成海濤，武國祥

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330013）

1 引 言

《機械制圖》課程是機械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的實驗環(huán)節(jié)主要是通過觀察模型繪制三視圖，對零部件進行測繪等，這就需要投入大量的財力、物力、人力，采購各類實物模型、零部件等建設(shè)實驗實訓(xùn)場所．由于教學(xué)內(nèi)容變化較大，實驗?zāi)Ｐ褪芊N類和數(shù)量的限制，故難以完全滿足實際教學(xué)的需要．隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，為使教學(xué)內(nèi)容持續(xù)更新、教學(xué)模式不斷變化、教學(xué)評價日趨多元化，可以利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境之中，使其成為新型實驗教學(xué)系統(tǒng)的有機組成，充分體現(xiàn)在實驗過程中人與人、人與教學(xué)內(nèi)容、人與系統(tǒng)的互動性，使學(xué)習(xí)者在教學(xué)實驗中處于主體地位．它具有直觀性、可擴展性、靈活性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢，將成為機械制圖課程教學(xué)改革的重要方向．

2 系統(tǒng)的設(shè)計流程

機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計可分為以下四個部分：內(nèi)容信息框架的設(shè)計、模型的構(gòu)建、交互效果的設(shè)計和實驗系統(tǒng)發(fā)布．具體的開發(fā)流程如圖1所示．其內(nèi)容框架的設(shè)計采用自上而下的構(gòu)建方法，從最基礎(chǔ)的內(nèi)容與功能開始分類，由淺入深地設(shè)計了五個知識點：認識基本立體、立體相貫、組合體分析、零件分類、裝配體部件拆裝，各知識點以單獨實驗?zāi)K的形式構(gòu)建整個虛擬實驗系統(tǒng)的框架層次．

機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)利用CAD建模技術(shù)與Virtools技術(shù)相結(jié)合的構(gòu)建方法．Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件，它為各類使用者提供了從產(chǎn)品的初期設(shè)計、虛擬環(huán)境的仿真到3D互動操作的完整體驗，從而使實時3D技術(shù)的應(yīng)用變得更多元、更廣泛[1]．Virtools最大的特點就是采用模塊化的編程語言，每個BB模塊實現(xiàn)一個功能，開發(fā)者只需掌握基本的編程知識，利用連線的方式將各個BB功能模塊連接起來，就能開發(fā)虛擬實驗項目，大大降低了開發(fā)虛擬實驗的難度[2]．

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型的創(chuàng)建與導(dǎo)入

構(gòu)建機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)首先需要創(chuàng)建精確、逼真的三維模型．Virtools軟件不具備創(chuàng)建三維模型的功能，因此可以先利用CAD建模軟件創(chuàng)建好三維模型，然后再將模型導(dǎo)入3DS Max軟件中進行材質(zhì)的修飾．要把3DS Max建好的模型導(dǎo)出在Virtools中使用，必須安裝Virtools Max Export插件，把在3DS Max中創(chuàng)建的模型轉(zhuǎn)化為Virtools的場景文件．在3DS Max中執(zhí)行文件菜單/導(dǎo)出選定對象選項，選擇導(dǎo)出文件類型為Virtools Export（*.NMO,*.CMO,*.VMO），指定好保存路徑，保存時應(yīng)注意一定要以英文命名，最后導(dǎo)入到Virtools環(huán)境中就可以進行交互功能的設(shè)計[3]．

3.2 虛擬場景燈光的設(shè)置

在Virtools場景中導(dǎo)入三維模型后，由于場景中沒有光源，在3D Layout編輯視窗中三維模型呈現(xiàn)黑色，所以需要通過添加燈光以使三維模型材質(zhì)正常顯示．Virtools里燈光有三種類型：點光源、聚光燈和平行光，這里選擇點光源類型．燈光的建立主要是設(shè)置合理的空間位置和強度參數(shù)[4]，在燈光設(shè)置面板中設(shè)置點光源的空間位置坐標(biāo)，叉選“Specular（高光反射）”選項，設(shè)置點光源的光照范圍和光照強度，為了從不同角度觀察模型時都能體現(xiàn)三維模型的質(zhì)感，場景設(shè)置六盞燈光，分別照射場景不同位置，設(shè)置好光源后模型的光澤整體發(fā)生變化，模型材質(zhì)已能正常顯示了．

3.3 交互功能的實現(xiàn)

3.3.1 三維模型的旋轉(zhuǎn)和視角的切換

在虛擬實驗系統(tǒng)中，要實現(xiàn)三維模型的旋轉(zhuǎn)、縮放和視角切換，就要在Virtools中創(chuàng)建一臺攝影機，用它作為觀察者的眼睛，通過改變攝影機的角度和坐標(biāo)來實現(xiàn)視角的改變[5]．

首先在場景中創(chuàng)建一個三維幀作為攝影機視點的參考對象，再創(chuàng)建一臺攝影機，為攝影機創(chuàng)建腳本，添加BB行為交互模塊：Mouse Waiter（等待鼠標(biāo)事件）、Parameter Selector（參數(shù)選擇器）和Mouse Camera Orbit（使用鼠標(biāo)移動攝影機），來設(shè)置鼠標(biāo)右鍵的功能，實現(xiàn)三維模型的觀察視角跟隨鼠標(biāo)的移動發(fā)生改變，從而控制三維模型的旋轉(zhuǎn)，腳本框圖如圖2所示．

