论文总字数：15543字

目 录

摘要 II

Abstract III

1 绪论 1

1.1研究的目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

2 理论基础 2

2.1 软件开发平台 2

2.1.1 3D Studio Max简介 2

2.1.2 Unity 3D简介 3

2.2 七大晶系简介 4

2.3 本章小结 6

3 软件设计 7

3.1 软件功能设计 7

3.2 3D交互模型设计 7

3.3 分析计算模型设计 7

3.4 本章小结 8

4 软件功能实现 9

4.1 3D模型构建 9

4.2 Unity 3D模型导入 10

4.3 用户界面操作 10

4.4 分析计算 13

4.5 生成可执行文件 15

4.6 本章小结 16

5 软件测试 17

5.1 测试的目的与原则 17

5.2 UI测试 18

5.3 功能测试 18

5.4 本章小结 20

6 总结与展望 21

参考文献 21

致谢 22

晶体结构分析计算软件设计

姚梓怡

, China

Abstract: Due to the abstraction and complexity of the crystal structure, it is difficult to study the crystal structure. Although physical models can be used to help the learners understand it, but the physical models can only provide limited information. Further analysis and calculation of the crystal is far from enough. The visualization of the crystal structure by using the computer makes the abstract concept more concrete and more helpful to the study and understanding of the crystal structure, so as to make a deep analysis and calculation of the crystal structure. This design introduces crystal structure analysis and calculation software, including the seven crystal system of three-dimensional model display and unit cell volume calculation. The software is divided into two modules: the interaction and analysis of the 3D model. 3D model interaction module uses 3Ds Max to establish the crystal models. And then displaying models through the visualization software Unity 3D. Let the users be able to use the mouse to rotate the crystal to better understand the crystal structure. Analysis calculation module allows users to enter the relevant data to calculate the unit cell volume calculation. Through this design, the users can enhance the understanding of the relevant concepts of the crystal structure.

Key words: Crystal System; Crystal Structure; Unity 3D; 3Ds Max; Visualization

1 绪论

1.1研究的目的和意义

本设计研究的是一款基于Unity 3D的晶体结构分析计算软件，使晶体结构可视化，通过三维动画的方式展示晶体结构的模型，并能进行晶胞的体积计算。

设计的目的是通过软件，能够了解和学习七大晶系及其结构模型的相关知识；能够用鼠标旋转展示晶体结构的三维模型，并且能通过输入相关数值进行晶体晶胞体积的计算。

设计的意义在于，固体物理是电子科学与技术专业的一门重要的基础理论课程，它研究的是固体微观的原子、电子结构与宏观物理性质之间的相互关系及其变化规律[1]。但固体物理尤其是晶体结构方面，无论是国内还是国外，研究时都存在很多的困难。如果只利用实物模型来进行研究，相关的概念还是无法让人理解，这样就无法将复杂抽象的晶体结构研究透彻。而采用计算机使晶体结构的三维模型可视化，进行三维模型动画模拟，就能使一些抽象的概念更加清晰易懂，从而可以再进一步对晶体结构进行分析与计算。

1.2国内外研究现状

随着科学技术在飞速发展，当代社会已经进入信息化时代。计算机在各个行业领域都起着至关重要的作用。在学习方面，计算机的可视化功能为学习者提供了一个良好的学习方法。例如：在学习抽象而复杂的晶体结构时，只看书本知识或利用物理模型辅助学习仍是不够的。而计算机可视化就能使晶体结构的学习变得方便易懂。雷家珩等人[2]曾研究过一款有关晶体结构的软件，有助于晶体结构的学习。但他们先后花了4 年的时间来完善软件，期间不断地对软件进行修改，使得软件趋于人性化。

而在国外,目前有牛津大学设计的Crystal Maker（晶体结构建模分析软件），通过该软件可以建立、显示和操作各种晶体的分子结构，用鼠标可实时操作晶体结构。还有伯克利大学研究的晶体结构的可视化工具Crystal Vis[3]是专门针对晶体结构学习用的软件,可以缩放和旋转晶体。这两款软件在建模方面都很强大，能根据需求构建各种精美的晶体模型，但在分析计算方面不是十分突出。

