虛擬現(xiàn)實建模在構(gòu)建機(jī)電虛擬實驗室中的應(yīng)用

摘 要：機(jī)電類課程實踐性很強(qiáng)，遠(yuǎn)程教學(xué)模式中如何順利完成實踐環(huán)節(jié)是工科教學(xué)面臨的難題。本文提出構(gòu)建基于C/S模式下虛擬機(jī)電實驗的解決方案，通過實例討論了利用VRML語言制作三維交互式實驗的具體實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室 遠(yuǎn)程教育 虛擬建模 VRML

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）09（b）-0154-02

當(dāng)今社會網(wǎng)絡(luò)的充分發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，因?qū)W習(xí)能夠不受時空限制，遠(yuǎn)程教育已成為廣受歡迎的新型教學(xué)模式。工科專業(yè)如何適應(yīng)遠(yuǎn)程教育成了亟待解決的新課題。眾所周知，工科教學(xué)實踐性強(qiáng)，遠(yuǎn)程教學(xué)中，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實驗室必不可少。網(wǎng)絡(luò)實驗室提供虛擬的實驗設(shè)備，讓學(xué)習(xí)者通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，按照一定的實驗步驟，完成某種專業(yè)實驗，從而達(dá)到專業(yè)訓(xùn)練的目的。本文將研究如何利用虛擬現(xiàn)實建模語言在進(jìn)行建模，構(gòu)建遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實驗室。

1 機(jī)電虛擬實驗室的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是目前網(wǎng)絡(luò)上三維網(wǎng)站制作的主流語言，它的突出優(yōu)點是交互式、具有平臺無關(guān)性等特點，可以幫助人們建立模擬真實世界的場景模型或虛擬三維環(huán)境場景建。

機(jī)電虛擬實驗室是基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為機(jī)電專業(yè)相關(guān)課程的遠(yuǎn)程教學(xué)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，將部分教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化，包括實驗室環(huán)境、實驗設(shè)備儀器、實驗對象、實驗信息資源等。例如，《電工學(xué)》課程實驗當(dāng)中，學(xué)習(xí)者通過選取虛擬元器件搭建電路，檢測電路輸出，使其對電路的設(shè)計、元器件的功用等有更深認(rèn)識；《機(jī)械制造技術(shù)》課程實驗可以選取相關(guān)機(jī)構(gòu)虛擬部件，進(jìn)行機(jī)械總體的搭建，從而讓學(xué)習(xí)者掌握機(jī)床的相關(guān)構(gòu)成。通過虛擬的實驗室進(jìn)行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備進(jìn)行仿真實訓(xùn)，避免真實實驗操作帶來的各種危險。

VRML的訪問方式基于C/S模式，它用文本信息描述三維場景，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。服務(wù)器提供VRML文件，客戶通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件，通過本地平臺的瀏覽器（Viewer）對該文件描述的VR世界進(jìn)行訪問，并根據(jù)VRML規(guī)范在本地機(jī)上解釋生成三維場景。文本描述的信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸比圖形文件迅速，同時把復(fù)雜的處理任務(wù)交給本地機(jī)從而減輕了網(wǎng)路的負(fù)荷。正是這種優(yōu)勢，才使VRML在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中有很快的發(fā)展。

2 VRML虛擬設(shè)備開發(fā)實例

《數(shù)控機(jī)床概論》課程是機(jī)電專業(yè)的一門傳統(tǒng)課程，因設(shè)備大而且貴，傳統(tǒng)知識展示只有文字、圖紙和圖片，因機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜，學(xué)習(xí)者往往覺得晦澀難懂。為了更形象和直觀闡述這部分知識點，現(xiàn)使用VRML來實現(xiàn)虛擬機(jī)床部件結(jié)構(gòu)和裝配的輔助實驗教學(xué)。開發(fā)機(jī)床各個部件的基本步驟如下：

（1）基本造型。制作一系列空間形體的三維造型和動畫，并且為這些造型指定所需要的顏色、大小等特性參數(shù)；利用VRML的造型設(shè)計和VRML Script的動畫鏈接虛擬出組裝機(jī)床所需的主要硬件，將VRML文件嵌入到網(wǎng)頁。

（2）建立虛擬運(yùn)動空間，引入VRML的相關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)基于三維的實驗室模擬功能。通過VRML的動畫節(jié)點控制和VRML Script的結(jié)合。制作出安裝、注釋和視點切換的效果。

