长输管道教学虚拟实验装置系统的开发

屈成亮 王雷 杨壮 杨志伟 刘棋(吉林化工学院石油化工学院， 吉林 吉林 132022)

长输管道教学虚拟实验装置系统的开发

屈成亮 王雷 杨壮 杨志伟 刘棋(吉林化工学院石油化工学院， 吉林 吉林 132022)

本文是利用3ds Max与Unity3D软件设计的一个可进行多视野观察和人机交互操作的实验装置虚拟仿真系统。该系统的特点是对实验器材进行多角度观察、详细讲解、交互操作，使操作者对实验相关内容掌握更充分。

3ds Max；Unity 3D；虚拟仿真系统

0 引言

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域[1]。

本文将虚拟现实技术、计算机仿真技术和实验室安全培训与操作管理等业务知识结合在一起开发三维虚拟仿真实验室，研究与开发长输管道实验的三维虚拟数字化安全管理系统，实现了长输管道安全管理、作业流程管理、管网管理等功能，实验操作者或企业员工可在三维虚拟场景中更真实地进行各种三维可视化监控、日常操作练习等，有效地提高了学习能力与工作效率。将虚拟动画应用于教学中将是传统教育史的突破，使学生们能走入3D时代，走入自我学习的时代。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[2]。

1 三维虚拟实验室的构建步骤

在开发前先对实验器材和环境进行实地考察，对器材的相关数据进行记录，形成报告并进行可行性分析，当确定可行后开始虚拟仿真实验室的开发。第一步对相关实验器材和环境进行三维模型的建立，第二步进行相关实验动画的制作使模型得以完善，第三步对三维模型进行人机交互并进行相关的调试与各种源代码的插入，第四部生成终端并进行测试与使用。

2 三维模型的建立

2.1 模型的构建

在3ds MAX中进行模型的建立。一些简单的图形可以利用基础图形进行构建，复杂的图形需要先构建出二维图形然后通过“挤出”构建所需要的三维模型，当所有小的模型构建后我们可以用使用组(镶嵌)进行组合将多个小的模型组成一个大的成型模型。如控制台的按钮等也可以利用连接的方式进行组合。最后将我们所有模型组合到一起将形成最终模型。

2.2 模型的渲染

渲染指的是将制作好的场景通过渲染器进行实时观察或最终输出成图片或动画格式文件的过程。渲染器是3D引擎的核心部分，它完成将3D物体绘制到屏幕上的任务。在3ds Max中，渲染器可以说是最重要的一部分，当我们画出我们所需要的图形时，只有通过渲染才能得到我们想要的类似于实体的图形。

VRay(简称VR)，是由Chaosgroup发布推出最新渲染器VRay。VRay相对其他渲染器来说是“业余级”的，这是因为其软件编程人员都是来自东欧的CG爱好者，而不像别的渲染器那样是由雄厚实力的大公司所支撑。但经过实践表明，VRay的渲染效果丝毫不逊色于别的大公司所推出的渲染器。另外VRay也是目前使用最多的渲染器，本文也正是应用这种渲染器完成的。通过对比渲染前后的效果更突出了渲染的重要性，只有经过渲染后的模型我们才能真正用来人机交互并给操作者带来真实感受。对整个虚拟仿真实验系统起到点睛的作用，渲染了整个虚拟系统的环境，给人带来强烈的视觉冲击。

图 1 渲染后模型

3 人机交互

3.1 人机交互过程

将模型导入Unity3D中，我们可按照真实的实验操作对软件中的人物进行编程使软件中的人物可按照人们的指令去进行操作，达到人机交互的效果，使学习者走入其中[3]。

先进行鼠标的位置检测然后做射线碰撞进行对话框的设置使操作者在点击图中某个设备时会弹出对话框进行介绍，这是最基础的一步。然后对人物的各种动作进行设置，需要插入大量的源代码，使人物能受鼠标和键盘的控制，如真人一样进行各种动作。设备、仪表、控制台等都需要插入大量的源代码使之运行起来，并将人物与设备的运行进行连接起来，让虚拟实验室中的人物能对设备进行相关的操作。同时在系统中进行控制系统、检录系统、帮助系统、测评系统等辅助系统的插入，最后生成客户端并进行相关的使用。

