基于Unity3D的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

閻漢生, 曾 峰， 龍宇輝

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣州 510510； 2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

基于Unity3D的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

閻漢生1,2, 曾 峰1， 龍宇輝1

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣州 510510； 2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

針對(duì)高校機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知模型不足的問題，基于Unity3D平臺(tái)，選取了多個(gè)常見實(shí)物產(chǎn)品，采用Rhino、Creo等軟件為產(chǎn)品建模工具，結(jié)合C#語言實(shí)現(xiàn)交互功能，通過HTML網(wǎng)頁(yè)整合，開發(fā)出互聯(lián)網(wǎng)上的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室。依托廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)省級(jí)實(shí)訓(xùn)基地，綜合多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在PC端和移動(dòng)終端多平臺(tái)進(jìn)行瀏覽操作，虛擬拆裝產(chǎn)品，深入反復(fù)學(xué)習(xí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的功能，顯著提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和人才培養(yǎng)的效果。教師可以根據(jù)課程需要定制教學(xué)結(jié)構(gòu)模型，顯著節(jié)約實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的自由度，具有較好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)； 虛擬拆卸; 虛擬實(shí)驗(yàn)室

0 引 言

隨著高等教育發(fā)展和專業(yè)建設(shè)的步伐加快，部分高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)不足，無法滿足學(xué)生需求[1]。尤其機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，也包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生，需要對(duì)大量的工業(yè)產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行拆裝認(rèn)知，積累對(duì)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)[2-3]。針對(duì)上述問題，建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)上交互操作的虛擬實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)有效又經(jīng)濟(jì)的解決方法[4]。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越成熟，不少的商業(yè)或教育機(jī)構(gòu)已開始采用各種相關(guān)技術(shù)進(jìn)行展示和教學(xué)，其中主要虛擬交互工具有Unity3D、cult3D、EON Studio、VRML等[5-7]。

其中，Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，由于其易用性和跨平臺(tái)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來Unity3D平臺(tái)受到廣泛關(guān)注，使用Unity3D開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品逐漸增多。中國(guó)科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中師范大學(xué)建立了基于Unity的虛擬實(shí)驗(yàn)室，用于幾何光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等[8]。另外，煙臺(tái)生產(chǎn)力促進(jìn)中心、臨礦集團(tuán)、深圳學(xué)車新電子科技公司分別利用Unity技術(shù)構(gòu)建用于產(chǎn)品展銷、船舶液壓、模擬駕駛等方面的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[9-10]。本文將研究以Unity3D技術(shù)為基礎(chǔ)的，能在互聯(lián)網(wǎng)交互瀏覽的，面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體結(jié)構(gòu)

構(gòu)成該虛擬系統(tǒng)需要的資源主要有：基于產(chǎn)品實(shí)物測(cè)繪建模的高精度模型、用戶界面資源、產(chǎn)品信息資源、Unity3D交互模塊、用于嵌入U(xiǎn)nity3D交互模塊的HTML網(wǎng)頁(yè)。建設(shè)的主要流程是：通過對(duì)真實(shí)的工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)物測(cè)繪，采用主流三維軟件建模，再利用Unity3D制作產(chǎn)品模型虛擬拆裝模塊，最后嵌入到網(wǎng)頁(yè)當(dāng)中，通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁(yè)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬拆裝、認(rèn)知學(xué)習(xí)[11]。由平臺(tái)流程圖1可見，虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心技術(shù)是在Unity3D編輯器中生成交互文件。

圖1 虛擬平臺(tái)搭建流程

2 Unity3D交互模塊的制作

2.1 Unity3D模塊制作流程

虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)對(duì)象為高校機(jī)械類學(xué)生和教師，所以選取了機(jī)械工具和日用產(chǎn)品兩類常見的產(chǎn)品作為建模對(duì)象。廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室2014年成為省級(jí)高職實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目，配備了大量的實(shí)物產(chǎn)品模型、測(cè)繪工具和專業(yè)軟件。初期選擇了齒輪減速器、注塑模具、掛燙機(jī)、攪拌機(jī)、加濕器5個(gè)產(chǎn)品，以后可根據(jù)需要添加模型。各類產(chǎn)品的交互模塊制作流程一樣，如圖2所示，由建模、整理信息、文件導(dǎo)入、場(chǎng)景搭建、界面設(shè)置、腳本編寫、功能優(yōu)化與發(fā)布等步驟組成[12]。現(xiàn)以減速器為例，說明具體步驟。

