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基于万维引擎平台的 VR 虚拟仿真实验自主开发——以模拟法测静电场实验为例

2022-11-03 10:00

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

原创朱海丰杨骏等物理与工程

摘要

本文针对大学物理基础性实验，以模拟法测绘静电场实验为例，利用 SolidWorks、3ds MAX、Unity 及万维引擎软件平台，自主开发该实验项目的 Virtual Reality(VR) 虚拟仿真实验。通过实验模型建立、实验场景搭建、功能指令编辑、触发指令配置、程序设计与调试等步骤，还原该实验的线下操作与现象，辅助开展线上线下协同的教育模式。同时，使学生掌握虚拟仿真实验实际工程案例的整个开发流程，降低 VR 虚仿实验开发成本及周期，加深学生对所开发仿真实验的原理及内容的进一步理解，提高学生实验及理论学习质量，丰富本实验教学单位的仿真实验资源。

关键词静电场；VR 虚拟仿真实验；开发流程；万维引擎软件平台

Abstract This article aims at the basic experiment of university physics, taking the simulation method of surveying and mapping electrostatic field experiment as an example, using SolidWorks, 3ds MAX, Unity and Very engine software platform to independently develop the Virtual Reality (VR) simulation experiment of this experimental project. Through experimental model establishment, experimental scene construction, functional instruction editing, trigger instruction configuration, program design and debugging, etc., the offline operations and phenomena of the experiment are restored, and the online and offline collaborative education model is assisted. At the same time, enable students to master the entire development process of virtual simulation experiment actual engineering cases, reduce the cost and cycle of VR simulation experiment development, deepen students' further understanding of the principles and content of the developed simulation experiment, improve the quality of student experiments and theoretical learning, and enrich the simulation experiment resources of this experimental teaching unit.

虚拟仿真技术的推广应用对实验教学效果的提升具有较高可想维度。在实践教学中引入虚拟仿真实验资源，实施线上线下（online and offline）两个阶段协同的教学模式，可有效提升实验教学质量，丰富实验教学内容，优化实验教学形式，引导学生对实验的学习兴趣，加深学生对实验内容的理解，增强学生的创新原动力等[1-3]。

目前，国内外部分高校利用虚拟仿真实验资源辅助实验教学已广泛开展，并取得了较好的效果。尤其是在 2020 年新冠肺炎疫情期间，利用虚拟仿真实验资源开展线上教学则成为了一种主要手段之一。按照国家《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》大力推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合的要求及 2018 年开始的万门“金课”（含虚拟仿真课程）建设计划，越来越多的高校开始加强虚拟仿真实验资源建设并应用于实践教学。但 VR 虚拟仿真实验项目的建设开发所需专业性强，依托专业公司开发所需成本较高，且专业开发人员在开发过程中对实验具体的原理和内容理解上需使用方持续跟进对接，一定程度上导致开发周期过长。如以实验教学课程或大学生创新创业训练项目等为依托[4]，由学生自主开发所学的基础性、综合性或创新性实验项目的虚拟仿真实验，则不仅可以拓展学生的知识体系、增强学生的实际工程应用能力、促进学生创新思维的培养[5,6]，也能够持续丰富本实验教学单位的虚拟仿真实验资源，以利于“虚实结合”教学模式的实施，从而促进实验教学和研究的现代化改革[7,8]。

本文主要以大学基础物理实验——模拟法测绘静电场实验的原理和内容为基础，以学生为主体自主开发其相应的 VR 虚拟仿真实验，包括仪器模型的建立、渲染、导入、虚拟场景开发、仿真步骤动作设计，函数命令开发、程序运行开发、程序封装及发布等，使学生学习掌握虚拟仿真实验实际工程案例的整个开发流程，培养学生虚拟仿真实验开发的能力，提升人才培养质量及实验教学质量[9]。

