基于虛擬現(xiàn)實技術的產品結構模型交互系統(tǒng)的構建

章 文 （廣東第二師范學院美術學院 510310）

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基于虛擬現(xiàn)實技術的產品結構模型交互系統(tǒng)的構建

章 文 （廣東第二師范學院美術學院 510310）

摘要：本文探討了基于虛擬現(xiàn)實技術的產品結構模型交互系統(tǒng)的構建，整個系統(tǒng)包括產品結構理論和案例模塊，產品結構模型展示模塊和產品結構模型交互模塊，利用三維造型軟件對系統(tǒng)模型進行建模，并導出成VRML格式的文件；然后利用VRML事件體系和Javascript程序語言來定義交互過程；最后，通過網頁插件實現(xiàn)基于Web3D的產品結構模型的實時展示和拆裝演示的交互設計。該系統(tǒng)憑借其沉浸感、體驗感和低成本等優(yōu)勢，能夠很好的滿足該課程的學習需求，將枯燥的知識直觀化、形象化和系統(tǒng)化，引發(fā)學生的學習興趣，進而啟發(fā)引導學生對產品的結構進行改良和創(chuàng)新設計。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；產品結構原理；交互設計；Web3D

一、引言

據(jù)調查，國內目前開設產品設計專業(yè)的高校中，對于《產品結構設計》的教學，主要以機械結構原理的講授為教學內容，存在機械結構原理與具體的產品造型相脫節(jié)等問題，使學生無法建立系統(tǒng)完整的設計概念。另外，藝術類院校設計專業(yè)的學生由于數(shù)理化知識較薄弱，思維方式偏重感性思維，對枯燥的機械概念講授較為排斥，更加達不到教學效果。因此，《產品結構設計》的教學方法有必要回到產品設計的本質——以物為載體，解決人與物的關系問題上來，從具體的產品實體的結構和工作原理分析入手，將枯燥的知識直觀化、形象化和系統(tǒng)化，引發(fā)學生的學習興趣，進而啟發(fā)引導學生對產品的結構進行改良和創(chuàng)新設計。

實踐教學中必然要運用產品結構模型進行分析講解，而手板模型按產品的規(guī)格、復雜度、外觀精度要求、裝配要求的不同，價位在幾千元到幾萬元不等，建立一個多品類的產品實體模型庫的造價較高，對于辦學資金有限的學校難以實現(xiàn)。而計算機輔助設計技術的發(fā)展有助于我們來構建虛擬實踐交互平臺：通過三維軟件Solidworks、Web3D技術和虛擬現(xiàn)實技術對產品進行三維建模，構建產品結構模型虛擬交互平臺，使學生較為直觀的認識產品形態(tài)和結構設計等內容，以較低的教學成本實現(xiàn)最優(yōu)化的教學效果。

二、基于Web3D的虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環(huán)境的感受和體驗。隨著Internet技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術也逐步運用到互聯(lián)網中，目的在于在互聯(lián)網上構建三維虛擬世界。基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱作桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是利用個人計算機或初級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，應用各種外部設備來對虛擬環(huán)境進行操作。它要求操作者使用鼠標等，通過屏幕觀察360°范圍內的虛擬環(huán)境，并且可以進行交互操作。這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)憑借沉浸感、體驗感和低成本等優(yōu)勢，在教育教學中得到了更多的關注和應用，例如基于Web3D的虛擬校園、虛擬圖書館、虛擬課堂和虛擬實驗室等。特別是隨著移動網絡的普及，它將在移動虛擬學習領域占據(jù)重要的位置。

三、基于虛擬現(xiàn)實技術的產品模型交互系統(tǒng)

1.系統(tǒng)功能和實現(xiàn)思路

教學過程中最重要的是如何將產品結構知識信息的呈獻與實體產品相結合，并具有靈活多樣的教學交互方式。因此，本文探討如何構建基于虛擬現(xiàn)實技術的產品模型交互系統(tǒng)，學生通過使用產品模型交互系統(tǒng)，不僅可以從3D產品模型資源中接受到全面、直觀的知識信息，還可以在交互過程中體驗到更多的趣味感。本系統(tǒng)的功能模塊包括：產品結構理論和案例模塊，使用戶能學習到產品結構的基礎知識；產品結構模型展示模塊，為用戶提供三維的、動態(tài)的虛擬產品結構模型；產品結構模型交互模塊，用戶能夠遠程瀏覽產品結構模型，并進行簡單的交互操作，系統(tǒng)的交互過程如圖1所示。

