【精品】基于Unity3D的三維虛擬電腦組裝實驗系統開發畢業設計(含源文件)
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- 【精品】基于Unity3D的三維虛擬電腦組裝實驗系統開發畢業設計(含源文件)基于Unity3D三維電腦組裝實驗系統的實現
【摘要】實驗教學不僅能夠培養學生的動手能力，而且還能起到鞏固課本上理論知識的作用。但是由于我們國家人口基數龐大，教育資源有限，實驗器材緊缺，不能滿足廣大在校學生或者社會成人求學需求，因而成為教學和學習中最難以付諸實踐的薄弱環節。隨著虛擬現實技術的出現，實驗教學有了新的思路。Unity3D引擎對開發仿真性非常高、交互性非常好的虛擬實驗環境具有很大的幫助。本文在對虛擬實驗室的研究現狀進行充分調研的基礎上，借助Unity3D引擎和3DS Max三維建模軟件，搭建了一個逼真且操作方便、具有交互功能的組裝計算機硬件的虛擬實驗操作平臺，對組裝計算機實驗進行了模擬，實現了實驗過程以及部分實驗現象的模擬。系統的主要功能是讓用戶采用虛擬儀器完成組裝過程，從而達到學會組裝計算機的目的。
【關鍵詞】 虛擬實驗；Unity3D；計算機組裝；
1. 引言
1.1 研究背景及意義
早在十六世紀，實驗就被運用于教育教學。實驗是指根據科學研究的目的，盡可能排除外界因素的影響的同時突出主要實驗因素，并且利用一些專門的儀器設備而人為地改變、控制或者模擬研究對象，使某一些事物（或過程）發生或再現。實驗的目的在于通過學習者親自動手參與實驗，從而培養學習者的觀察能力、分析能力和實踐能力。研究表明，人的動作記憶效率遠遠高于語言文字的記憶效率，所以通過動手參與的學習比單純看書要更有效率，實驗教學通過讓學習者了解事物的本質，培養學習者的研究能力、創新能力，加強學習者對知識的運用和實踐，因此成為教育教學中一個不可分割的部分。
最開始的實驗教學都是真實實驗，學習者在真實的實驗環境下操作實驗設備來完成實驗目的。但是隨著人口數量的增加，知識研究領域的擴展，真實實驗暴露出了許多缺陷，比如許多實驗器材價格昂貴，實驗資源無法滿足廣大學習者的需求，實驗存在安全隱患，真實場景帶來的實驗誤差等等。虛擬實驗的概念也就應運而生了。
虛擬實驗的概念最早由美國弗吉尼亞大學的威廉·沃爾夫（William Walf）于1989年提出，它是在虛擬現實技術的基礎上產生和發展起來的，是對真實實驗盡心模擬或再現的一種實驗模式。它的主要組成部分都是通過計算機虛擬而成的，包括實驗室環境，實驗室儀器以及實驗資源。在虛擬實驗中，學習者不受時空的限制，可以隨時隨地的進入虛擬實驗系統，通過鍵盤或者鼠標、數據手套等交互設備與虛擬實驗系統中的虛擬儀器進行交互，完成與真實實驗一樣的各種實驗操作過程。
Unity3D作為一款專業的商業游戲引擎，早在2010年就進入了我國，由于其友好的操作界面和強大的性能，在國內積攢了眾多的開發者。其官網上得AssetStore也給廣大開發者提供了數量眾多，類目琳瑯的插件，可以大大的縮短開發者的開發周期。近年來，Unity3D為虛擬現實提供了完整的解決方案，其強大的物理引擎，基于DirectX和OpenGL的高度優化渲染管道，還有可編輯的Shader著色器，讓模擬真實多變的生活環境變成現實。因此我選擇Unity3D來開發這樣一個虛擬電腦組裝實驗的系統，為學習者提供一個自由、真實的實驗平臺，利用本系統進行實驗教學，讓學習者認識計算機硬件，掌握組裝電腦的一些基本技能。
1.2 研究內容
本文主要在于借助Unity3D引擎將虛擬現實技術引入虛擬實驗中，探索新的虛擬實驗的教學模式。具體研究內容包括以真實實驗在教育教學中的重要作用和協作學習對學習者能力的培養作為立足點，將虛擬現實與虛擬實驗結合起來；利用Unity3D實現虛擬計算機硬件與實驗者交互，突破實時交互的一些難點；完成整個系統架構設計，并且編寫代碼實現整個系統功能。
2. 虛擬實驗器材的制作
2.1 3DS Max模型創建
2.1.1 多邊形建模技術
多邊形建模技術是三維建模技術中比較常見的一種建模方式。現實世界中的很多物體都可以看成是由基本的幾何體進行變形和細分得來的。多邊形建模就是基于簡單的長方體、圓柱體、球和其它一些幾何體，運用添加線，點來進行細分，面擠出，邊擠出等三維建模手法來完成模型的創建。
多邊形建模技術的優點在于它能很快的把目標模型的大體輪廓勾勒出來，對于精度要求比較低的模型來講，甚至可可以經過簡單的幾次變形就可以達到想要的效果。因此對于較為規則的家具或者家用電器來講，使用多邊形建模可以極大地提高工作效率。
計算機組裝實驗所用到的計算機的主板、內存條、顯卡、電源以及機箱顯示器等主要零部件都是比較規則的幾何體，主板上看似比較復雜的各種電阻和插針，仔細看其實都是一些簡單的圓柱體。
下面圖1、圖2、圖3是用3DS Max多邊形建模方法制作的計算機部件模型。
2.2 模型UV拆分和材質貼圖
UV的是貼圖坐標的簡稱，它定義了一張二維圖片將以何種方式貼到三維對象的表面之上。在3DS Max中通過加UVW Map修改器可以為一些常用模型選擇貼圖方式，比如平面映射、柱面映射、球面映射、立方體映射等。但是當遇到比較復雜的模型時，就不能依賴這種方式了，需要手動來為模型拆解UV。
UV拆分有幾個原則：拆分出來的UV碎塊要盡量少，這要貼圖貼上的接縫就會更少，便于處理；需要將拉伸降低到最小，UV反映的是圖片上的每一個像素點到模型表面上每一個點的對應關系，如果UV出現拉伸，就會出現模型的表面一些區域承載過多的圖像信息，另一些區域承載的圖像信息卻太少，貼圖就得不到正確的顯示；還要避免貼圖坐標的重疊。貼圖坐標重疊將直接導致重疊的貼圖部分分配不到正確的圖像信息；最后還要盡可能有效使用紋理空間。
由于在建模的過程中，經常需要將一個模型拆分成很多部分來創建，最終將各個部分整合成一個完整的模型。而模型在最終的材質表現上，各個不同的部分可能需要不同的貼圖或者材質。這在計算機的硬件上體現的尤為明顯，比如一塊顯示器的顯示屏幕和底座的材質是明顯不一樣的，而在顯示器的邊框上可能還有生產廠商的Logo和按鈕。因此，很多時候需要用到多維子對象（MultiSub-Object）材質。只要在建模的時候，給每個子對象分配好材質ID，就可以將子材質賦予給指定的模型子部件。下面以內存條為例：...
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