金屬焊接虛擬實驗室的開發

金 濤 雷 毅

中國石油大學(華東)機電工程學院 山東青島 266555

金屬焊接虛擬實驗室的開發

金 濤 雷 毅

中國石油大學(華東)機電工程學院 山東青島 266555

基于Web3D技術，提出了一種利用3DSMAX和VR-Platform開發金屬焊接虛擬實驗室的實現方法和過程。經實例驗證，本方法便于金屬焊接虛擬實驗室的設計和開發，同時操作流程規范、節約時間。

虛擬仿真；虛擬實驗室；3DSMAX；VR-Platform

Abstract: Based on Web3D technology, a new method of exploring metal welding virtual lab is proposed using 3DSMAX and VR-Platform. The example shows that the method is more convenient to design and explore metal welding virtual lab with standard operation and save assessment time.

Key words: virtual simulation; virtual lab; 3DSMAX; VR-Platform

金屬焊接實驗課是材料專業的一門重要專業基礎課。目前，傳統的課程實驗教學面臨如下問題[1]：(1)設備和場地投入大，實驗和維護成本較高；(2)設備類型單一，數量缺乏，更新慢，無法滿足大量學生同時做實驗；(3)一些特殊實驗難以實現，如事故模擬、危險系數較高的實驗。學校應該針對上述問題，跟上實驗的時代性和先進性[2]，創設實驗內容豐富、訓練操作扎實、不受時空限制的開放性實驗環境。

基于金屬焊接實驗課的創新教育工作，提出基于3DSMAX[3]和VR-Platform(VRP)[4]技術開發金屬焊接虛擬實驗室。虛擬實驗室[5]借助交互式的虛擬實驗仿真和虛擬設備展示，展示金屬焊接創新實驗的基本內容和實際工程中的應用實例，形成獨具特色的教學體系。學生可通過視覺、聽覺、觸覺多通道開展實驗，調動學習興趣和積極性，提高動手能力、空間想象能力和創新思維能力。

1 虛擬實驗室的內涵及優勢

虛擬實驗室是利用虛擬仿真技術制作的實時渲染的虛擬環境，人和虛擬場景“融為一體”，有一種身臨其境的感覺，通過預設的實驗步驟、語音、按鍵引導用戶正確地理解實驗對象和進行實驗，避免發生主觀想象偏離客觀實際的問題，減少認知過程中的認知耗費。與傳統實驗室相比，虛擬實驗室主要具有以下優勢：

1.1 從物質性轉向非物質性

實驗室理念由傳統實驗的“實在”物質形態轉向虛擬實驗的“空無”非物質形態[6]。虛擬實驗室無需大興土木專門修建專用實驗室，只需把實驗對象用三維數字技術制作出來，通過網上實驗室，學生可隨時隨地地“做”實驗，查閱和下載相關文件、音頻、視頻等資料。

1.2 由“靜”到“動”

實驗室理念從靜止狀態向運動狀態轉變。傳統的實驗室是靜止的固定資產，實驗設備相對有限、更新較慢。學生必須定時、定點、分批進行實驗，被動地受制于硬件條件。在信息社會里，豐富、靈活、流動的虛擬展示方式，不但能夠以三維的形式將實驗對象的流程及設備細節展現出來，還能通過模擬不同狀態下的實驗培訓學生。有了運動，就有了時間，產生了四維表現形式，在動態中展現對象結構和運動方式，由被動轉化為主動[7]。

1.3 人性化的交互

在學生進行虛擬實驗時，實驗對象具有人性化的交互優勢。在虛擬實驗室，使學生能夠自由進行實驗操作，按照個人意愿選擇信息，借助交談式的溝通方式了解對象。此外，還可以真實模擬出實驗場景，使整個實驗過程更加有序、合理，改變原有結構，實現人、實驗對象和環境三者關系的重構。

1.4 突破時空限制

通過電子計算機、頭盔式顯示器、數據手套等設備，學生可通過視覺、聽覺、運動覺、力覺、觸覺等來感知環境，實現與環境之間超自然的互動效果和時空重組，突破了時間和空間的局限—這是傳統實驗難以達到的。

可見，與傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有非物質化、動態化、交互人性化[8]和突破時空限制的優點，具有廣闊的發展空間和巨大的推廣價值。

2 實現技術

Web3D技術[9]是虛擬展示實現的常用形式之一，即互聯網上的3D圖形技術，可以理解為Web技術和3D技術相結合的技術，具有網絡性、三維性和互動性[3]3個特點。

目前，Web3D格式有30多種，考慮到網絡優化、虛擬產品逼真程度、交互功能等因素，通過對各種Web3D技術的對比，確定用3DSMAX和VRP這一優化組合來實現虛擬實驗室的開發。

一方面，3DSMAX具有很好的建模能力，建模效率高，模型面數精且易調節；渲染效果逼真并支持V-Ray渲染插件，導入虛擬平臺后不失真；動畫制作功能強大，各種動畫類型(例如柔性動畫、剛性動畫等)都可導入VRP直接使用，便于模擬各類實驗效果，如電焊弧、設備拆卸等。從3DSMAX導出的模型和動畫與VRP的兼容性非常好，在3DSMAX中做一些貼圖改動，在VRP中會自動產生相應變化，大大提高開發效率。另一方面，VRP仿真平臺具有適用性強、操作簡單、交互功能強大、高度可視化、真實感畫質、所見即所得等優點。與3DSMAX及其插件V-Ray有超強的兼容性，只需在3DSMAX效果上增加一些交互動作即可達到逼真的虛擬化實驗效果，而且交互動作代碼淺顯易懂。