根據(jù)交互系統(tǒng)的主要功能模塊的要求，交互系統(tǒng)的設計思路為：利用Solidworks、Pro-E等三維造型軟件對系統(tǒng)模型進行建模，并將產品模型導出成VRML格式的文件；然后通過VrmlPad對VRML格式的產品模型進行編輯，利用VRML事件體系和Javascript程序語言來定義交互過程；最后，通過Cosmo Player插件實現(xiàn)基于Web的可交互操作的產品結構模型的實時展示和拆裝演示的交互過程。

2.基于VRML的虛擬系統(tǒng)模型生成

根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求，本虛擬交互系統(tǒng)的模型可分為建筑、環(huán)境和產品模型三類。其中建筑模型主要是指靜態(tài)的廠房模型；環(huán)境模型包括工作臺、吊燈、工業(yè)風格的廠房內部裝飾等；產品模型包括可拆裝的和不可拆裝的產品結構模型。建模的過程如下：首先通過Pro-E或Solidworks等三維軟件得到產品結構模型，通過3DMax得到建筑模型和環(huán)境模型；然后對建筑、環(huán)境和產品模型進行渲染，結合材質庫賦予各個模型合適的紋理貼圖，使模型具有逼真的效果；將模型轉換成VRML格式，以便實現(xiàn)下一步的基于VRML事件設置的交互設計。

3.虛擬系統(tǒng)的產品模型交互設計

VRML的動態(tài)交互設計主要是依賴傳感器機制實現(xiàn)的，通過實時感知到鼠標對于三維模型的操作和控制變化，促使其他部件進行相應的反饋處理。接觸檢測器（Touch Sensor）是一種基本的檢測器，也是使用最為頻繁的檢測器之一。它能夠感知多種變化，包括替身的位置變化，鼠標點擊事件，視角變化等信息。虛擬產品交互系統(tǒng)的事件是由瀏覽者點擊某個TouchSensor節(jié)點，如開門、產品拆裝等，產生相應的輸出事件。其中，最重要的部分是產品模型拆裝的交互過程，整個過程的事件為：通過鼠標點擊觸發(fā)TouchSensor事件，然后傳遞isActive=True的屬性值，引發(fā)EventIn事件，執(zhí)行ROUTE命令，根據(jù)時間指令引發(fā)EventOut事件。整個虛擬產品交互系統(tǒng)的VRML事件如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)的VRML事件

4.虛擬產品模型的WEB展示頁面構建

虛擬產品模型交互系統(tǒng)是為《產品結構原理》課程教學而服務的，該課程通過教學網站展示學習資源和展開教學活動，如通過教學網站的知識庫、案例庫和實踐練習庫整合和共享豐富的課內外的教材和輔導內容；以文字、圖像、聲音、動畫、視頻等多種形式傳播教學內容和案例內容，提升教學的表現(xiàn)力；基于網絡化的虛擬現(xiàn)實技術構建產品結構模型的虛擬實踐平臺，突破遠程虛擬教學的時空限制，提供豐富的多媒體學習資源、逼真的實體和場景模擬、全面的感官沉浸和實時豐富的交互體驗。

利用HTML的embed元素可實現(xiàn)VRML和HTML的結合，在教學網站嵌入3D場景和產品模型。embed元素能夠在網頁上嵌入任何類型的文檔對象，用戶瀏覽網頁時，需要在自己的計算機上安裝正確查看相應數(shù)據(jù)類型的應用程序。用戶通過設置embed元素的SRC、ALIGN、BORDER、WIDTH及HEIGHT等屬性可用來指定嵌入網頁的文件名稱、尺寸、文本的對齊方式、邊框等。例如將在一個HTML平面網頁中產生400x500大小的文件名為“chuizi”的VRML三維模型文件。

四、結語

傳統(tǒng)的計算機三維模型只能提供360度旋轉瀏覽，在一定程度上展示產品的整體外觀或內部結構，而本系統(tǒng)提供的基于VRML等虛擬現(xiàn)實技術設計的交互模型改變了學習者與學習資源之間的關系，使得產品結構教學能夠注重教師-知識原理-產品模型-學生之間的互動關系，提升了理論知識學習的可見性和趣味性。

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