基于不同引擎的機械基礎仿真實驗室方案比較

鄭耿樂

摘 要：總之運用虛擬現實技術模擬真實實驗的計算機教學平臺都將采用參數化建模和運動過程仿真技術在計算機上建立虛擬實驗室環境，提供可裝配的常用零部件、傳動機構和常用設備，使學生能夠直觀的觀察元件的內部結構并且能夠親自動手完成虛擬裝配。

關鍵詞：機械基礎；引擎；實驗室

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）15-020-01

近幾年來，隨著職業教學改革的不斷深入對學生解決工程實際中遇到的裝備出現的各種問題的有了更高要求。傳統的實驗教學手段已經不能滿足新形勢下的教學要求，從而面臨諸如實驗室建設費用高昂、教員指導難以到位、教學目標難以落實等具體困難。常用零部件、傳動機構運動復雜，機構抽象，大多數學生并沒有見過真正的實物和設備，在理論課程中很難讓學生完全明白其運動原理和結構，導致教學目標難以落實，對專業課程的開展沒有起到最佳的支撐。

針對上述傳統實驗教學中存在的教學方法單一、知識學習和實驗動手操作相互分離，學生缺乏學習主動性和創造性等問題，通常采用虛擬仿真實驗室來來進行課題實驗教學。隨之3D技術的不斷發展可選用的3D引擎越來越多，下面就筆者在以往項目開發中使用的兩種3D引擎——unity3D和Vega Prime來談談機械基礎虛擬仿真實驗室的設計方案。

一、基于Vega Prime引擎的設計方案

Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司推出 最新虛擬現實開發工具、具有面向對象、功能強大、界面友好、平臺兼容性好等特點。Vega Prime是一個應用程序編程接口（API），它大大擴展了Vega Scene Graph，也是一個跨平臺的可視化模擬實時開發工具。它由Lynx Prime圖形用戶界面配置工具、C++頭文件可調用函數以及Vega Prime庫三部分組成。Vega Prime的功能還可以被其他特殊功能模塊所擴展，這些模塊在擴展用戶接口的同時，也為應用開發提供了功能庫。

基于Vega Prime虛擬實驗室方案流程圖如圖1所示。

方案一采用MultiGen Creator完成所需模型的建立，然后采用Visual C++ 編程驅動、控制Vega Prime場景中的模型。MultiGen Creator是一個強有力的、集為一體的套裝軟件，其長處是用來開發諸如大地、海洋、天空等視景仿真數據庫。對于機械基礎仿真實驗室系統所需要的諸如發動機、變速器、差速器等機械裝配體模型建模比較困難。

二、基于unity3D的設計方案

Unity3d是Unity Technologies開發的一款跨平臺虛擬仿真開發工具，是一個全面整合的專業三維引擎。該引擎支持DirectX和OpenGL擁有高度優化的圖形渲染通道，支持所有主要三維文件格式，并能和大部分相關應用程序協調工作。運用C#編寫的腳本可以靈活實現多種虛擬仿真應用。基于unity3D的虛擬仿真實驗室設計方案如圖2所示。

采用方案二最大的好處是支持AutoDesk 3ds Max制作導出的模型（*.fbx），常用機械設計軟件諸如UG、solidworks以及proE主要優勢在于參數化建模，使用它們制作的模型由于拓撲結構太亂、面數太多等原因基本不能在unity3D中直接使用。采用3ds Max制作的模型即可逼真反映機械零部件機構特點同時還可以方便的制作出原理、拆裝動畫，并且在unity3D中可以直接通過程序調用已經制作好的動畫。因此可以極大縮短項目開發周期。因此可以極大縮短項目開發周期。

三、其它類型引擎的方案

適合開發虛擬實驗室的引擎很多，如果是有程序開發基礎的，建議選擇OSG、OGRE等開源虛擬現實平臺。 OpenSceneGraph（簡稱OSG）使用OpenGL技術開發，是一套基于C++平臺的應用程序接口（API），它讓程序員能夠更加快速、便捷地創建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。特別是OSG支持骨骼動畫、關鍵幀動畫等各種流行的動畫，它可以把3DMAX建立的動畫模型轉化成OSG格式導入到項目中進行控制，從而極大加快開發速度。

總之運用虛擬現實技術模擬真實實驗的計算機教學平臺都將采用參數化建模和運動過程仿真技術在計算機上建立虛擬實驗室環境，提供可裝配的常用零部件、傳動機構和常用設備，使學生能夠直觀的觀察元件的內部結構并且能夠親自動手完成虛擬裝配。學生通過裝配和裝配后的元件選擇、虛擬搭接機構的工作過程有直觀深入的認識，從而提高對工作原理的理解，繼而提高學生任職能力。具體采用何種方案還需要根據還需參考模型制作任務以及程序開發的開發習慣。endprint