基于unity3D单元操作实验虚拟现实系统实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机虚拟现实技术在化工实验教学领域中的应用，具体涉及一种基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法。
【背景技术】
[0002]化工单元操作包括过滤、精馏、吸收、传热等单元过程，单元操作实验教学的目的旨在让学生在学习化工单元操作过程及基本原理的基础上加深对于基础理论的理解，并培养学生的实际动手操作能力、科研能力以及分析解决实际工程问题的能力，但由于化工单元操作实验流程复杂、装置不可拆卸、过程常常涉及易燃易爆易腐蚀的化学药品，其真实实验过程往往难以达到良好的教学效果。因此，通过计算机技术开发出单元操作实验仿真系统用以辅助实验教学受到越来越多的重视和关注。
[0003]现有的单元操作实验仿真系统的开发主要集中在采用Visual Stud1和VisualBasic为主要开发软件的基于Windows平台下的实验仿真和数据处理系统，它是利用相似的物理模型、数学模型来模仿整个实验过程。该系统是以电脑桌面式系统为实现方式，具有简单的人机交互窗口 ；对于实验设备的仿真只能是示意图、照片；实验操作功能的仿真上，只是单一的过程操作训练。
[0004]Unity3D软件是一款多平台场景开发软件，支持多种脚本语言，包括JavaScript、C # Script、Boo Script，支持 Web Player、PC、1s、Android、Windows Store Apps 等平台发布，最初Unity3D主要用于游戏开发领域，其强大的物理引擎与粒子系统，能够很好地仿真现实世界中的物理现象，使其不仅仅局限于游戏开发领域，在系统仿真、建筑可视化等领域也有应该很好的应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法，用于辅助实验教学。
[0006]本发明采用的技术方案为:一种基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法，实现的步骤如下:
步骤1:数据收集及实验过程分析；
步骤2:设备模型及场景模型的建立；
步骤3:演示动画、贴图材质烘焙；
步骤4:功能模块的制作；
步骤5:流体流动及可视化效果实现。
[0007]更详细和更优化地说，本发明各步骤的具体操作如下::
步骤1:数据收集及实验过程分析包括；针对具体的实验，收集实验装置模型参数、实验操作过程参数以及实验结果，分析实验过程，根据需求设计系统框架，为系统的成功开发做前期准备工作； 步骤2:设备模型及场景模型的建立；综合考虑单元操作设备零部件特点，选择3dSmax软件与Solid Works软件配合进行零部件建模，然后将Solid Works建立的模型以.SAT格式输出，导入3ds max中运用4polybomb — mut1.ms插件对模型进行减面处理，提高后期系统运行时计算机的运算速度；
步骤3:演示动画、贴图材质烘焙；为了能够更细致地进行实验教学以及让学生能够独立地学习实验，在系统中添加实验操作过程演示动画以及零部件工作原理、结构展示动画，同时，为了使仿真效果更加真实，以真实设备模型的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙，以上步骤的完成需要利用3ds max软件以及Photoshop软件配合完成；
步骤4:功能模块的制作；将设备模型以.FBX格式导入Unity3D中，结合实验教学目的、教学难点以及实验学习中常出现的问题开发系统功能模块，实现对整个实验教与学的仿真模拟。
[0008]步骤5:流体流动及可视化效果实现；实验现象和零部件工作原理是学生理解实验过程和实验原理的主要方式，根据步骤I实验过程分析的结果以及真实实验过程中流体的流动，运用unity3D自带的粒子系统，实现系统流体流动的可视化仿真，丰富实验现象。
[0009]进一步优化:本发明中步骤I中所述的“针对具体的实验”是指板框过滤实验；板框过滤实验装置由配料槽、压力料槽、板框过滤机、球阀以及压力定值调节阀组成；所述的“收集实验装置模型参数、实验操作过程参数以及实验结果”是:整个实验过程涉及板框压滤机组装、配料、物料搅拌、压力料槽加料、一定压力下实验操作以及实验数据处理。
[0010]与现有仿真系统相比，本发明具有以下优点:
I)设备及零部件全方位观察，虚拟单元操作实验将真实场景(包括实验装置及环境)以1:1的比例再现，在系统中用户可以进行设备、零部件结构及工作原理的学习与观察。
[0011]2)实验过程的虚拟化交互操作、工作原理以及装置内部物质状态的可视化。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实现的总体路线图；
图2是板框过滤设备部分零部件模型图；
图3是系统功能模块图及过滤装置最终效果图；