因此，设计将进一步研究关于晶体结构分析计算的软件。如：界面更加人性化、操作更加简单化等，使得软件充分发挥计算机三维动画运在晶体结构学习中的优越性[2]。本软件设计将采用将晶体模型可视化，再结合文字与公式进行分析计算的方式，更加有助于晶体结构理论的学习。

2 理论基础

2.1 软件开发平台

2.1.1 3D Studio Max简介

3D Studio Max，简称为3Ds Max，是Discreet公司开发研究的优秀的计算机三维动画、模型和渲染软件[4]。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件。3Ds Max被广泛应用于影视、室内装修设计、游戏、辅助教学等领域。

3Ds Max有很多特点，如：基于PC系统的低配置要求 ；安装插件plugins可提供3D Studio Max所没有的功能（比如说3DS Max 6可提供毛发功能）以及增强原本有的功能；强大的Character（角色)动画制作能力；模型有相当大的弹性，可将模型迭加起来进行建模设计。

3Ds Max的优势也很多，其中上手容易和性价比高是最为突出的优点[4]。

首先，是初学者最关心的问题：3Ds Max 是否比较容易上手？答案是肯定的！3Ds Max各个操作界面划分清晰，使用起来特别顺手。不要看到它有一大堆的命令就打退堂鼓。其实不然，只要你的思路清晰操作是非常容易的，且版本越高，操作越优化，更有利于初学者学习。这一优势在这次设计中也能体现出来，学一些3Ds Max的基础入门知识，就能进行构建本设计所需的晶体三维模型。

其次，3Ds Max有非常好的性能价格比，它本身低廉的价格，却拥有远超过它自身价格的、强大的功能，可谓是“价廉物美”！这样一来就可以大大降低作品的制作成本了。另外，3Ds Max对硬件系统的要求也比较低，普通的配置就能满足需求了，这也方便使用者的使用。

3Ds Max有很多功能，例如：本地编辑Containers、材质编辑器Slate、CAT 集成、硬件渲染器Quicksilver等等，这些强大而方便的功能在制作复杂模型时就能十分突出。而设计中只需构建相对简单的晶体三维模型，所以在设计建模时不需要全部用到这些功能。

当然，还有很多其他优秀的三维动画软件，例如：MAYA Softimage 3D等。

与3Ds Max 相比， MAYA软件应用主要是动画片制作、电影制作、电视栏目包装等。在国内使用3Ds Max较多，MAYA的使用者相对较少。虽然，MAYA制作出来的模型很精美，但它不和3Ds Max那样有很多的插件，所以，学习起来并没有那么容易。而且，MAYA更适合团队工作使用。

Softimage 3D在早期被动画设计师用来进行动画设计，它几乎包含了所有动画的设计。但是Softimage 3D操作起来有一定的难度。因为，它有很多命令是可以混用的，所以，在学习如何使用软件时就比较麻烦。

图2-1 3Ds Max界面图

2.1.2 Unity 3D简介

Unity 3D是由丹麦Unity Technologies开发的一个可以让设计者轻松创立三维视频游戏、实时三维动画、建筑可视化等互动内容的多平台的综合型开发软件，是一个全面的、专业的游戏引擎[5]。开发者在设计之初就把Unity 3D设计成为一款易于使用的、可跨平台的游戏开发工具。支持在Windows、Mac、IOS和Android等多平台发布。支持JS、C#、Boo等脚本语言。软件的安全性和稳定性给开发者提供了有效的保障。
Unity 3D有很多优势，如：基于Mono的开发脚本、自动资源导入。

Unity 3D使用插件Mono Develop引入了脚本调试，Windows系统和Mac系统均可使用。可以中断游戏，单独执行每行代码，进行断点设置和检查变量。这使编写跨平台代码更加方便，且减少了安全隐患。Mono使脚本编程有Debug功能，使其更适合用来做编辑器。这一特点在此次设计中也有很好的体现。

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