基于Unity3D的模拟电子线路实验教学平台的设计.pdf
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1、 照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明242基于 Unity3D 的模拟电子线路实验教学平台的设计*韩桂明桂林信息科技学院,广西 桂林 541004摘要:在我国高考扩招大背景下,高校基础实验(尤其是模拟电子线路实验)仪器的台套数远跟不上招生数的增长速度,这已成为许多工科院校面临的共性问题。针对以上问题,文章使用 Unity3D 的强大功能开发桌面型跨平台的实验教学平台。利用 3DS MAX 实现几何建模,导入 Unity3D,利用 Unity3D 实现仿真及交互功能,实现逼真的虚拟模拟电子线路实验教学效果,具有良好的应用前景。关键词:实验教学平台;Unity3D;场
2、景交互;虚拟实验分类号:G642.423;TN7100 引言随着计算机技术的发展,计算机硬件的算力突飞猛进,3D 图像处理算法进步,虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术成为当今科学研究领域的热门技术。通过虚拟现实技术可以把现实场景真实再现,其广泛应用于军事仿真、宇宙航空、医院临床、教育及影视等领域。实践是培养工科(特别是应用型本科)学生动手能力的必由之路。随着每年入学的高校学生不断增加,大部分工科院校面临的共性问题是学校基础实验的实验仪器的台套数远跟不上招生数的增长速度。在此背景下,可以在大学的基础实验教学中使用 VR 技术,文章以模拟电子线路实验为例,阐述了如何在现有条件下,
3、使注重实践的应用型高校的实验开出率达到 100%。文章所设计模拟电子线路基础实验教学平台主要具备硬件接口、参数设置和元件识别等核心功能。平台的研制可以使得学生不受时空限制,随时随地利用平台学习,进而提升碎片时间的利用率,提高学习效率,提升创新创业能力1。1 实验教学平台设计要求1.1 平台需求应用型高校和研究型高校在本科教学中的较大差异是应用型高校注重实践课程而研究型高校注重理论基础,即前者实践课程的比例比研究型高校大,尤其是基础实践教学。学生可以根据实践教学大纲中的要求,通过实验教学平台完成实验原理、电路连接等操作,并能在计算机或者手机上完成与真实环境中一样的实践学习,能做到交互式学习,提高
4、学生的学习兴趣。根据现在学生的实际情况,平台设计要操作简单、界面美观、具有可扩展性、模块化清晰,平台的主要模块包括实践环境模拟、视频教学和模拟考核等。1.2 平台的开发步骤文章设计的模拟电子线路基础实验教学平台的开发步骤主要分为两大部分:前期准备和后期制作开发。在前期准备阶段,核心工作是收集与模拟电子线路理论相关的“数字素材”,如元器件参数、颜色和典型图片、原理图的电子档等,在收集完相关素材后,利用3DS MAX 完成模型的创建和动画的制作。在后期制作开发阶段,主要是根据平台的需求,利用 UGUI(图形用户界面)完成 UI 界面设计2,并编写脚本程序,完成用户与平台的交互活动。2 实验教学平台
5、关键功能模块文章开发的平台以桂林信息科技学院电子类专业现有模拟电子线路基础实验环境为模板进行设计。平台的关键功能模块如图 1 所示。(1)组件显示模块。组件主要包括电子元件、电源和仪器仪表等,可以通过鼠标、手写板和手势识别设备等与实验教学平台进行交互。通过修改主摄像机的视角与位置,可以实现与元器件组件的交互,如可文章编号:2096-9317(2023)03-0242-04*基金项目:广西高等教育本科教学改革工程项目“双一流建设背景下电子信息工程应用型人才培养模式创新与实践”(2019JGA390);广西高校中青年教师科研基础提升项目“电子线路 VR 实现算法研究”(2019ky1028)作者简
6、介:韩桂明,男,硕士,正高级实验师,研究方向为信息与信号处理、模式识别、虚拟现实。光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气243以看到元件随电流变化而产生的物理变化,甚至燃烧的化学变化过程。(2)硬件接口模块。在硬件平台条件允许的情况下,设备可以通过 RS232、SPI、CAN 总线、Wi-Fi 及蓝牙等方式与硬件平台相连,实现虚实结合的场景。(3)参数设置模块。学生根据自己的设计思路输入不同实验的各种参数,虚拟平台所设定的参数可以与实际或理论相悖,这样可以让学生了解现实中不可实现的一些反常规操作。(4)结果输出模块。平台中存在两种类型的结果输出,即实时结果显示和最终实验数
7、据报表(图文并茂)显示。实时结果显示可以让学生动态了解参数之间的联动过程,对超出阈值的参数给出相应的警报信息;最终实验数据报表显示有利于学生认识实验的全貌,加深对实验过程的理解。(5)实验预习模块。学生可以在实验前通过平台学习实验的原理、元器件和实验操作。(6)误差分析模块。操作误差、读数误差、数据舍入误差和元件/仪器仪表误差是实践操作中不可避免的操作3,会影响实验的精度和准确度,因此实验数据误差分析模块是不可缺少的。(7)场景保存模块。利用平台进行实验的过程中,不可避免存在数据变化太快、不方便学生作记录的情况,平台具备“快照”功能,学生可以在完成实验后从“快照”中查找准确数据。3 核心技术3
8、.1 3D 建模优化搭建 VR 场景最基础的工作是物理模型的 3D 建模,3DS MAX 中的基本建模方法有很多,如基础建模、复合建模、suface toods 建模、多边形建模等。其中多边形建模非常强大,基本上所有建模都会用到它4。平台大部分模型都采用多边形建模方法,建模思路是先整体后细节,在不破坏模型的前提下减少模型的面数来提高系统运行的流畅性,以达到轻量化建模的效果。3.2 材质和贴图实体的光照信息主要通过材质来体现,实体表面的纹理信息主要通过贴图来体现。为了表现与物理实体一样的表征信息,必须给虚拟模型添加和物理实体模型一致的材质和贴图。可以利用 Photoshop 软件处理3DS MA
9、X 创建的材质模型和纹理贴图,如完整的单刀开关和发光二极管的模型如图 2 所示。图 2 单刀开关(上)和发光二极管(下)的模型3.3 三维动画制作场景过场动画和实验教学动画是平台的两类主要动画形式。场景过场动画的制作中,场景过渡、运动轨迹等主要通过 Timeline 编辑器来完成。实验教学动画主要涉及元器件和仪器仪表接线、元器件过热或者短路时的烟雾、火花和熔断现象、实验操作、结果显示,报表生成等。3.4 场景交互开发Unity3D 是一款跨平台(Windows、Android、Linux等系统平台)的 3D 场景开发工具,普遍用在游戏开发和虚拟现实技术应用中。它的特点是虚拟引擎对计算机设备、移
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