虛擬現(xiàn)實建模在構(gòu)建機電虛擬實驗室中的應用

摘 要：機電類課程實踐性很強，遠程教學模式中如何順利完成實踐環(huán)節(jié)是工科教學面臨的難題。本文提出構(gòu)建基于C/S模式下虛擬機電實驗的解決方案，通過實例討論了利用VRML語言制作三維交互式實驗的具體實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室 遠程教育 虛擬建模 VRML

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）09（b）-0154-02

當今社會網(wǎng)絡的充分發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的教學模式，因?qū)W習能夠不受時空限制，遠程教育已成為廣受歡迎的新型教學模式。工科專業(yè)如何適應遠程教育成了亟待解決的新課題。眾所周知，工科教學實踐性強，遠程教學中，開發(fā)網(wǎng)絡實驗室必不可少。網(wǎng)絡實驗室提供虛擬的實驗設備，讓學習者通過網(wǎng)絡瀏覽器，按照一定的實驗步驟，完成某種專業(yè)實驗，從而達到專業(yè)訓練的目的。本文將研究如何利用虛擬現(xiàn)實建模語言在進行建模，構(gòu)建遠程網(wǎng)絡實驗室。

1 機電虛擬實驗室的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是目前網(wǎng)絡上三維網(wǎng)站制作的主流語言，它的突出優(yōu)點是交互式、具有平臺無關(guān)性等特點，可以幫助人們建立模擬真實世界的場景模型或虛擬三維環(huán)境場景建。

機電虛擬實驗室是基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為機電專業(yè)相關(guān)課程的遠程教學構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡虛擬實驗教學系統(tǒng)，將部分教學實驗室的數(shù)字化和虛擬化，包括實驗室環(huán)境、實驗設備儀器、實驗對象、實驗信息資源等。例如，《電工學》課程實驗當中，學習者通過選取虛擬元器件搭建電路，檢測電路輸出，使其對電路的設計、元器件的功用等有更深認識；《機械制造技術(shù)》課程實驗可以選取相關(guān)機構(gòu)虛擬部件，進行機械總體的搭建，從而讓學習者掌握機床的相關(guān)構(gòu)成。通過虛擬的實驗室進行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設備進行仿真實訓，避免真實實驗操作帶來的各種危險。

VRML的訪問方式基于C/S模式，它用文本信息描述三維場景，在網(wǎng)絡上傳輸。服務器提供VRML文件，客戶通過網(wǎng)絡下載希望訪問的文件，通過本地平臺的瀏覽器（Viewer）對該文件描述的VR世界進行訪問，并根據(jù)VRML規(guī)范在本地機上解釋生成三維場景。文本描述的信息在網(wǎng)絡上的傳輸比圖形文件迅速，同時把復雜的處理任務交給本地機從而減輕了網(wǎng)路的負荷。正是這種優(yōu)勢，才使VRML在網(wǎng)絡應用中有很快的發(fā)展。

2 VRML虛擬設備開發(fā)實例

《數(shù)控機床概論》課程是機電專業(yè)的一門傳統(tǒng)課程，因設備大而且貴，傳統(tǒng)知識展示只有文字、圖紙和圖片，因機構(gòu)相對復雜，學習者往往覺得晦澀難懂。為了更形象和直觀闡述這部分知識點，現(xiàn)使用VRML來實現(xiàn)虛擬機床部件結(jié)構(gòu)和裝配的輔助實驗教學。開發(fā)機床各個部件的基本步驟如下：

（1）基本造型。制作一系列空間形體的三維造型和動畫，并且為這些造型指定所需要的顏色、大小等特性參數(shù)；利用VRML的造型設計和VRML Script的動畫鏈接虛擬出組裝機床所需的主要硬件，將VRML文件嵌入到網(wǎng)頁。

（2）建立虛擬運動空間，引入VRML的相關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)基于三維的實驗室模擬功能。通過VRML的動畫節(jié)點控制和VRML Script的結(jié)合。制作出安裝、注釋和視點切換的效果。