3.2 三维模拟仿真系统对话框添加

(1)碰撞器的设定

先创建一个界面，在该界面中会产生多个控件，给我们要点击弹出对话框介绍的物体设置碰撞器。通过源代码的插入我们将对碰撞器附加的刚体、碰撞器框的体积大小、启用碰撞器将会碰撞其他碰撞器、禁用碰撞器就不会碰撞其他碰撞器、碰撞器是否是一个触发器、用于碰撞器的材质、该碰撞器的共享的物理材质等进行相关问题进行设置[4]。

(2)鼠标位置检测

进行鼠标的位置检测，来确定鼠标所在的三维位置坐标，该过程为射线检测与相关鼠标移动的设定作铺垫。

(3)射线的检测

在程序运行后，需要进行射线的检测，对射线投射的物体进行设定。

(4)对话框的弹出

当射线检测时我们需要把最先设置好的对话框弹出，这样当我们单击系统中设定的物体时将弹出对话框。

(5)对话框内容编辑

此步应是在设置对话框弹出前设定的，需要赋予框中控件的text值。例如如需对泵进行对话框介绍，我们要把框中控件的text值赋予为泵的名称和相关功能的介绍，如果我们对控制台进行对话框介绍，我们要把框中控件的text值赋予为控制台的名称和相关功能的介绍。

3.3 视野的调控

在我们设计的长输管道三维虚拟仿真实验室时，要求视野360度无死角。可以通过不同的角度对所建立的实验装置进行观察，使学习者能更加充分的对所用实验器材进行自主学习。

(1)整体移动

在整个长输管道三维虚拟实验室构建成的终端前，要求能将整个实验器材和界面进行整体的上下左右全方位移动。在整个虚拟实验室中我们通过长按鼠标左键进行上下左右的移动，从而达到不同的视觉效果。

(2)视野角度的移动

在长输管道三维虚拟实验室中，视野角度是可以通过我们的调控进行改变的。操作者可通过长按鼠标右键然后通过拖动鼠标进行视野角度的变换，从而表现出实验器材在不同角度的状态。

(3)视野距离的变换

长输管道三维虚拟实验室的视野距离是可以变换的。当比较近的距离观察将起到对某一物体放大的效果，当比较远的距离观察时将起到整体的观察效果。该变化在我们的终端中，将通过鼠标的滚轮进行控制。当鼠标滑轮逆时针的转动时将逐渐减小操作者的视野距离，当鼠标滑轮顺时针转动时将逐渐加大操作者的视野距离。我们可以通过视野距离的调节来调节整个实验所用器材和局部单个实验器材的转换。通过单个实验器材的认识进而对整个实验装置的认识，从而使操作者对实验装置深层次的进行认识。

4 结语

本文探讨了长输管道虚拟仿真实验技术，提出了长输管道虚拟仿真系统整体模型与渲染，对模型的功能进行初步划分，并介绍了基于3ds max 和unity3D进行虚拟实验室创建的实现方法。虚拟实验室的构建可以让学生更好地掌握实验目的、原理、实验装置介绍等。虚拟仿真技术在实验教学中的合理使用，可明显改善实验的教学效果，提高学生的实验积极性，同时使学生的创新能力、工程实践能力、综合素质等方面得到明显提高。

[1]邹湘军，孙健,等，虚拟现实技术的演变发展与展望[J]，系统仿真学报，2004,(09) ：1905-1909.

[2]教育部办公厅.开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知.[EB/OL]

[3]方沁.基于Unity和3dmax的虚拟实验室三维建模设计与实现[D].北京邮电大学,2015.

[4]吕文梅,宋代广.基于Unity3D与3Dmax的虚拟船舶液压系统三维模型展示[J].软件导刊,2014,13(06):74-76.

屈成亮(1980- )，男，吉林吉林人，硕士，讲师，主要从事油气储运工程实验教学与管理工作。