Unity3D画法几何三维交互式课件的设计与实现

李波 李秋怡 宣珊珊

摘要：画法几何是工科类学生必修的一门基础课程，作为最早开设的专业课程之一，其重要性不言而喻，该课程对学生的手工绘图能力以及空间思维能力具有奠基的作用。在当今的科教背景下，PPT已经成为教师授课的主要工具。但对于概念抽象，空间性强的画法几何课程来说，PPT已经无法为学生提供最佳的教学效果。为了帮助学生理解画法几何课程，弥补传统课件的不足。该研究利用Unity3D技术，设计与制作了一款适用于画法几何学科的三维交互式课件。该课件通过为三维模型搭建虚拟仿真场景，再现了画法几何课程中点线面投影，组合体投影，曲面投影等运动过程，使学生通过人机交互形式，完成畫法几何课程的学习，达到深入理解空间模型的变化及运动过程的效果。

关键词：Unity3D;画法几何;三维交互式课件;交互性;虚拟仿真

中图分类号：TP37 文献标识码：A

画法几何这门课程是工科类学生必修的基础课程，主要研究空间形体变化与它在平面上投影的图形之间的关系，概念抽象，具有较大的理解难度嘲。该课程对学生的手工绘图能力以及空间思维能力具有奠基的作用，学好这门课程将为后续的课程以及今后的工作打下坚实的基础。目前这门课程的教学方式主要以PPT和Flash动画为主，虽然PPT对教授课程有很大的帮助，有些动画甚至可以达到很好的效果，但对于理解难度较大的画法几何课程而言，在课堂的讲解过程中由于对形体和投影的三维空间表现力不足，交互式弱，讲解比较困难，无法达到最佳的教学效果。画法几何三维交互式课件通过为三维模型搭建虚拟仿真环境，对现实世界中的模型运动变化进行模拟。使用画法几何三维交互式课件时，通过使用交互设备硬件和虚拟仿真系统对虚拟模型进行交互，观察与真实模型相识的变化过程。画法几何三维交互式课件可以弥补传统课件在三维空间表现力不足，交互式弱所带来的的问题，并且能够提高学生学习画法几何课程的兴趣和效率。本文基于Unity3D平台制作了三维交互式课件程序，通过实景仿真技术，为学生提供了一款虚拟的画法几何三维交互式课件。

1开发背景介绍

1.1开发平台Unity3D的介绍

Unity3D是一款适用于三维游戏、建筑可视化、实时三维动画等综合性开发引擎。Unity3D与其他虚拟开发平台相比具有如下优点：它能够同时处理音频、视频、图形、三维模型等文件，人机交互性强，可以利用内置的引擎模拟实际物体的运动变化嘲。同时支持C#、JavaScript等多种脚本语言。并且可以在多个平台发布。本文以Unity3D作为虚拟现实开发平台，在Unity3D中为三维模型提供虚拟仿真环境，同时实现画法几何三维交互式课件系统所需要的UGUI界面，渲染贴图，交互式控制，旋转动画等关键技术。

2画法几何三维交互式课件制作思路

基于Unity3D的画法几何三维交互式课件制作包括教学三维形体的制作、虚拟仿真场景的搭建、形体动画展示、交互功能的实现、声音图片文档视频等辅助教学文件的实时控制、课件的发布等五个环节。

2.1教学三维形体的制作

由于Unity3D引擎只提供一些简单的模型，如正方体、球体、胶囊体等，想要制作复杂的教学三维形体需要借助3Ds max软件。在3Ds max中创建的形体各部分尺寸需要和画法几何课本中图例要求一致，画法几何课程对形体的投影要求高，形体在三视图中的投影要准确、清晰，如果形体运动，投影也会做相应的运动。最后将模型、动画以FBX的格式从3Ds max中导出，基于.FBX的三维格式，使得模型可以无损地从三维模型软件导入到Unity3D中，如果觉得模型的仿真度不高，可以在Unity3D中对形体添加材质球效果，效果会更加的逼真。

2.2虚拟仿真场景的搭建

由于Unity3D无法进行复杂模型的制作，只能通过自带的天空盒背景简单达到虚拟场景的效果，所以需要在建模软件中3Ds max中进行复杂三维模型场景的构建，如教室、黑板等，场景构建完成后为了保证模型材质等不受到损失以.FBX的格式导入，将.FBX的文件导入到Unity3D中，对场景添加材质球效果，在材质球中导入相应真实场景的纹理贴图，贴图完成后，场景更加的真实，达到虚拟仿真的效果。课件的界面包括课程主界面，章节选择按钮，动画、声音、视频播放按钮，其他命令按钮。在场景中新建UI界面，在界面中将模型、图片、文字等组件进行合理的位置摆放，并通过按钮实现各个组件的打开与关闭。为每一个章节中的内容展示新建一个场景放置，通过识别用户按下的按钮，调用LoadScene（）方法实现指定内容场景的切换，从而实现相应章节的变化。

