虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)械制圖課程中的應(yīng)用

張海明，陳偉珍

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)械制圖課程中的應(yīng)用

張海明，陳偉珍

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

使用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，開發(fā)動態(tài)VRML機(jī)械制圖模型替代傳統(tǒng)的木頭實物模型來輔助教學(xué)。動態(tài)VRML模型可實現(xiàn)可視化3D交互操作，有利于教師授課，有利于學(xué)生課后學(xué)習(xí)和提高學(xué)習(xí)效率。

虛擬現(xiàn)實；機(jī)械制圖；VRML

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）也稱人工環(huán)境或靈境技術(shù)，是近年來發(fā)展起來的高新技術(shù)。所謂虛擬現(xiàn)實就是利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者身臨其境，獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，可以實時觀察三度空間內(nèi)的事物。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展到今天，已成為國內(nèi)外當(dāng)前研究熱點之一，并且已廣泛地應(yīng)用于軍事、建筑、娛樂、航空、航天、體育、醫(yī)學(xué)以及教育等多個領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域里，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種嶄新的教學(xué)媒體，給教育領(lǐng)域注入新的生機(jī)與活力。

1.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)課程的步驟虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)課件的關(guān)鍵技術(shù)在于虛擬環(huán)境建模技術(shù)和交互控制技術(shù)。其中，虛擬教學(xué)環(huán)境建模技術(shù)建立在三維模型創(chuàng)建基礎(chǔ)之上，常用的工具有3DMAX、UG、CATIA、Pro/e和SolidWorks等專業(yè)建模軟件。而開發(fā)整個三維環(huán)境的交互控制能力的技術(shù)常有VRML、OpenGL、Cult3D等。

依據(jù)上述兩個過程、兩類技術(shù)的不同組合，結(jié)合我們的實際條件和課件自身的需求。我們在機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的開發(fā)中采用的是UG+VRML的方案。具體的開發(fā)步驟如下：

首先在UG軟件中創(chuàng)建三維CAD模型。

然后采用VRML網(wǎng)頁交互技術(shù)制作交互場景，把在UG軟件中建立的三維模型轉(zhuǎn)換成為能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸、瀏覽、操作和信息交互的網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)模型還需具備機(jī)械制圖課程教學(xué)過程中常用的投影、剖切、裝拆等表達(dá)手段。

最后在SpinFire Pro平臺中進(jìn)行信息協(xié)同、媒體交互合成。

2.VRML在機(jī)械制圖模型開發(fā)中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language）簡稱VRML，是一種用于建立虛構(gòu)的三維世界或者真實世界的場景模型的場景建模語言。近些年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對VRML在機(jī)械制圖上的應(yīng)用進(jìn)行了較多的研究。

在機(jī)械制圖模型中的應(yīng)用VRML網(wǎng)頁交互技術(shù)，制作動態(tài)可視化3D交互機(jī)械制圖模型替代實物模型，革新了機(jī)械制圖的教學(xué)手段，有利于更好地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。制作機(jī)械制圖動態(tài)VRML網(wǎng)絡(luò)模型的步驟如下。

（1）實體建模和渲染。實體建模可以選擇的三維CAD建模軟件有很多，我們選擇目前比較流行的UG軟件，按照實體的實際形狀尺寸創(chuàng)建三維CAD模型。然后通過渲染給三維CAD模型設(shè)計合理的光源，添加一些紋理和材質(zhì)等，使三維CAD模型具有更好的現(xiàn)實視覺效果。圖1所示為腳輪總成的CAD建模和渲染的效果圖。

圖1 腳輪CAD建模和渲染

圖2 腳輪靜態(tài)VRML模型

（2）靜態(tài)VRML轉(zhuǎn)換。可以使用UG軟件具有的轉(zhuǎn)換功能，將上一步所創(chuàng)建的添加了紋理和材質(zhì)等渲染效果的實體模型轉(zhuǎn)換成為可以在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸和瀏覽的靜態(tài)VRML可視化模型，靜態(tài)VRML模型只能實現(xiàn)一些旋轉(zhuǎn)、縮放等簡單功能，對制圖教學(xué)的幫助非常有限。圖2所示為腳輪總成的靜態(tài)VRML實體模型。

（3）動態(tài)VRML設(shè)計。為了更好地輔助教學(xué)，我們必須把靜態(tài)的VRML模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成可以實現(xiàn)動畫、拆裝等效果的動態(tài)VRML可視化交互模型。這個轉(zhuǎn)換可以使用一些VRML編輯軟件對靜態(tài)VRML模型進(jìn)行功能擴(kuò)展設(shè)計來實現(xiàn)，我們所采用的編程語言是一種基于時間軸動畫的腳本語言。

如圖3所示是進(jìn)行了擴(kuò)展設(shè)計之后的腳輪總成動態(tài)VRML文件，它可以實現(xiàn)動態(tài)的閥體拆卸。為幫助學(xué)習(xí)者熟悉拆卸的過程、工具以及注意事項，設(shè)置了一些相關(guān)的問題要求學(xué)習(xí)者回答。在測試模式引入游戲功能，寓教于樂，增加了趣味性；并設(shè)計了評價功能，學(xué)習(xí)者完成測試之后系統(tǒng)自動給出學(xué)習(xí)狀況和分?jǐn)?shù)。這些設(shè)計將大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

圖3 腳輪的動態(tài)VRML網(wǎng)絡(luò)模型

（4）網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。將動態(tài)VRML文件上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在互聯(lián)網(wǎng)上以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行發(fā)布，使用者在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入網(wǎng)址即可對三維動態(tài)VRML的實體模型進(jìn)行交互操作。

圖4 “.3D”格式的網(wǎng)絡(luò)模型

二、信息交互協(xié)同技術(shù)在制圖模型中的應(yīng)用

目前常用的基于WEB的2D/3D CAD信息可視化交互協(xié)同技術(shù)的平臺有SpinFire Pro、E-drawing等。

本文采用了SpinFire Pro平臺，這個平臺上可以進(jìn)行供各種CAD格式文件的輸入，使用者無須安裝專門的CAD軟件即可直接開啟各種CAD格式的圖形文件，而且可以輸出能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸?shù)摹⒏邏嚎s比的3D文件。此外，這種3D文件還保留了原CAD文件所具有的主要操控性質(zhì)，如縮放、旋轉(zhuǎn)、投影、測量、剖切、拆裝等。這樣的機(jī)械制圖模型完全包括了機(jī)械制圖所需要的各種表達(dá)手段，可以充分滿足教學(xué)的實際需求。如下圖4所示是曲軸的“.3D”格式的網(wǎng)絡(luò)模型文件。

三、結(jié)語

綜上所述，使用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺提供了一種融侵式的三維學(xué)習(xí)環(huán)境，非常方便開展網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，節(jié)約了教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效率，從而使教學(xué)的效果大大改善。

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G712

A

1674-9324（2014）20-0197-02

廣西高等教育教學(xué)改革工程項目《基于工作過程“雙線并行”的高職學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的研究與實踐》（2012JGB341）。

張海明（1981-），男，碩士研究生，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，講師，研究方向：機(jī)電類專業(yè)教學(xué)；陳偉珍（1963-），女，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：機(jī)械制造、工程圖學(xué)教學(xué)。