1 系统功能与框架

模拟法测绘静电场虚拟仿真实验的开发主要包括实验模型建立、实验场景搭建、功能指令编辑、触发指令配置四个模块[10-11]，如图 1 所示。实验模型建立指利用 SolidWorks、3ds MAX 等建模软件对实验中所需要的实验仪器进行模型的建立、渲染等操作；实验场景搭建指在 Unity 平台[12]中进行模型方位的调整与灯光、背景等实验环境的布置；功能指令编辑指依据实验流程，在万维引擎开发平台中对实验中涵盖的物体运动指令与实验操作指示和数据显示等实验辅助指令分别进行编辑；触发指令配置指对添加的功能指令配备控制指令，并通过外部设备实现对这些指令的触发，增强虚拟仿真实验的人机交互性[13]。

2 开发流程

2.1 实验模型建立

在虚拟仿真实验开发中，实验仪器模型的精细程度和显示效果即模型的仿真度应高度还原实际实验仪器设备，以增强所开发实验的视觉真实性，此模块包括模型建立和模型渲染两部分。利用 SolidWorks 和 3ds MAX 等建模软件对该实验中的专用电源、探针、双层静电场描绘仪等实验仪器进行等比例建模，获得初步的物理模型；然后通过调整环境、灯光、材质及其他参数，对模型进行优化，使其表现出一定的灯光效果、阴影效果和表面纹理效果，以符合一般的视觉逻辑；最后导出 Unity 支持的 FBX 格式文件[14]，并保证模型的正常导入，图 2 为模型实际示意效果图，可以看出与实体实验仪器具有高度相似性。

2.2 实验场景搭建

构建一个效果良好的虚拟环境，可极大增强操作者的置身度和操作感受。图 3 为使用万维引擎操作软件平台搭建的仿真实验场景示意图，实验场景搭建模块主要包括模型方位调整与实验环境布置两部分。

模型方位调整，是将导入的模型按照正确的方位进行摆放，使其符合实验仪器的摆放要求；实验环境布置包括环境背景的调整、灯光效果的调整、相机视角的调整等操作，使操作界面有舒适的背景、合适的光线、和恰当的操作角度，以增强虚拟仿真实验的真实性与沉浸性。

2.3 功能指令编辑

实验开展过程中，必然伴随着实验仪器状态的变化与物理信息的反馈。借助虚拟仿真实验，操作者可以通过外部设备正确控制虚拟仿真实验中的实验仪器，然后通过实验仪器得到正确的实验结果与现象。功能指令编辑模块包括物体运动指令编辑、实验辅助指令编辑和变量信息编辑。

2.3.1 物体运动指令编辑

物体运动指令包括相机运动指令、平移运动指令、旋转运动指令、平移加旋转运动指令、任意移动指令、瞬间移动指令和可视化运动指令等。通过物体运动指令编辑，可以为实验模型添加各类运动效果。在万维引擎平台中，开发者正确填写各类运动类型的信息编辑窗口后，系统即可自动完成后台 Unity 代码的编写。例如编辑物体平移运动时，需在物体平移运动信息编辑窗口填写运动描述、物体组号、加速度、初始速度、移动向量等信息，如图 4 所示。

2.3.2 实验辅助指令编辑

实验辅助指令包括部件标注指令、语言切换指令、画中画指令、信息面板指令、曲线绘制指令、文本语音指令等。通过实验辅助指令编辑可以实现实验数据显示和实验操作指示等功能。例如，如图 5 所示，通过信息面板指令，可以将移动探针处的电势值进行实时显示；通过部件标注指令，可以帮助操作者更好地认识实验仪器；通过语言切换指令，可以使该仿真实验面向国际学生开放使用，扩大仿真实验使用的受众范围，为不同性质的实验课程教学提供便利。

2.3.3 变量信息编辑

本文主要针对长直同轴圆柱型导体间的电场进行研究。设长为 l 的圆柱形同轴电极的内外极板的半径分别为 a 和 b (且

)，如图 6 所示，设其均匀带有等量异号的电荷，线电荷密度的绝对值为 λ。由于其对称性，半径为 r ( r >a ) 的圆柱面上电场强度的方向应沿着半径方向，大小 E 应为常数，则由高斯定理可得