3 設計步驟

虛擬實驗室的開發分為模型建立、制作交互文檔、網絡發布三個階段(如圖1所示)。

圖1 虛擬實驗室的開發步驟

3.1 基于3DSMAX建立數字模型

基于3DSMAX建模需注意以下三點：第一，要有相對準確的模型數據，保證產品模型的尺寸比例協調和模型外觀在視覺上的真實性。第二，對于復雜對象要考慮三維模型的層次結構，分別建模，最后把所有的模型整合。第三，使用盡量少的面數，刪除冗余的幾何元素，合并同類模型，降低整個模型的復雜度以優化模型、提高反應速度。建好模型(如圖2所示)之后，根據虛擬實驗的動作制作模型動畫。

圖2 “全位置管-管自動焊”3DSMAX模型

建好模型后，進行材質編輯和設置場景燈光。材質編輯與模型優化同樣重要，因為材質的使用需要與烘焙操作配合，不同類型的材質采取不同的烘焙方式。LightingMap烘焙方式只支持3DSMAX默認的Standard材質，Completemap烘焙方式支持Max大部分材質(例如復合材質、多維材質等)，如果Diffuse(漫反射)通道上沒有添加紋理貼圖，只能選擇Completemap烘焙方式。此外，材質貼圖只支持jpg，bmp，tga，png，dds圖片格式；燈光按照3DSMAX的標準設置。

烘焙模型。烘焙就是把MAX中的物體的光影以貼圖(如圖3所示)形式帶到VRP中，以求真實感。模型烘焙需要注意三個問題：第一，選用恰當的烘焙模式，Completemap光感好，但烘焙效果模糊，所以小部件物體和產品推薦使用Completemap；Lightingmap貼圖清晰，但光感弱。第二，根據模型大小及其材質進行恰當的烘焙參數設置，大模型采用大貼圖尺寸，小模型采用小貼圖尺寸，很小的模型和金屬、玻璃材質不必烘焙。第三，根據模型烘焙類型和貼圖尺寸，把模型進行分類并放在一個圖層中，便于管理、修改。

圖3 烘焙參數設置和烘焙圖

最后，利用VRP-for-Max插件導出場景。導出場景之前要檢查重名模型并進行修改，然后選擇導出類型(靜態模型、剛體動畫、柔體動畫、相機)，直接導出VRP格式文件。

3.2 基于VRP制作交互文檔

VRP的設置對象主要包括動作、事件和場景三類要素。動作包括物體移動、旋轉、平動、縮放、視角切換，顯示(隱藏)物體、交互控制、粒子特效等；事件包括場景開始事件、鼠標和鍵盤事件、計時器和用于特定情況下由其他事件激發自定義事件(例如單擊按鈕啟動機器)等；場景包括文件中后期加入的界面、材質、聲音等交互對象。VRP交互設計(如圖4所示)就是在腳本編輯器中建立事件、動作和場景的相互關系，用戶觸發某個事件或某個事件自動發生時，對應的場景做出相應的動作。

圖4 金屬焊接虛擬實驗室內景

3.3 網絡發布

在VRP中完成交互設置后，將VRP對象導出為支持網絡發布的vrpie格式。學生可通過網絡或本地機用IE或Netscape瀏覽器使用虛擬實驗室，隨時隨地地做實驗、分解實驗步驟，也可通過旋轉或移動對象查看其細節結構及屬性、組裝和拆卸對象等。虛擬實驗室技術既能減少實驗室建設的投入成本，又可應用在遠程教學網站上，以更好地實現金屬焊接的實踐教學。

4 結束語

實驗室反映時代的特征，時代的發展又推動實驗室的發展。數字時代的到來使實驗室走向虛擬化，帶來前所未有的發展空間，促使其發生全方位的變化，呈現出許多新特點和新優勢—提升了設計理念、拓展了服務對象、擴大了設計空間、簡化了設計流程、縮短了設計周期、降低了設計成本。虛擬實驗室的開發具有眾多優勢，作為走在時代最前沿的教育工作者，應該積極地把虛擬化技術運用到實驗室開發中，把握時代脈搏，發揮虛擬實驗室在新時代教學和科研中的巨大作用及價值。

[1] 陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備,2010(17):107-109.

[2] 宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理,2005,22(1):35-37.

[3] 翟旭峰,朱杰杰,潘志庚.3DSMAX建模及其在虛擬現實中的應用[J].計算機仿真,2004,21(4):94-97.

[4] 梁智杰,李眾立.VR-Platform校園漫游系統研究與實現[J].計算機仿真,2010,9(1):122-124.

[5] 李仁發,周祖德,李方敏,陳幼平,彭歡宇.虛擬實驗室網絡體系結構研究[J].系統仿真學報,2002,14(3):359-362.

[6] 張剛,羅小華,賀利芳.構建網絡虛擬實驗室技術研究[J].實驗室研究與探索,2008,27(3):55-58.

[7] 許福東,陳義,周紅貴,周思.理論力學創新教育中虛擬實驗室開發初探[J].實驗室研究與探索,2010,12(7):107-109.

[8] 楊建良.基于Web的遠程教育網絡在線虛擬實驗室的設計[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):87-90.

[9] 蘇學軍,趙媛,張紀磊,江炎蘭.基于Web的三維仿真虛擬實驗室構建[J].實驗技術與管理,2011,28(8):183-185.

Exploitation of metal welding virtual lab

Jin Tao, Lei Yi
China university of petroleum, Qingdao, 266555, China

2012-02-21

金濤，博士，講師。

中國石油大學校級教學研究與改革重點項目(編號：JY-A201005)。

(責任編輯/安健)