基于三維視覺的電梯教學動態(tài)模型研究＊

吐爾尼亞孜·艾比布，米熱吉古麗·熱扎克，秦文斌

（1.新疆交通職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 831401；2.新疆職業(yè)大學，新疆 烏魯木齊 830013）

1 引言

隨著信息技術的快速發(fā)展，信息化技術已滲透到日常生活的方方面面，從而不斷提升人們的生活質量，改變了許多傳統(tǒng)的生活方式，其中教育教學也不例外。新出現(xiàn)的信息化教育教學手段徹底改變了傳統(tǒng)的學生通過紙質書本獲取知識，在學校學習掌握教學重點和難點的教學模式，在線網(wǎng)課、慕課網(wǎng)站進入了越來越多學生的日常學習生活。日新月異的信息化多媒體教學手段為學生提供了更加生動的學習環(huán)境，為快速了解學習內容奠定基礎，其中三維建模技術和虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)的靜態(tài)描述學習目標的限制，動態(tài)還原了學習對象的工作過程。因為人在學習過程中，通過視覺獲取的知識比其他途徑獲取的知識影響更加深刻，所以三維建模技術受到了人們的青睞，許多學者把三維建模技術運用到電梯工程技術方面，例如奧的斯電梯（中國）有限公司的郄揚利用三維建模技術對電梯進行建模，并在建模的基礎上進一步說明有限元分析過程[1]。雖然該研究具有一定的參考價值，但是研究的重點在于有限元分析，可用于建筑施工領域，無法直接用于教育教學領域。廣州廣日電梯工業(yè)有限公司的林潔純研究一種基于SolidWorks 的電梯轎頂裝配參數(shù)化設計系統(tǒng)[2]，雖然該研究利用三維建模軟件對電梯結構進行三維建模，但是并沒有對整個電梯進行建模，不能直接用于教學領域。中山職業(yè)技術學院的殷勤等研究的基于Solidworks 的電梯安全部件效果圖的制作過程[3]，雖然該研究將三維建模技術用于電梯教學，但不是動態(tài)的，而是靜態(tài)的安全部件效果圖。綜上所述，雖然不少學者圍繞電梯行業(yè)研究了相關三維建模技術，但是針對電梯教學方面的研究較少，而且限于靜態(tài)建模。

本文針對電梯的內部結構，利用Solid works 和3DS MAX 等三維建模軟件，研究一種有利于學生快速掌握教學重點和難點的動態(tài)三維模型。

2 研究內容

本文根據(jù)電梯的構造特點和工作過程，利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件，在掌握電梯的結構部件尺寸的前提下對整個電梯結構進行靜態(tài)三維建模，并將靜態(tài)三維模型進一步處理，把動態(tài)參數(shù)輸入到靜態(tài)模型，按照電梯教學的典型工作任務和代表性工作任務，建立一種適合電梯教育教學、基于三維視覺的動態(tài)模型。該研究圍繞電梯機構特性，把電梯教育教學作為出發(fā)點，最終建立三維動態(tài)模型，主要由建模前的前期準備工作、靜態(tài)模型的制作過程、動態(tài)模型的制作和后期處理等部分組成。基于三維視覺的電梯教學動態(tài)模型制作流程如圖1 所示。

圖1 電梯教學動態(tài)模型制作流程圖

2.1 前期準備

在該研究中，前期準備工作包括兩部分內容：①緊緊圍繞電梯教學全過程，找出教學所需的典型工作任務和代表性工作任務；②根據(jù)相關國家標準，掌握常見電梯的結構靜態(tài)參數(shù)，也就是電梯的組成部件的靜態(tài)尺寸參數(shù)。

2.1.1 典型工作任務和代表性工作任務

由于人的精力有限，在建模的過程中不可能完成電梯內部每個部件的精細動態(tài)模型，因此需要確定典型工作任務和代表性工作任務。在本文中，根據(jù)電梯教學中的課程標準，按照實際工作和生產(chǎn)的需要，確定典型工作任務和代表性工作任務，在此前提下建立電梯教學動態(tài)模型。

2.1.2 電梯部件的靜態(tài)參數(shù)

