评价了Unity3D在虚拟仿真系统开发中的应用前景。
【关键词】Unity3D；虚拟仿真；基础医学实验
【Abstract】This paper analyzes the status of basic medical experiment teaching.It describes the characteristics of the current virtual simulation system based medicine and Unity3D.On the basis of analysis of medical experiment teaching，suitable for Unity3D virtual simulation system development scope，the development process and key technologies.This paper evaluated the Unity3D application in a virtual system development.
【Key words】Unity 3D；Virtual；Basic Medical Experiment
1 基础医学实验教学现状
基础医学实验教学是医学教育能力培养体系的重要组成部分，也是整个教学过程中理论联系实际，培养学生动手能力、观察、解决问题能力以及创新能力的重要环节[1]。基础医学实验教学除带教教师外，还涉及实验动物、实验试剂、实验器械、实验仪器、实验场所等等，受制于上述因素，使得基础医学的开放实验难以方便开展；为及时更新实验项目、推动实验教学改革，实验课时在一定程度得到了压缩，部分复杂或经典型难以纳入常规实验教学，不足以满足高需求的学习，随着现代信息技术的发展，虚拟仿真实验的出现极大的缓解了实验教学的困扰，成为基础医学实验教学的重要辅助手段之一。
虚拟仿真实验是在计算机的环境下，虚拟实验界面，模拟实验流程。虚拟实验摆脱了实验动物、实验试剂、器械仪器、实验场所等限制，使得开放实验变得便捷、有趣、高效，同时以无消耗的反复训练，迎合了现代学生学习模式的计算机化、网络化的学习特点，抓住学生学习兴趣的，节约了人力、物力。目前全国医学院校中，已经建成基础医学虚拟系统的大致包含机能学虚拟实验系统、分子生物学虚拟实验系统、形态学数码仿真系统、解剖学自主学习平台等，它们主要以图文、flash动画等媒体加流程控制形式实现，仿真度不高、没有三维空间感、沉浸感。Unity 3D 作为跨平台游戏开发引擎，应用于虚拟仿真实验的开发，为虚拟仿真系统带来了三维空间感觉，进一步提高虚拟实验系统的仿真度。
2 Unity3D引擎
Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等有互动内容的多平台综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎，是利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件[2-4]。Unity3D很好地支持了3ds Max，当模型导入Unity3D后，3ds Max中的标准材质会自动转变为unity默认的材质球。Unity3D拥有可视直观的游戏编辑环境，支持脚本语言包括 JavaScript、C#、Boo，Unit降低了开发的难度，提高开发效率，其编辑器可以在Windows 和Mac OS X系统下运行，程序可以发布至Windows、Mac、iPhone、Android等平台，亦可通过Unity web player插件，发布成网页游戏模式，支持Mac和Windows的网页浏览，是目前最受热捧的游戏开发引擎之一，近来被广泛应用于虚拟仿真系统的开发中。
3 Unity3D在基础医学虚拟仿真实验中应用
3.1 Unity3D应用范围
Unity3D作为游戏开发引擎，擅长于对三维场景、三维模型、角色进行控制，可在三维空间轻松完成交互，并可与图文、动画、音视频进行配合，实现较强的三维体验感，极大激发学生的学习兴趣，因基础医学实验教学内容丰富，实验模式多样，涵盖的面较宽，在Unity3D应用于基础医学虚拟仿真实验系统开发时，我们会发现有些工作Unity3D引擎并不擅长，结合Unity3D的特性，就基础医学实验教学包含的机能学、形态学、解剖学三个主要方向，进行分析如下：
机能学包含生理学、药理学、病理生理学、生物化学与分子生物学等学科的实验教学内容。实验大致可分解动物手术过程，药物、刺激因素对血压、呼吸、泌尿、张力等影响关系，分子层面实验流程进展。Unity3D在进行机能学虚拟实验开发时可以构建三维实验场景，可以上学生在实验室进行自主漫游，了解实验室功能分区；可以通过三维交互操作，虚拟动物手术过程；可以三维环境下，虚拟使用相关仪器、器械，可以虚拟分子实验反应结果；药物、刺激因素对血压、呼吸、泌尿、张力等影响关系可以通过其他方式展现。
形态学包含组织学、胚胎学、病理学、病原生物学、微生物学、细胞生物学、免疫学、遗传学等学科的实验教学内容。实验大致可可分解为切片与标本学习、流程性实验与操作技术学习、显微镜与相关仪器操作等。切片学习主要是对显微镜下切片的结构识别，实践教学中，通常通过数字切片图片库进行学习，不适合采用Unity3D进行展现，对于大体标本的学习可以通过三维模型，进行任意角度的观察学习，其他部分也适合采用Unity3D进行虚拟仿真系统构建。