2.3形体动画展示

形体动画是画法几何三维交互式课件的关键，通过虚拟模型动画全方位展现空间形体的形成变化和相应投影图形的变化。实现模型的自由变化需要采用脚本语言编写控制代码形成脚本文件，将脚本文件加载到需要实现动画的形体上，运行程序时形体就能按照脚本所编辑的规律运动。目前Unity3D支持的计算机语言有JavaScript、C#、Boo三种，三种语言的编辑逻辑和运行效率都不相同。本文选用C#这种逻辑简单，运行效率高的计算机语言。具体实现动画效果如下：

1）摄像机的控制。通过加载在摄像机上的脚本控制摄像机的旋转、缩放和平移，通过改变摄像机的视角，全方位360°的观看教学形体。在脚本中通过改变Transform组件中的position和Rotation属性进行摄像机的旋转、缩放和平移运动，实现对教学形体的全方位观察。

2）形体的形成。形成动画是针对教学模型自身的运动过程，通过判断教学模型的长度、宽度以及高度是否到达书本要求的标准尺寸，若未达到，则继续生成图形，若达到，则停止动画，在形体的形成过程中，形体的三视图投影也会发生相应的变化。在脚本中通过首先IF语句判断教学模型尺寸是否满足，若未达到则通过教学模型Transform组件中的position生成长度直到到达要求，部分脚本如下：

3）三视图的形成。形体的三视图指左视图、正视图、俯视图，是形体分别向三个平面投影所得到平面图形。由于Unity3D是无法自动生成形体的三视图，因此形体的三视图是在三维软件3Dsmax中实现的，将形体的三视图以.FBX格式导入到Unity3D中，把三视图分別放置到对应三个面中，确保位置与形体对应。开始时将三视图的可见关闭。在脚本中通过IF语句判断形体是否与相应的三个面接触，若接触则将相应的视图可见打开。

2.4交互功能的实现

2.4.1自由视角查看

自由视角查看允许使用者从形体的任意高度或视角观察形体的总体情况，能对形体的整体有更加清晰的理解与认识。使用者可以通过鼠标或者触屏旋转摄像机任意角度观察形体，或使用键盘按键WASD控制摄像机进行运动来观察形体。

2.4.2功能演示

通过鼠标或者触屏点击课件主界面的按钮，来对课件的各个功能进行演示。例如点击主界面的开始演示按钮，形体则自动按照编写的脚本代码实现相应的运动和变化。点击演示结束按钮，则形体按照编写的脚本代码停止运动。

2.5声音文档视频等辅助教学文件的实时控制

将声音、图片、文档、视频等文件导入到三维交互式课件中进行辅助教学，帮助学生更加理解教学内容。通过编写代码形成脚本文件存放在UGUI控件中，进行教学文件的实时控制，UGUI控件包括显示题目、打开图片、播放视频等其他功能性插件，开始时，声音、图片、文档、视频等文件被隐藏，通过点击UGUI控件，计算机自动读取脚本的函数和参数，并输出运算结果;如果程序错误，点击UCUI控件没有反应，程序会发生报错。

2.6课件的发布

Unity3D编辑器运行在Windows和Mac OS X下，可发布产品至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android等多个平台。课件可以发布为.exe程序，在电脑上直接双击鼠标打开即可使用课件，也可以发布到IOS、Android等移动平台，学生可以直接在手机上通过触屏控制观看课件，操作简单。

3结束语

针对传统的课件对画法几何课程三维表现力的不足，本文结合Unity3D技术，对教学三维形体的制作、虚拟仿真场景的搭建、形体动画展示、交互功能的实现等功能进行了三维交互式课件的制作，进过测试发现该课件和传统课件相比具有三维空间性高，交互式强，便于理解等优点，并且画法几何三维交互式课件作为教学工具提高了学生们的空间想象能力和思维能力，增加了对学习画法几何课程的兴趣和效率。但是本课件仍然有不足之处如课件缺少文字不能为使用者提供说明解释，以及课件的内存太大等。在后续的改进中，将进一步完善本课件，为使用者提供更为完美的交互体验。