工程制圖虛擬模型庫研究與設計

王炳達 許 琪 姚文亮 陸 濤

（1.沈陽工程學院機械學院，遼寧 沈陽110136；2.沈陽工程學院教務處，遼寧 沈陽110136；3.沈陽工程學院現(xiàn)代教育中心，遼寧 沈陽110136；4.遼寧軌道交通職業(yè)學院管理工程系，遼寧 沈陽110023）

0 引言

工程制圖是工科類重要的專業(yè)基礎課，是工程界的語言。它具有較強的空間性和抽象性。在傳統(tǒng)教學過程中，教師為了提高學生的空間想象能力，常使用實物模型作為教具。但實物模型具有不易攜帶、易損耗、數(shù)量少、管理難、成本高等缺點，特別不利于學生的靈活使用。因此，根據(jù)工程制圖課程的特點積極探索新的教具模式勢在必行。

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實技術和網(wǎng)頁技術開發(fā)的工程制圖虛擬模型庫打破了時間和空間的限制，具有直觀性、可擴展性、靈活性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢。

1 總體設計

工程制圖虛擬模型庫的設計包括從建設到網(wǎng)絡發(fā)布的整個過程，重點是設計原則和整體架構(gòu)。

1.1 設計原則

（1）功能性：學生通過WEB訪問工程制圖虛擬模型庫。工程制圖虛擬模型庫具有三維模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、多視圖顯示、模型認知、人機交互、場景漫游、模擬裝配等功能。（2）依托教材：工程制圖虛擬模型庫中所有的教具模型均來自教材和習題集，順序與教材目錄統(tǒng)一，這樣有利于教學進度與模型庫對應。（3）可擴充性：根據(jù)教學要求，能夠?qū)δＰ蛶熘械慕虒W模型進行補充，滿足教學和學生自主學習的要求。（4）控制文件大?。簩W生通過 WEB訪問工程制圖虛擬模型庫，所以在設計過程中要考慮到網(wǎng)絡傳輸速度和服務器工作能力，盡量減小工程制圖虛擬模型庫程序包的大小，使學生的訪問過程流暢。

1.2 整體架構(gòu)

如圖1所示，工程制圖虛擬模型庫包括畫法幾何、立體與組合體、零件表達方法、標準件及常用件、零件庫、部件庫。畫法幾何庫為點、線、面的投影部分所使用的教學模型；立體與組合體庫為基本立體、切割體、相貫體、組合體畫法所使用的教學模型；零件表達方法庫中為視圖、剖視圖、斷面圖、簡化畫法和局部放大圖畫法、軸測剖、第三視角投影所使用的教學模型；標準件及常用件庫為螺紋、堅固件、鍵和銷、齒輪、軸承、彈簧等三維實體模型及視圖；零件圖庫中為零件圖視圖模型；部件庫中包括組成零件和裝配動畫2部分。

2 虛擬設計

虛擬設計包括實體造型、模型優(yōu)化、虛擬現(xiàn)實設計、二維動畫設計和網(wǎng)頁設計5個部分，具體流程如圖2所示。

圖1 工程制圖虛擬模型庫整體架構(gòu)

圖2 虛擬設計流程圖

2.1 實體模型構(gòu)建

實體模型構(gòu)建是將幾何造型方法與計算機圖形學相結(jié)合的先進技術。它通過計算機技術將幾何模型的形狀和屬性表達出來，生成具有真實感和可視化的三維圖形。

工程制圖虛擬模型庫中的所有實體模型均采用Pro/E進行構(gòu)建。通過對實物教具模型進行測繪，保證了虛擬模型庫中實體模型的數(shù)據(jù)準確性。在測繪過程中所有教具模型都按統(tǒng)一的計量單位進行數(shù)據(jù)記錄，避免了構(gòu)建的實體模型導入虛擬場景中出現(xiàn)尺寸和比例不一致的異?，F(xiàn)象。

2.2 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化在3DS MAX軟件中進行，主要包括面數(shù)精簡、材質(zhì)貼圖、優(yōu)化燈光、烘焙貼圖4部分。

在不影響視覺真實性的前提下，對實體模型進行面數(shù)精簡能夠減小文件大小，提高網(wǎng)絡傳輸速度。面數(shù)精簡的主要方法有減少“三角形”數(shù)量、用紋理代替多邊形造型、使用簡單分量紋理、使用平面圖像。

材質(zhì)貼圖方法主要有基本材質(zhì)法、位圖法和復合材質(zhì)法?；静馁|(zhì)由Ambient Color、Diffuse Color和Specular Color 3種參數(shù)構(gòu)成，能夠創(chuàng)造出大部分需要的材質(zhì)。這些材質(zhì)既簡單又能滿足渲染效果的需要。位圖法是二維貼圖法，在實體模型中有許多表面貼圖都要與真實模型一致，通過程序貼圖比較繁瑣且與真實模型吻合程度差。采用相機拍攝獲取位圖進行實體模型的二維貼圖是一種非常實用的方法。復合材質(zhì)就是將基本材質(zhì)、程序貼圖和位圖法進行綜合運用達到預期的效果。

