三維交互技術(shù)在三視圖訓(xùn)練軟件開發(fā)中的應(yīng)用

譚雪松，李如超，張延敏

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與工程技術(shù)學(xué)院，雅安 625014）

0 引言

工程制圖是現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員必須掌握的一門基本技能，涉及到機(jī)械制圖、建筑制圖、電子電路制圖以及園林制圖等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，工程制圖課程也是高等工科院校是一門重要的基礎(chǔ)必修課，主要研究用投影法解決空間幾何問(wèn)題并在平面上表達(dá)空間物體的方法，培養(yǎng)學(xué)生工程圖樣的繪制和閱讀能力。

學(xué)習(xí)工程制圖時(shí)，需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)對(duì)三維物體的形狀及相關(guān)位置的空間邏輯思維和形象思維能力。對(duì)于初次涉足工程制圖領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)，空間思維能力較弱，只有通過(guò)反復(fù)的實(shí)踐訓(xùn)練和長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累才能逐步提高。三維交互技術(shù)通過(guò)對(duì)三維空間的虛擬物體進(jìn)行幾何變換、矩陣運(yùn)算、最后通過(guò)渲染輸出三維圖像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備的控制實(shí)現(xiàn)其在虛擬空間中的旋轉(zhuǎn)和位置變化，并通過(guò)控制虛擬攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡頭遠(yuǎn)近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬三維空間中的物體控制。

隨著當(dāng)代CAD技術(shù)的發(fā)展，可以非常輕松地使用Pro/ENGINEER、UG、3dsmax以及MAYA等軟件創(chuàng)建出“所見即所得”的三維模型，并可以方便地獲得三維模型向特定投影面投影后的二維圖形。本文將將介紹綜合使用CAD技術(shù)和三維交互技術(shù)開發(fā)三視圖訓(xùn)練軟件的一般方法。

1 系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的功能

傳統(tǒng)的三視圖訓(xùn)練，通常只給出一組三視圖，讓訓(xùn)練者結(jié)合圖形上的線條通過(guò)空間想象和抽象思維，逐步在頭腦中建立空間三維模型，其學(xué)習(xí)難度較大。同時(shí)，教師在講授類似課程時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不一定能達(dá)到良好的教學(xué)效果。

本文開發(fā)的三視圖訓(xùn)練系統(tǒng)可以用訓(xùn)練學(xué)生對(duì)三維模型的空間想象力。系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示，對(duì)應(yīng)的實(shí)際界面如圖2所示。在選項(xiàng)模塊中，給出一組（4個(gè)）外形相近的三維模型，在三視圖顯示模塊中給出符合第三角畫法的一組三視圖。測(cè)試者從A、B、C和D等4個(gè)選項(xiàng)中單擊選中一個(gè)選項(xiàng)后，在透視圖模塊中可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)和縮放等操作，以便更好地觀察模型上的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。訓(xùn)練時(shí)，通過(guò)透視圖可以全方位觀察實(shí)體模型，直觀了解其上的形體結(jié)構(gòu)和線面關(guān)系。既能提高學(xué)習(xí)興趣，又能快速提高空間思維能力。

圖1 系統(tǒng)模塊劃分

圖2 系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)中包含容量巨大的三維模型庫(kù)，并按照模型復(fù)雜程度不同分組排列，可以從基礎(chǔ)開始，逐步訓(xùn)練學(xué)生的空間想象能力。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了便于教學(xué)和在網(wǎng)絡(luò)上使用，該系統(tǒng)包括兩個(gè)基本板塊：一個(gè)是客戶板塊，用于用戶用學(xué)習(xí)和測(cè)試；另一個(gè)是是服務(wù)器板塊，負(fù)責(zé)完成測(cè)試信息的存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)工作。兩個(gè)模塊使用C/S模式傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示。

2 開發(fā)工具的選擇

2.1 程序開發(fā)語(yǔ)言

本設(shè)計(jì)使用C#作為程序開發(fā)部分的主要語(yǔ)言，C#是基于Microsoft.net平臺(tái)，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)語(yǔ)言。具有語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)以及與Web的結(jié)合緊密等特點(diǎn)。安全性、靈活性和兼容性都較好。本設(shè)計(jì)使用Microsoft Visual C# 2005 Express Edition作為程序開發(fā)部分的主要工具。該開發(fā)工具具有開發(fā)簡(jiǎn)單，開發(fā)效率高等有點(diǎn)，是C#語(yǔ)言開發(fā)的首選開發(fā)工具。C#是基于Microsoft.net平臺(tái)的語(yǔ)言，所以開發(fā)軟件之前首先需要安裝Microsoft.net framework 2.0。

