機(jī)械制圖課程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

原彬 于彥 孫昂

摘 要：介紹了近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制圖課程中的應(yīng)用情況。指出在機(jī)械制圖課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)用性和先進(jìn)性。介紹了虛擬教學(xué)的研究內(nèi)容，總結(jié)了虛擬教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。討論了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)中虛擬環(huán)境的建立，并給出了基于VRML軟件的實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)流程，指出了虛擬教學(xué)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制圖；虛擬環(huán)境；虛擬現(xiàn)實(shí)軟件；綜述

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）01-0073-03

Abstract： The paper analyzes the using of virtual reality technology in Mechanical Drawing course，which is very practical and useful to help students understand better. The paper also discusses the composition of a virtual environment， and the key technologies of virtual teaching. Based on the introduction of VRML-based realization and development procedure of virtual teaching system， this paper proposes the major technologies and realization method of virtual teaching system research.

Keywords： Mechanical Drawing； virtual environment； virtual reality software； summary

引言

虛擬教學(xué)是指以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工具，對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的仿真，生成能夠使學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)場景。虛擬教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)方法，是現(xiàn)實(shí)教學(xué)的一種延伸。虛擬教學(xué)極大解決了現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中來自時(shí)間和空間的限制，使學(xué)習(xí)過程更加靈活。雖然虛擬教學(xué)與實(shí)際的“面對(duì)面”的教學(xué)過程相比還有很大差距，但是它所具有的資源共享、方便高效的特點(diǎn)很大程度上拓展了教學(xué)的時(shí)空，解決了教學(xué)資源及教師緊張的問題。

虛擬教學(xué)所提供的教學(xué)場景是具有沉浸感、可交互性、并能啟發(fā)操作者的仿真環(huán)境。在機(jī)械制圖課程中引入虛擬教學(xué)，可以為學(xué)生提供更多的零件模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生對(duì)機(jī)械產(chǎn)品裝配過程有更深入的了解，從而可以提高學(xué)生的圖形理解力，增強(qiáng)其空間想象能力，并激發(fā)工程創(chuàng)造力。因此，從1997年至今機(jī)械制圖的教學(xué)人員對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)表了很多這方面的論文。本文是在閱讀這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，第1節(jié)指出機(jī)械制圖虛擬教學(xué)的主要研究內(nèi)容及虛擬教學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展；第2節(jié)總結(jié)虛擬教學(xué)環(huán)境的研究進(jìn)展；第3節(jié)討論機(jī)械制圖課程中虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)；第4節(jié)對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬教學(xué)提出建議。

一、虛擬教學(xué)體系及主要研究內(nèi)容

機(jī)械制圖課程中的虛擬教學(xué)主要包括虛擬模型室[1-5]、虛擬拆裝和測繪[6-8]的研究，如圖1所示。

虛擬模型室的建立主要作用是進(jìn)行模型展示。通過大量的模型展示，開闊學(xué)生眼界，提高機(jī)械產(chǎn)品認(rèn)知能力。其次，對(duì)照投影反復(fù)觀看模型，可以幫助他們更好地理解“空間——平面、平面——空間”的對(duì)應(yīng)統(tǒng)一關(guān)系，完善其對(duì)三面投影的認(rèn)識(shí)，幫助建立空間想象能力。再者，可以加強(qiáng)構(gòu)型方法的學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[9]在體驗(yàn)式教學(xué)中，使用參數(shù)化建模的方法，通過修改基本幾何體尺寸讓學(xué)生更好地理解了相貫的概念，以及相貫線的變化趨勢。文獻(xiàn)[3-10]通過建立大量的三維虛擬模型，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仔細(xì)觀察、分析，使得難以想象的空間形體抽象概念易于接受。虛擬模型室的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行零件的造型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)、以及模型的管理。

