虚拟仿真系统建设技术的分析与应用

冯珊珊

(辽宁建筑职业学院 辽宁 辽阳 111000)



虚拟仿真系统建设技术的分析与应用

冯珊珊

(辽宁建筑职业学院 辽宁 辽阳 111000)

本文以虚拟仿真实训平台开发设计过程为例，对建设过程中的常用软件进行比较和分析，重点论述Unity3D的建模规范，及如何有效进行模型建立。

虚拟仿真系统；建设技术；应用

随着时代的发展和科技的进步，越来越多的企业和学校在案例展示和教学实训中采用虚拟仿真的形式，更好的突出企业的品牌形象或教学效果。无论是哪种应用场合，虚拟环境的建立都离不开三维建模软件、数据库和系统设计软件三大类软件，下面以虚拟仿真实训平台的建设为例对建模技术进行介绍。

一、常用软件

(一)建模软件简介。常用的三维建模软件主要有以下三种：3DMAX，SketchUp，以及Maya。下面对三种软件的特点和优势进行详细介绍。

1.3DMAX。它功能非常强大，广泛应用于游戏模型制作，近年在建筑设计领域也得到了广泛的应用。该软件中文版本和英文版本同样具备，操作便捷简单，发展的已经非常成熟了。

本设计选择使用3DMAX，由于其在建立静态的三维模型时，动画可以用代码来实现，在制作精度要求较高的场合非常合适。而且，绝大多数的3D引擎平台都支持3DMAX导出的模型，它是目前市场上三维的建模平台中最受推崇使用的。

2.SketchUp。它是GOOGLE(谷歌)公司所开发的三维建模软件。它具备自动捕捉功能，能将模拟使用铅笔绘制的图形线条自动捕捉。同时，GOOGLE公司的3D模型库中具有很多既定的SketchUp格式的模型。因此，采用SketchUp软件可以避免很多繁重的、重复的模型建立工作，所以，SketchUp的学习也非常必要。

3.Maya。它是AutoDesk公司研发的一款应用广泛、功能强大的建模软件，它的功能与3DMAX类似，但更适用于动画和特效的制作。

(二)数据库软件。伴随着现代技术的发展，数据管理已经从以往简单的数据存储和数据管理逐步转变成按照数据的结构来组织数据、管理数据、存储数据的大型仓库，而这种大仓库就是我们常用的数据库。

SQLserver是微软公司开发的关系数据库管理系统，它作为平台兼容性能良好，是WINDOWS操作系统中最为方便的数据库平台。并且界面友好，容易操作，编程接口丰富。

本次设计采用SQLserver2000数据库，它与Unity3D更便于连接，并且应用广泛，出于通用性的考虑，采用SQLserver2000数据库。需要强调的是：SQL数据库如果要连接Unity3D，则需要版本保持在SQLserver2000SP4以上，否则无法完成连接。

(三)系统设计软件。虚拟仿真实训平台以游戏模式设计任务环节，包括第一视角虚拟漫游，也包括任务的领取、完成和晋级。其模式与游戏有很多相似之处，采用游戏引擎完成平台系统的设计可以说是一个非常好的选择[1]。

Unity是一款全面整合了三维场景、动画效果和三维视频的专业游戏引擎，它是UnityTechnologies公司开发的。虚拟电子车间实训平台选择Unity3D作为系统开发平台，主要由于它具备以下三个突出优点：(1)操作简便、容易上手。(2)开发语言多样。(3)发布范围广，通用性良好。

二、Unity 3D

(一)Unity3D的主要特征

1.层级性综合开发环境，视觉化编辑手段，详尽的属性编辑器及动态资源预览。具有独特的层级性组织架构，可以将物体之间建立母子关系，使系统层次更加明确。层级性的组织管理形式也更符合人们的思维模式，开发者使用起来更容易上手[2]。

