工程圖學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)

張宏，王盼盼，曹杏

（太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

引言

由于《機械制圖》課程的特殊性，大量模型動畫構(gòu)成了《機械制圖》課件的主體。而以往課件中的動畫一般由開發(fā)者提供的，動畫一旦做成之后，就不能修改，學(xué)習(xí)者只能被動地從頭到尾看完，只能瀏覽式學(xué)習(xí)，缺乏交互性[1]。應(yīng)用三維建模軟件結(jié)合多媒體技術(shù)，建立制圖虛擬模型教學(xué)平臺，為培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、空間思維能力、動手能力、觀察能力、自主性學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程意識提供了極大的便利, 達到降低教學(xué)成本，減小教學(xué)難度，提高教學(xué)質(zhì)量的目的[2]。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程教育中的作用越來越受到關(guān)注，因為它能夠彌補教學(xué)條件的不足，為學(xué)生提供生動、逼真、自然、親切的學(xué)習(xí)環(huán)境[3]。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛 擬 現(xiàn) 實VR（ Virtual Reality） 技 術(shù) 是 以 沉 浸（ Immersion） 、 交 互 性（ Interaction） 、 想 象 性（Imagination）即三“I”特性為代表，集成綜合了計算機圖形學(xué)技術(shù)、人工智能、顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理與多媒體技術(shù)等最新研究成果的第三代模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高性能虛擬環(huán)境處理計算機、輸入設(shè)備、應(yīng)用處理軟件系統(tǒng)、演示設(shè)備等組成。利用該技術(shù)可以方便地創(chuàng)建各種虛擬的三維場景及三維實物模型，且可根據(jù)要求為其增加動畫、聲音等，使人在虛擬環(huán)境中漫游（walk through）達到“身臨其境”的效果[4]。

目前廣泛應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實VR（Virtual Reality）技術(shù)開發(fā)平臺主要有VRML技術(shù)、Quest3D技術(shù)、Cult3D技術(shù)、Virtools技術(shù)、Shout3D技術(shù)、Viewpoint技術(shù)、EON技術(shù)等，由于EON功能強大且含有專用機械類CAD模塊，支持主流機械三維建模軟件的文件輸出格式；節(jié)點庫內(nèi)容豐富，通過不同節(jié)點組合連接即可實現(xiàn)交互設(shè)計；支持Java Script與VB Script節(jié)點語言可方便進行二次開發(fā)[5]。則可利用EON技術(shù)結(jié)合工程制圖的特點及要求，開發(fā)一套滿足教學(xué)使用要求的工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)，從適用范圍與功能要求看該實驗系統(tǒng)具有以下特點：

1）實驗內(nèi)容豐富，開放性強。可根據(jù)課程要求建立涵蓋工程制圖教學(xué)內(nèi)容的大部分實驗，系統(tǒng)內(nèi)部模型可適時擴展、修改、刪減，滿足新的教學(xué)需要。

2）操作簡便，交互性較強。虛擬實驗系統(tǒng)內(nèi)的三維模型造型逼真，立體感強，學(xué)生可實時控制實驗?zāi)Ｐ蛯ζ浞糯?、縮小、旋轉(zhuǎn)、剖切、拆分等操作，可動態(tài)觀察實驗過程提高實驗效果。

3）具有實驗指導(dǎo)功能，不受時間及地域限制，系統(tǒng)對學(xué)生開放隨時訪問。使學(xué)生不受時間和地點的限制，主動地根據(jù)自己的要求選擇實驗?zāi)K增強了學(xué)習(xí)興趣。

2 工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)的組成內(nèi)容與功能應(yīng)包含該教學(xué)環(huán)節(jié)的主要部分，在實驗設(shè)計中使系統(tǒng)內(nèi)模型具備參數(shù)調(diào)控功能，不僅可做基本的認(rèn)知實驗還可做一些組合體設(shè)計與整機拆裝實驗，由教學(xué)與實驗的要求、內(nèi)容、目的等可知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)層次框架模型，如下頁圖1所示。

