SolidWorks、3DS Max結(jié)合Virtools實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究

胡 亮,王蘭美,宋宏鵬,亓洪亮

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049;2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 山東 淄博 255049)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR,Virtual Reality)[1]的不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出了大量基于VR技術(shù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái),目前國(guó)際上比較著名的有Cult3D、EON、Quest3D,Virtools等.由于Virtools功能強(qiáng)大,方便易用,開(kāi)發(fā)人員通過(guò)“拖拽”式的操作便可構(gòu)建復(fù)雜的交互應(yīng)用程序,大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,降低了開(kāi)發(fā)難度,從而使其在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域占有一席重要之地.Virtools本身不具備建模功能,目前國(guó)內(nèi)對(duì)Virtools的應(yīng)用主要是采用3DS Max建立模型然后導(dǎo)入Virtools環(huán)境進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)模式.3DS Max建立模型時(shí)雖然操作簡(jiǎn)單、建模速度快(尤其是曲面建模),但是對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的建模不夠精確;SolidWorks功能強(qiáng)大,易學(xué)易用,適合復(fù)雜零件、機(jī)械類(lèi)模型的建與裝配,但是在渲染及動(dòng)畫(huà)制作方面有所欠缺.本文主要在比較兩個(gè)軟件各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用SolidWorks、3DS Max技術(shù),結(jié)合Virtools平臺(tái)建立一級(jí)減速器演示系統(tǒng),即利用Solid-Works進(jìn)行減速器模型建立,在3DS Max中對(duì)所建立模型進(jìn)行渲染制作,最終實(shí)現(xiàn)所建模型能在Virtools環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的目的.

1 SolidWorks、3DS Max簡(jiǎn)介與比較

1.1 SolidWorks簡(jiǎn)介

SolidWorks是達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的產(chǎn)品,功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn),這使得Solid-Works成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案,其主要特點(diǎn)如下.

(1)功能強(qiáng)大 通過(guò)SolidWorks提供的零件建模、曲面建模、鈑金設(shè)計(jì)、有限元分析、注塑分析、模具設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等功能,設(shè)計(jì)者能完成包括三維機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、高級(jí)渲染在內(nèi)的一整套產(chǎn)品設(shè)計(jì).

(2)易學(xué)易用SolidWorks是基于特征的參數(shù)化建模軟件,通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、陳列、切除等直觀(guān)操作就可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),并且零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間是完全相關(guān)的.

(3)豐富的軟件接口SolidWorks提供了多種輸入/輸出轉(zhuǎn)換器,支持幾乎市面上所有機(jī)械CAD軟件格式的輸入并能夠輸出包括VRML、IGES、ST L、ProE、PhotoShop在內(nèi)的諸多文件格式.

1.2 3DS Max簡(jiǎn)介

3DS Max是Autodesk公司出品的一款著名3D動(dòng)畫(huà)軟件,是世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫(huà)、渲染軟件,廣泛應(yīng)用于游戲開(kāi)發(fā)、角色動(dòng)畫(huà)、電影電視、視覺(jué)效果和設(shè)計(jì)行業(yè)等領(lǐng)域,其主要特點(diǎn)如下:

(1)功能強(qiáng)大,插件豐富3DS Max有著出色的建模、渲染、動(dòng)畫(huà)等功能,并且與其他同類(lèi)軟件相比有著無(wú)可比擬的插件資源,通過(guò)3DS Max豐富的插件,可滿(mǎn)足各行業(yè)各領(lǐng)域不同的設(shè)計(jì)需求.

(2)界面友好,易學(xué)易用.3DS Mas命令布局和功能模塊設(shè)置使用方便,是最容易上手的3D軟件.

(3)和其它相關(guān)軟件配合流暢3DS Max通過(guò)自身以及插件,支持多種相關(guān)軟件的不同類(lèi)型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出.

(4)渲染速度快,畫(huà)面質(zhì)量高.

從桌子上跳下來(lái)當(dāng)然危險(xiǎn)，但你阻止了他，他背著你跳，那更危險(xiǎn)。所以該有個(gè)“訓(xùn)練策略”。把墊褥鋪在地上，示范從椅子上跳下時(shí)身體應(yīng)該保持怎樣的姿勢(shì)、兩腿如何彎曲？起跳后身體、雙腿和雙手怎樣配合行動(dòng)？著地時(shí)身體、雙腿和雙手做怎樣的動(dòng)作？

1.3 SolidWorks與3DS Max比較

(1)SolidWorks是實(shí)體建模,它不僅能描述零件的輪廓線(xiàn)與表面,還能描述其體積,可以說(shuō)實(shí)體模型包含了曲面的信息;而3DS Max的模型是以面來(lái)代替的,描述了零件的表面,但是不描述零件的質(zhì)量和體積.