本設(shè)計(jì)的核心代碼基于微軟公司開發(fā)的DirectX 9.0，DirectX9.0是由微軟公司研發(fā)的是一組低級(jí)應(yīng)用程序編程接口，可為 Windows 程序提供高性能的硬件加速多媒體支持。特別是在3D圖形方面的表現(xiàn)非常優(yōu)秀。

2.2 機(jī)械建模工具

在本設(shè)計(jì)中首先使用Pro/ENGINEER軟件制作精確機(jī)械模型，但由于Pro/ENGINEER不能直接導(dǎo)出本軟件能夠識(shí)別的X文件，所以需要將Pro/E中設(shè)計(jì)好的機(jī)械模型以.stl文件格式導(dǎo)入3ds max軟件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置之后，才能導(dǎo)出x文件。在3ds max中可以設(shè)置模型的材質(zhì)和貼圖，并能為其制作簡(jiǎn)單的幀頻動(dòng)畫。

DirectX中有一部分叫DirectDraw，其為圖形繪演API，提供對(duì)圖形的強(qiáng)大的訪問(wèn)處理能力，而在DirectDraw中集成了一些三維圖形相關(guān)的功能，稱為Direct3D。Direct3D可以直接調(diào)用硬件資源，具有很高的執(zhí)行效率，并提供一個(gè)共同的硬件驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，讓程序開發(fā)者不必為每一品牌的硬件來(lái)寫不同的驅(qū)動(dòng)程序，也降低用戶安裝及設(shè)置硬件的復(fù)雜度。再加之微軟在軟件行業(yè)的影響力，甚至可以預(yù)言它將成為3D圖形技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 插件

通過(guò)編程很難制作出高質(zhì)量的復(fù)雜模型，所以這里使用的都是外部導(dǎo)入已經(jīng)由其他軟件建好的模型。x文件就是包含虛擬模型的文件。x文件是使用Pro/ENGINEER建模，然后將模型導(dǎo)入3ds max，再使用3ds max的插件導(dǎo)出高質(zhì)量x文件。

本設(shè)計(jì)使用的插件是PandaDirectXMaxExporter.dle，插件的安裝方法是將其拷貝到3ds max安裝目錄下的stdplugs文件夾當(dāng)中。拷貝完成后可以在3ds max的導(dǎo)出列表中找到導(dǎo)出Panda DirectX（*.X）選項(xiàng)。

2.4 圖片圖像處理工具

在該軟件中，還涉及到圖片圖像的處理工序。由于三視圖中的前試圖、主試圖、俯視圖和四個(gè)選項(xiàng)的圖片都需要由機(jī)械人員在Pro/E中截取，所以要使用截屏工具SnagIt來(lái)截取。截取的圖片使用PhotoShop進(jìn)行切割和調(diào)整，最后得到合格的圖片。

3 客戶版塊設(shè)計(jì)

學(xué)生使用部分是該軟件的核心，軟件的主要功能都在這部分完成，按一般使用流程可分為用戶登陸、難度選擇、試題制作、試題提交、數(shù)據(jù)傳輸這五個(gè)模塊。

3.1 用戶登陸

用戶登陸主要完成的任務(wù)是獲取姓名和編號(hào)，便于后期成績(jī)和數(shù)據(jù)管理。由于本系統(tǒng)用戶多為青年學(xué)生，所以設(shè)計(jì)采用了較為活撥的顏色作為主題色。

3.2 難度選擇

該軟件中設(shè)置了初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)等難度等級(jí)。在這三個(gè)不同級(jí)別中，是根據(jù)所軟件所涉及的實(shí)體模型的難易程度來(lái)分級(jí)，初級(jí)里的模型較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有太多的邊面變化，而隨著級(jí)別的提升，邊面變化增多，難度也逐漸增大。