圖2 交互模塊開發(fā)流程

2.2 資源場(chǎng)景和用戶界面

(1) 資源導(dǎo)入和場(chǎng)景搭建。模型主要在Creo和Rhino軟件中建模，三維模型制作完畢，在3ds max軟件中調(diào)整好Z軸方向后轉(zhuǎn)存為fbx格式文件[13]。然后在Unity3D的Project面板中的Assets工程文件目錄下創(chuàng)建Modles文件夾，將.fbx文件放入其中，Unity將會(huì)自動(dòng)識(shí)別。繼續(xù)添加和模型交互有關(guān)的聲音、模型貼圖、展示圖片等文件至工程目錄，并創(chuàng)建相應(yīng)文件夾，方便管理。

通過File→NewScene創(chuàng)建場(chǎng)景，將Assets工程文件目錄下Modles文件夾中的模型放入Scene窗口當(dāng)中，在Hierarchy 面板可管理添加至場(chǎng)景的模型，Game窗口可見模型實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，如圖3所示。Unity的編輯視窗和輸出窗口的統(tǒng)一使得所見即所得，高效便捷。

圖3 Unity3D編輯器里模型實(shí)時(shí)顯示

(2) 用戶界面。使用NGUI創(chuàng)建UI界面以及按鈕，在start場(chǎng)景下，通過NGUI→Creat→2D UI創(chuàng)建UI Root。在Hierarchy面板可見，UI Root是NGUI最重要的組件，其他UI元素包括按鈕、界面等都是在以它為根的GameObject樹分支。UI Root包含UIRoot和UIPanel腳本[14]，前者提供了整個(gè)UI界面的高度以及縮放比例，后者提供了界面整體的透明度、深度等的編輯功能。

以“齒輪減速器模擬拆卸”界面的按鈕為例，在UIRoot下，通過Scene→Create→Sprite創(chuàng)建圖片，在Scene面板中可見,更改Sprite名稱為Button_yanshi。在Inspector面板中更改圖片，替換Button圖片使其有美觀的按鈕外觀。添加UIButton組件使其具有按鈕的點(diǎn)擊功能。最后在Button_anshi下通過Create→Lable→Child向按鈕添加文本信息子對(duì)象，更改Label文本。創(chuàng)建的界面如圖4所示。

圖4 減速器虛擬拆裝UI設(shè)計(jì)

2.3 界面交互和多媒體功能

(1) 界面按鈕的交互功能。利用NGUI制作的按鈕僅僅具有按鈕的外觀，如需執(zhí)行相應(yīng)的按鈕功能，還需要相應(yīng)的程序支持。下面以場(chǎng)景切換和退出按鈕為例，創(chuàng)建名為SceneChange的C#腳本，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)畫演示”“產(chǎn)品拆解”“產(chǎn)品詳解”等按鈕的場(chǎng)景切換和關(guān)閉窗口功能。該腳本通過OnClick()函數(shù)進(jìn)行按鈕的鼠標(biāo)點(diǎn)擊監(jiān)控、Application.LoadLevel()函數(shù)進(jìn)行場(chǎng)景的切換加載、Application.Quit()函數(shù)實(shí)現(xiàn)Unity3D窗口程序的關(guān)閉退出。

將腳本拖放至攝像機(jī)對(duì)象上，將腳本點(diǎn)擊事件和相關(guān)按鈕關(guān)聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)按鈕的場(chǎng)景切換和窗口的關(guān)閉功能。部分核心代碼如下:

public void OnDonghuayanshiButtonClick(){ //當(dāng)單擊動(dòng)畫演示按鈕

Application.LoadLevel("yanshi");} //切換至“yanshi”場(chǎng)景

public void OnBackButtonClick(){ //當(dāng)單擊返回按鈕

Application.LoadLevel("start");} //切換至“start”場(chǎng)景

public void OnQuitButtonClick(){ //當(dāng)單擊退出按鈕時(shí)

