基于Unity的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

李谷偉

（浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字工程學(xué)院 浙江省溫州市 325000）

1 引言

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里普遍存放著大量的化學(xué)物品，具備易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，由于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程不熟悉，操作不規(guī)范，往往極易造成火災(zāi)、爆炸、腐蝕人體皮膚等安全問題。除此之外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)器具的老化、實(shí)驗(yàn)室自身?xiàng)l件簡陋、供電線路老化、惡劣的天氣等因素也會(huì)帶來眾多的安全隱患問題。

針對這些問題，本文提出一種基于Unity的化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)方法。采用Maya對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行三維建模，采用Unity對實(shí)驗(yàn)過程中的交互功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Visual Effect Graph技術(shù)、Shader Graph技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)特效仿真。憑借這一方法，開發(fā)了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真原型系統(tǒng)。實(shí)例表明，該方法可以形象、逼真的再現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種仿真效果，解決了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中存在的中毒、腐蝕皮膚、火災(zāi)或爆炸等安全隱患問題。

2 基于Unity的化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

基于Unity的化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，采用Maya對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行三維建模，采用Unity對實(shí)驗(yàn)過程中的交互功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Visual Effect Graph技術(shù)、Shader Graph技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)特效仿真。同時(shí)，該系統(tǒng)將發(fā)布2個(gè)平臺(tái)，一個(gè)是VR平臺(tái)，一個(gè)是移動(dòng)平臺(tái)，學(xué)生可以借助VR頭盔，配合手機(jī)，體驗(yàn)豐富的化學(xué)實(shí)驗(yàn)交互功能，能夠在確保實(shí)驗(yàn)安全性的同時(shí)，增強(qiáng)了課堂實(shí)驗(yàn)的趣味性。

2.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)基于Unity的化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)方法，提出該方法的總體流程如圖1所示。

開發(fā)VR火災(zāi)隱患排查系統(tǒng)，首先需要了解宿舍發(fā)生火災(zāi)的全部隱患，將這些隱患點(diǎn)信息存儲(chǔ)起來，用3dsMax為宿舍場景進(jìn)行建模以及紋理貼圖，對應(yīng)所有的隱患點(diǎn)特別有針對性的建立精致模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎，在Unity引擎中，開發(fā)隱患點(diǎn)排查交互功能模塊，利用相交球檢測技術(shù)、添加爆炸點(diǎn)技術(shù)等為每個(gè)隱患點(diǎn)添加火災(zāi)特效、爆炸特效，設(shè)計(jì)醒目的UI，為體驗(yàn)者提供清晰的體驗(yàn)感，最終將生成的系統(tǒng)發(fā)布到HTC VIVE。

2.2 Maya技術(shù)

Maya是Autodesk公司出品的一款功能強(qiáng)大的三維動(dòng)畫軟件，它在三維建模、影視動(dòng)畫、影視特效領(lǐng)域有非常多的應(yīng)用。它最常用的建模方式是多邊形建模，開發(fā)者可以通過捏泥人的方式去對模型的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)的控制，建模的操作方式非常新穎，新版軟件升級了UV模塊，展UV非常方便，特別適合VR應(yīng)用。因此，本文選用Maya對宿舍場景進(jìn)行建模、UV處理與貼圖制作。

圖1：開發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)總體流程

圖2：VFX Graph編輯界面

2.3 Unity技術(shù)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對三維場景的真實(shí)度要求非常高，所以需要一款能夠制作3A級畫面的引擎來制作。除此之外，還需要添加很多交互功能以及UI界面的制作，而這些功能與效果的實(shí)現(xiàn)，都需要Unity來完成。

Unity是一款開發(fā)三維游戲的引擎，特別是手游市場，占據(jù)了很大的比重，而開發(fā)語言使用的是C#語言，它是基于面向組件開發(fā)的一個(gè)引擎，兼容所有平臺(tái)。本文采用Unity實(shí)現(xiàn)特效展現(xiàn)和交互功能。

Unity開發(fā)都是面向組件的開發(fā)，而本項(xiàng)目主要使用的是Visual Effect Graph模塊，這個(gè)模塊的強(qiáng)大效果以及掌控力是我們實(shí)現(xiàn)逼真特效的關(guān)鍵所在。而Shader Graph模塊也是我們實(shí)現(xiàn)物理渲染效果的必要方法。

3 Visual Effect Graph技術(shù)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在著大量的實(shí)驗(yàn)效果，而這些實(shí)驗(yàn)效果靠傳統(tǒng)的CG技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，尤其是接近于照片級的效果，同時(shí)還要考慮到運(yùn)行效率的問題。采用Unity最新的Visual Effect Graph技術(shù)可以確保系統(tǒng)流暢運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)接近于照片級的效果。

