工程制圖虛擬模型庫研究與設(shè)計

王炳達(dá) 許 琪 姚文亮 陸 濤

（1.沈陽工程學(xué)院機械學(xué)院，遼寧 沈陽110136；2.沈陽工程學(xué)院教務(wù)處，遼寧 沈陽110136；3.沈陽工程學(xué)院現(xiàn)代教育中心，遼寧 沈陽110136；4.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院管理工程系，遼寧 沈陽110023）

0 引言

工程制圖是工科類重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是工程界的語言。它具有較強的空間性和抽象性。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師為了提高學(xué)生的空間想象能力，常使用實物模型作為教具。但實物模型具有不易攜帶、易損耗、數(shù)量少、管理難、成本高等缺點，特別不利于學(xué)生的靈活使用。因此，根據(jù)工程制圖課程的特點積極探索新的教具模式勢在必行。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)頁技術(shù)開發(fā)的工程制圖虛擬模型庫打破了時間和空間的限制，具有直觀性、可擴展性、靈活性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢。

1 總體設(shè)計

工程制圖虛擬模型庫的設(shè)計包括從建設(shè)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的整個過程，重點是設(shè)計原則和整體架構(gòu)。

1.1 設(shè)計原則

（1）功能性：學(xué)生通過WEB訪問工程制圖虛擬模型庫。工程制圖虛擬模型庫具有三維模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、多視圖顯示、模型認(rèn)知、人機交互、場景漫游、模擬裝配等功能。（2）依托教材：工程制圖虛擬模型庫中所有的教具模型均來自教材和習(xí)題集，順序與教材目錄統(tǒng)一，這樣有利于教學(xué)進(jìn)度與模型庫對應(yīng)。（3）可擴充性：根據(jù)教學(xué)要求，能夠?qū)δＰ蛶熘械慕虒W(xué)模型進(jìn)行補充，滿足教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的要求。（4）控制文件大小：學(xué)生通過 WEB訪問工程制圖虛擬模型庫，所以在設(shè)計過程中要考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和服務(wù)器工作能力，盡量減小工程制圖虛擬模型庫程序包的大小，使學(xué)生的訪問過程流暢。

1.2 整體架構(gòu)

如圖1所示，工程制圖虛擬模型庫包括畫法幾何、立體與組合體、零件表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件及常用件、零件庫、部件庫。畫法幾何庫為點、線、面的投影部分所使用的教學(xué)模型；立體與組合體庫為基本立體、切割體、相貫體、組合體畫法所使用的教學(xué)模型；零件表達(dá)方法庫中為視圖、剖視圖、斷面圖、簡化畫法和局部放大圖畫法、軸測剖、第三視角投影所使用的教學(xué)模型；標(biāo)準(zhǔn)件及常用件庫為螺紋、堅固件、鍵和銷、齒輪、軸承、彈簧等三維實體模型及視圖；零件圖庫中為零件圖視圖模型；部件庫中包括組成零件和裝配動畫2部分。

2 虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計包括實體造型、模型優(yōu)化、虛擬現(xiàn)實設(shè)計、二維動畫設(shè)計和網(wǎng)頁設(shè)計5個部分，具體流程如圖2所示。

圖1 工程制圖虛擬模型庫整體架構(gòu)

圖2 虛擬設(shè)計流程圖

2.1 實體模型構(gòu)建

實體模型構(gòu)建是將幾何造型方法與計算機圖形學(xué)相結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)。它通過計算機技術(shù)將幾何模型的形狀和屬性表達(dá)出來，生成具有真實感和可視化的三維圖形。

工程制圖虛擬模型庫中的所有實體模型均采用Pro/E進(jìn)行構(gòu)建。通過對實物教具模型進(jìn)行測繪，保證了虛擬模型庫中實體模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在測繪過程中所有教具模型都按統(tǒng)一的計量單位進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，避免了構(gòu)建的實體模型導(dǎo)入虛擬場景中出現(xiàn)尺寸和比例不一致的異常現(xiàn)象。

2.2 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化在3DS MAX軟件中進(jìn)行，主要包括面數(shù)精簡、材質(zhì)貼圖、優(yōu)化燈光、烘焙貼圖4部分。

在不影響視覺真實性的前提下，對實體模型進(jìn)行面數(shù)精簡能夠減小文件大小，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。面數(shù)精簡的主要方法有減少“三角形”數(shù)量、用紋理代替多邊形造型、使用簡單分量紋理、使用平面圖像。

材質(zhì)貼圖方法主要有基本材質(zhì)法、位圖法和復(fù)合材質(zhì)法。基本材質(zhì)由Ambient Color、Diffuse Color和Specular Color 3種參數(shù)構(gòu)成，能夠創(chuàng)造出大部分需要的材質(zhì)。這些材質(zhì)既簡單又能滿足渲染效果的需要。位圖法是二維貼圖法，在實體模型中有許多表面貼圖都要與真實模型一致，通過程序貼圖比較繁瑣且與真實模型吻合程度差。采用相機拍攝獲取位圖進(jìn)行實體模型的二維貼圖是一種非常實用的方法。復(fù)合材質(zhì)就是將基本材質(zhì)、程序貼圖和位圖法進(jìn)行綜合運用達(dá)到預(yù)期的效果。