Application.Quit ();} //程序退出窗口關(guān)閉

(2) 添加多媒體信息。為達(dá)到逼真的展示效果和更好的用戶體驗(yàn)，可以為界面中的按鈕和三維模型添加合適的音效，這樣點(diǎn)擊時(shí)將有相應(yīng)的聲音反饋，如螺絲擰動(dòng)的聲音、蓋子開合的聲音等[15]。Unity3D自身不帶聲音音效文件，需要導(dǎo)入外部資源。點(diǎn)擊按鈕的聲音通過NGUI的UIPlaySound腳本組件添加執(zhí)行，將聲音文件拖放至組件當(dāng)中即可。點(diǎn)擊三維模型的聲音文件通過Compent→Audio→Audio Source加載，編寫AudioPlay腳本執(zhí)行點(diǎn)擊播放，腳本掛載至攝像機(jī)對(duì)象。

部分核心代碼如下:

Var ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition); //鼠標(biāo)點(diǎn)擊發(fā)射射線碰撞，

RaycastHit hit;

if (Physics.Raycast(ray, out rayhit)) {

if(hit.transform.GameObject) { //判斷射線碰撞的對(duì)象

GameObject.GetCompoent

audio.Play();}} //播放聲音

2.4 模型交互功能

實(shí)際應(yīng)用中，交互操作非常復(fù)雜，種類也很多，包括場(chǎng)景視角的控制、點(diǎn)擊拆卸動(dòng)畫的制作與交互、拖曳拆卸的功能實(shí)現(xiàn)、零件高亮著色、實(shí)時(shí)信息反饋等。其中在虛擬拆卸中應(yīng)用最廣操作有兩類，分別是鼠標(biāo)點(diǎn)擊拆卸功能和點(diǎn)擊拖曳拆卸功能。

(1) 鼠標(biāo)點(diǎn)擊拆卸功能。實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊拆卸功能即：通過Unity3d的動(dòng)畫編輯器制作產(chǎn)品模型拆卸運(yùn)動(dòng)的幀動(dòng)畫，使用腳本判斷用戶對(duì)各個(gè)部件的單擊操作，必要時(shí)播放被單擊部件所掛載的動(dòng)作，從而達(dá)到虛擬拆卸的交互目的。具體實(shí)現(xiàn)分為以下兩個(gè)部分：① 幀動(dòng)畫的制作。使用MeshCollider組件判斷模型是否響應(yīng)點(diǎn)擊事件，使用Animation組件控制幀動(dòng)畫編輯。選中模型零件，通過window→Animation打開動(dòng)畫編輯器，添加Position位置控制的動(dòng)畫曲線，零秒關(guān)鍵幀處保持零件在初始默認(rèn)位置，在第t s關(guān)鍵幀處設(shè)置零件拆卸后位置坐標(biāo)。動(dòng)畫播放時(shí)零件模型將在t秒內(nèi)移動(dòng)到所設(shè)置的位置處。② 交互控制。攝像機(jī)對(duì)象添加AnimationManger腳本，再將模型相關(guān)幀動(dòng)畫文件與腳本關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型拆卸動(dòng)作的播放控制。此腳本是通過Raycheck函數(shù)進(jìn)行射線碰撞檢測(cè)，Animation.Play()函數(shù)控制動(dòng)畫播放，邏輯是當(dāng)滿足鼠標(biāo)左鍵單擊且點(diǎn)擊的物件為模型部件，則播放該模型部件拆卸動(dòng)作幀動(dòng)畫。部分核心代碼如下：

void RayCheck(){ //單擊模型零件播放動(dòng)畫

Ray ray= Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

if (Physics.Raycast(ray, out hit)){

ModelHelp hitGo= hit.collider.gameObject.GetComponent();

