VRML技術在環境工程圖學教學中的應用★

鄧 娜

0 引言

在全球污染日益嚴重的背景下，極端天氣氣候事件頻發，生態環境急劇惡化，對人類生存發展和生產生活都構成了嚴重威脅，于是人們越來越重視環境的保護和可持續發展。當今環保產業和環保公司蓬勃發展興起，需要大量人才來選擇、設計、開發或改進環保設備。環境工程專業學生學習以控制環境污染為主要目的的機電設備知識是非常必要的，因而環境工程圖學需進行機械制圖訓練教學，鍛煉學生的空間想象能力。空間想象能力并非與生俱來的，注重空間想象能力的培養是環境工程圖學的主要教學特點，教學中培養空間想象力主要依靠模型展示。但是，機電設備及各零件等包含很多，在工程制圖教學中展示實物模具比較困難，特別是在網絡課程教學環境下沒有實體模型，需要繪制大量三維的虛擬模型。目前的三維造型軟件較多，像UG，Pro/E，CATIA，SolidWorks等等，但生成的模型文件都存在需要占用大量的存儲空間，展示也不方便的缺點，然而直接利用VRML語言創建三維模型又較困難。在教學中較常使用的三維造型軟件是SolidWorks，因此著重研究了利用三維造型軟件SolidWorks獲得VRML虛擬模型的簡便方法，并利用parallelgraphics公司的瀏覽器插件cortona實現在Web頁面展示，并提供逼真的虛擬環境，實現三維模型的縮放、旋轉、移動等操作，達到資源的優化配置和遠程網絡課程的共享。

1 VRM L虛擬模型的創建方法

1.1 VRML語言簡述

隨著硬件技術和Internet技術的飛速發展，以及3D技術的日益成熟，人們迫切需要通過網絡進行數據共享和數據發布。VRML(Virtual Reality Modeling Language)虛擬現實建模語言是一種被標準瀏覽器接受的圖形描述性語言，它把構成場景的每一個節點都看成一個對象，通過對節點的描述及節點間的層層嵌套就構成了一個VRML文件。VRML通過Internet共享3D實體和場景，是一種用于在Internet上構筑3D多媒體和共享虛擬世界的開放式語言，是 CAD、三維建模軟件以及動畫制作等領域的事實上的標準。

VRML語言的優點有:平臺無關——無論你的平臺是PC還是SGI，都可以瀏覽VRML世界;基于Web，能夠建立三維可視化服務器;能夠快速建模:支持PROTO等靈活的編程方式;大量的可用資源:越來越多的Internet站點含有與VRML有關的內容。但也有缺點:著色不如OpenGL快;沒有底層控制;界面不友好，上手困難。這些缺點阻礙了對VRML的使用。

1.2 利用三維建模軟件創建模型

目前常用的一些三維建模與分析軟件如UG，Pro/E，Solid-Works，SolidEdge等為用戶提供了強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設計功能，不僅能夠完成最復雜的實體造型設計，而且在設計過程中還可以通過進行機構運動分析、有限元結構分析、動力學分析和仿真模擬來提高設計的可靠性。一般工程技術人員都會掌握上述軟件中的兩種或者更多，而這些軟件自身的Web發布技術各不相同，從而影響了設計人員之間的協同工作。將這些軟件創建的虛擬模型轉換為統一的格式VRML進行發布，可以把模型放在Web頁面上，當用瀏覽器打開模型時，一個可操作的三維模型就會出現，還可以在上面添加所需要的信息等等。教師和學生可以時時地討論修改，以優化模型，達到最佳設計目的。

SolidWorks軟件屬于中端產品，在教學科研單位和中小企業中廣泛使用。其操作簡單，界面友好，易學易用，功能強大，有多種數據接口和專業插件如cosmos/works，piping，photoworks等可選擇。因此在環境工程圖學教學中主要使用SolidWorks生成三維模型。

1.3 生成VRML文件

由于VRML語言自身規范的復雜性，即使構造一個簡單的三維場景也需要錄入較多的數據，同時用戶在將其所需的空間幾何體直接用VRML規范的數據格式實現時存在較大的困難，這些都阻礙了用戶對 VRML的使用[2]。對于工程技術人員來說，直接應用VRML語言創建的三維虛擬場景是遠遠不夠的，因為機電一體化產品往往非常復雜。但幸運的是，上述三維建模與分析軟件都能夠直接導出擴展名為wrl的文件，即VRML格式的文件，這樣便解決了復雜模型的VRML虛擬模型創建問題。

