【精品】基于Unity3D的三维虚拟电脑组装实验系统开发毕业设计(含源文件)
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- 【精品】基于Unity3D的三维虚拟电脑组装实验系统开发毕业设计(含源文件)基于Unity3D三维电脑组装实验系统的实现
【摘要】实验教学不仅能够培养学生的动手能力，而且还能起到巩固课本上理论知识的作用。但是由于我们国家人口基数庞大，教育资源有限，实验器材紧缺，不能满足广大在校学生或者社会成人求学需求，因而成为教学和学习中最难以付诸实践的薄弱环节。随着虚拟现实技术的出现，实验教学有了新的思路。Unity3D引擎对开发仿真性非常高、交互性非常好的虚拟实验环境具有很大的帮助。本文在对虚拟实验室的研究现状进行充分调研的基础上，借助Unity3D引擎和3DS Max三维建模软件，搭建了一个逼真且操作方便、具有交互功能的组装计算机硬件的虚拟实验操作平台，对组装计算机实验进行了模拟，实现了实验过程以及部分实验现象的模拟。系统的主要功能是让用户采用虚拟仪器完成组装过程，从而达到学会组装计算机的目的。
【关键词】 虚拟实验；Unity3D；计算机组装；
1. 引言
1.1 研究背景及意义
早在十六世纪，实验就被运用于教育教学。实验是指根据科学研究的目的，尽可能排除外界因素的影响的同时突出主要实验因素，并且利用一些专门的仪器设备而人为地改变、控制或者模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现。实验的目的在于通过学习者亲自动手参与实验，从而培养学习者的观察能力、分析能力和实践能力。研究表明，人的动作记忆效率远远高于语言文字的记忆效率，所以通过动手参与的学习比单纯看书要更有效率，实验教学通过让学习者了解事物的本质，培养学习者的研究能力、创新能力，加强学习者对知识的运用和实践，因此成为教育教学中一个不可分割的部分。
最开始的实验教学都是真实实验，学习者在真实的实验环境下操作实验设备来完成实验目的。但是随着人口数量的增加，知识研究领域的扩展，真实实验暴露出了许多缺陷，比如许多实验器材价格昂贵，实验资源无法满足广大学习者的需求，实验存在安全隐患，真实场景带来的实验误差等等。虚拟实验的概念也就应运而生了。
虚拟实验的概念最早由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫（William Walf）于1989年提出，它是在虚拟现实技术的基础上产生和发展起来的，是对真实实验尽心模拟或再现的一种实验模式。它的主要组成部分都是通过计算机虚拟而成的，包括实验室环境，实验室仪器以及实验资源。在虚拟实验中，学习者不受时空的限制，可以随时随地的进入虚拟实验系统，通过键盘或者鼠标、数据手套等交互设备与虚拟实验系统中的虚拟仪器进行交互，完成与真实实验一样的各种实验操作过程。
Unity3D作为一款专业的商业游戏引擎，早在2010年就进入了我国，由于其友好的操作界面和强大的性能，在国内积攒了众多的开发者。其官网上得AssetStore也给广大开发者提供了数量众多，类目琳琅的插件，可以大大的缩短开发者的开发周期。近年来，Unity3D为虚拟现实提供了完整的解决方案，其强大的物理引擎，基于DirectX和OpenGL的高度优化渲染管道，还有可编辑的Shader着色器，让模拟真实多变的生活环境变成现实。因此我选择Unity3D来开发这样一个虚拟电脑组装实验的系统，为学习者提供一个自由、真实的实验平台，利用本系统进行实验教学，让学习者认识计算机硬件，掌握组装电脑的一些基本技能。
1.2 研究内容
本文主要在于借助Unity3D引擎将虚拟现实技术引入虚拟实验中，探索新的虚拟实验的教学模式。具体研究内容包括以真实实验在教育教学中的重要作用和协作学习对学习者能力的培养作为立足点，将虚拟现实与虚拟实验结合起来；利用Unity3D实现虚拟计算机硬件与实验者交互，突破实时交互的一些难点；完成整个系统架构设计，并且编写代码实现整个系统功能。
2. 虚拟实验器材的制作
2.1 3DS Max模型创建
2.1.1 多边形建模技术
多边形建模技术是三维建模技术中比较常见的一种建模方式。现实世界中的很多物体都可以看成是由基本的几何体进行变形和细分得来的。多边形建模就是基于简单的长方体、圆柱体、球和其它一些几何体，运用添加线，点来进行细分，面挤出，边挤出等三维建模手法来完成模型的创建。
多边形建模技术的优点在于它能很快的把目标模型的大体轮廓勾勒出来，对于精度要求比较低的模型来讲，甚至可可以经过简单的几次变形就可以达到想要的效果。因此对于较为规则的家具或者家用电器来讲，使用多边形建模可以极大地提高工作效率。
计算机组装实验所用到的计算机的主板、内存条、显卡、电源以及机箱显示器等主要零部件都是比较规则的几何体，主板上看似比较复杂的各种电阻和插针，仔细看其实都是一些简单的圆柱体。
下面图1、图2、图3是用3DS Max多边形建模方法制作的计算机部件模型。
2.2 模型UV拆分和材质贴图
UV的是贴图坐标的简称，它定义了一张二维图片将以何种方式贴到三维对象的表面之上。在3DS Max中通过加UVW Map修改器可以为一些常用模型选择贴图方式，比如平面映射、柱面映射、球面映射、立方体映射等。但是当遇到比较复杂的模型时，就不能依赖这种方式了，需要手动来为模型拆解UV。
UV拆分有几个原则：拆分出来的UV碎块要尽量少，这要贴图贴上的接缝就会更少，便于处理；需要将拉伸降低到最小，UV反映的是图片上的每一个像素点到模型表面上每一个点的对应关系，如果UV出现拉伸，就会出现模型的表面一些区域承载过多的图像信息，另一些区域承载的图像信息却太少，贴图就得不到正确的显示；还要避免贴图坐标的重叠。贴图坐标重叠将直接导致重叠的贴图部分分配不到正确的图像信息；最后还要尽可能有效使用纹理空间。
由于在建模的过程中，经常需要将一个模型拆分成很多部分来创建，最终将各个部分整合成一个完整的模型。而模型在最终的材质表现上，各个不同的部分可能需要不同的贴图或者材质。这在计算机的硬件上体现的尤为明显，比如一块显示器的显示屏幕和底座的材质是明显不一样的，而在显示器的边框上可能还有生产厂商的Logo和按钮。因此，很多时候需要用到多维子对象（MultiSub-Object）材质。只要在建模的时候，给每个子对象分配好材质ID，就可以将子材质赋予给指定的模型子部件。下面以内存条为例：...
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