if (hitGo!=null){

if (!m_ModelList[hitGo.ID].IsPlaying&&!CheckIsHavPlay(hitGo.ID)){ //播放動(dòng)畫

m_ModelList[hitGo.ID].GameObject.GetComponent().Play("animation"); }}}}

圖5所示為減速器抵卸前后的對(duì)比。其中:圖5(a)表示減速器未拆卸時(shí)點(diǎn)選一顆螺釘，圖5(b)表示拆卸出一顆螺釘，圖5(c)表示完全拆開后的效果。需要注意的時(shí)，相鄰零件在拆卸時(shí)，是有先后順序的，這種順序可以由兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)，第1種方法是對(duì)相鄰的零件ID值做判斷，某個(gè)零件拆卸時(shí)先檢測(cè)應(yīng)該在其之前拆卸的零件是否已拆卸，這種方法精確但編程工作量大，需預(yù)先設(shè)置大量零件ID之間的關(guān)系。第2種方法是借助Unity3D的碰撞檢測(cè)，使得內(nèi)側(cè)零件不能先于外側(cè)零件拆出，這種方法簡(jiǎn)單，通常用于游戲中的物體接觸和碰撞判斷，但對(duì)機(jī)械零件的包圍邊界判斷精度不夠，對(duì)精密的機(jī)械裝配無法適用。本文研究中主要采用了第1種方法，此處不再展開詳述。

(a)

圖5 減速器拆卸前后對(duì)比

(2) 點(diǎn)擊拖曳拆卸功能。上述點(diǎn)擊后播放動(dòng)畫展示拆卸功能的方法能夠初步實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的虛擬拆卸，達(dá)到觀察學(xué)習(xí)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的，具有一定的交互效果。但用戶體驗(yàn)不太理想，沉浸感不足，優(yōu)秀的虛擬交互應(yīng)該是操作和反饋實(shí)時(shí)產(chǎn)生，時(shí)空上不能有明顯間隔[16]。點(diǎn)擊拖曳拆卸功能是指使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊想拆卸的零件，按下鼠標(biāo)左鍵后直接拖動(dòng)零件模型進(jìn)行拆卸，鼠標(biāo)拖曳的位置即為零件實(shí)時(shí)擺放位置，這種操作方式能讓用戶有更直觀、更真實(shí)的拆卸體驗(yàn)。

以拆卸螺釘為例，首先創(chuàng)建DragMove腳本，該腳本程序通過GetMouseButtonDown()檢測(cè)鼠標(biāo)是否按下，通過按下時(shí)的鼠標(biāo)位置和移動(dòng)后的鼠標(biāo)位置計(jì)算出鼠標(biāo)位移量，再通過eulerAngles(歐拉角)進(jìn)行角度的轉(zhuǎn)換更新螺釘旋轉(zhuǎn)位置。之后使用transform.Position進(jìn)行模型位移位置的置換，將螺釘移動(dòng)到鼠標(biāo)所在的位置。從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊模型并拖動(dòng)鼠標(biāo)，模型邊旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)的效果，形象地模擬了螺釘旋轉(zhuǎn)擰出的過程。部分核心代碼如下：

void Update () {

if (Input.GetMouseButtonDown (0)){ // 鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)候執(zhí)行檢測(cè)是否點(diǎn)在cube上

if (m_bIsCollision) {

Vector3 temp = Input.mousePosition - m_vTempMousePos; // 兩幀鼠標(biāo)位置之差為移動(dòng)距離

m_vTempMousePos = Input.mousePosition;

m_rot.eulerAngles = new Vector3(m_rot.eulerAngles.x, // 實(shí)時(shí)更新cube旋轉(zhuǎn)角度

m_rot.eulerAngles.y - temp.x,

m_rot.eulerAngles.z);

m_cubes.transform.localRotation = m_rot[m_Cube];

m_cubes.transform.localPosition=newVector3(m_cubes.transform.localPosition.x+2f/360) *temp.x, // 實(shí)時(shí)更新cube位移位置

m_cubes.transform.localPosition.y, m_cubes.transform.localPosition.z);}}}

3 優(yōu)化

(1) 界面的優(yōu)化。由于該虛擬實(shí)驗(yàn)室需要適應(yīng)不同分辨率設(shè)備的訪問操作，用戶界面需要針對(duì)不同比例、不同分辨率的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)目前主流PC和移動(dòng)設(shè)備的顯示界面分析，調(diào)整用戶界面大小最大值為2 560×1 440，最小值為800×480，能夠適應(yīng)大多數(shù)顯示器進(jìn)行。為按鈕等界面元素添加Anchor，設(shè)置Anchor上下左右對(duì)齊，按鈕元素可隨著界面比例的改變自動(dòng)適應(yīng)調(diào)整相對(duì)于其他UI元素的位置，保持界面的一致美觀。

