电线模型。

三、项目文件管理

由于整个虚拟实验项目涉及的专业较广，所包含的内容也是非常多的，所以整个项目中包含了非常多的项目文件。在Unity中，每个项目都有一个根目录Assets文件夹。所有的项目文件都保存在该文件夹中。图中展示的是本项目整个文件层级。KXF文件夹是整个虚拟仿真实验框架文件夹，里面包含了通用的编辑器脚本，工具类和DoTween插件文件。Obi文件夹存放Obi插件文件。整个项目文件都存放在Project文件夹中。整个Project文件层级由框架中的Editor脚本一键生成。

四、WebGL平台

WebGL（Full-Write-Web图形库）是一种三维绘图协议。这个绘图技术标准通过将JavaScript脚本语言和OpenGL2.0技术相结合，可以为HTML5的Canvas提供更快跟稳定的渲染运算方式，使所有使用Web应用的人可以只需要使用系統显卡就能更流畅地在浏览器中显示三维场景和模型。如此看来，WebGL技术标准可以用来创建具有复杂3D结构的网页，甚至可以用来设计三维或者二维网页游戏等。

1.WebGL程序编译

Unity实验框架开发完成后，将编译项目。WebGL项目使用HTML5技术和JavaScript标准，将应用呈现在网页客户端上。编译只要在“build player”窗口中选择WebGL构建目标，点击“build&run”，就开始编译了。

几乎所有的桌面浏览器都支持Unity WebGL应用，Unity WebGL不支持移动设备。因此，WebGL平台不支持动态链接库，包括类库和网络通信中的强连接。

2.程序文件修改

构建WebGL项目时，Unity会创建包含以下文件的文件夹：一个index.html文件，浏览器可以使用它来浏览阅读内容。开发或分发文件夹包含生成的项目输出文件（哪个文件夹取决于是否开发）模板数据文件夹（使用默认模板时可用），带有加载栏和其他模板资源。JavaScript文件myproject.js包含播放器的代码。  Myproject.data文件包含资源数据和方案。

3.服务器部署

首先需要创建IIS服务器。打开控制面板，点击程序，点击启用或关闭Windows功能，点击启用IIS服务。然后打开IIS，右键添加网站，选择物理路径，IP地址默认“全部未分配”，写好配置文件Web.config， 放在根目录下面就可以了，系统在运行时会自动读取该文件内容。

五、系统测试

本系统已经成功部署在服务器上，使用的是阿里云弹性计算服务器，服务器版本为Windows Server 2012，接下来将进行测试。

在非服务器的任意PC上，打开浏览器，输入地址http：//47.98.253.118：8081/，就会看到电视原理虚拟实验系统的首界面。

点击右下角进入实验按钮，就会进入到下一级界面，选择实验界面，进入到实验场景中，可以看到实验室、实验器材、实验图片等。

经过上述操作，实验均可正常运行，实验测试成功。

六、项目总结

一款应用的开发周期相对网页应用来说是相当长久的，在项目初期，首先开发了虚拟仿真实验框架，然后在框架的基础上进行电视原理虚拟实验的开发。

电视原理虚拟实验结合了图形制作技术、模型建造、虚拟仿真技术与代码开发技术，将其中的实验虚拟仿真化，把平时需要在实验室进行的实验操作流程带到电脑上或者智能手机中，极大地方便了学生的使用。在本次系统实现虚拟仿真的同时，也存在着一些不足之处。例如，虚拟仿真的设备由于现实中的仪器存在损坏和时间不充分等原因没有完全囊括其中，还需要进一步完善;虚拟实验的场景与仪器的精细度还不够逼真、精细;实验中可操作的部分有待扩充。

本设计仅属于虚拟仿真实验桌面式应用。由于成本、技术等限制，因此本设计没有制作得那么完美。未来，本项目还可以加入VR技术、AR技术、GPU并行计算技术等一系列技术，使项目更加完善。

另外，可以增加考评系统，针对学生进行的实验过程，找出学生理论和操作上的不足之处。