基于Unity 3D技術的互動展示系統(tǒng)研究與應用

張剛 潘衛(wèi) 賀明明

（核工業(yè)西南物理研究院 四川省成都市 610041）

1 引言

相較于國外核聚變科普宣傳方式，中國核聚變科普手段相對滯后。核發(fā)達國家的核能和核技術應用起步早，核聚變科普工作體系相對完整，手段豐富、形式多樣，比如科普展覽、現(xiàn)場體驗、科普網(wǎng)頁、網(wǎng)絡課堂等方式。國內(nèi)許多科普領域也都相繼投入 3D、VR 等相關技術和設備，但在核聚變科普領域，數(shù)字化科普手段收入不夠，難以吸引公眾興趣，科普效果難以達到預期。

為了引導公眾正確認識核聚變，利用3D 互動技術普及核聚變裝置最核心知識，促使大家認識到核聚變能源對人類未來生活的重要意義，需要構建一個集成化、專業(yè)化、智能化、分布式的軟件系統(tǒng)。本項目利用數(shù)字化的科普互動產(chǎn)品，采用嵌入式觸摸一體化顯示終端，基于Java 開發(fā)在線Web 配置系統(tǒng)，并基于Unity3D 引擎開發(fā)出TV 端系統(tǒng)，進一步提升公眾參與的興趣和熱情，強化一線核聚變科普效果，鍛煉公眾的科學意識、科學思想和科學方法，培養(yǎng)科學創(chuàng)新理念，圍繞 “人造太陽”這一科技前沿專題開展核聚變能源的開發(fā)、利用等相關科技熱點、開展相關培訓，最終達到全民關注能源問題，消除人們“談核色變”的恐懼的目的，同時吸引到更多學生對核聚變研究的熱情和興趣，便于越來越多的優(yōu)秀人才投身到解決未來能源問題的科學工作中來，推動磁約束聚變事業(yè)的快速進步和發(fā)展。

2 關鍵技術

Unity3D 是Unity Technologies 開發(fā)出來，可以進行背景設計的可視化和三維動畫控制的一款綜合性游戲平臺，通過Unity3D 強大的物理引擎，可以對相關的場景進行模擬，讓整個動畫和游戲更為逼真。Unity 類似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder 等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件。其編輯器可運行在Windows、Linux(目前僅支持Ubuntu 和Centos 發(fā)行版)、Mac OS X 下 。

C# 是一種運行于.NET Framework 上的面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O計語言，是c 語言延伸出來的，可以通過可視化操作來完成程序的編寫，本系統(tǒng)TV 端展示系統(tǒng)基于Unity3D 引擎開發(fā)，采用C#編寫，主要組件為頁面3D 建模，內(nèi)置瀏覽器插件和視頻展示功能。

krpano 是目前世界上最強大的全景圖漫游制作引擎。隨著html5 和VR時代的到來，krpano 引入了WebGL、CSS3D、WebVR、3Dvr 等最新技術，優(yōu)化切片渲染和VR 功能， krpano 逐步會向純html5 及三維空間應用方向過渡，本項目全景VR 部分均通過krpano 完成。

3 設計思路

3.1 總體設計

科普互動體驗APP 基于MVC 模式，主要實現(xiàn)核聚變專題知識版塊介紹、環(huán)流器模型科普演示及核聚變反應過程展示 ,包括用戶管理，后臺管理，TV 端展示三部分模塊。Web 管理端的主要功能有用戶的登錄注冊，用戶角色權限的管理，TV 端的后臺管理?？破掌脚_TV 端系統(tǒng)基于Unity3D 開發(fā)，該引擎的最大特點是其跨平臺特性，能夠創(chuàng)建實時、可視化的2D 和3D 動畫。TV 端的主要功能有展示院校簡介，待機音視頻，聚變小咖，聚變天地宣傳視頻，系統(tǒng)設置等功能。如圖1 所示。

圖1

圖2

3.2 模塊劃分

管理平臺后臺部分主要由以下幾部分組成。

（1）用戶管理。用戶管理為用戶權限管理設置，分為賬號管理、功能管理、權限管理、角色管理。

（2）系統(tǒng)設置。對TV 端進行滑動切換音效、開機動畫、待機動畫設置。

（3）內(nèi)容管理。內(nèi)容管理是針對在科普軟件平臺TV 端顯示的內(nèi)容進行添加、修改操作，對應TV 端的5 個功能項：院所概況、宣傳視頻、VR 展示、聚變天地、聚變小咖。

4 功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由WEB 后臺系統(tǒng)和TV 展示系統(tǒng)組成，采用pdlegacyshell 模型工具和SQLyog 管理工具。以Axure RP 做為原型設計工具，Sketch 做為界面設計工具，采用Maven 項目管理工具完成。其中WEB 后臺系統(tǒng)的功能主要是對TV 展示系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)展示。

4.1 設計規(guī)范

圖3

圖4

根據(jù)需求分析及概要設計，將Service 層定義為業(yè)務邏輯處理層，同時采用面向接口的編程思想，將業(yè)務邏輯功能的實現(xiàn)與定義分隔開，使得系統(tǒng)的耦合度大大降低的同時也使得系統(tǒng)的靈活性和可擴展性大幅度提高。將Dao 層定義為數(shù)據(jù)訪問層，同時采用面向接口的編程思想，將數(shù)據(jù)訪問功能的實現(xiàn)與定義分隔開，使得系統(tǒng)的耦合度大大降低的同時也使得系統(tǒng)的靈活性和可擴展性大幅度提高。

4.2 設計模型

MVC全名是Model View Controller，是模型(model)-視圖(view)-控制器(controller)的縮寫，是一種軟件設計典范。用一種業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務邏輯聚集到一個部件里面，在改進和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業(yè)務邏輯。MVC 主要用于把傳統(tǒng)的輸入、處理和輸出功能映射在一個邏輯的圖形化用戶界面的結(jié)構中，如圖2 所示。

4.3 數(shù)據(jù)庫設計

其物理數(shù)據(jù)庫主要有以下幾個，文章標題表article，聚變天地表cafe，聚變小咖表earth，文件屬性表file，院所介紹表institutes，待機設置表swith_video 等，系統(tǒng)表關系如圖3、圖4 所示。

5 結(jié)論

核聚變交互式科普展覽平臺，其硬件上借鑒2017年阿斯塔納世博會的“中國核聚變能源開發(fā)與ITER 計劃”展項的設計理念，并對相關功能進行優(yōu)化設計，降低開發(fā)成本優(yōu)化用戶體驗，是國內(nèi)首創(chuàng)的核聚變科普互動產(chǎn)品，基于Unity3D 引擎開發(fā)，采用B/S 分布式系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了不同終端受眾的3D 交互及傳播展覽。通過該系統(tǒng)，用戶可以輕松地構建一個集中化、專業(yè)化、智能化、分布化的交互式科普展覽系統(tǒng)，提供信息編輯、傳輸、發(fā)布和管理等媒體交互式服務。