基于Cult3D的虛擬土木工程實驗平臺的構建

馮桂珍, 邢海軍, 張增強, 池建斌

(石家莊鐵道大學 機械工程學院, 河北 石家莊 050043)

基于Cult3D的虛擬土木工程實驗平臺的構建

馮桂珍, 邢海軍, 張增強, 池建斌

(石家莊鐵道大學 機械工程學院, 河北 石家莊 050043)

綜合利用SolidWorks、3DMax、Dreamweaver、Cult3D等構建了一個具有動態和交互功能的虛擬土木工程實驗平臺。該實驗平臺模擬常用的室內土木工程試驗過程,通過校園網學生隨時可以進行虛擬實驗,并通過鼠標或鍵盤對實驗過程進行交互操作,且不受實驗設備、場地、時間的制約,在實際應用中取得了良好的教學效果。

虛擬土木工程實驗； 液塑限聯合測定； 實驗教學； Cult3D

土木工程試驗(土工試驗)不僅在工程建設實踐中十分重要,而且在土力學理論的形成和發展過程中也起著決定性的作用[1]——土力學中的許多理論建立在土工試驗的基礎上。目前,國內許多高校土力學實驗教學的形式、內容及要求越來越高,但實驗設備、實驗器材、實驗場地、實驗經費等卻相對滯后,因而一定程度上影響了實驗教學的開展和對學生實踐創新能力的培養。近年來,國內外許多高校都根據自身教學和科研的需要建立了虛擬實驗系統,如VBL100[2]、OWVLab[3]、減速器虛擬拆裝[4]等,虛擬技術在很多專業的教學[5]和軍工[6]、起重機械[7]等科研方面應用廣泛,但關于虛擬土工實驗系統研究和建設的文獻資料較少。筆者在對Cult3D[8-11]等虛擬現實技術和虛擬實驗進行相關研究的基礎上,對虛擬土工實驗項目的開發進行了總體設計和分析,利用Cult3D技術和SolidWorks、3ds Max、Photoshop、Fireworks、Dreamweaver等工具,構建了一個具有動態和交互功能的虛擬土工實驗平臺,在實際教學中取得了良好的效果。

1 三維模型的創建

1.1 系統結構

虛擬實驗平臺的設計充分體現以學生為主體的教學思想和方便學生學習的主旨,采用模塊化的設計方法,構建了虛擬場景漫游與土工實驗平臺。該平臺中的實驗項目包括了經典的室內土工試驗項目(見圖1)[12]。利用互聯網,瀏覽者可以隨時隨地登錄該系統平臺,并通過鼠標和鍵盤對虛擬場景和土工試驗進行交互操作。

圖1 系統框架結構

1.2 三維模型的創建

按照圖1所示實驗教學內容,對虛擬模型進行規劃和設計。虛擬實驗利用Cult3D實現交互和動畫。Cult3D是一種常用的虛擬現實交互工具,具有交互性、節省網絡帶寬等優點,在虛擬場景漫游、虛擬交互實驗等方面具有很好的適用性。

由于C3D Designer自身不具備建模功能,為提高建模效率,系統采用功能強大的、基于特征的、參數化的三維設計軟件SolidWorks2012作為建模工具,進行零件建模和虛擬實驗模型的設計和組裝。Cult3D程序開發流程如圖2所示。建模過程需要考慮以下問題。

圖2 Cult3D程序開發流程

(1) 模型接口問題。SolidWorks裝配完成后需導出格式為stl的文件,才能與3ds Max進行接口。3ds Max導入stl文件后無需調整相對位置,與Solidworks裝配一致。

(2) 模型處理。模型導入后,需進行材質、燈光等效果設計,以提高視覺效果；需添加攝像機,以方便后續不同視點的切換。

(3) 模型分組及軸點設置。同步運動的模型需包裝為一個組,成組后需調整其軸點,否則動畫過程不能實現預期效果。

2 動態與交互功能的設計和實現

Cult3D是完全拖放式的操作軟件。SceneGraph包括各種基于鼠標和鍵盤交互和動畫設計工具,根據需要將對象和動作事件拖放到EventMap窗口,設置相應屬性,關聯對象與動作和事件,即可完成交互和動畫功能。本文以常用的塑液限聯合測定試驗為例,說明實驗涉及的相關內容與交互設計步驟。液塑限聯合測定實驗的目的是測定細粒土的液限、塑限,計算塑性指數,給土分類定名,供設計、施工使用。

2.1 真實試驗過程分析

2.1.1 儀器設備

真實試驗的儀器設備主要包括:液塑限聯合測定儀、3個試樣杯(直徑40～50 mm、高30～40 mm)、天平(量程200 g、分度值0.01 g)、烘箱、干燥器、鋁盒、調土刀、篩(孔徑0.5 mm)、凡士林等。

2.1.2 試驗過程

(1) 當采用天然含水量的土樣時,應剔除粒度大于0.5 mm的顆粒,然后分別按接近液限、塑限和二者之間狀態制備不同稠度的土膏,靜置濕潤。靜置時間可視原含水量大小而定。當采用風干土樣時,取過0.5 mm篩的代表性土樣約200 g,分成3份,分別放入3個盛土皿中,加入不同數量純水,使分別接近液限、塑限和二者中間狀態的含水量,調成均勻土膏,放入密封的保濕器中,靜置24 h。