(2)3DS Max對(duì)于工業(yè)機(jī)械類(lèi)建模不夠精確,裝配管理效率低,但開(kāi)發(fā)效率高;SolidWorks模型建模精確,裝配效率高,其特征管理模式修改方便.

(3)SolidWorks雖可通過(guò)插件對(duì)模型進(jìn)行渲染與動(dòng)畫(huà)制作,但效果無(wú)法與3DS Max相比.

綜上所述,結(jié)合兩軟件各自特點(diǎn)、取長(zhǎng)補(bǔ)短,采用SolidWorks建模并裝配,然后在3DS Max中進(jìn)行模型的渲染制作.此外,采用SolidWorks+3DS Max進(jìn)行模型建立的另一個(gè)原因是,我們所建立的模型最終要導(dǎo)入Virtools開(kāi)發(fā)環(huán)境中,利用Virtools_max導(dǎo)出插件可方便地將所建立的場(chǎng)景生成.nmo文件從而導(dǎo)入Virtools中.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Virtools是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具,透過(guò)直覺(jué)式的圖形開(kāi)發(fā)界面,開(kāi)發(fā)人員通過(guò)簡(jiǎn)單的“拖拽”式的操作,就可以建構(gòu)復(fù)雜的交互應(yīng)用程序,其三維引擎已經(jīng)成為微軟XBOX認(rèn)證系統(tǒng)[2].但是Virtools本身沒(méi)有建模功能,因此首先要借助其他建模軟件建立所需的場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)以及模型.目前Virtools提供了3DS Max、Maya、Lightwave等軟件的格式轉(zhuǎn)換插件,對(duì)于其它建模軟件如SolidWorks、UG、Pro/E、Catia等則可通過(guò)兩種方法將模型導(dǎo)入Virtools:一種方法是直接將模型轉(zhuǎn)換為Virtools可讀取的文件類(lèi)型,Virtools目前支持的文件格式類(lèi)型有.3ds、.3dxml、.asc、.dae、.wrl、.nmo;第二種方法是通過(guò)格式“過(guò)渡”的形式將模型導(dǎo)入Virtools開(kāi)發(fā)環(huán)境,例如可先將Solidwroks的模型保存為IGS或STL格式的文件,然后再利用3DS Max對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的編輯,最后利用Virtools提供的導(dǎo)出插件將模型、場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出為Virtools可接受的文件格式.第一種方法適用于相對(duì)簡(jiǎn)單、精度要求低、不需要進(jìn)行渲染、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)制作等編輯工作的模型導(dǎo)入,對(duì)于要求較高、復(fù)雜的場(chǎng)景模型不宜采用.第二種方法由于中間經(jīng)過(guò)了格式轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換過(guò)程中難免造成信息丟失,因此要隨時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修改、調(diào)整.

模型導(dǎo)入Virtools后,就可以利用Virools提供的行為模塊進(jìn)行交互腳本程序的設(shè)計(jì)、編寫(xiě)、調(diào)試,完成后就可對(duì)作品進(jìn)行發(fā)布.目前Virtools可將作品直接發(fā)布為web格式,用戶(hù)只需在客戶(hù)端安裝Virtools Web Player播放器就可以瀏覽和使用開(kāi)發(fā)完成的作品.此外,隨著Virtools在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域不斷的發(fā)展,第三方開(kāi)發(fā)出了能將Virtools作品以.exe格式發(fā)布的插件,大大提高了Virtools的普及性、方便了用戶(hù)的使用.系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

3 模型、場(chǎng)景的建立

(1)利用SolidWorks強(qiáng)大的實(shí)體建模功能,通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁、特征陣列以及打孔等操作完成減速器各零件模型的建立,并按照一定的裝配關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝配.裝配完成后的減速器模型如圖2所示.

圖2 SolidWorks減速器裝配體模型

(3)減速器模型導(dǎo)入3DS Max后,需要對(duì)模型做進(jìn)一步的編輯與修改,以求更好地滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所提出的要求.主要的編輯與修改有:賦予模型基本材質(zhì)屬性與貼圖、模型優(yōu)化,另外還可根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)畫(huà)的制作等.