(2) 其他方面的優(yōu)化。多媒體資源的優(yōu)化包括聲音和拆解動(dòng)畫匹配，逐一調(diào)整聲音播放和動(dòng)畫播放時(shí)間，達(dá)到動(dòng)畫和聲音同時(shí)播放。腳本的優(yōu)化主要是調(diào)整腳本的邏輯，提高運(yùn)行效率，減少Update方法使用，因?yàn)樵摲椒槊繋瑘?zhí)行，對(duì)電腦資源耗費(fèi)較多。

4 發(fā)布

Unity3d文件支持本地PC、遠(yuǎn)程Web、Android、IOS等多種平臺(tái)運(yùn)行。點(diǎn)擊FileBuild執(zhí)行創(chuàng)建程序，彈出設(shè)置界面，本項(xiàng)目需要選擇Platform WebPlayer發(fā)布網(wǎng)頁(yè)文件，勾選OfflineDeployment選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)脫機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，將已建的場(chǎng)景全部添加至Scenes In Build當(dāng)中，點(diǎn)擊Build打包發(fā)布網(wǎng)頁(yè)文件[17]。最后將發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)文件嵌入到虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)中即可在互聯(lián)網(wǎng)訪問，實(shí)現(xiàn)虛擬交互學(xué)習(xí)。圖6為虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站運(yùn)行截圖，其中:圖6(a)為實(shí)驗(yàn)室欄目導(dǎo)航和基本信息，圖6(b)為目前可選的虛擬拆卸產(chǎn)品列表，圖6(c)為齒輪減速器交互窗口，圖6(d)為手機(jī)端訪問界面。

(a)

(c)(d)

圖6 虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站截圖

5 結(jié)論

采用先進(jìn)的Unity3D技術(shù)，導(dǎo)入Creo和Rhino創(chuàng)建的產(chǎn)品模型，使用C#編寫交互腳本，構(gòu)建出一個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室，在對(duì)多個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行拆裝測(cè)繪和三維建模的基礎(chǔ)上制作了虛擬交互模塊，并發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，供學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，能有效緩解高校機(jī)械類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺問題，學(xué)生反映良好，同時(shí)也為相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目和數(shù)字化仿真運(yùn)用提供參考。

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Construction of Virtual Lab for Product Structure Cognition Based on Unity3D

YAN Hansheng1,2, ZENG Feng1, LONG Yuhui1

(1. Guangdong College of Industry and Commerce, Guangzhou 510510, China; 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Because of the insufficiency of product structure cognition model for mechanics experiment teaching in colleges and universities, based on Unity3D platform, using Rhino and Creo for three-dimensional modeling, an Internet virtual lab for product cognition was established. Several common physical products were selected as cases, C# was used to program interactive function and integrate HTML pages. Relying on the industry design provincial training base in the Guangdong College of Industry and Commerce, the lab integrated a variety of advanced technology, virtual disassembling products could be operated on PC and mobile terminal platforms. The students’ interest and training effect are significantly improved. Teaching structure models can be custom-made according to course demand for teachers. The lab significantly saves investment on experimental instruments and equipment, and increases the freedom of the students’ experiments in time and space. As a result, the new method has a good research value and application prospect.

product structure; virtual disassembly; virtual laboratory

2017-11-10

廣東省高職教育教學(xué)改革項(xiàng)目(GDJG2015026)；2014年廣東省高職教育大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(粵教高函[2015]24號(hào))；廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(2014-Z-06)

閻漢生(1978-)，男，湖北宜昌人，碩士，講師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、工業(yè)設(shè)計(jì)。

Tel.: 18028622402; E-mail: yhs7812@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)08-0117-05