基于Unity 3D技术的互动展示系统研究与应用

张刚 潘卫 贺明明

（核工业西南物理研究院 四川省成都市 610041）

1 引言

相较于国外核聚变科普宣传方式，中国核聚变科普手段相对滞后。核发达国家的核能和核技术应用起步早，核聚变科普工作体系相对完整，手段丰富、形式多样，比如科普展览、现场体验、科普网页、网络课堂等方式。国内许多科普领域也都相继投入 3D、VR 等相关技术和设备，但在核聚变科普领域，数字化科普手段收入不够，难以吸引公众兴趣，科普效果难以达到预期。

为了引导公众正确认识核聚变，利用3D 互动技术普及核聚变装置最核心知识，促使大家认识到核聚变能源对人类未来生活的重要意义，需要构建一个集成化、专业化、智能化、分布式的软件系统。本项目利用数字化的科普互动产品，采用嵌入式触摸一体化显示终端，基于Java 开发在线Web 配置系统，并基于Unity3D 引擎开发出TV 端系统，进一步提升公众参与的兴趣和热情，强化一线核聚变科普效果，锻炼公众的科学意识、科学思想和科学方法，培养科学创新理念，围绕 “人造太阳”这一科技前沿专题开展核聚变能源的开发、利用等相关科技热点、开展相关培训，最终达到全民关注能源问题，消除人们“谈核色变”的恐惧的目的，同时吸引到更多学生对核聚变研究的热情和兴趣，便于越来越多的优秀人才投身到解决未来能源问题的科学工作中来，推动磁约束聚变事业的快速进步和发展。

2 关键技术

Unity3D 是Unity Technologies 开发出来，可以进行背景设计的可视化和三维动画控制的一款综合性游戏平台，通过Unity3D 强大的物理引擎，可以对相关的场景进行模拟，让整个动画和游戏更为逼真。Unity 类似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder 等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件。其编辑器可运行在Windows、Linux(目前仅支持Ubuntu 和Centos 发行版)、Mac OS X 下 。

C# 是一种运行于.NET Framework 上的面向对象的高级程序设计语言，是c 语言延伸出来的，可以通过可视化操作来完成程序的编写，本系统TV 端展示系统基于Unity3D 引擎开发，采用C#编写，主要组件为页面3D 建模，内置浏览器插件和视频展示功能。

krpano 是目前世界上最强大的全景图漫游制作引擎。随着html5 和VR时代的到来，krpano 引入了WebGL、CSS3D、WebVR、3Dvr 等最新技术，优化切片渲染和VR 功能， krpano 逐步会向纯html5 及三维空间应用方向过渡，本项目全景VR 部分均通过krpano 完成。

3 设计思路

3.1 总体设计

科普互动体验APP 基于MVC 模式，主要实现核聚变专题知识版块介绍、环流器模型科普演示及核聚变反应过程展示 ,包括用户管理，后台管理，TV 端展示三部分模块。Web 管理端的主要功能有用户的登录注册，用户角色权限的管理，TV 端的后台管理。科普平台TV 端系统基于Unity3D 开发，该引擎的最大特点是其跨平台特性，能够创建实时、可视化的2D 和3D 动画。TV 端的主要功能有展示院校简介，待机音视频，聚变小咖，聚变天地宣传视频，系统设置等功能。如图1 所示。

图1

图2

3.2 模块划分

管理平台后台部分主要由以下几部分组成。

（1）用户管理。用户管理为用户权限管理设置，分为账号管理、功能管理、权限管理、角色管理。

（2）系统设置。对TV 端进行滑动切换音效、开机动画、待机动画设置。

（3）内容管理。内容管理是针对在科普软件平台TV 端显示的内容进行添加、修改操作，对应TV 端的5 个功能项：院所概况、宣传视频、VR 展示、聚变天地、聚变小咖。

4 功能实现

本系统主要由WEB 后台系统和TV 展示系统组成，采用pdlegacyshell 模型工具和SQLyog 管理工具。以Axure RP 做为原型设计工具，Sketch 做为界面设计工具，采用Maven 项目管理工具完成。其中WEB 后台系统的功能主要是对TV 展示系统进行数据管理和数据展示。

4.1 设计规范

图3

图4

根据需求分析及概要设计，将Service 层定义为业务逻辑处理层，同时采用面向接口的编程思想，将业务逻辑功能的实现与定义分隔开，使得系统的耦合度大大降低的同时也使得系统的灵活性和可扩展性大幅度提高。将Dao 层定义为数据访问层，同时采用面向接口的编程思想，将数据访问功能的实现与定义分隔开，使得系统的耦合度大大降低的同时也使得系统的灵活性和可扩展性大幅度提高。

4.2 设计模型

MVC全名是Model View Controller，是模型(model)-视图(view)-控制器(controller)的缩写，是一种软件设计典范。用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件里面，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。MVC 主要用于把传统的输入、处理和输出功能映射在一个逻辑的图形化用户界面的结构中，如图2 所示。

4.3 数据库设计

其物理数据库主要有以下几个，文章标题表article，聚变天地表cafe，聚变小咖表earth，文件属性表file，院所介绍表institutes，待机设置表swith_video 等，系统表关系如图3、图4 所示。

5 结论

核聚变交互式科普展览平台，其硬件上借鉴2017年阿斯塔纳世博会的“中国核聚变能源开发与ITER 计划”展项的设计理念，并对相关功能进行优化设计，降低开发成本优化用户体验，是国内首创的核聚变科普互动产品，基于Unity3D 引擎开发，采用B/S 分布式系统，真正实现了不同终端受众的3D 交互及传播展览。通过该系统，用户可以轻松地构建一个集中化、专业化、智能化、分布化的交互式科普展览系统，提供信息编辑、传输、发布和管理等媒体交互式服务。