（3）VRML場景優(yōu)化，在構(gòu)建場景的過程中，利用VRML提供的高級造型技術(shù)適當(dāng)優(yōu)化。

在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者通過瀏覽器，可將隨意旋轉(zhuǎn)的三維的虛擬硬件模型，與教材中的二維圖片信息進(jìn)行對比和參照學(xué)習(xí)，加深對知識的理解和掌握。在學(xué)習(xí)的過程中，只要按相應(yīng)的步驟點擊相應(yīng)的按鈕，拖動鼠標(biāo)或按鈕可以隨意地移動機(jī)床組件到指定的位置進(jìn)行安裝。學(xué)習(xí)者根據(jù)裝配指示，按照安裝步驟完成機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺、刀具等部件的組裝。通過VRML Script語言的鏈接。制作出生動有趣的動畫效果和逼真的聲音效果。例如，搖動手輪，工作臺托架就會滑動，甚至還可設(shè)計馬達(dá)轉(zhuǎn)動時的聲音，使學(xué)習(xí)者能動態(tài)地觀看到效果。有一種身臨其境的感覺來完成學(xué)習(xí)的過程。

2.1 基本造型

基本造型是通過VRML文件來對三維部件進(jìn)行描述的。VRML文件一般有四個主要成份：VRML文件頭、原型、造型和腳本、路由。并不是所有的文件都包括這些要素，唯一必須的是VRML文件頭。VRML文件包含描述機(jī)床組成部件的空間造型及屬性節(jié)點。單個節(jié)點描述造型、顏色、光照、視點、以及造型、動畫定時器、傳感器、內(nèi)插器等的定位和朝向等。

以下為一個機(jī)床工作臺建構(gòu)架構(gòu)：

Group { # 定義工作臺

children [它描述一個幾何形狀及其顏色等特征

Shape { #定義幾何體方盒節(jié)點

geometry Box { ... } # 長方體

} # Shape定義結(jié)束

] # children定義結(jié)束

} #Group定義結(jié)束

機(jī)床工作臺相當(dāng)于一個大組件Group，在此組節(jié)點范圍之內(nèi)定義工作臺的所有幾何等形體要素，具體的小零部件，用子域來進(jìn)一步定義，這樣就可以把虛擬場景組織成條理清晰的樹形分支結(jié)構(gòu)。

2.2 機(jī)構(gòu)部件的動畫效果

為了使虛擬空間具有動感，需要設(shè)計相關(guān)部件的運(yùn)動。VRML中的動畫產(chǎn)生是由于變動了任何一個坐標(biāo)系的位置、方向和形體比例，從而使物體按你所想的方式飛行、平移、旋轉(zhuǎn)或按比例縮放。可以通過在構(gòu)造指令中定義相關(guān)綁定指令，通過綁定多個節(jié)點，創(chuàng)建多個路由，從而使虛擬實驗室空間具有更為逼真的動感。

下面用機(jī)床上手輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動作為實例進(jìn)行說明。當(dāng)手輪受到碰觸后，就會連續(xù)轉(zhuǎn)動，我們先建立一個時間檢測器節(jié)點，來實現(xiàn)啟動和定制轉(zhuǎn)動的動畫，而隨時間變化的旋轉(zhuǎn)動作可用腳本節(jié)點或方向插補(bǔ)器節(jié)點實現(xiàn)。

由程序可知，手輪包含兩個子節(jié)點，前者定義它的形態(tài)為一個環(huán)形，后者把它定義成接觸檢測器。旋轉(zhuǎn)值指定的初始值是“1 1 1 0”，分別定義旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)角的初始狀態(tài)。

為了使手輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要使用時間檢測器來等間隔連續(xù)發(fā)送的時間序列，并以此觸發(fā)驅(qū)動手輪旋轉(zhuǎn)事件。

DEF ticker TimeSensor {

cleInterval 0.1

loop TRUE

enabled FALSE

}

這個時間檢測器用于啟用和停用時間檢測器，這一狀態(tài)可以被修改。由程序可知，啟用的時間檢測器每隔0.1秒送出一個事件，以此觸發(fā)轉(zhuǎn)動事件，即每0.1秒調(diào)用一次驅(qū)動函數(shù)，從而驅(qū)動手輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)是遠(yuǎn)程教學(xué)模式中的難點，三維虛擬實驗具有先進(jìn)性和共享性，能在一定程度上滿足教學(xué)的需求。本文利用VRML語言研究開發(fā)虛擬機(jī)電實驗室，通過具體案例，對虛擬設(shè)備建模過程進(jìn)行了剖析，為遠(yuǎn)程教育模式下工科課程的部分實踐環(huán)節(jié)提供了有效的解決途徑。

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