電梯部件的靜態(tài)參數(shù)指電梯在靜止狀態(tài)下，組成整個電梯的各個零部件的尺寸大小和結構材料的性能指標。靜態(tài)參數(shù)能夠為三維建模奠定基礎，若沒有靜態(tài)參數(shù)，則無法準確建立電梯部件的三維模型，無法實現(xiàn)電梯各個部件之間的相互匹配，更不用說通過電梯部件組裝整體的三維電梯模型。在本研究中獲取電梯部件靜態(tài)參數(shù)的途徑有兩個：查閱相關文獻資料，找出常見的電梯部件尺寸和材料性能參數(shù)；與合作企業(yè)聯(lián)系，到現(xiàn)場測量部件的尺寸參數(shù)，獲取電梯結構材料的性能參數(shù)。在該研究中，兩種方法都有利弊。第一種方法的優(yōu)點為相對簡單，風險較低，缺點為不能保證靜態(tài)參數(shù)的全面性，有些參數(shù)無法確定。第二種方法的優(yōu)點為可靠性強，能夠全面掌握電梯部件的靜態(tài)參數(shù)，缺點為獲取靜態(tài)參數(shù)時需要注意安全，存在一定的風險。

2.2 靜態(tài)模型制作

在本文中靜態(tài)模型指不包括運動參數(shù)的電梯結構三維模型。為了對整個電梯進行三維建模，需要先對組成電梯的部件進行三維建模。在部件三維建模的基礎上，組裝不同的部件。由于電梯部件的數(shù)量較多，結構復雜，只用一種建模軟件對電梯部件進行建模會延長建模周期，降低三維建模的效率。因此需要根據(jù)部件的相關特性，用多種建模軟件對電梯部件進行三維建模。在本研究中主要利用兩種三維建模軟件，分別為SolidWorks 和3DS MAX。這兩種軟件都是功能很強的三維建模軟件，能夠有效提高三維建模效率。用多種軟件對電梯部件三維建模的依據(jù)是三維軟件導出的文件具有兼容性，也就是說無論是SolidWorks 軟件還是3DS MAX軟件都能夠導出擴展名為STL 的文件，利用三維建模后的*.STL 文件，隨意更換建模環(huán)境。

由于用SolidWorks 軟件和3DS MAX 軟件建立的三維模型側重點不同，在本研究中對于棱角較明顯的電梯部件，用SolidWorks 軟件進行三維建模，而對于結構復雜的曲面部件，用3DS MAX 軟件進行三維建模，最后利用軟件導出功能導出STL 文件或者用導入功能將STL 文件導入到另一個建模軟件。電梯導向輪三維模型通過STL 文件導入到不同建模環(huán)境的效果如圖2 所示。

2.3 動態(tài)模型制作

在本研究中動態(tài)模型指在靜態(tài)模型的基礎上增加其運動參數(shù)，是一種能夠還原電梯或電梯部件工作過程的三維模型。動態(tài)模型的制作過程不僅涉及電梯部件的運動參數(shù)，還需要考慮動態(tài)模型的動作或鏡頭的美觀性、吸引性。因為基于三維視覺的電梯動態(tài)模型為教育教學服務，只重視電梯或電梯部件的工作過程而不重視動態(tài)模型的吸引力，則最終的動態(tài)模型會讓學生感覺枯燥無味，達不到教育的目的，整個建模工作會失去意義。因此在動態(tài)建模的過程中需要同時考慮模型的動態(tài)工作過程和藝術美觀性。

圖2 導向輪建模效果

2.3.1 動態(tài)工作過程

三維動態(tài)模型是反映和還原真實電梯或電梯部件的工作過程。那如何還原工作過程呢？需掌握電梯工作過程的每個細節(jié)，將細微的動作參數(shù)運用到靜態(tài)模型，按照實際電梯運行過程讓模型完成相應的動作，從而將靜態(tài)模型轉換為動態(tài)模型。學生利用信息化的現(xiàn)代教育資源，通過觀察三維動態(tài)模型，能夠深入了解電梯的工作過程，快速掌握教學的重點和難點。