2.资源的自动导入。项目中的资源可以被自动导入，还可以根据资源的改动进行自动更新。可以支持大部分主流三维建模软件，包括3DMAX，SketchUp，以及Maya等。

3.支持凹凸贴图(bumpmapping)、反射贴图(reflectonmapping)、环境剔除(screenspace)、阴影贴图(shadowmap)技术，并支持渲染纹理(rendertotexture)和后处理(postprocessing)效果。

4.支持使用shaderlab语言进行shader编写，可分为顶点着色器和像素着色器。

5.内置使物体具备重力、阻力、速度以及加速度的属性设置，对NIVDIA中的Physxphysicsengine支持，从而使虚拟的物体具备真实世界中物理反馈的表达。

(二)Unity3D的建模规范。Unity3D中模型的加载会占用内存，场景内如果模型数量较多，则系统很可能存在卡顿现象，无法流畅运行。因此，建模的标准之一就是重视简模模型的使用，模型的面数尽量不要超过5000，将模型的面数尽可能的控制[3]。

下面简要列出一些建模的准则和面精简的小技巧：(1)巧用贴图替代模型的建立。例如需要表现一些细长状的物体，如窗栏、扶手等物体时，就可以采用这种技巧减少模型的数量，避免渲染时出现的锯齿和闪烁等现象。(2)控制场景中模型数量，模型的分布要均匀，尽量转化多边形物体或使用塌陷命令。(3)合并场景中距离较近的同样材质的模型，巧妙利用附加方式。(4)严格控制模型不同面之间的距离，以免彼此距离过近出现闪烁现象。确实距离过近时，可以通过面的嵌套完成制作。(5)删减底面、高处边沿等看不见或不被注意的面，从而减少面的总数。

在建模时，相似的保准始终存在，不论什么引擎平台都对单位、材质球尺寸有明确要求。

Unity3D除了遵循这些必要的要求之外，还需要遵守一些要求：命名必须使用英文、材质支持有要求等。

下面具体介绍Unity3D的建模规范：

(1)建模单位的设定。建模一般以米为单位。为避免共、反面的出现可将面统一调到正视图位置，直接在max中进行渲染，如果有闪烁出现则说明存在共面，如果看不到这个面则说明是反面。将模型导出模型文件(Fbx文件)，存到Unity3D中，在非运行状态下移动(上下左右方向)可检查漏面。漏面是建模过程中出现的比较麻烦的一个问题，应在建模过程中及时检查和修改。

(2)命名规则。Unity3D原则上不支持中文命名，原始模型、导出模型、贴图文件必须要使用英文名称。在max中，若采用中文名称，子模型不容易被Unity找到。那是因为模型是以子模型的名称出现在Unity菜单中的，中文名能造成模型的丢失。只有材质的名称可以使用中文名。

(3)材质要求。Unity3D对材质有特殊要求，仅标准材质和标准材质下的多维子材质(Multidimensionalsub-materials)被Unity支持。贴图方面，只有位图文件类型贴图、不带通道的JPG贴图以及带通道的TGA贴图被Unity3D所支持。并且通道要求颜色反射、自发光以及不透明度。

(4)模型备份标准和提交方式。所有烘焙贴图、原始贴图、烘焙前后模型以及未塌陷的原始模型，即全部贴图和相应文件都应该保存在统一的文件夹下。保存时注意文件齐全，便于后续的修改和使用。

综上，本文重点论述虚拟仿真实训平台开发过程中所用到的软件，对所用软件Unity3D、3DMAX与其他同类软件进行比较分析，并详细分析Unity3D在建模过程中的规范标准、技术难题，希望能为其他虚拟系统的建设提供参考意见。

[1]孙长勇.虚拟现实中三维建模技术方法的分析与研究[D].解放军信息工程大学，2004

[2]杨建强.虚拟现实认识问题研究[D].重庆大学，2006

冯珊珊(1981.2-)，工学硕士，现就职于辽宁建筑职业学院，研究方向：应用电子、虚拟仿真系统建设。