圖1 工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 模型數(shù)據(jù)庫的建立

EON支 持 大 多 數(shù)3D文 件 格 式 如*.sat、*.par、*.dxf、*.iges、*.igs、*.wrl等，對于實驗系統(tǒng)中需要涉及的二維及三維圖形可通過專業(yè)的機械造型軟件建立模型數(shù)據(jù)庫[4]，但由于格式問題直接導(dǎo)入EON后模型坐標(biāo)變化，致使導(dǎo)入后的模型位置調(diào)節(jié)繁瑣且進行旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜運動變換時會出現(xiàn)錯誤動作。同時工程CAD軟件無材質(zhì)圖形文件，無法將其模型表面材質(zhì)在EON內(nèi)加載，需在EON內(nèi)另外附加操作復(fù)雜。由于EON對3DSMAX提供了專業(yè)的導(dǎo)出插件，為避免上述模型直接導(dǎo)入時出現(xiàn)的問題，可將模型導(dǎo)入3DSMAX中進行材質(zhì)設(shè)置與渲染、運動軌跡設(shè)置，最后將模型場景文件輸出為*.eop和*.eoz格式導(dǎo)入EON進行交互制作，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫的建立流程

2.3 虛擬場景與操作演示

2.3.1 虛擬場景的實現(xiàn)

模型庫組建完成后，建立虛擬場景時為減小文件大小，其具有交互功能的界面提示按鈕使用2D圖片格式并添加2DImage節(jié)點制作；同時實驗系統(tǒng)涉及的文本提示，根據(jù)要求不同采用添加TextBox與ToolTip節(jié)點實現(xiàn)，在執(zhí)行程序中使用的彈出菜單可利用圖片節(jié)點結(jié)合鼠標(biāo)響應(yīng)制作或直接采用PoupMenu節(jié)點制作?？赏ㄟ^采用鼠標(biāo)點擊2D圖片按鈕或延長其在模型上的停留時間來顯示文本幫助信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能交互功能。

2.3.2 虛擬操作演示

工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)涉及的實驗內(nèi)容需考慮模型參數(shù)控制、模型位置變換等操作，如模型縮放變換矩陣采用如下式(1)所示[6]。

式中：（XA、 YA、 ZA） 為變換前坐標(biāo)，（XB、 YB、 ZB）為變換后坐標(biāo)，設(shè)置變量S（0＜S＜1）將其與滑動桿節(jié)點相聯(lián)，同時為該節(jié)點添加模型的起始值、終止值、顯示位置等，再加入腳本節(jié)點并在其內(nèi)部建立滑動桿輸入、輸出函數(shù)，通過編程語言計算模型沿軸向的縮放比例并將結(jié)果由輸出函數(shù)輸出，即可通過滑動桿調(diào)節(jié)控制模型的縮放比例。

部件拆裝實驗是對工程制圖課程的基本知識內(nèi)容的實際應(yīng)用，通過實驗可使學(xué)生初步了解所涉及的部件的工作原理。則可通過設(shè)置鍵盤響應(yīng)來建立部件自動拆裝實驗幫助學(xué)生建立整機模型的概念，使其對所學(xué)的知識系統(tǒng)化不再將知識點孤立看待，通過設(shè)置鼠標(biāo)響應(yīng)建立手動虛擬部件拆裝實驗來加深學(xué)生對其工作原理的理解。圖3為其手動虛擬部件拆裝流程。

圖3 手動拆裝流程圖

3 結(jié)語

本系統(tǒng)利用機械三維設(shè)計軟件與3DSMAX，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實EON技術(shù)開發(fā)平臺，設(shè)計了一套工程制圖虛擬實驗系統(tǒng)。針對系統(tǒng)包含的認(rèn)識立體、投影理論、立體的截交與相貫、組合體設(shè)計、虛擬部件拆裝五大模塊，分別選取典型模型建立交互式操作實驗界面，克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，方便學(xué)生自主選擇訓(xùn)練模型，取得了良好的效果，極大地促進了工程制圖教學(xué)的發(fā)展。

[1] 張維中.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程制圖軟件中的應(yīng)用[J].計算機工程與應(yīng)用,2002(13):133-135.

[2] 唐永芬,王斌.基于Web的《工程制圖》虛擬教學(xué)平臺的實現(xiàn)[J].西昌學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,26(4):40-42.

[3] 瞿暢,王君澤,曹紅蓓.Web3D技術(shù)及其在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報,2006(2):150-154.

[4] 姜學(xué)智,李忠華.國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2004,23(2):238-240.

[5] 王 嵐,劉 怡,梁 忠 先.虛 擬 現(xiàn) 實EON Studio應(yīng) 用 教 程[M].天津:南開大學(xué)出版社,2007:1-25.

[6] 王振武.計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:79-180.