令 U 为内圆柱面与半径为 r 的圆柱面上一点 P 之间的电压，则

由式(2)知，在垂直柱状电极轴线的截面上，等势线为一组同心圆[15]。

根据以上原理，将场景参数与公式建立联系，写入万维引擎变量信息编辑表，利用万维引擎软件的交互编辑器高效率地制作复杂的场景行为逻辑，并通过信息面板指令对电势值进行实时显示，具体如图 7 所示。

2.4 触发指令配置

上文功能指令编辑模块只是对于虚拟仿真实验所需要的相关功能指令进行了编写，但在功能指令的实际应用时，还需要配套的控制指令与外部设备建立联系，从而达到功能指令触发的目的。触发指令配置模块是实现虚拟现实场景交互的重要组成部分，利用万维引擎内置的触发指令编辑器可以为每个功能指令配置对应的触发指令，图 8 为实验操作触发指令编辑表。按照图 9 所示的触发控制说明，操作者可对实验仪器进行控制开展虚拟仿真实验操作。

3 虚拟实验操作及效果

通过上述四个模块的运行编辑，完成虚拟仿真实验的最终开发，最后对程序进行软件封装。

打开程序，按照实验内容要求及实验操作步骤提示开展虚拟实验操作，通过电源调节旋钮调整同轴柱面电极间电压，调节范围为 7~13V，调节精度为 0.01V，对照实体实验内容要求，电极间电压调整为 10V 时，通过键盘 i、k、j、l 键使探针前后左右移动，实现对电场中不同位置处的电势值测量，并通过键盘 h 键控制，实现电势点的记录，如图 10(a) 所示。测量 7 条或以上的不同电势的等势线，每条测量 6~10 个等电势点，其中内电极边界效应因开发难度未予以考虑，电势点仅设定与电源输出最大电压相同的一个测量点，为使测量简单，认定该点为中心点，通过虚拟直尺测量不同等电势点与中心点间距离，并填入数据表中，自动计算平均半径值，完成所有平均半径计算后，点击等势线绘制及电场线绘制按键，完成等电势线和电场线的描绘，如图 10(b) 所示。

4 结语

本文基于教学开设的大学物理基础性、综合性及创新性等实验，依托实验课程及学生创新训练项目等，以学生为中心，利用 SolidWorks、3ds MAX、Unity 及万维引擎软件等仿真开发软件自主开发虚拟仿真实验项目。以模拟法测绘静电场实验为对象，开发的虚拟仿真实验很好地还原了真实实验情况，实验步骤详细、操作流畅、功能丰富、开放性强，可用于辅助实体实验教学的开展，可有效提高学生在大学物理实验上的学习效率。通过仿真实验的学生自主开发，不仅有利于学生对实验学习兴趣和探究问题思维的提高，也促进了其实际工程运用能力的提升，同时可在低投入和短周期内丰富补充虚拟仿真实验资源，为进一步开展虚实结合的实验教学奠定基础。后续将继续基于其他实体实验项目，以学生为主体自主开发相应虚拟仿真实验并投入教学应用之中。

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通讯作者: 朱海丰，男，中国石油大学(华东)副教授，主要从事大学物理实验教学、实验室建设、物理学和材料科学方面研究，zhufeng_97@upc.edu.cn。

引文格式: 朱海丰, 杨骏, 滕绪山, 等. 基于万维引擎平台的 VR 虚拟仿真实验自主开发——以模拟法测静电场实验为例[J]. 物理与工程, 2022, 32(1): 131-135, 142.

Cite this article: ZHU H F, YANG J, TENG X S, et al. Independent development of VR simulation experiment based onVeryengine software platform—Taking the experiment of electrostatic field measurement as an example[J]. Physics and Engineering, 2022, 32(1): 131-135, 142. (in Chinese)

END