工程图学虚拟实验系统的研究与开发

张宏，王盼盼，曹杏

（太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

引言

由于《机械制图》课程的特殊性，大量模型动画构成了《机械制图》课件的主体。而以往课件中的动画一般由开发者提供的，动画一旦做成之后，就不能修改，学习者只能被动地从头到尾看完，只能浏览式学习，缺乏交互性[1]。应用三维建模软件结合多媒体技术，建立制图虚拟模型教学平台，为培养学生的空间想象能力、空间思维能力、动手能力、观察能力、自主性学习能力、创新能力和工程意识提供了极大的便利, 达到降低教学成本，减小教学难度，提高教学质量的目的[2]。随着计算机和网络技术的不断发展，虚拟现实技术在远程教育中的作用越来越受到关注，因为它能够弥补教学条件的不足，为学生提供生动、逼真、自然、亲切的学习环境[3]。

1 虚拟现实技术简介

虚 拟 现 实VR（ Virtual Reality） 技 术 是 以 沉 浸（ Immersion） 、 交 互 性（ Interaction） 、 想 象 性（Imagination）即三“I”特性为代表，集成综合了计算机图形学技术、人工智能、显示技术、传感器技术、网络并行处理与多媒体技术等最新研究成果的第三代模拟仿真系统。该系统主要由高性能虚拟环境处理计算机、输入设备、应用处理软件系统、演示设备等组成。利用该技术可以方便地创建各种虚拟的三维场景及三维实物模型，且可根据要求为其增加动画、声音等，使人在虚拟环境中漫游（walk through）达到“身临其境”的效果[4]。

目前广泛应用的虚拟现实VR（Virtual Reality）技术开发平台主要有VRML技术、Quest3D技术、Cult3D技术、Virtools技术、Shout3D技术、Viewpoint技术、EON技术等，由于EON功能强大且含有专用机械类CAD模块，支持主流机械三维建模软件的文件输出格式；节点库内容丰富，通过不同节点组合连接即可实现交互设计；支持Java Script与VB Script节点语言可方便进行二次开发[5]。则可利用EON技术结合工程制图的特点及要求，开发一套满足教学使用要求的工程制图虚拟实验系统，从适用范围与功能要求看该实验系统具有以下特点：

1）实验内容丰富，开放性强。可根据课程要求建立涵盖工程制图教学内容的大部分实验，系统内部模型可适时扩展、修改、删减，满足新的教学需要。

2）操作简便，交互性较强。虚拟实验系统内的三维模型造型逼真，立体感强，学生可实时控制实验模型对其放大、缩小、旋转、剖切、拆分等操作，可动态观察实验过程提高实验效果。

3）具有实验指导功能，不受时间及地域限制，系统对学生开放随时访问。使学生不受时间和地点的限制，主动地根据自己的要求选择实验模块增强了学习兴趣。

2 工程制图虚拟实验系统的构建

2.1 工程制图虚拟实验系统的总体结构

工程制图虚拟实验系统的组成内容与功能应包含该教学环节的主要部分，在实验设计中使系统内模型具备参数调控功能，不仅可做基本的认知实验还可做一些组合体设计与整机拆装实验，由教学与实验的要求、内容、目的等可知系统总体结构层次框架模型，如下页图1所示。

图1 工程制图虚拟实验系统总体结构

2.2 模型数据库的建立

EON支 持 大 多 数3D文 件 格 式 如*.sat、*.par、*.dxf、*.iges、*.igs、*.wrl等，对于实验系统中需要涉及的二维及三维图形可通过专业的机械造型软件建立模型数据库[4]，但由于格式问题直接导入EON后模型坐标变化，致使导入后的模型位置调节繁琐且进行旋转等复杂运动变换时会出现错误动作。同时工程CAD软件无材质图形文件，无法将其模型表面材质在EON内加载，需在EON内另外附加操作复杂。由于EON对3DSMAX提供了专业的导出插件，为避免上述模型直接导入时出现的问题，可将模型导入3DSMAX中进行材质设置与渲染、运动轨迹设置，最后将模型场景文件输出为*.eop和*.eoz格式导入EON进行交互制作，如图2所示。

图2 系统模型数据库的建立流程

2.3 虚拟场景与操作演示

2.3.1 虚拟场景的实现

模型库组建完成后，建立虚拟场景时为减小文件大小，其具有交互功能的界面提示按钮使用2D图片格式并添加2DImage节点制作；同时实验系统涉及的文本提示，根据要求不同采用添加TextBox与ToolTip节点实现，在执行程序中使用的弹出菜单可利用图片节点结合鼠标响应制作或直接采用PoupMenu节点制作。可通过采用鼠标点击2D图片按钮或延长其在模型上的停留时间来显示文本帮助信息，实现系统的智能交互功能。

2.3.2 虚拟操作演示

工程制图虚拟实验系统涉及的实验内容需考虑模型参数控制、模型位置变换等操作，如模型缩放变换矩阵采用如下式(1)所示[6]。

式中：（XA、 YA、 ZA） 为变换前坐标，（XB、 YB、 ZB）为变换后坐标，设置变量S（0＜S＜1）将其与滑动杆节点相联，同时为该节点添加模型的起始值、终止值、显示位置等，再加入脚本节点并在其内部建立滑动杆输入、输出函数，通过编程语言计算模型沿轴向的缩放比例并将结果由输出函数输出，即可通过滑动杆调节控制模型的缩放比例。

部件拆装实验是对工程制图课程的基本知识内容的实际应用，通过实验可使学生初步了解所涉及的部件的工作原理。则可通过设置键盘响应来建立部件自动拆装实验帮助学生建立整机模型的概念，使其对所学的知识系统化不再将知识点孤立看待，通过设置鼠标响应建立手动虚拟部件拆装实验来加深学生对其工作原理的理解。图3为其手动虚拟部件拆装流程。

图3 手动拆装流程图

3 结语

本系统利用机械三维设计软件与3DSMAX，并结合虚拟现实EON技术开发平台，设计了一套工程制图虚拟实验系统。针对系统包含的认识立体、投影理论、立体的截交与相贯、组合体设计、虚拟部件拆装五大模块，分别选取典型模型建立交互式操作实验界面，克服了传统实验教学的不足，方便学生自主选择训练模型，取得了良好的效果，极大地促进了工程制图教学的发展。

[1] 张维中.虚拟现实技术在远程制图软件中的应用[J].计算机工程与应用,2002(13):133-135.

[2] 唐永芬,王斌.基于Web的《工程制图》虚拟教学平台的实现[J].西昌学院学报(自然科学版),2012,26(4):40-42.

[3] 瞿畅,王君泽,曹红蓓.Web3D技术及其在工程图学教学中的应用[J].工程图学学报,2006(2):150-154.

[4] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):238-240.

[5] 王 岚,刘 怡,梁 忠 先.虚 拟 现 实EON Studio应 用 教 程[M].天津:南开大学出版社,2007:1-25.

[6] 王振武.计算机图形学基础[M].北京:清华大学出版社,2011:79-180.