“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與研究

成海濤，武國祥

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330013）

1 引 言

《機(jī)械制圖》課程是機(jī)械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要是通過觀察模型繪制三視圖，對零部件進(jìn)行測繪等，這就需要投入大量的財(cái)力、物力、人力，采購各類實(shí)物模型、零部件等建設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場所．由于教學(xué)內(nèi)容變化較大，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芊N類和數(shù)量的限制，故難以完全滿足實(shí)際教學(xué)的需要．隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，為使教學(xué)內(nèi)容持續(xù)更新、教學(xué)模式不斷變化、教學(xué)評價(jià)日趨多元化，可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境之中，使其成為新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的有機(jī)組成，充分體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中人與人、人與教學(xué)內(nèi)容、人與系統(tǒng)的互動(dòng)性，使學(xué)習(xí)者在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中處于主體地位．它具有直觀性、可擴(kuò)展性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，將成為機(jī)械制圖課程教學(xué)改革的重要方向．

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為以下四個(gè)部分：內(nèi)容信息框架的設(shè)計(jì)、模型的構(gòu)建、交互效果的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)布．具體的開發(fā)流程如圖1所示．其內(nèi)容框架的設(shè)計(jì)采用自上而下的構(gòu)建方法，從最基礎(chǔ)的內(nèi)容與功能開始分類，由淺入深地設(shè)計(jì)了五個(gè)知識點(diǎn)：認(rèn)識基本立體、立體相貫、組合體分析、零件分類、裝配體部件拆裝，各知識點(diǎn)以單獨(dú)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的形式構(gòu)建整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架層次．

機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用CAD建模技術(shù)與Virtools技術(shù)相結(jié)合的構(gòu)建方法．Virtools是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，它為各類使用者提供了從產(chǎn)品的初期設(shè)計(jì)、虛擬環(huán)境的仿真到3D互動(dòng)操作的完整體驗(yàn)，從而使實(shí)時(shí)3D技術(shù)的應(yīng)用變得更多元、更廣泛[1]．Virtools最大的特點(diǎn)就是采用模塊化的編程語言，每個(gè)BB模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，開發(fā)者只需掌握基本的編程知識，利用連線的方式將各個(gè)BB功能模塊連接起來，就能開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大大降低了開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的難度[2]．

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型的創(chuàng)建與導(dǎo)入

構(gòu)建機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先需要?jiǎng)?chuàng)建精確、逼真的三維模型．Virtools軟件不具備創(chuàng)建三維模型的功能，因此可以先利用CAD建模軟件創(chuàng)建好三維模型，然后再將模型導(dǎo)入3DS Max軟件中進(jìn)行材質(zhì)的修飾．要把3DS Max建好的模型導(dǎo)出在Virtools中使用，必須安裝Virtools Max Export插件，把在3DS Max中創(chuàng)建的模型轉(zhuǎn)化為Virtools的場景文件．在3DS Max中執(zhí)行文件菜單/導(dǎo)出選定對象選項(xiàng)，選擇導(dǎo)出文件類型為Virtools Export（*.NMO,*.CMO,*.VMO），指定好保存路徑，保存時(shí)應(yīng)注意一定要以英文命名，最后導(dǎo)入到Virtools環(huán)境中就可以進(jìn)行交互功能的設(shè)計(jì)[3]．

3.2 虛擬場景燈光的設(shè)置

在Virtools場景中導(dǎo)入三維模型后，由于場景中沒有光源，在3D Layout編輯視窗中三維模型呈現(xiàn)黑色，所以需要通過添加燈光以使三維模型材質(zhì)正常顯示．Virtools里燈光有三種類型：點(diǎn)光源、聚光燈和平行光，這里選擇點(diǎn)光源類型．燈光的建立主要是設(shè)置合理的空間位置和強(qiáng)度參數(shù)[4]，在燈光設(shè)置面板中設(shè)置點(diǎn)光源的空間位置坐標(biāo)，叉選“Specular（高光反射）”選項(xiàng)，設(shè)置點(diǎn)光源的光照范圍和光照強(qiáng)度，為了從不同角度觀察模型時(shí)都能體現(xiàn)三維模型的質(zhì)感，場景設(shè)置六盞燈光，分別照射場景不同位置，設(shè)置好光源后模型的光澤整體發(fā)生變化，模型材質(zhì)已能正常顯示了．

3.3 交互功能的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 三維模型的旋轉(zhuǎn)和視角的切換

在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)三維模型的旋轉(zhuǎn)、縮放和視角切換，就要在Virtools中創(chuàng)建一臺攝影機(jī)，用它作為觀察者的眼睛，通過改變攝影機(jī)的角度和坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)視角的改變[5]．

首先在場景中創(chuàng)建一個(gè)三維幀作為攝影機(jī)視點(diǎn)的參考對象，再創(chuàng)建一臺攝影機(jī)，為攝影機(jī)創(chuàng)建腳本，添加BB行為交互模塊：Mouse Waiter（等待鼠標(biāo)事件）、Parameter Selector（參數(shù)選擇器）和Mouse Camera Orbit（使用鼠標(biāo)移動(dòng)攝影機(jī)），來設(shè)置鼠標(biāo)右鍵的功能，實(shí)現(xiàn)三維模型的觀察視角跟隨鼠標(biāo)的移動(dòng)發(fā)生改變，從而控制三維模型的旋轉(zhuǎn)，腳本框圖如圖2所示．