图4是系统流体流动特效图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图以板框过滤单元操作实验为例，对本发明的【具体实施方式】做进一步的详细说明:
实施例1，基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法，参照图1_图4，步骤1:板框过滤实验装置由配料槽、压力料槽、板框过滤机、球阀以及压力定值调节阀等组成，整个实验过程涉及板框压滤机组装、配料、物料搅拌、压力料槽加料、一定压力下实验操作以及实验数据处理。系统开发前结合真实实验装置及操作过程，收集部件尺寸；
步骤2:根据步骤一收集的零部件结构及尺寸数据，利用3ds max与solid works软件建立零件模型，并对主要部件进行结构动画及工作原理动画制作，如附图2所示；
步骤3:在所有部件模型建立完毕后，利用3ds max的VRay清染器以及photoshop软件渲染、烘焙贴图，然后装配实验装置，将所有资源导入unity3D中完成装置设备模型，如附图3;
步骤4:开发系统功能模块，包括实验预习功能、装置及实验学习功能、交互操作功能、实验理论考核与操作考核功能、数据处理功能等，如附图3 ;
步骤5:在各个功能模块完成后根据真实实验过程中的现象以及部件与流体的响应关系，利用unity3D的脚本代码以及粒子系统制作流体特效，体现管路内部流体流动，辅助学生理解实验原理，如附图4所示。
[0014]其他单元操作实验按此步骤即能完成虚拟仿真系统的实现。
【主权项】
1.一种基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法，其特征在于，步骤如下: 步骤1:数据收集及实验过程分析； 步骤2:设备模型及场景模型的建立； 步骤3:演示动画、贴图材质烘焙； 步骤4:功能模块的制作； 步骤5:流体流动及可视化效果实现。2.根据权利要求1所述的基于unity3D的单元操作实验虚拟仿真系统的实现方法，其特征在于，各步骤的具体操作如下: 步骤1:数据收集及实验过程分析包括；针对具体的实验，收集实验装置模型参数、实验操作过程参数以及实验结果，分析实验过程，根据需求设计系统框架，为系统的成功开发做前期准备工作； 步骤2:设备模型及场景模型的建立；选择3ds max软件与Solid Works软件配合进行零部件建模，然后将Solid Works建立的模型以.SAT格式输出，导入3ds max中运用4poIybomb — mut1.ms插件对模型进行减面处理，提高后期系统运行时计算机的运算速度； 步骤3:演示动画、贴图材质烘焙；在系统中添加实验操作过程演示动画以及零部件工作原理、结构展示动画，同时，以真实设备模型的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙，以上步骤的完成需要利用3ds max软件以及Photoshop软件配合完成； 步骤4:功能模块的制作；将设备模型以.FBX格式导入Unity3D中，结合实验教学目的、教学难点以及实验学习中常出现的问题开发系统功能模块，实现对整个实验教与学的仿真模拟； 步骤5:流体流动及可视化效果实现；实验现象和零部件工作原理是学生理解实验过程和实验原理的主要方式，根据步骤I实验过程分析的结果以及真实实验过程中流体的流动，运用unity3D自带的粒子系统，实现系统流体流动的可视化仿真，丰富实验现象。3.根据权利要求1或2所述的基于unity3D的单元操作实验虚拟仿真系统的实现方法，其特征在于，步骤I中所述的“针对具体的实验”是指板框过滤实验；板框过滤实验装置由配料槽、压力料槽、板框过滤机、球阀以及压力定值调节阀组成；所述的“收集实验装置模型参数、实验操作过程参数以及实验结果”是:整个实验过程涉及板框压滤机组装、配料、物料搅拌、压力料槽加料、一定压力下实验操作以及实验数据处理。
【专利摘要】基于unity3D的单元操作实验虚拟现实系统的实现方法：其特征在于，步骤如下，步骤1：数据收集及实验过程分析；步骤2：设备模型及场景模型的建立；步骤3：演示动画、贴图材质烘焙；步骤4：功能模块的制作；步骤5：流体流动及可视化效果实现。进一步优化：本发明中步骤1中所述的“针对具体的实验”是指板框过滤实验。与现有仿真系统相比，本发明具有以下优点：设备及零部件全方位观察，虚拟单元操作实验将真实场景（包括实验装置及环境）以1:1的比例再现，在系统中用户可以进行设备、零部件结构及工作原理的学习与观察。实验过程的虚拟化交互操作、工作原理以及装置内部物质状态的可视化。
【IPC分类】G06T13/20, G06F17/50
【公开号】CN105426607
【申请号】CN201510777198
【发明人】李明海, 杨广玉, 林军, 苏佳伟, 汪祖洁, 王春梅
【申请人】南京力鼎科技有限公司
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月12日