運用VRML提高模像直觀的教學創(chuàng)新與研究

仝兆景 張 科 楊 藝 王大虎

河南理工大學 河南焦作 454000

運用VRML提高模像直觀的教學創(chuàng)新與研究

仝兆景 張 科 楊 藝 王大虎

河南理工大學 河南焦作 454000

針對傳統(tǒng)教學中模像直觀在表達上不足，提出運用基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來增強建模對象的真實感，結(jié)合實例給出了逼真、生動模型的建模方法和豐富動態(tài)交互功能的實現(xiàn)方法。

VRML；模像直觀；虛擬現(xiàn)實

隨著社會的發(fā)展，高等教育理論方法的不斷創(chuàng)新和素質(zhì)教育的進一步推進，諸多新技術(shù)、新理念、新手段被不斷地引入教育教學環(huán)節(jié)，極大地提高教育教學質(zhì)量和效率。教學中常用的模像直觀通過對事物的模擬性形象直接感知而進行的一種直觀方式，例如圖片、圖表、模型、幻燈片和教學電影電視等的觀察和演示等。通過模像直觀的方式可以人為地排除無關(guān)因素，突出本質(zhì)要素；可根據(jù)觀察需要，通過大小變化、動靜結(jié)合、虛實互換、色彩對比等方式擴大直觀范圍，不受實物直觀的局限，提高直觀效果，擴大直觀范圍，因此它已成為現(xiàn)代化教學的重要手段，是現(xiàn)代教育技術(shù)學研究的重要內(nèi)容。但模像直觀也有模擬形象與實際事物之間有一定描述差距的不足，如何減少這種差距，成為當前教學實踐中要解決的首要問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)誕生于20世紀90年代，它集計算機、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)于一體，它可利用計算機生成一個逼真的三維視覺、觸覺以及嗅覺等感覺世界，讓參與者從自己的視點出發(fā)，利用各種傳感設(shè)備，在與現(xiàn)實世界對應(yīng)的虛擬世界進行瀏覽和交互式互動。經(jīng)實際使用證明，將基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于教學實踐，可極大提高教學對象的直觀度，改善教學效果，提高教學質(zhì)量。

1 基于VRML的教學對象建模

VRML虛擬場景應(yīng)用節(jié)點(Node)建模，利用對象及其屬節(jié)點構(gòu)建復雜系描述。基于VRML的教學對象三維建模一般由Shape節(jié)點定義，這些特征定義了創(chuàng)建放置在虛擬空間中的造型。一個造型的確切幾何尺寸和外觀由給定節(jié)點和節(jié)點域的選擇值控制。造型的外觀由Appearance和Material節(jié)點來描述。VRML提供4種原始幾何造型，它們是Sphere，Box，Cylinder和Cone節(jié)點。任何復雜的設(shè)備、傳感器、儀表可通過Box，Cylinder，Sphere，Cone基本形體節(jié)點和Extrusion，IndexedFaceSet等生成復雜形體的節(jié)點進行分別實現(xiàn)。形狀特殊的部件，還可以用3D成型軟件如UG，Maya，Pro/E和SolidWorks，利用它們先進行三維建模，通過Export輸出VRML文件(.wrl)，再調(diào)入Vrmlpad進行編程，經(jīng)過處理后參與整體的組合，這樣可簡化編程，對壓力表的三維建模如圖1所示。

圖1 壓力儀表的三維建模效果

2 動態(tài)交互功能的實現(xiàn)

在教學中不僅要求模擬對象有逼真的外觀及效果，還應(yīng)該有符合實際的動態(tài)交互功能，如設(shè)備儀表的拆裝、器件的透明化處理、開關(guān)、按鈕的交互操作、器件工作原理的模擬等。VRML2.0新增了許多動態(tài)交互功能，如通過路由實現(xiàn)的事件入、事件出體系，通過事件體系，事件可以蔓延傳播從而引起其他節(jié)點的變化，形成交互操作；在實際操作中，也可結(jié)合VrmlScript與JavaScript實現(xiàn)虛擬場景的動態(tài)交互，它利用Script節(jié)點，控制場景和用戶的交互過程的邏輯控制以及場景內(nèi)三維物體的運動，VrmlScript或JavaScript腳本語言，通常作為一個事件級聯(lián)的一部分而執(zhí)行，實質(zhì)上是一段可執(zhí)行的程序；對于復雜交互動作實現(xiàn)，VRML2.0提供的外部編程接口，通過EAI利用Java Applet編程可以讀取或發(fā)送三維場景中節(jié)點的事件消息，使VRML2.0虛擬世界與外部對象實現(xiàn)互動溝通。

VRML完成動態(tài)交互效果實質(zhì)上是依靠觸發(fā)一個給定的時間傳感(TimeSensor)和一系列各種各樣的插補器節(jié)點實現(xiàn)的關(guān)鍵幀動畫，由時間傳感器給出一個控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包含了關(guān)鍵動畫的開始、停止時間、時間間隔和是否循環(huán)等動畫控制參數(shù)，然后通過這個時鐘的輸出，通過將這些事件入TimeSensor節(jié)點的eventOut通過路由傳到其他節(jié)點，當TimeSensor節(jié)點的時鐘計時，可以在虛擬場景中驅(qū)動各種插補器節(jié)點，VRML瀏覽器根據(jù)插補器節(jié)點的設(shè)置通過線性插值的方法生成模型的位置或狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出至相應(yīng)的模型節(jié)點，從而完成整體動態(tài)交互。