3.3 試題制作

用戶選擇試題等級(jí)后，從相應(yīng)的試題庫(kù)中隨機(jī)抽取試題組成試卷，供用戶練習(xí)使用。根據(jù)投影原理，物體的三個(gè)視圖要按照“長(zhǎng)對(duì)正，寬相等，高平齊”的要求嚴(yán)格對(duì)齊方，如果使用常規(guī)的對(duì)齊方式，很難做到精確。這里使用了Visual C# 2005中的Containers類中的TableLayoutPanel窗口劃分工具來(lái)進(jìn)行窗口劃分，并通過(guò)設(shè)置TableLayoutPanel的屬性和放在其內(nèi)的對(duì)象屬性，實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)的布局效果。

3.4 答案提交

在提交答案后，學(xué)生可以查看自己的答案和分?jǐn)?shù)，并且可以選擇保存自己的全部測(cè)試信息到TXT文檔，也可以將測(cè)試結(jié)果上傳到教師機(jī)。

3.5 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸需要學(xué)生自行輸入服務(wù)器端的IP地址。設(shè)置IP完成后，單擊確定按鈕即可上傳信息數(shù)據(jù)。

4 服務(wù)器版塊

服務(wù)器端是本軟件的一個(gè)功能擴(kuò)展，也是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的一個(gè)雛形，具有比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的前景。

4.1 數(shù)據(jù)接受和數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)

服務(wù)器首先要實(shí)現(xiàn)從客戶端接受學(xué)生的測(cè)試信息的功能。接受數(shù)據(jù)只需在程序中實(shí)現(xiàn)，并不需要為老師的使用給出接口。老師只需到服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)更新數(shù)據(jù)中查看已經(jīng)上傳的學(xué)生數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和篩選

在服務(wù)器端，為教師提供了各種查詢的接口。教師可通過(guò)數(shù)據(jù)信息窗口，設(shè)置查詢的限制條件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和篩選。

5 Direct3D構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的原理

5.1 虛擬場(chǎng)景的組成

Direct 3D中所有的虛擬對(duì)象都包涵在設(shè)備對(duì)象Device里面。其中虛擬世界World、虛擬燈光Light，虛擬攝像機(jī)View是相對(duì)獨(dú)立的三個(gè)部分。World負(fù)責(zé)裝置所有的虛擬物體，虛擬燈光負(fù)責(zé)像地球以外的太陽(yáng)一樣，給World提供光照，View就像是一部架在宇宙中的攝像機(jī)，可以從遠(yuǎn)處來(lái)觀看地球。其樹狀圖如圖4所示。

如同地球的可以自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，這里的虛擬World也具有自身選擇角度的Device.Transform.World屬性。通過(guò)改變device.Transform.World的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬世界的旋轉(zhuǎn)控制。

這里World、Light、View三個(gè)對(duì)象的屬性改變時(shí)都會(huì)影響到Device渲染出圖像的整體效果。

5.2 三維交互流程圖

在本設(shè)計(jì)中，主要分為幾個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)三位交互，如圖5所示。

5.3 鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)三維交互操作

使用按下鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)，使用按下鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)縮放物體。效果如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)效果圖

6 結(jié)論

本文以三視圖訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)為線索對(duì)三維交互技術(shù)在交互式教育軟件中的應(yīng)用進(jìn)行了全面分析。本設(shè)計(jì)完成的三視圖訓(xùn)練系統(tǒng)只是交互式教育軟件中的一個(gè)典型代表，在此基礎(chǔ)上拓展，可以開發(fā)出更多的交互式教育軟件，如虛擬模型展示系統(tǒng)以及虛擬產(chǎn)品裝配系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)不但可以大大降低實(shí)物模型帶來(lái)的場(chǎng)地占用，還可以大大節(jié)省節(jié)購(gòu)物開支。用戶可以隨時(shí)在電腦上反復(fù)訓(xùn)練，操作簡(jiǎn)單方便，效果良好。可以預(yù)計(jì)，交互式教育軟件必將在未來(lái)我國(guó)各級(jí)教育領(lǐng)域中大顯身手。

此外，隨著電子商務(wù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的商品展示方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，一個(gè)產(chǎn)品很難用一組圖片或一段文字來(lái)表現(xiàn)，特別是對(duì)外形要求很高的商品。三維交互技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用和發(fā)展將彌補(bǔ)這一缺陷，并能為電子商務(wù)的再發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

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