放置燈光是3DS MAX中獲得光照效果的重要方法，但在虛擬設(shè)計中應(yīng)盡量少用光源，采用顏色和材質(zhì)來實現(xiàn)光照的視覺效果，這樣能夠減少執(zhí)行時間和系統(tǒng)資源消耗。在光源布置方面宜精不宜多，明暗分布要有層次性。

烘焙貼圖優(yōu)化主要是在烘焙時Lighting Map和CompleteMap類型的選擇。Lighting Map類型只支持默認(rèn)的材質(zhì)但耗顯存低，貼圖清晰但光感弱。CompleteMap類型支持大部分材質(zhì)但耗顯存高，貼圖模糊但光感強。在VRP虛擬平臺中，Lighting Map類型需要2張貼圖，CompleteMap類型需要1張貼圖。因此，在烘焙尺寸相同時Lighting Map要比CompleteMap消耗顯存量高。但經(jīng)過VRP虛擬平臺壓縮處理后，Lighting Map類型顯存消耗會變得很小。CompleteMap類型如果要和Lighting Map達(dá)到同樣的清晰程度，其代價就是消耗數(shù)倍的顯存量和烘焙時間，因此應(yīng)盡可能地選用lighting Map貼圖。

2.3 虛擬現(xiàn)實設(shè)計

工程制圖虛擬現(xiàn)實模型庫的虛擬現(xiàn)實設(shè)計采用中視典VRP技術(shù)，主要是虛擬場景、界面交互、剖視圖動畫、基本視圖動畫的設(shè)計。

工程制圖虛擬模型庫場景的制作是通過“天空盒”環(huán)境特效來完成的。在場景中央位置制作一個半徑約為20 cm的球體模型來表示視點的位置。在材質(zhì)編輯器中選擇Stan dard材質(zhì)球，使用Diffuse功能，設(shè)置Reflect/Refract參數(shù)，場景就會渲染出6幅圖片。將得到的圖片導(dǎo)入VRP虛擬平臺，利用“天空盒”編輯器完成場景的制作。

界面交互設(shè)計采用VRP虛擬平臺中高級界面的設(shè)計方法，使用了單選框、流動條、菜單、窗口、滑桿和組合下拉框等控件。這些控件在人機交互功能上顯示了非常大的作用。在程序設(shè)計方面采用了VRP腳本編輯器，利用了窗口消息函數(shù)、鍵盤映射函數(shù)、鼠標(biāo)映射函數(shù)、方向盤映射函數(shù)、VRPIE事件以及自定義函數(shù)。

剖視圖是假想用剖切面剖開零件，將處在觀察者和剖切面之間的部分移去，而將其余部分向投影面投射所得到的圖形。剖視圖動畫采用先按剖面分解結(jié)果進(jìn)行教具模型的實體設(shè)計，再進(jìn)行完整裝配。導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實平臺后，進(jìn)行動畫設(shè)計。通過Flash設(shè)計出二維剖視圖，并將其插入對應(yīng)的剖視圖虛擬窗口。

基本視圖是以正六面體的6個面為基本投影面，把零件放置在空的正六面體內(nèi)，將零件分別向6個基本投影面投射所得到的視圖。在基本視圖動畫上充分使用了VRP的時間軸功能。教具模型放置在六面體內(nèi)時記錄為時間軸動畫的初始幀，在每個投影面上擺放出該教具模型的正確投影結(jié)果，并記錄為關(guān)鍵幀。

2.4 二維動畫設(shè)計

在工程制圖虛擬模型庫中，二維動畫主要應(yīng)用于畫法幾何模型庫。在設(shè)計過程中主要應(yīng)用了Flash的補間動畫和逐幀動畫。補間動畫是指只要做好關(guān)鍵幀和終點關(guān)鍵幀的圖像，F(xiàn)lash就會自動補上中間的動畫過程。逐幀動畫是在連續(xù)的關(guān)鍵幀中分解動畫的動作，也就是在時間軸的每幀上逐幀繪制不同的畫面，使其連續(xù)播放而形成動畫。在動畫的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中采用了順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。在動畫控制設(shè)計中采用了ActionScript的事件和事件處理函數(shù)，使用戶通過鼠標(biāo)點擊或鍵盤操作直接完成用戶與計算機的交互。

2.5 網(wǎng)頁設(shè)計

通過網(wǎng)頁設(shè)計將工程制圖虛擬模型庫中的各個模塊進(jìn)行整合和發(fā)布。開發(fā)軟件采用了集成網(wǎng)頁制作和網(wǎng)站管理功能的Dreamweaver軟件。在網(wǎng)頁設(shè)計過程中使用了框架、表格、表單、Flash、ActionScript等技術(shù)。

3 結(jié)語

工程制圖虛擬模型庫三維場景逼真、人機交互性強、訪問流暢、可擴展、易維護(hù)，有利于工程制圖教學(xué)的輔助和遠(yuǎn)程教學(xué)的應(yīng)用。其研發(fā)過程和所使用的技術(shù)對其他課程的虛擬設(shè)計具有重要的借鑒作用。