虛擬現實建模在構建機電虛擬實驗室中的應用

摘 要：機電類課程實踐性很強，遠程教學模式中如何順利完成實踐環節是工科教學面臨的難題。本文提出構建基于C/S模式下虛擬機電實驗的解決方案，通過實例討論了利用VRML語言制作三維交互式實驗的具體實現途徑。

關鍵詞：虛擬實驗室 遠程教育 虛擬建模 VRML

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）09（b）-0154-02

當今社會網絡的充分發展，改變了傳統的教學模式，因學習能夠不受時空限制，遠程教育已成為廣受歡迎的新型教學模式。工科專業如何適應遠程教育成了亟待解決的新課題。眾所周知，工科教學實踐性強，遠程教學中，開發網絡實驗室必不可少。網絡實驗室提供虛擬的實驗設備，讓學習者通過網絡瀏覽器，按照一定的實驗步驟，完成某種專業實驗，從而達到專業訓練的目的。本文將研究如何利用虛擬現實建模語言在進行建模，構建遠程網絡實驗室。

1 機電虛擬實驗室的構建

虛擬現實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是目前網絡上三維網站制作的主流語言，它的突出優點是交互式、具有平臺無關性等特點，可以幫助人們建立模擬真實世界的場景模型或虛擬三維環境場景建。

機電虛擬實驗室是基于Web技術、VR虛擬現實技術，為機電專業相關課程的遠程教學構建的開放式網絡虛擬實驗教學系統，將部分教學實驗室的數字化和虛擬化，包括實驗室環境、實驗設備儀器、實驗對象、實驗信息資源等。例如，《電工學》課程實驗當中，學習者通過選取虛擬元器件搭建電路，檢測電路輸出，使其對電路的設計、元器件的功用等有更深認識；《機械制造技術》課程實驗可以選取相關機構虛擬部件，進行機械總體的搭建，從而讓學習者掌握機床的相關構成。通過虛擬的實驗室進行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結構原理和不可重組的精密設備進行仿真實訓，避免真實實驗操作帶來的各種危險。

VRML的訪問方式基于C/S模式，它用文本信息描述三維場景，在網絡上傳輸。服務器提供VRML文件，客戶通過網絡下載希望訪問的文件，通過本地平臺的瀏覽器（Viewer）對該文件描述的VR世界進行訪問，并根據VRML規范在本地機上解釋生成三維場景。文本描述的信息在網絡上的傳輸比圖形文件迅速，同時把復雜的處理任務交給本地機從而減輕了網路的負荷。正是這種優勢，才使VRML在網絡應用中有很快的發展。

2 VRML虛擬設備開發實例

《數控機床概論》課程是機電專業的一門傳統課程，因設備大而且貴，傳統知識展示只有文字、圖紙和圖片，因機構相對復雜，學習者往往覺得晦澀難懂。為了更形象和直觀闡述這部分知識點，現使用VRML來實現虛擬機床部件結構和裝配的輔助實驗教學。開發機床各個部件的基本步驟如下：

（1）基本造型。制作一系列空間形體的三維造型和動畫，并且為這些造型指定所需要的顏色、大小等特性參數；利用VRML的造型設計和VRML Script的動畫鏈接虛擬出組裝機床所需的主要硬件，將VRML文件嵌入到網頁。

（2）建立虛擬運動空間，引入VRML的相關節點，實現基于三維的實驗室模擬功能。通過VRML的動畫節點控制和VRML Script的結合。制作出安裝、注釋和視點切換的效果。

（3）VRML場景優化，在構建場景的過程中，利用VRML提供的高級造型技術適當優化。

在網絡學習中，學習者通過瀏覽器，可將隨意旋轉的三維的虛擬硬件模型，與教材中的二維圖片信息進行對比和參照學習，加深對知識的理解和掌握。在學習的過程中，只要按相應的步驟點擊相應的按鈕，拖動鼠標或按鈕可以隨意地移動機床組件到指定的位置進行安裝。學習者根據裝配指示，按照安裝步驟完成機床床身、導軌、工作臺、刀具等部件的組裝。通過VRML Script語言的鏈接。制作出生動有趣的動畫效果和逼真的聲音效果。例如，搖動手輪，工作臺托架就會滑動，甚至還可設計馬達轉動時的聲音，使學習者能動態地觀看到效果。有一種身臨其境的感覺來完成學習的過程。

2.1 基本造型

基本造型是通過VRML文件來對三維部件進行描述的。VRML文件一般有四個主要成份：VRML文件頭、原型、造型和腳本、路由。并不是所有的文件都包括這些要素，唯一必須的是VRML文件頭。VRML文件包含描述機床組成部件的空間造型及屬性節點。單個節點描述造型、顏色、光照、視點、以及造型、動畫定時器、傳感器、內插器等的定位和朝向等。

以下為一個機床工作臺建構架構：

Group { # 定義工作臺

children [它描述一個幾何形狀及其顏色等特征

Shape { #定義幾何體方盒節點

geometry Box { ... } # 長方體

} # Shape定義結束

] # children定義結束

} #Group定義結束

機床工作臺相當于一個大組件Group，在此組節點范圍之內定義工作臺的所有幾何等形體要素，具體的小零部件，用子域來進一步定義，這樣就可以把虛擬場景組織成條理清晰的樹形分支結構。

2.2 機構部件的動畫效果

為了使虛擬空間具有動感，需要設計相關部件的運動。VRML中的動畫產生是由于變動了任何一個坐標系的位置、方向和形體比例，從而使物體按你所想的方式飛行、平移、旋轉或按比例縮放。可以通過在構造指令中定義相關綁定指令，通過綁定多個節點，創建多個路由，從而使虛擬實驗室空間具有更為逼真的動感。

下面用機床上手輪的旋轉運動作為實例進行說明。當手輪受到碰觸后，就會連續轉動，我們先建立一個時間檢測器節點，來實現啟動和定制轉動的動畫，而隨時間變化的旋轉動作可用腳本節點或方向插補器節點實現。

由程序可知，手輪包含兩個子節點，前者定義它的形態為一個環形，后者把它定義成接觸檢測器。旋轉值指定的初始值是“1 1 1 0”，分別定義旋轉軸、旋轉角的初始狀態。

為了使手輪連續旋轉，需要使用時間檢測器來等間隔連續發送的時間序列，并以此觸發驅動手輪旋轉事件。

DEF ticker TimeSensor {

cleInterval 0.1

loop TRUE

enabled FALSE

}

這個時間檢測器用于啟用和停用時間檢測器，這一狀態可以被修改。由程序可知，啟用的時間檢測器每隔0.1秒送出一個事件，以此觸發轉動事件，即每0.1秒調用一次驅動函數，從而驅動手輪連續旋轉。

3 結語

實踐環節實現是遠程教學模式中的難點，三維虛擬實驗具有先進性和共享性，能在一定程度上滿足教學的需求。本文利用VRML語言研究開發虛擬機電實驗室，通過具體案例，對虛擬設備建模過程進行了剖析，為遠程教育模式下工科課程的部分實踐環節提供了有效的解決途徑。

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