放置燈光是3DS MAX中獲得光照效果的重要方法，但在虛擬設計中應盡量少用光源，采用顏色和材質(zhì)來實現(xiàn)光照的視覺效果，這樣能夠減少執(zhí)行時間和系統(tǒng)資源消耗。在光源布置方面宜精不宜多，明暗分布要有層次性。

烘焙貼圖優(yōu)化主要是在烘焙時Lighting Map和CompleteMap類型的選擇。Lighting Map類型只支持默認的材質(zhì)但耗顯存低，貼圖清晰但光感弱。CompleteMap類型支持大部分材質(zhì)但耗顯存高，貼圖模糊但光感強。在VRP虛擬平臺中，Lighting Map類型需要2張貼圖，CompleteMap類型需要1張貼圖。因此，在烘焙尺寸相同時Lighting Map要比CompleteMap消耗顯存量高。但經(jīng)過VRP虛擬平臺壓縮處理后，Lighting Map類型顯存消耗會變得很小。CompleteMap類型如果要和Lighting Map達到同樣的清晰程度，其代價就是消耗數(shù)倍的顯存量和烘焙時間，因此應盡可能地選用lighting Map貼圖。

2.3 虛擬現(xiàn)實設計

工程制圖虛擬現(xiàn)實模型庫的虛擬現(xiàn)實設計采用中視典VRP技術，主要是虛擬場景、界面交互、剖視圖動畫、基本視圖動畫的設計。

工程制圖虛擬模型庫場景的制作是通過“天空盒”環(huán)境特效來完成的。在場景中央位置制作一個半徑約為20 cm的球體模型來表示視點的位置。在材質(zhì)編輯器中選擇Stan dard材質(zhì)球，使用Diffuse功能，設置Reflect/Refract參數(shù)，場景就會渲染出6幅圖片。將得到的圖片導入VRP虛擬平臺，利用“天空盒”編輯器完成場景的制作。

界面交互設計采用VRP虛擬平臺中高級界面的設計方法，使用了單選框、流動條、菜單、窗口、滑桿和組合下拉框等控件。這些控件在人機交互功能上顯示了非常大的作用。在程序設計方面采用了VRP腳本編輯器，利用了窗口消息函數(shù)、鍵盤映射函數(shù)、鼠標映射函數(shù)、方向盤映射函數(shù)、VRPIE事件以及自定義函數(shù)。

剖視圖是假想用剖切面剖開零件，將處在觀察者和剖切面之間的部分移去，而將其余部分向投影面投射所得到的圖形。剖視圖動畫采用先按剖面分解結(jié)果進行教具模型的實體設計，再進行完整裝配。導入虛擬現(xiàn)實平臺后，進行動畫設計。通過Flash設計出二維剖視圖，并將其插入對應的剖視圖虛擬窗口。

基本視圖是以正六面體的6個面為基本投影面，把零件放置在空的正六面體內(nèi)，將零件分別向6個基本投影面投射所得到的視圖。在基本視圖動畫上充分使用了VRP的時間軸功能。教具模型放置在六面體內(nèi)時記錄為時間軸動畫的初始幀，在每個投影面上擺放出該教具模型的正確投影結(jié)果，并記錄為關鍵幀。

2.4 二維動畫設計

在工程制圖虛擬模型庫中，二維動畫主要應用于畫法幾何模型庫。在設計過程中主要應用了Flash的補間動畫和逐幀動畫。補間動畫是指只要做好關鍵幀和終點關鍵幀的圖像，F(xiàn)lash就會自動補上中間的動畫過程。逐幀動畫是在連續(xù)的關鍵幀中分解動畫的動作，也就是在時間軸的每幀上逐幀繪制不同的畫面，使其連續(xù)播放而形成動畫。在動畫的程序結(jié)構(gòu)設計過程中采用了順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。在動畫控制設計中采用了ActionScript的事件和事件處理函數(shù)，使用戶通過鼠標點擊或鍵盤操作直接完成用戶與計算機的交互。

2.5 網(wǎng)頁設計

通過網(wǎng)頁設計將工程制圖虛擬模型庫中的各個模塊進行整合和發(fā)布。開發(fā)軟件采用了集成網(wǎng)頁制作和網(wǎng)站管理功能的Dreamweaver軟件。在網(wǎng)頁設計過程中使用了框架、表格、表單、Flash、ActionScript等技術。

3 結(jié)語

工程制圖虛擬模型庫三維場景逼真、人機交互性強、訪問流暢、可擴展、易維護，有利于工程制圖教學的輔助和遠程教學的應用。其研發(fā)過程和所使用的技術對其他課程的虛擬設計具有重要的借鑒作用。