創(chuàng)建攝影機切換腳本，添加BB行為交互模塊：Nop（空操作指令）、Swith On Message（切換信息）、Parameter Seleter（參數(shù)選擇器）和Set Position（設(shè)定位置），腳本框圖如圖3所示，結(jié)合視角切換交互腳本，通過單擊視角切換按鈕來實現(xiàn)三維模型的主視圖、俯視圖、左視圖、軸測圖四個場景的觀察角度變化．

為了使三維模型在切換主視圖、俯視圖、左視圖時不出現(xiàn)近大遠小的投影角度，要將攝影機的投影類型選擇為Orthographic（正交投射），以無透視的方式顯示，這樣三維模型的縮放就不能由鼠標(biāo)滾輪來控制了．此時需要另外為三維模型的縮放創(chuàng)建腳本，需使用BB行為交互模塊：Switch On Key（切換按鍵）、Per Second（每秒）、Interpolator（內(nèi)插運算）、Scale（縮放），腳本框圖如圖4所示．

圖2 鼠標(biāo)右鍵控制腳本框圖

圖3 攝影機切換腳本框圖

圖4 三維模型縮放腳本框圖

3.3.2 裝配體的拆裝

裝配體的拆裝實驗包括裝配體的拆卸演示和手動裝配．裝配體的拆卸演示主要是幫助學(xué)生了解裝配體中各零件之間的相對位置和裝配關(guān)系．手動裝配是通過鼠標(biāo)控制各零件的移動，按照拆卸的反順序完成裝配體的重組．

首先創(chuàng)建裝配體零件組，再創(chuàng)建裝配體陣列，用于存放裝配體各零件對象拆卸前的初始坐標(biāo)數(shù)值和拆卸后的分解坐標(biāo)數(shù)值[6]．在獲取了裝配體各零件對象初始坐標(biāo)和分解坐標(biāo)后，創(chuàng)建拆卸演示腳本，添加BB行為交互模塊：Iterator（陣列迭代器）、Bezier Progression（貝茲級數(shù)）、Interpolator（內(nèi)插運算）、Set Position（設(shè)定位置）和Binary Switch（二進制轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)各零件對象由初始位置漸進移動到分解位置的動態(tài)過程，該過程是按照零件對象的排列順序逐步分解的[7]，腳本框圖如圖5所示．

3.4 系統(tǒng)的整合與發(fā)布

在完成虛擬建模、交互控制設(shè)計等一系列的工作流程后，接下來使用Virtools軟件中File菜單下的“Create Web Page”以超文本（.htm格式）輸出，通過網(wǎng)頁設(shè)計將機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)中各知識點以單獨實驗?zāi)K進行整合，然后經(jīng)過前端美化后就可以發(fā)布到學(xué)習(xí)網(wǎng)站了．用戶只需要在瀏覽器上安裝Virtools Web Player播放插件，便可以通過訪問學(xué)習(xí)平臺的網(wǎng)址進行非常方便的遠程終端學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)機械制圖虛擬實驗內(nèi)容的模擬操作．

圖5 裝配體拆卸演示腳本框圖

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的機械制圖虛擬實驗系統(tǒng)具有直觀性、可擴展性、靈活性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢．將它應(yīng)用于制圖課程教學(xué)中，一方面可針對所選教材，制作配套模型，也可根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象，及時擴充模型，以滿足教學(xué)的需要，使教學(xué)內(nèi)容和方法更具有針對性；另一方面學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，通過網(wǎng)絡(luò)遠程操作反復(fù)學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容，由于虛擬模型能清晰、生動、形象地展示在學(xué)生面前，學(xué)生可對虛擬模型進行多視角觀察，將二維視圖與三維實體進行相互轉(zhuǎn)換，增強學(xué)生的感性認識，極大地提高學(xué)生的空間想象和空間邏輯思維能力．學(xué)生對一些難點問題如截交線、相貫線、組合體視圖補漏圖線及補畫視圖等知識點的理解變得更加容易，在作業(yè)練習(xí)中的出錯率也明顯降低．

5 結(jié) 論

針對日益變化的教學(xué)需求以及師生對教學(xué)體驗的更高要求，高校開發(fā)或開展相應(yīng)的虛擬實驗教學(xué)具有很重要的現(xiàn)實意義．作為一種新型的科學(xué)實驗教學(xué)方式，虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)將傳統(tǒng)實驗中的實驗環(huán)境在虛擬環(huán)境中真實的再現(xiàn)，它將成為實驗教學(xué)活動的發(fā)展主方向和提高學(xué)生實踐能力的重要手段．虛擬實驗系統(tǒng)既方便了教學(xué)又降低了教學(xué)投入，是幫助我們提高遠程教育質(zhì)量和解決教育資源短缺與分布不均衡等問題的重要途徑．

[1]徐英欣，楊建文，張安鵬．Virtools虛擬互動設(shè)計實例解析[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：7．

[2]李永帥，陳清奎，宋開功，等．基于Virtools的虛擬實驗室的構(gòu)建方法研究[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（3）：133-134．

[3]羅建勤，張明．交互式漫游動畫[M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010：7．

[4]鄔宗鵬．Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實驗教學(xué)平臺中的應(yīng)用[J]．銅陵學(xué)院學(xué)報，2015（2）：109-110．

[5]舒堅，楊勇，吳?；ⅲ赩irtools平臺的三維虛擬計算機硬件組裝[J]．計算機技術(shù)與發(fā)展，2017（1）：156-159．

[6]徐英欣，王丹東，胥林．三維游戲設(shè)計師寶典[M]．北京：電腦報電子音像出版社，2009：8．

[7]范孝良，田珍．基于Virtools的鉆夾具虛擬裝配平臺的研究與開發(fā)[J]．工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（1）：86-91．