3DS Max的材質(zhì)是一個(gè)比較獨(dú)立的概念,它像染色工具一樣,為模型表面加入色彩、光澤和紋理.材質(zhì)包含基本材質(zhì)屬性和貼圖兩個(gè)概念.一般通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境光顏色、漫反射顏色、高光顏色、高光強(qiáng)度、透明度等參數(shù)就可以獲得基本的材質(zhì)[4],并且可以為一個(gè)模型的不同部分設(shè)置不同的材質(zhì).例如,為了使減速器模型更加清晰、真實(shí),可對(duì)各零件賦予不同的材質(zhì);此外,還可對(duì)材質(zhì)表面設(shè)定不同的紋理,材質(zhì)表面的各種紋理效果都是通過(guò)貼圖產(chǎn)生的.在3DS Max中不僅可以像貼圖一樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的紋理處理,還可以按各種不同的材質(zhì)屬性進(jìn)行貼圖.3DS MAX中減速器模型如圖3所示.

圖3 3DS Max中減速器模型

4 輸出3DS Max模型并導(dǎo)入Virtools

要想將3DS Max中的場(chǎng)景導(dǎo)出為Virtools可執(zhí)行文件,必須保證已安裝Virtools_max導(dǎo)出插件.然后執(zhí)行文件-導(dǎo)出命令,選擇保存類(lèi)型為.nmo即可,保存的路徑與文件名最好采用英文,否則文件導(dǎo)入Virtools后,有時(shí)會(huì)發(fā)生不可預(yù)知的錯(cuò)誤.Virtools允許場(chǎng)景以對(duì)象、角色、動(dòng)畫(huà)的形式輸出.模型導(dǎo)出界面如圖4所示.

圖4 3DS M ax模型導(dǎo)出

啟動(dòng)Virtools導(dǎo)入減速器場(chǎng)景文件,利用Virtools提供的行為交互模塊就可進(jìn)行設(shè)計(jì)了.此時(shí)需注意的是:(1)如果原先場(chǎng)景設(shè)計(jì)使用了燈光,則應(yīng)在3DS Max中將模型材質(zhì)上面的自發(fā)光數(shù)值設(shè)為0,場(chǎng)景文件導(dǎo)入Virtools環(huán)境后再加入燈光,并控制燈光的照射范圍,否則導(dǎo)入的模型會(huì)是黑色.(2)如果原先場(chǎng)景設(shè)計(jì)只是通過(guò)紋理表現(xiàn)效果,不考慮使用燈光,則可將自發(fā)光數(shù)設(shè)為100或根據(jù)需要調(diào)整自發(fā)光數(shù)值[5].導(dǎo)入后圖形如圖5所示

圖5 導(dǎo)入Virtools的模型

5 演示系統(tǒng)的制作

Virtools提供了大約500多個(gè)Building Blocks(行為模塊),開(kāi)發(fā)人員只需適當(dāng)?shù)亟M合及重復(fù)利用這些行為模塊就可以開(kāi)發(fā)出復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序.當(dāng)然,開(kāi)發(fā)人員也可以利用VC++或VSL手工編寫(xiě)自己的行為模塊.一個(gè)簡(jiǎn)單的減速器演示系統(tǒng)應(yīng)該包括各種基本操作,例如平移,旋轉(zhuǎn),縮放等等.實(shí)現(xiàn)這些基本操作有兩種方法[6]:一種方法是建立一個(gè)攝像機(jī),通過(guò)攝像機(jī)來(lái)控制作品所處場(chǎng)景,間接實(shí)現(xiàn)模型的演示,最常見(jiàn)的是場(chǎng)景的三維環(huán)視;另一種是直接對(duì)模型編寫(xiě)控制腳本,通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)模型的上下平移、左右平移、前后平移以及旋轉(zhuǎn)控制的操作.對(duì)于第一種方法,只需在Virtools中新建一個(gè)攝像機(jī),設(shè)定好攝像機(jī)的初始值,通過(guò)Keyboard Camera模塊并加以設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)減速器三維場(chǎng)景的環(huán)視漫游.第二種方法可以通過(guò)對(duì)減速器模型編寫(xiě)腳本,通過(guò)合理地編排Switch on key、Rotate、Translate、scale等幾個(gè)行為模塊,就可以通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作.

減速器演示系統(tǒng)完成后,通過(guò)Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式,客戶(hù)端只需安裝Virtools Web Player就可以通過(guò)IE瀏覽器使用制作的演示系統(tǒng)了.

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展,對(duì)模型的系統(tǒng)性、精確性、開(kāi)發(fā)效率、沉浸感等方面也提出了更高的要求,傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式已不能滿(mǎn)足這些要求.本文采用的利用SolidWorks進(jìn)行快速、精確機(jī)械建模,再利用3DS Max技術(shù)對(duì)所建立模型進(jìn)行渲染、動(dòng)畫(huà)的制作,最后再在Virtools環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路,充分發(fā)揮了SolidWorks與3DS Max的各自長(zhǎng)處,提高了開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)類(lèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì).

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