（3）VRML場景優(yōu)化，在構(gòu)建場景的過程中，利用VRML提供的高級造型技術(shù)適當優(yōu)化。

在網(wǎng)絡學習中，學習者通過瀏覽器，可將隨意旋轉(zhuǎn)的三維的虛擬硬件模型，與教材中的二維圖片信息進行對比和參照學習，加深對知識的理解和掌握。在學習的過程中，只要按相應的步驟點擊相應的按鈕，拖動鼠標或按鈕可以隨意地移動機床組件到指定的位置進行安裝。學習者根據(jù)裝配指示，按照安裝步驟完成機床床身、導軌、工作臺、刀具等部件的組裝。通過VRML Script語言的鏈接。制作出生動有趣的動畫效果和逼真的聲音效果。例如，搖動手輪，工作臺托架就會滑動，甚至還可設計馬達轉(zhuǎn)動時的聲音，使學習者能動態(tài)地觀看到效果。有一種身臨其境的感覺來完成學習的過程。

2.1 基本造型

基本造型是通過VRML文件來對三維部件進行描述的。VRML文件一般有四個主要成份：VRML文件頭、原型、造型和腳本、路由。并不是所有的文件都包括這些要素，唯一必須的是VRML文件頭。VRML文件包含描述機床組成部件的空間造型及屬性節(jié)點。單個節(jié)點描述造型、顏色、光照、視點、以及造型、動畫定時器、傳感器、內(nèi)插器等的定位和朝向等。

以下為一個機床工作臺建構(gòu)架構(gòu)：

Group { # 定義工作臺

children [它描述一個幾何形狀及其顏色等特征

Shape { #定義幾何體方盒節(jié)點

geometry Box { ... } # 長方體

} # Shape定義結(jié)束

] # children定義結(jié)束

} #Group定義結(jié)束

機床工作臺相當于一個大組件Group，在此組節(jié)點范圍之內(nèi)定義工作臺的所有幾何等形體要素，具體的小零部件，用子域來進一步定義，這樣就可以把虛擬場景組織成條理清晰的樹形分支結(jié)構(gòu)。

2.2 機構(gòu)部件的動畫效果

為了使虛擬空間具有動感，需要設計相關(guān)部件的運動。VRML中的動畫產(chǎn)生是由于變動了任何一個坐標系的位置、方向和形體比例，從而使物體按你所想的方式飛行、平移、旋轉(zhuǎn)或按比例縮放?？梢酝ㄟ^在構(gòu)造指令中定義相關(guān)綁定指令，通過綁定多個節(jié)點，創(chuàng)建多個路由，從而使虛擬實驗室空間具有更為逼真的動感。

下面用機床上手輪的旋轉(zhuǎn)運動作為實例進行說明。當手輪受到碰觸后，就會連續(xù)轉(zhuǎn)動，我們先建立一個時間檢測器節(jié)點，來實現(xiàn)啟動和定制轉(zhuǎn)動的動畫，而隨時間變化的旋轉(zhuǎn)動作可用腳本節(jié)點或方向插補器節(jié)點實現(xiàn)。

由程序可知，手輪包含兩個子節(jié)點，前者定義它的形態(tài)為一個環(huán)形，后者把它定義成接觸檢測器。旋轉(zhuǎn)值指定的初始值是“1 1 1 0”，分別定義旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)角的初始狀態(tài)。

為了使手輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要使用時間檢測器來等間隔連續(xù)發(fā)送的時間序列，并以此觸發(fā)驅(qū)動手輪旋轉(zhuǎn)事件。

DEF ticker TimeSensor {

cleInterval 0.1

loop TRUE

enabled FALSE

}

這個時間檢測器用于啟用和停用時間檢測器，這一狀態(tài)可以被修改。由程序可知，啟用的時間檢測器每隔0.1秒送出一個事件，以此觸發(fā)轉(zhuǎn)動事件，即每0.1秒調(diào)用一次驅(qū)動函數(shù)，從而驅(qū)動手輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)是遠程教學模式中的難點，三維虛擬實驗具有先進性和共享性，能在一定程度上滿足教學的需求。本文利用VRML語言研究開發(fā)虛擬機電實驗室，通過具體案例，對虛擬設備建模過程進行了剖析，為遠程教育模式下工科課程的部分實踐環(huán)節(jié)提供了有效的解決途徑。

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