虛擬拆裝和檢測技術(shù)主要應(yīng)用在零件圖和裝配圖學(xué)習(xí)過程中。文獻(xiàn)[5][6]對(duì)減速器的工作原理進(jìn)行了動(dòng)畫演示、說明，并提供了可以對(duì)減速器進(jìn)行虛擬拆裝的虛擬教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行減速器的拆裝，從而對(duì)減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，零部件之間的相互連接、轉(zhuǎn)動(dòng)的傳遞，正確的拆裝方法都有了非常深入的了解。文獻(xiàn)[7][8]研究開發(fā)了可以進(jìn)行虛擬測繪的場景。包括扳手、鉗等拆裝工具的使用，游標(biāo)卡尺、螺紋尺等測繪工具的使用，和測繪過程的學(xué)習(xí)。實(shí)現(xiàn)這樣的虛擬教學(xué)系統(tǒng)除了要進(jìn)行模型的處理，還涉及到虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，如碰撞、約束等內(nèi)容。

通過分析，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者給出一個(gè)虛擬教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。交互層包括可以進(jìn)行人機(jī)交互的硬件設(shè)備，并為虛擬教學(xué)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。功能層包括所實(shí)現(xiàn)的功能，而技術(shù)支持層和數(shù)據(jù)層為這些功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

下面本文將對(duì)系統(tǒng)的核心內(nèi)容虛擬教學(xué)環(huán)境研究、虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行重點(diǎn)說明。

二、虛擬教學(xué)環(huán)境的研究

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所使用的虛擬設(shè)備和產(chǎn)生的沉浸感的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為CAVE式虛擬系統(tǒng)、頭盔式虛擬系統(tǒng)和桌面式虛擬系統(tǒng)。在機(jī)械制圖課程的虛擬教學(xué)中，所采用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)均為桌面式系統(tǒng)，如圖3所示。這是因?yàn)闄C(jī)械制圖課程虛擬教學(xué)的主要目的是提高學(xué)生的圖形理解力，通過虛擬教學(xué)系統(tǒng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)零件測繪和機(jī)器部件裝配知識(shí)的了解。過多的虛擬硬件設(shè)備不僅增加了虛擬教學(xué)系統(tǒng)的成本，也會(huì)迫使學(xué)生花大量時(shí)間熟悉硬件使用，而忽略系統(tǒng)本身的作用。

虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建主要是基于各種虛擬平臺(tái)進(jìn)行如VIrtools[7]、VRML[11]、Cult3D等。這些虛擬平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁上建立交互的三維對(duì)象，通過鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)三維對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，同時(shí)也提供了事件、動(dòng)作等屬性，以及基于JAVA的開發(fā)接口，使得用戶可以完成更復(fù)雜的控制?；赩RML的虛擬教學(xué)的實(shí)現(xiàn)流程，如圖4所示。

除了上述幾種軟件，也有習(xí)慣于C語言的用戶基于底層OpenGL進(jìn)行虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。

三、關(guān)鍵技術(shù)的研究

作為新興的研究內(nèi)容，虛擬教學(xué)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等多個(gè)學(xué)科緊密相關(guān)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括仿真與可視化研究、CAD模型的格式轉(zhuǎn)換、虛擬系統(tǒng)中零件的定位與約束、虛擬檢測、協(xié)同設(shè)計(jì)、人機(jī)交互等多個(gè)方面。

根據(jù)對(duì)虛擬教學(xué)的影響程度，下面對(duì)幾個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)分別來進(jìn)行論述。

（一）虛擬模型及格式轉(zhuǎn)換

虛擬模型是虛擬教學(xué)的基礎(chǔ)，而機(jī)械制圖課程更是不能缺少立體模型的輔助。模型的好壞對(duì)最終的教學(xué)系統(tǒng)影響巨大。目前大部分虛擬現(xiàn)實(shí)軟件都沒有強(qiáng)大的建模功能，因此仍然需要從CAD軟件進(jìn)行造型，然后再通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，生成虛擬系統(tǒng)可以接受的文件格式，再進(jìn)行虛擬操作。