解剖学实验教学主要是人体解剖结构的识别，运用Unity3D构建3D人体，可以按照系统解剖分类，进行解剖结构学习，同时可以拓展断层扫描的学习。
3.2 Unity3D开发流程
运用Unity3D进行虚拟仿真系统开发，需遵从软件工程的思想进行开发流程设计，从项目需求分析入手，设计系统各模块实现的功能[5]。项目的开发流程的第一步根据需求分析，确立各模块流程脚本文档，用于指导模块开发；第二步根据项目具体需求场景模型采样、贴图等素材准备；第三步通过3ds Max相关场景、模型及其贴图、过程动画的完成；第四步创建Unity3工程，导入3ds Max相关模型，调节灯光与材质；第五步根据流程脚本及功能需求进行模型交互程序实现；第六步进行工程发布（图1）。
3.3 关键技术
3.3.1 场景建模技术
Unity3D常用建模方式有两种，一种为通过自身的建模工具完成，另一种是导入3ds Max等第三方模型，Unity3S导入模型格式必须为.fbx。在实际开发中运用最多的方式是通过3ds Max建模导入到Unity3D工程中，在3ds Max中进行场景建模前，首先需修改3ds Max单位与Unity的比例保持一致，3ds Max系统单位为cm，Unity系统单位为m，需要统一模型比较。模型导出时，需要注意模型的轴向应该与3ds Max的世界坐标一致，此时调整模型轴向，把轴在X轴方向旋转90度，导出模型时注意勾选Embed Media （图2），这样导出的模型将会在unity中才能自动生成贴图。
3.3.2 碰撞交互
三维空间的流程性实验中，模型之间能够发生交互，源于模型间的碰撞检测机制[6]。在Unity 3D中检测碰撞发生的方式有两种：一种是碰撞器，另一种是触发器。碰撞器是物体之间相互碰撞，会产生碰撞的效果，触发器只是检测两个物体有没有接触，没有碰撞效果产生，在虚拟场景中漫游时，如果我们允许漫游者穿透一堵墙，我们可以选择触发器，如果我们希望人被墙阻挡了，我们需要选择碰撞器，两种方式的应用都非常广泛，根据不同功能需求是采用不同的方式。
碰撞器为一组件，它包含了很多种类，如：Box Collider，Capsule Collider等，这些碰撞器应用的场合不同，但都必须加到物体上，碰撞信息检测如下：
A）进入碰撞器：MonoBehaviour.OnCollisionEnter（Collision collisionInfo）
B）退出碰撞器：MonoBehaviour.OnCollisionExit（Collision collisionInfo）
C）停留碰撞器：MonoBehaviour.OnCollisionStay（Collision collisionInfo）
触发器，只需要在检视面板中的碰撞器组件中勾选IsTrigger属性选择框即可，触发信息检测：
A）进入触发器：MonoBehaviour.OnTriggerEnter（Collider other）
B）退出触发器：MonoBehaviour.OnTriggerExit（Collider other）
C）停留触发器：MonoBehaviour.OnTriggerStay（Collider other）
4 结语
国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作顺应了高等教育的发展趋势，是高等学校实验教学信息化的最新举措，必将对我国高等教育质量的提高产生积极重要的作用[7]。Unity3D作为一款三维游戏开发引擎，因其使用便捷、开发高效，采用Unity3D开发的虚拟仿真系统，仿真度高，沉浸感强，进步提升了学生的学习兴趣，促进了实验教学改革。据教育部网站公示，近两年建成的国家级虚拟仿真实验教学中心里，Unity3D被广泛的应用于虚拟仿真系统的开发，受到了一致好评。
【参考文献】
[1]侯燕芝，王军，董小黎，郝刚，张利平，童学红，尚宏伟.实验教学过程规范化管理的研究与实践[J].实验室研究与探索，2012，10：112-114.
[2]方沁.基于Unity和3dmax的虚拟实验室三维建模设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2015.
[3]Menard M，Shi X M，Li Q.Game Development With Unity[M].Beijing：China Machine Press，2012.
[4]于潇翔，彭月橙，黄心渊，等.基于 Unity 3D 的道具系统研究与开发[J].成都理工大学学报（自然科学版），2014，41（4）：523-528.
[5]朱惠娟.基于Unity3D的虚拟漫游系统[J].计算机系统应用，2012，10：36-39+65.
[6]周见光，石刚，马小虎，等.增强现实系统中的虚拟交互方法[J].计算机工程，2012，38（1）：251-252，255.
[7]李平，毛昌杰，徐进，等.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.
[责任编辑：汤静]
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