由于VRML的局限性，使得三維模型轉換為w rl文件時精度丟失和文件過大，比如利用SolidWorks進行文件轉換時會丟失光源信息等，但各個三維建模與分析軟件廠商還是不遺余力地提供對VRML的支持，因為VRML支持三維工作，甚至向其添加文本和超鏈接等。這些缺點對于通過Internet展示產品模型進行協同設計的要求來說，影響不大，并不妨礙工程技術人員之間的交流協作。

在利用三維建模與分析軟件創建模型時還是要考慮盡可能降低這些影響，例如在SolidWorks中創建模型時，盡量不使用光源;為了獲得良好的圖形效果，設計時注意調節圖像品質為最高等。

2 虛擬模型與W eb的融合技術

2.1 Java與VRML的結合

在VRML中使用Java有兩種方式，即通過內部Scrip t節點和外部編程接口(EAI)。一般來說對于單一的VRML事件實現交互及運算功能可選擇內部的Script，若需集成多種媒體，并進行復雜網絡控制，則更宜于使用EAI，自然其編程也要復雜一些。

Demicron公司的WireFusion組件是提供了非常專業的3D交互、動畫、虛擬世界的制作工具。WireFusion的特點是可以使用的大眾化的3D動畫軟件，如3dsmax，Maya等，制作的模型場景都可以簡單的輸入WireFusion中，然后利用Java Applet技術在網絡中發布，并實現對三維場景和模型的交互、控制。

上面這種方法有兩個缺點:

1)與工程造型及分析軟件結合不緊密，對PR/E，SolidWorks，SolidEdge等支持不夠;

2)需要花費大量精力在編制程序而不是考慮產品性能、提高質量與效率上，顯然不太適合工程技術人員使用。除此之外，目前Web瀏覽器對Java虛擬機支持的不同，可能導致EAI調用不穩定;并且由于這些技術底層依賴于Java，因此不太適合與Windows平臺下一些優秀的開發工具(Visual C++，VB，Delphi)相結合進行二次開發[3]。

2.2 利用VRML組件直接瀏覽

1)VRML組件的選擇。

VRML模型瀏覽器有很多，如Blaxxun，Cosmo，Piveron，VRML97-object，WorldView等等，其使用方法和cortona瀏覽器差不多，但利用IE瀏覽時，其可操作性與觀看效果不如cortona，因此選用cortona瀏覽器，此插件在ParallelGraphics公司主頁可以免費下載。

2)cortona組件設置。

關于cortona組件的詳細使用方法不過多介紹，可以參考其幫助手冊，在這里僅指出一些需要注意的地方。在cortona組件界面上點右鍵菜單Preferences…在彈出的界面中選CAD-like界面，此界面簡潔易用，左邊一列四個按鈕就可完成幾乎全部操作，如圖 1所示。

另外，圖1中Speed展開二級菜單設為Slower或Slowest，這是由于目前計算機配置都比較高，不這樣做會使操作不易控制。

3 結語

通過網絡發布、展示虛擬模型，在網絡課程的教學全過程中都得到了應用，它可以使教師隨時掌握學生的學習情況，加強師生交流，提高學生學習興趣和學習效率，通過在本校環境工程專業中試用，取得了很好的效果。該技術在其他領域如工程設計、化工設備等課程的課堂教學、遠程教育等也有很好的應用前景。

[1] 魏宗平.現代產品設計技術在食品機械設計中的應用[J].包裝與食品機械，2005，23(4):36-39.

[2] 馮桂珍，池建斌.基于Web的虛擬現實模型創建工具[J].工程圖學學報，2004(3):60-64.

[3] 陳軼群，朱群雄.Cortona組件在虛擬現實系統中的應用[J].北京化工大學學報，2005，32(5):102-105.

[4] 劉紹英，劉成鎖.基于VRML的虛擬現實(場景)制作[J].中國遠程教育，2002(12):54-56.

[5] 王興建，李 麗，陳雪菱，等.基于VRML和JAVA的交互式工程制圖Web模型庫的建立[J].四川師范大學學報(自然科學版)，2005，28(2):250-252.

[6] 魏 玲，殷佩生.基于VRML的航道虛擬場景應用研究[J].工程圖學學報，2004(4):94-97.