基于Unity3D的测控类虚拟仿真实验技术研究

发布时间：2020-05-01 19:25

【摘要】：三维虚拟现实漫游仿真和虚拟仪器实验过程仿真是目前的两种主要仿真手段,前者能够很好的模拟真实的实验场景,后者则能更好的仿真实验的细节。本文针对测控类虚拟仿真实验的需求和特点,提出了一种Unity3D+虚拟仪器的虚拟仿真实验方法,用Unity3D来展现大的虚拟实验场景和环境,用虚拟仪器来展现测控实验的细节和接入外部传感器等信息,实现虚实结合的虚拟仿真实验,论文的主要工作如下:首先,本文基于ECS架构,提出了一种Unity3D下虚拟仪器的扩展方法,可以在Unity3D平台上对构件进行动态装配。然后本文设计了虚拟仪器构件的显示方法,交互方法,通讯机制。虚拟仪器的显示部分,本文设计了一种多图层叠加的二维曲线绘制方法和基于树状节点结构的三维模型显示方法。虚拟仪器交互部分,本文设计了事件-监听-响应模型来实现用户和虚拟仪器交互。虚拟仪器通讯部分,本文提出一种基于事件中心的发布-订阅机制,实现虚拟仪器构件间的联动。并且在此基础上,本文设计了分析类、显示类、操作类、硬件类等多种不同功能的虚拟仪器构件。此外,本文还搭建了虚拟现实环境,主要包括华中科技大学机械大楼和虚拟实验室内部环境。我们基于多重融合的纹理映射技术丰富虚拟现实场景的表面细节,并基于延迟渲染对传统的光照模型进行了优化,最终搭建了一个具有很强真实感、沉浸感的虚拟现实环境。并且在此基础上,添加了用户交互,实现了虚拟场景中的虚拟漫游功能。最后,本文在Unity3D中对构件进行动态装配,搭建完整的虚拟仿真实验,并将根据实际需求将虚拟仿真实验发布在网页端或安卓端。为了实际证明本文提出的方法的有效性,本文针对《机械工程控制技术》和《工程测试技术基础》这两门课程开发了一定数量且种类不同的虚拟仿真实验;同时也结合实际硬件,设计了基于Arduino的多传感器测量实验。最终的结果表明,和传统的虚拟仿真实验相比,本文开发虚拟仿真实验具有很好的沉浸感,真实感,可扩展性。
【图文】：

图 1-1 浙江大学的三维虚拟校园1.2.2 虚拟仪器技术概述及发展20 世纪 80 年代初，NI（美国国家仪器）率先提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器(Virtual instrument )是指通过应用程序将功能化模块和计算机结合起来，使原来需要各种硬件完成的测量系统尽可能地软件化[16]。计算机强大的图形环境和虚拟仪器功能模块可以帮助用户完成对仪器的控制、数据分析、存储、和显示。目前虚拟仪器软件开发技术主要分为两类，一类是基于图形化语言的软件开发环境，典型的例子就是美国仪器公司的 LabVIEW。和传统的文本编程方式不同，LabVIEW用可视化的框图来编写程序，界面友好，操作简单，大大降低了开发难度，缩短了开发周期。但缺点是开放性差，基于 LabVIEW 开发的虚拟仪器具有很强的平台依赖性，难以扩展。另一类虚拟仪器基于文本语言开发环境，例如美国仪器公司的 MeasuremenStudio 和美国 Dundas 公司的 Gauge for.NET。其优点是可以充分发挥文本语言的优势，

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文工电子网络虚拟实验室，，学生可以通过该网络虚拟实验室学习相关电路原理[30]。2018年，太原理工大学基于 HTML5 开发了物理化学实验室，设计了常用的物理化学类虚拟仪器功能，模拟了实际实验的操作流程，并配套了实验评测系统[31]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH70;TP391.9

【参考文献】

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本文编号：2646976