Visual Effect Graph技術(shù)是在Unity 2018.3之后推出一項(xiàng)新技術(shù)，它其實(shí)是一種新的特效工具。它與原本的粒子系統(tǒng)相似，但它最直觀的特點(diǎn)是可視化的節(jié)點(diǎn)，支持編程，運(yùn)行在GPU之上。這些特點(diǎn)讓它能夠支持更龐大的圖形運(yùn)算量以及對開發(fā)者、創(chuàng)作者提供了更加靈活的開發(fā)空間。因此，可以用來制作游戲里大量的3A級特效。例如：本系統(tǒng)中所需化學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)特效。

Unity中使用Visual Effect Graph技術(shù)的方法：

3.1 安裝與配置

Visual Effect Graph需要通過Package Manager來安裝，目前只支持HDRP，所以還需要安裝HDRP。安裝完之后，需要在Project窗口的Create菜單創(chuàng)建HDRP的配置文件。

3.2 創(chuàng)建于編輯VFX Graph

先創(chuàng)建一個(gè)VFX Graph資產(chǎn)，拖到場景中后會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)GameObject，Unity會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)Visual Effect組件，并引用到之前創(chuàng)建的VFX Graph資產(chǎn)，打開可以編輯它，如圖2所示。

System：虛線包裹的幾個(gè)Context的集合叫做System。一個(gè)System包含Initialize，Update和Output。一個(gè)VFX Graph可以包含多個(gè)System。

Spawn：這個(gè)Context定義了生成粒子的數(shù)量以及生成的時(shí)機(jī)。

Initialize：這個(gè)Context類似編寫腳本時(shí)的Start方法，用來對粒子進(jìn)行初始化操作，它需要以Capacity和Bounds開始。

Capacity定義同一時(shí)間可以存在的粒子最大數(shù)量。這個(gè)值很重要，決定了初始分配多少內(nèi)存，應(yīng)該根據(jù)生成粒子的數(shù)量來設(shè)置數(shù)值。一般可以通過公式計(jì)算：Rate × Max Lifetime=Capacity。

Bounds：定義粒子的模擬區(qū)域

Update：這個(gè)Context類似編寫腳本時(shí)的Update方法，設(shè)置粒子隨著時(shí)間的變化。它可以使用力，比如添加碰撞、力場等。

Output：用來渲染粒子，它決定了生成粒子的類型、紋理、顏色、朝向等。一個(gè)System可以有多個(gè)Output輸出。

3.3 運(yùn)行測試

設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)值，可以得到如圖3所示效果。

4 Shader Graph技術(shù)

4.1 創(chuàng)建與設(shè)置

使用Shader Graph，需要安裝Shader Graph包和Universal RP包（Unity 2019.3之前的名稱為LightWeight RP）。創(chuàng)建并配置SRP（可編程渲染管線），然后新建PBR Graph。打開PBR Graph文件即可開始設(shè)置基于物理渲染的材質(zhì)效果了。

4.2 測試PBR渲染效果

圖3：簡單火焰測試效果

圖4：測試爆炸效果

圖5：化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過各種節(jié)點(diǎn)的連接，調(diào)試參數(shù)，可以得到如圖4所示的邊緣發(fā)光效果。

5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有的VR重現(xiàn)系統(tǒng)的功能模塊以及存在的缺點(diǎn)，改良設(shè)計(jì)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如圖5所示。

功能模塊如下：

（1）實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)：創(chuàng)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)室場景模型，添加各種實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生的特效，添加實(shí)時(shí)更新的UI界面。

（2）VR核心模塊：VFX Graph技術(shù)、Shader Graph技術(shù)。

（3）實(shí)時(shí)模擬：實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示交互過程中的特效。

6 實(shí)例研究

圖6：實(shí)驗(yàn)過程重現(xiàn)

場景中添加了由Visual Effect Graph技術(shù)實(shí)現(xiàn)的火焰和火星效果，所有的材質(zhì)渲染都是基于Shader Graph技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。加上了實(shí)時(shí)交互的UI界面，以及實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)信息，如圖6所示。根據(jù)研究，此系統(tǒng)能夠讓學(xué)生使用VR手柄來操控實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，并實(shí)時(shí)產(chǎn)生預(yù)設(shè)的化學(xué)效果。學(xué)生可以利用此系統(tǒng)完成所有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，效果非常逼真。

7 結(jié)語

為了解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中極易造成火災(zāi)、爆炸、腐蝕人體皮膚等安全問題，本文研究了一種基于Unity的化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，給出了化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、開發(fā)流程以及技術(shù)解決方案，探討了Visual Effect Graph、Shader Graph等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)特效仿真，開發(fā)了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真原型系統(tǒng)。實(shí)例表明，該方法可以形象、逼真的再現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種仿真效果，解決了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中存在的中毒、腐蝕皮膚、火災(zāi)或爆炸等安全隱患問題，并且增加了化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂的趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。