2.3.2 動態(tài)模型的藝術美觀性

在本研究中動態(tài)模型的藝術美觀性是由光源、環(huán)境、陰影和相機（鏡頭）的移動速度等參數(shù)綜合決定。利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件可以有效控制光源、陰影、環(huán)境和相機（鏡頭）的相關參數(shù)[4]，這些參數(shù)能夠直接影響三維動態(tài)模型的表現(xiàn)力。若參數(shù)設置比較合適，則模型的感染力較強，可以給學生留下較深刻的影響，教育教學效果也會較好，反之亦然。因此制作三維動態(tài)模型不僅要有過高的建模技術能力，還需要一定的藝術審美能力，否則做出來的電梯三維模型無法達到預期的教育教學效果。用SolidWorks 軟件制作三維動態(tài)模型的效果如圖3 所示。

2.4 后期處理

在后期處理中，需要先了解建模軟件的渲染過程，在掌握基本渲染參數(shù)的基礎上對模型進行渲染；其次要根據(jù)實際需求把模型渲染輸出為動畫視頻或者GIF 動圖；最后可以加上水印或者將學校的校徽附加到模型中，從而表明模型的原創(chuàng)性。

圖3 三維動態(tài)模型效果圖

渲染的作用是提升模型表面的質感，使模型更加真實，吸引學生的注意力。由于動畫視頻有聲音和圖像信息，需要的存儲空間較大，但其包含內容多，而且比較詳細，容易理解，因此如果把模型用在室內多媒體環(huán)境教學或者存儲空間沒有限制的網(wǎng)上教學上，可以將動態(tài)模型渲染為動畫視頻。若受存儲空間或平臺插件的限制，則可以將模型轉換為GIF動圖，因為GIF 動圖只包含圖像信息，沒有聲音，需要的存儲空間和平臺資源較少。

在后期處理的過程中需要綜合交叉使用多種軟件。例如建立?；盏娜S模型時需要使用Adobe Photoshop、Adobe AI 和3DS MAX 等軟件，因為直接用3DS MAX 建模較容易遇到對應字體找不到的尷尬局面。因此首先將?；盏钠矫鎴D像用Adobe Photoshop 軟件打開，然后把?；盏妮喞闯鰜?，形成選區(qū)，接下來建立工作路徑[5]，把工作路徑導出為Adobe AI 文件，該文件中保存著?；蛰喞拈]合線條。其次將導出來的Adobe AI 文件導入到3DS MAX，從而獲得?；盏妮喞獦訔l線，最后把樣條線通過軟件的修改器擠出后得到校徽的三維模型。除此之外在后期處理中，還需用到Adobe After Effect 和會聲會影等[6]視頻處理軟件。

3 存在的問題與不足

本研究雖然在電梯動態(tài)模型方面做了不少工作，但由于在日常生活中使用的電梯種類較多，結構上有一定的差別，而且在建模過程中審美能力不足，整體研究還存在一定問題與不足，主要體現(xiàn)在建模完整性方面和三維動態(tài)模型的美觀吸引人方面。

建模完整性方面。由于電梯的結構比較復雜，要想建立精細的電梯三維動態(tài)模型需要花費大量的時間和精力，無法在短時間內完成讓人滿意的動態(tài)模型。因此有待進一步提高模型的完整性，需要建立完善的電梯相關參數(shù)體系，從而建立多種類型的電梯或電梯部件的三維動態(tài)模型。

美觀吸引人方面。因為沒有接受系統(tǒng)的審美教育，動態(tài)模型的美觀方面有待提高。若從藝術角度出發(fā)，模型的背景顏色、相機（鏡頭）的移動速度和光源相關參數(shù)等因素都能夠直接影響學生的學習興趣。由于以上因素無法快速確定，而且在確定相關參數(shù)的過程中沒有固定的規(guī)律或公式，這為動態(tài)建模過程增添了不少麻煩。

4 總結

本文利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件，根據(jù)電梯的構造特點和工作過程，對整個電梯結構進行靜態(tài)三維建模，并將靜態(tài)三維模型進行進一步處理，把動態(tài)參數(shù)輸入到靜態(tài)模型，按照電梯教學的典型工作任務和代表性工作任務，建立一種適合于電梯教育教學的基于三維視覺的動態(tài)模型。雖然研究過程中取得了一定的成就，但還存在一些問題。在今后的教育教學工作中，將緊緊抓住電梯教學信息化、三維視覺化的主要目標，努力克服困難，解決建模過程中存在的問題，進一步完善基于三維視覺的電梯教學動態(tài)模型。