基于Unity3D的冲压成形过程仿真及实验教学虚拟系统研究

摘要

随着计算机技术和虚拟现实技术的高速发展，虚拟现实在各个领域的应用范围及规模不断扩大。虚拟仿真实验系统以其逼真的视觉效果、强烈的沉浸感、良好的交互性、平台的可扩展性正在逐步取代传统的实验教学，已经成为智能制造系统开发的研究热点之一。
　　机械专业实验教学存在着诸如高危险性和极端环境，实验操作不可逆，高成本、高消耗，实验设备及实验仪器数量不足等局限，难以满足当前实验教学要求。同时，机械类专业实验不能突破时空限制，微观现象表现不足，多为验证性实验，教学形式单一，手段落后，导致教学效果差等问题，使得实验教学难以适应当今社会人才培养的需要。因此，开发具有良好交互性能的虚拟仿真实验教学系统具有重要的学术价值和广泛的现实需求。
　　本文在充分分析研究国内外虚拟现实技术发展概况的基础上，针对横亘在传统实验教学面前的困境，极尽先进计算机技术和多媒体技术之所长，借助于虚拟开发平台，采用虚拟现实技术，构建高仿真性、强交互性的冲压成形虚拟仿真实验系统。
　　论文分析研究了基于仿射变换原理的图形变换理论，建立了三维模型平移、旋转和缩放的矩阵运算数学方程，在分析研究虚拟仿真系统设计软件平台和Unity3D引擎技术的基础上，确定了以UG、3ds Max和Unity3D为主、辅以Photoshop图形处理和Substance Painter纹理绘制软件进行虚拟仿真系统的设计与构建。
　　系统构建依据冲压成形实验的特点，完成了冲压成形虚拟仿真实验系统的总体设计，设计了实验系统的开发流程，将UG三维几何建模和模型简化技术相结合，实现了三维模型的优化。运用3ds Max的贴图方法实现纹理映射，利用光照处理表现模型表面细节，构建了逼真的虚拟实验场景和虚拟设备。为达到良好的实验教学目的，系统设计了演示模式、操作模式和认知模式三种侧重点各不相同的功能模式，并结合Unity3D中动画技术、碰撞检测技术，在脚本的控制下，实现了虚拟设备运动、虚拟实验交互操作以及第一人称视角的实验场景漫游。
　　在构建冲压成形虚拟仿真实验系统过程中，研究开发了冲压成形虚拟仿真实验系统涉及到的关键技术，包括系统混合建模关键技术、三维模型的简化与优化技术、光照与纹理映射、动画技术、碰撞检测技术、第一人称角色控制器等，成功搭建了冲压成形虚拟仿真实验教学系统，探索了实验的实现细节，如交互模块的实现、系统界面设计、系统发布、平台部署等技术细节，验证了虚拟仿真实验教学系统的可行性，阐述了冲压成形虚拟仿真实验教学系统的优势。
　　冲压成形虚拟仿真实验系统提供生动逼真的实验环境，对辅助机械专业实验教学具有一定的实用价值，对改善实验教学效果，促进实验教学改革具有重要的意义。

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