工程圖學虛擬實驗系統的研究與開發

張宏，王盼盼，曹杏

（太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

引言

由于《機械制圖》課程的特殊性，大量模型動畫構成了《機械制圖》課件的主體。而以往課件中的動畫一般由開發者提供的，動畫一旦做成之后，就不能修改，學習者只能被動地從頭到尾看完，只能瀏覽式學習，缺乏交互性[1]。應用三維建模軟件結合多媒體技術，建立制圖虛擬模型教學平臺，為培養學生的空間想象能力、空間思維能力、動手能力、觀察能力、自主性學習能力、創新能力和工程意識提供了極大的便利, 達到降低教學成本，減小教學難度，提高教學質量的目的[2]。隨著計算機和網絡技術的不斷發展，虛擬現實技術在遠程教育中的作用越來越受到關注，因為它能夠彌補教學條件的不足，為學生提供生動、逼真、自然、親切的學習環境[3]。

1 虛擬現實技術簡介

虛 擬 現 實VR（ Virtual Reality） 技 術 是 以 沉 浸（ Immersion） 、 交 互 性（ Interaction） 、 想 象 性（Imagination）即三“I”特性為代表，集成綜合了計算機圖形學技術、人工智能、顯示技術、傳感器技術、網絡并行處理與多媒體技術等最新研究成果的第三代模擬仿真系統。該系統主要由高性能虛擬環境處理計算機、輸入設備、應用處理軟件系統、演示設備等組成。利用該技術可以方便地創建各種虛擬的三維場景及三維實物模型，且可根據要求為其增加動畫、聲音等，使人在虛擬環境中漫游（walk through）達到“身臨其境”的效果[4]。

目前廣泛應用的虛擬現實VR（Virtual Reality）技術開發平臺主要有VRML技術、Quest3D技術、Cult3D技術、Virtools技術、Shout3D技術、Viewpoint技術、EON技術等，由于EON功能強大且含有專用機械類CAD模塊，支持主流機械三維建模軟件的文件輸出格式；節點庫內容豐富，通過不同節點組合連接即可實現交互設計；支持Java Script與VB Script節點語言可方便進行二次開發[5]。則可利用EON技術結合工程制圖的特點及要求，開發一套滿足教學使用要求的工程制圖虛擬實驗系統，從適用范圍與功能要求看該實驗系統具有以下特點：

1）實驗內容豐富，開放性強?？筛鶕n程要求建立涵蓋工程制圖教學內容的大部分實驗，系統內部模型可適時擴展、修改、刪減，滿足新的教學需要。

2）操作簡便，交互性較強。虛擬實驗系統內的三維模型造型逼真，立體感強，學生可實時控制實驗模型對其放大、縮小、旋轉、剖切、拆分等操作，可動態觀察實驗過程提高實驗效果。

3）具有實驗指導功能，不受時間及地域限制，系統對學生開放隨時訪問。使學生不受時間和地點的限制，主動地根據自己的要求選擇實驗模塊增強了學習興趣。

2 工程制圖虛擬實驗系統的構建

2.1 工程制圖虛擬實驗系統的總體結構

工程制圖虛擬實驗系統的組成內容與功能應包含該教學環節的主要部分，在實驗設計中使系統內模型具備參數調控功能，不僅可做基本的認知實驗還可做一些組合體設計與整機拆裝實驗，由教學與實驗的要求、內容、目的等可知系統總體結構層次框架模型，如下頁圖1所示。

圖1 工程制圖虛擬實驗系統總體結構

2.2 模型數據庫的建立

EON支 持 大 多 數3D文 件 格 式 如*.sat、*.par、*.dxf、*.iges、*.igs、*.wrl等，對于實驗系統中需要涉及的二維及三維圖形可通過專業的機械造型軟件建立模型數據庫[4]，但由于格式問題直接導入EON后模型坐標變化，致使導入后的模型位置調節繁瑣且進行旋轉等復雜運動變換時會出現錯誤動作。同時工程CAD軟件無材質圖形文件，無法將其模型表面材質在EON內加載，需在EON內另外附加操作復雜。由于EON對3DSMAX提供了專業的導出插件，為避免上述模型直接導入時出現的問題，可將模型導入3DSMAX中進行材質設置與渲染、運動軌跡設置，最后將模型場景文件輸出為*.eop和*.eoz格式導入EON進行交互制作，如圖2所示。

圖2 系統模型數據庫的建立流程

2.3 虛擬場景與操作演示

2.3.1 虛擬場景的實現

模型庫組建完成后，建立虛擬場景時為減小文件大小，其具有交互功能的界面提示按鈕使用2D圖片格式并添加2DImage節點制作；同時實驗系統涉及的文本提示，根據要求不同采用添加TextBox與ToolTip節點實現，在執行程序中使用的彈出菜單可利用圖片節點結合鼠標響應制作或直接采用PoupMenu節點制作?？赏ㄟ^采用鼠標點擊2D圖片按鈕或延長其在模型上的停留時間來顯示文本幫助信息，實現系統的智能交互功能。

2.3.2 虛擬操作演示

工程制圖虛擬實驗系統涉及的實驗內容需考慮模型參數控制、模型位置變換等操作，如模型縮放變換矩陣采用如下式(1)所示[6]。

式中：（XA、 YA、 ZA） 為變換前坐標，（XB、 YB、 ZB）為變換后坐標，設置變量S（0＜S＜1）將其與滑動桿節點相聯，同時為該節點添加模型的起始值、終止值、顯示位置等，再加入腳本節點并在其內部建立滑動桿輸入、輸出函數，通過編程語言計算模型沿軸向的縮放比例并將結果由輸出函數輸出，即可通過滑動桿調節控制模型的縮放比例。

部件拆裝實驗是對工程制圖課程的基本知識內容的實際應用，通過實驗可使學生初步了解所涉及的部件的工作原理。則可通過設置鍵盤響應來建立部件自動拆裝實驗幫助學生建立整機模型的概念，使其對所學的知識系統化不再將知識點孤立看待，通過設置鼠標響應建立手動虛擬部件拆裝實驗來加深學生對其工作原理的理解。圖3為其手動虛擬部件拆裝流程。

圖3 手動拆裝流程圖

3 結語

本系統利用機械三維設計軟件與3DSMAX，并結合虛擬現實EON技術開發平臺，設計了一套工程制圖虛擬實驗系統。針對系統包含的認識立體、投影理論、立體的截交與相貫、組合體設計、虛擬部件拆裝五大模塊，分別選取典型模型建立交互式操作實驗界面，克服了傳統實驗教學的不足，方便學生自主選擇訓練模型，取得了良好的效果，極大地促進了工程制圖教學的發展。

[1] 張維中.虛擬現實技術在遠程制圖軟件中的應用[J].計算機工程與應用,2002(13):133-135.

[2] 唐永芬,王斌.基于Web的《工程制圖》虛擬教學平臺的實現[J].西昌學院學報(自然科學版),2012,26(4):40-42.

[3] 瞿暢,王君澤,曹紅蓓.Web3D技術及其在工程圖學教學中的應用[J].工程圖學學報,2006(2):150-154.

[4] 姜學智,李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報,2004,23(2):238-240.

[5] 王 嵐,劉 怡,梁 忠 先.虛 擬 現 實EON Studio應 用 教 程[M].天津:南開大學出版社,2007:1-25.

[6] 王振武.計算機圖形學基礎[M].北京:清華大學出版社,2011:79-180.