創(chuàng)建攝影機(jī)切換腳本，添加BB行為交互模塊：Nop（空操作指令）、Swith On Message（切換信息）、Parameter Seleter（參數(shù)選擇器）和Set Position（設(shè)定位置），腳本框圖如圖3所示，結(jié)合視角切換交互腳本，通過單擊視角切換按鈕來實(shí)現(xiàn)三維模型的主視圖、俯視圖、左視圖、軸測圖四個(gè)場景的觀察角度變化．

為了使三維模型在切換主視圖、俯視圖、左視圖時(shí)不出現(xiàn)近大遠(yuǎn)小的投影角度，要將攝影機(jī)的投影類型選擇為Orthographic（正交投射），以無透視的方式顯示，這樣三維模型的縮放就不能由鼠標(biāo)滾輪來控制了．此時(shí)需要另外為三維模型的縮放創(chuàng)建腳本，需使用BB行為交互模塊：Switch On Key（切換按鍵）、Per Second（每秒）、Interpolator（內(nèi)插運(yùn)算）、Scale（縮放），腳本框圖如圖4所示．

圖2 鼠標(biāo)右鍵控制腳本框圖

圖3 攝影機(jī)切換腳本框圖

圖4 三維模型縮放腳本框圖

3.3.2 裝配體的拆裝

裝配體的拆裝實(shí)驗(yàn)包括裝配體的拆卸演示和手動(dòng)裝配．裝配體的拆卸演示主要是幫助學(xué)生了解裝配體中各零件之間的相對位置和裝配關(guān)系．手動(dòng)裝配是通過鼠標(biāo)控制各零件的移動(dòng)，按照拆卸的反順序完成裝配體的重組．

首先創(chuàng)建裝配體零件組，再創(chuàng)建裝配體陣列，用于存放裝配體各零件對象拆卸前的初始坐標(biāo)數(shù)值和拆卸后的分解坐標(biāo)數(shù)值[6]．在獲取了裝配體各零件對象初始坐標(biāo)和分解坐標(biāo)后，創(chuàng)建拆卸演示腳本，添加BB行為交互模塊：Iterator（陣列迭代器）、Bezier Progression（貝茲級數(shù)）、Interpolator（內(nèi)插運(yùn)算）、Set Position（設(shè)定位置）和Binary Switch（二進(jìn)制轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)各零件對象由初始位置漸進(jìn)移動(dòng)到分解位置的動(dòng)態(tài)過程，該過程是按照零件對象的排列順序逐步分解的[7]，腳本框圖如圖5所示．

3.4 系統(tǒng)的整合與發(fā)布

在完成虛擬建模、交互控制設(shè)計(jì)等一系列的工作流程后，接下來使用Virtools軟件中File菜單下的“Create Web Page”以超文本（.htm格式）輸出，通過網(wǎng)頁設(shè)計(jì)將機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各知識點(diǎn)以單獨(dú)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行整合，然后經(jīng)過前端美化后就可以發(fā)布到學(xué)習(xí)網(wǎng)站了．用戶只需要在瀏覽器上安裝Virtools Web Player播放插件，便可以通過訪問學(xué)習(xí)平臺的網(wǎng)址進(jìn)行非常方便的遠(yuǎn)程終端學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的模擬操作．

圖5 裝配體拆卸演示腳本框圖

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的機(jī)械制圖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有直觀性、可擴(kuò)展性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢．將它應(yīng)用于制圖課程教學(xué)中，一方面可針對所選教材，制作配套模型，也可根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象，及時(shí)擴(kuò)充模型，以滿足教學(xué)的需要，使教學(xué)內(nèi)容和方法更具有針對性；另一方面學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作反復(fù)學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容，由于虛擬模型能清晰、生動(dòng)、形象地展示在學(xué)生面前，學(xué)生可對虛擬模型進(jìn)行多視角觀察，將二維視圖與三維實(shí)體進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，極大地提高學(xué)生的空間想象和空間邏輯思維能力．學(xué)生對一些難點(diǎn)問題如截交線、相貫線、組合體視圖補(bǔ)漏圖線及補(bǔ)畫視圖等知識點(diǎn)的理解變得更加容易，在作業(yè)練習(xí)中的出錯(cuò)率也明顯降低．

5 結(jié) 論

針對日益變化的教學(xué)需求以及師生對教學(xué)體驗(yàn)的更高要求，高校開發(fā)或開展相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義．作為一種新型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在虛擬環(huán)境中真實(shí)的再現(xiàn)，它將成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的發(fā)展主方向和提高學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既方便了教學(xué)又降低了教學(xué)投入，是幫助我們提高遠(yuǎn)程教育質(zhì)量和解決教育資源短缺與分布不均衡等問題的重要途徑．

[1]徐英欣，楊建文，張安鵬．Virtools虛擬互動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)例解析[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：7．

[2]李永帥，陳清奎，宋開功，等．基于Virtools的虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建方法研究[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（3）：133-134．

[3]羅建勤，張明．交互式漫游動(dòng)畫[M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010：7．

[4]鄔宗鵬．Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中的應(yīng)用[J]．銅陵學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：109-110．

[5]舒堅(jiān)，楊勇，吳福虎．基于Virtools平臺的三維虛擬計(jì)算機(jī)硬件組裝[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2017（1）：156-159．

[6]徐英欣，王丹東，胥林．三維游戲設(shè)計(jì)師寶典[M]．北京：電腦報(bào)電子音像出版社，2009：8．

[7]范孝良，田珍．基于Virtools的鉆夾具虛擬裝配平臺的研究與開發(fā)[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（1）：86-91．