機(jī)械制圖虛擬教學(xué)中常用的CAD軟件有Pro/E、Solidworks、Inventor、UG等。在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)，有些軟件可以與相對(duì)應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對(duì)接，如Pro/E與Division Mockup虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，由于屬于同一公司開發(fā)，因此可以直接進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換[12]；但是大多數(shù)軟件則需要開發(fā)專門的轉(zhuǎn)換接口或者以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式為中間文件進(jìn)行格式上的轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

目前的虛擬教學(xué)研究，主要采用的是以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口為中間文件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。相對(duì)于專用接口，該方法易于實(shí)現(xiàn)。

（二）虛擬環(huán)境中的約束與定位

在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零件的測繪或者裝配操作，必須要進(jìn)行零件的定位，而虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境本身缺乏現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力，因此需要依靠自定義方式進(jìn)行定位。目前比較通用的定位模式是基于約束的精確定位，包括基于幾何位置約束的定位[11]、基于碰撞的約束定位[12]，以及基于裝配語義約束的定位[2]。

基于幾何位置約束是指通過定義零部件的幾何坐標(biāo)位置進(jìn)行裝配，這種情況下會(huì)出現(xiàn)零部件的刺穿情況。而如果使用基于碰撞的約束，為零件設(shè)置合適的包圍盒，通過碰撞檢測算法對(duì)于可能碰撞的地方進(jìn)行計(jì)算，則可以提高系統(tǒng)的擬實(shí)性，這也是目前多數(shù)虛擬系統(tǒng)所用的定位方法。

（三）虛擬測繪

零件測繪是機(jī)械制圖課程的重要內(nèi)容。因此虛擬測繪也是虛擬教學(xué)的研究內(nèi)容之一。由于缺乏力反饋等虛擬硬件設(shè)備的支持，現(xiàn)在的虛擬測繪多數(shù)是對(duì)于選定點(diǎn)之間的坐標(biāo)計(jì)算，即首先確定需要測量的兩個(gè)點(diǎn)，之后計(jì)算兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)差[7]。該方法的本質(zhì)是點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離測量，因此選取精度會(huì)直接影響測繪結(jié)果。

四、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種先進(jìn)的輔助教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和圖形理解力。近年來關(guān)于機(jī)械制圖的虛擬教學(xué)活動(dòng)的研究，也取得了很大進(jìn)展。但如何提高系統(tǒng)的交互性，體現(xiàn)以學(xué)生為中心，增強(qiáng)學(xué)生在虛擬場景中的主觀性，促進(jìn)創(chuàng)新能力和精神的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行協(xié)同操作，以及建立合理的虛擬教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉琳.機(jī)械制圖虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)模型室的建立[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2002（3）：202-206.

[2]吳志軍，張建富，等.面向網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬協(xié)同裝配技術(shù)研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：172-178.

[3]趙菊娣，國成林，等.工程制圖虛擬模型室的開發(fā)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（5）：114-116.

[4]萬靜，謝楊，等.工程制圖虛擬模型室的建立與應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）：150-154.

[5]繆君，儲(chǔ) ，等.基于X3D的工程制圖網(wǎng)絡(luò)虛擬模型庫開發(fā)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：122-126.

[6]馮桂珍，池建斌，等.減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）：89-93.

[7]王盼盼，張宏.基于Virtools的虛擬測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（3）：148-151.

[8]邱龍輝，葉琳.工程圖學(xué)虛擬測繪模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2007（6）：147-151.

[9]吳欣，徐建成，等.工程制圖中教學(xué)難點(diǎn)的“體驗(yàn)教學(xué)”設(shè)計(jì)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008（6）：139-143.

[10]李興田，張麗萍.基于WebGL的工程制圖網(wǎng)絡(luò)虛擬模型庫的開發(fā)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2016（6）：836-841.

[11]李春波，胡青泥.基于VRML的工程圖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，34（3）：347-350.

[12]邵曉東，聶力，等.基于Division Mockup裝配仿真的實(shí)現(xiàn)方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（3）：54-56.