虛擬現實技術在電梯機械結構教學中的應用

謝飛

【摘要】本文以電梯限速器為例，介紹了基于3Dmax建模和Converse3D虛擬現實軟件的電梯下擺式凸輪棘爪式限速器三維虛擬展示互動課件的制作過程。

【關鍵詞】3Dmax；三維展示；虛擬現實；計算機仿真

引言

隨著技術的發展，教育教學的手段在不斷的換代更新，從傳統的黑板板書，到膠片幻燈片，再到基于PPT或其他制作軟件的多媒體動畫課件展示，生硬的課本文字和圖表描述變得越來越豐富，生動和易于理解。然而，虛擬現實技術更是將課堂帶入引人入勝的虛擬世界體驗。它的逼真的三維立體模型與場景，具有沉浸感的動態交互效果是幻燈或普通計算機動畫不可比擬的。

電梯的限速器、安全鉗等機械結構形式多樣，設計巧妙。而它們的結構和動作過程用語言較難描述。僅使用結構圖也較難讓學生有直觀的印象。因此，在這里我們以下擺式凸輪棘爪式限速器為例，嘗試將虛擬現實技術應用于課堂教學，力圖在沒有條件使用實物的情況下，將文字或插圖的描述表現的更為真實和直觀和便于理解接受與記憶。

一、限速器模型與動畫的建立

3Dmax是廣泛用于影視動畫、廣告、工業設計、游戲和教學展示的三維渲染軟件。此外3Dmax可以方便的導出虛擬現實軟件Converse3D使用的模型文件。在3Dmax2012中，我們使用路徑放樣、布爾運算、多邊形編輯等工具建立了限速器的模型，并賦予適當的材質，如圖1所示。

建模完成后我們對它進行關鍵幀動畫的制作，制作的方法類似于Flash。先指定關鍵幀，然后在關鍵幀中調節制動輪、彈簧和擺桿的位置，再由計算機自動生成中間幀的動作過程。

二、互動設計

3Dmax只能對模型或制作好的動畫進行渲染，而不能實現實時的人機互動。所以，互動效果我們在Converse3D軟件中設計制作。Converse3D虛擬現實引擎是由北京中天灝景網絡科技有限公司研發的三維虛擬現實平臺軟件，廣泛的應用于城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、娛樂藝術與教育等行業。可實現虛擬培訓、虛擬裝配、虛擬生產線等功能。在Con-verse3D環境中我們可以進行虛擬漫游，或對展示對象進行虛擬操作。這里我們讓學生可以自由的放大，縮小，旋轉甚至拆分和組裝虛擬機械的任何部分。從而達到多角度直觀的觀察和分析結構和動作。

我們將這個虛擬環境課件打包生成.EXE執行文件，使虛擬環境課件的使用不受運行環境的約束，可以拷貝在任何計算機上，雙擊運行展示文件。如圖2和圖3所示。

三、總結

電梯是一部機械電氣緊密結合，內部機構相當復雜的機電設備。然而，我們將虛擬現實這一技術應用在電梯機械結構的教學實踐當中，可以讓學生理解書中文字甚至靜態圖片難以表達清楚的機械部件內部結構與動作過程。與傳統的多媒體動畫不同的是，在虛擬世界當中，同學可以通過鼠標的拖拽，按照自己的觀察意愿任意操縱虛擬世界當中的機電設備以觀察其反應。

此外，虛擬現實技術的使用也讓我們不必購置昂貴的實驗實訓設備或實物模型。即使擁有實驗實訓設備，虛擬的訓練也可減少和避免實驗實訓設備的損壞、訓練材料的消耗，有效節約教育成本，更不會因操作失誤而造成人身事故。相信虛擬現實技術在教學中將會發揮不可替代的作用。