電機速度檢測及停轉(zhuǎn)報警是通過以下程序?qū)崿F(xiàn)：

程序模塊中定義名為Speedcontrol的Script節(jié)點，Script節(jié)點又定義了布爾型的域RotateEnable和SFTime型的入事件ClickIn和布爾型的出事件Control。電機處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動的速度通過OrientationInterpolator節(jié)點的key[]和keyValue[]的域值結(jié)合時間傳感器來控制：事件入口S e t_fraction接收一個時刻值時，朝向插補器節(jié)點根據(jù)關(guān)鍵時刻列表和與其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)鍵值列表，計算出一個旋轉(zhuǎn)關(guān)鍵值列表，并通過Value_changed事件出口輸出新算出的旋轉(zhuǎn)列表，從而使轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速的大小由時間傳感器TimeSensor節(jié)點的CycleInterval域的值決定。

由于布爾型的域RotateEnable在初始狀態(tài)為TRUE，所以虛擬場景引入時電機處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，對電機停轉(zhuǎn)情況的報警可從點擊關(guān)閉電機開關(guān)這一事件分析起，點擊電機開關(guān)這一動作由觸動傳感器傳送到Script節(jié)點，ClickIn(value，ts)函數(shù)被調(diào)用，點擊后RotateEnable取其反即FALSE，Script節(jié)點不會觸發(fā)時間傳感器，電機就會停下，一旦電機停下，“print('報警!電機停止轉(zhuǎn)動');”語句就會被調(diào)入，通過Cortona控制臺彈出狀態(tài)窗口，提示：報警!電機停止轉(zhuǎn)動(如圖2所示)。相應(yīng)的報警還可用于錯誤操作、壓力異常、速度異常、液面異常等情況。

圖2 電機停轉(zhuǎn)報警

3 VRML在傳感器技術(shù)教學中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)是電子信息技術(shù)與儀器、測控等專業(yè)課程中的一門基本課程，主要講授常用傳感器及儀表的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用特性以及使用方法。傳統(tǒng)教材上關(guān)于傳感器的二維圖表及圖片對空間想象能力較差的學生來講，對知識的掌握程度勢必降低。而虛擬現(xiàn)實的引用較好實現(xiàn)了計算機對傳感器模型及應(yīng)用特性的表達，在學習者的控制下可以任意位置的觀察三維模型并實現(xiàn)交互操作，這是傳統(tǒng)教學所無法實現(xiàn)的。如圖3所示，教學對象建模示意圖，根據(jù)實際教學對象，運用VRML建立虛擬模型，這個模型在教學實踐中不僅可用于學生觀察和模擬操作，還能通過虛擬模型的信息反饋，強化學生在學習中對實際設(shè)備、傳感器的認識，利于增進學生對實際器件性能的掌握，且不會因為誤操作而損傷設(shè)備或儀器。教師在教學中可以依據(jù)信息反饋，對虛擬模型不斷優(yōu)化，甚至還能為實際傳感器或儀表的參數(shù)優(yōu)化提供建議。

圖3 教學對象建模示意圖

4 結(jié)束語

運用VRML建立的三維虛擬模像直觀虛擬場景，充分體現(xiàn)了V R M L構(gòu)建對象交互性強、靈活性大等優(yōu)點，學生可按照自己的興趣，根據(jù)自身的學習情況，在虛擬場景親身參與和體驗，從而輕松愉快地獲得知識，提高知識的理解力和掌握程度。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和人們對教學手段方法的創(chuàng)新和研究，基于VRML的虛擬現(xiàn)實將會在深化教學改革中發(fā)揮更大的作用。

[1]付焱晶，張雷.VRML語言在航空理論教學中的設(shè)計使用[J].中國科技創(chuàng)新導刊，2009，14：86

[2]江輝仙，張文開.基于VRGIS的虛擬校園三維仿真技術(shù)應(yīng)用[J].福建師范大學學報(自然科學版)，2006，22(2)：109～113

[3]趙鳳芝，彭巧梅.基于VRML的交互式虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建[J].大慶石油學院學報，2008，32(2)：91～92

[4]汪興謙.VRML與JAVA編程實例講解[M].北京：中國水利水電出版社，2001

Abstract: Due to the insufficiency of expression in the traditional teaching, the virtual reality technology based VRML was presented to improve the third dimension, instances was given to describe how to conceive the vivid and pleasing model, and how to achieve the function of dynamic interaction in virtual world.

Key words: VRML; model simulation; virtual reality

Teaching research and innovation in using VRML to improve model simulation effect

Tong Zhaojing, Zhang Ke, Yang Yi, Wang Dahu
Henan polytechnic university, Jiaozuo, 454000, China

2010-11-08

仝兆景，碩士，講師。

河南理工大學教育教學改革研究項目(編號：2008JG048)。