(2) 將制備好的土膏用調土刀調拌均勻,密實地填入試樣杯中,并使空氣逸出。高出試樣杯的余土用刮土刀刮平,隨即將試樣杯放在儀器底座上。

(3) 取圓錐儀,在錐體上涂以薄層凡士林,接通電源,使電磁鐵吸穩圓錐儀。

(4) 調節屏幕準線,使初讀數為零；調節升降座,使圓錐儀錐角接觸試樣面。當指示燈亮時,圓錐在自重下沉入試樣內,經5 s后立即測讀圓錐下沉深度。

(5) 取下試樣杯,然后從杯中取10 g以上的試樣2個,測定含水率。

(6) 按上述(2)—(5)的步驟,測試其余2個試樣的圓錐下沉深度和含水率。

2.1.3 整理實驗數據

進行3次土樣測定后,根據圓錐下沉深度和相應的含水率,在雙對數坐標上繪制關系曲線,求得圓錐入土深度為17 mm及2 mm時的相應含水率,即分別為細粒土的液限和塑限。

2.2 虛擬實驗設計

為了使虛擬實驗過程盡量接近真實試驗,動態和交互設計至關重要。Cult3D提供了基于鼠標和鍵盤的動作觸發機制,如鼠標左、中、右三鍵的點擊、鍵盤按鍵的按下或釋放等,為實驗的交互提供了方便。交互功能實現主要是設計出事件規劃圖。圖3是液塑限聯合測定實驗的事件規劃圖,主要包括以下內容。

圖3 “液塑限聯合測定試驗”事件規劃圖

2.2.1 基于鼠標的動態察看

通過“鼠標-控制球”功能,將整個實驗模型打包在一個組內,將組名拖動鏈接到“鼠標-控制球”,即可實現實驗過程的動態察看。其中,按下左鍵可旋轉模型,按下中鍵可平移模型,按下右鍵可縮放模型。

2.2.2 試驗過程的模擬

虛擬實驗利用“對象平移”、“對象旋轉”等動作模擬實際試驗的移動和轉動。例如圓錐儀動作的設計,當實際接通電源時,電磁鐵要吸穩圓錐儀。為模擬電磁鐵吸合動作,采用2個z軸移動,它們的動作周期不同,移動速度也不同,實現了先慢后快效果。

2.2.3 實驗過程的邏輯控制

由于實驗過程須符合邏輯順序,因而在交互動作設計中必須進行邏輯控制處理,使得實驗過程符合實際的操作要求。具體實現包括:

(1) 同一實驗步驟,利用時間線(TimeLine)控制動作的先后邏輯次序；

(2) 不同實驗步驟,通過鼠標點擊“激活事件”,實現下一操作步驟的開啟；通過“解除事件”,實現本操作步驟的停止。

2.2.4 視點切換及實驗提示

在實驗過程中,為了呈現最佳視角,可以進行視點的自動切換。視點的自動切換是通過更改攝像機完成的。虛擬實驗平臺具有工具提示(Tooltip)功能,該功能與相應的模型綁定,提供操作提示信息,如實驗步驟、設備名稱等。

“液塑限聯合測定實驗”的操作步驟如下:

(1) 根據操作提示“第一步:水平調節”,左鍵點擊儀器底座上的水平調節螺絲,進行水平調節(見圖4)；

(2) 根據操作提示“第二步:點擊電源按鈕”,將光標移動到電源按鈕上(面板左下角),左鍵點擊,圓錐儀與電磁裝置吸合,同時電源指示燈亮(電源按鈕上方)。

(3) 根據操作提示“點擊零線按鈕指示表歸零”,將光標移動到零線調節按鈕上,左鍵點擊,指示表歸零(見圖5)。

圖4 水平調節

圖5 零線調節

(4) 根據操作提示“點擊升降臺”,將光標移動到升降臺上,用左鍵點擊升降臺,升降臺帶著土樣上升,土樣與圓錐儀接觸后,計時指示燈亮。此時處于自動測量狀態,圓錐儀即自由落下,延時5 s,讀數指示燈亮,讀取數據(見圖6)。

圖6 圓錐儀下沉讀數

(5) 根據操作提示“讀數后復位”,將光標移動到復位按鈕上,左鍵點擊復位按鈕,復位后測量下一杯土樣。

(6) 點擊另一土樣,重復以上步驟,完成第二個土樣的測試,以及測點。

(7) 點擊第三土樣,重復以上步驟,完成第三個土樣的測試,以及測點。同時在“下沉深度與含水率關系”坐標中顯示測試后的關系(見圖7)。

圖7 測量后作圖

2.3 系統集成發布

利用Dreamweaver完成系統的最后集成。在Dreamweaver環境中,編輯網頁并將co文件嵌入網頁中。將虛擬實驗的3D部分與實驗輔助信息部分統一風格。Cult3D的co文件在Dreamweaver中顯示為ActiveX控件,系統效果如圖7所示。

3 結束語

基于網絡的虛擬土工實驗,改變了傳統的實驗教學模式,且不受設備、場地、經費、時空的限制。虛擬實驗的三維、動態、交互操作模式提高了學生的學習興趣,激發了學生的學習積極性,為創新人才培養提供了新的手段,同時對現代遠程教育的發展也具有重要意義。

References)

[1] 曹曉娟.關于顆粒分析試驗的誤差分析和對策研究[J].鐵道工程學報,2014,31(2):38-40,95.

[2] 羅布占堆,德吉央宗.VBL-100醫學機能虛擬實驗室的重要性及其在西藏高校的應用[J].西藏科技,2013(7):14-16.

[3] 胡林嵐,包崢嶸.基于Cult 3D的機械創新虛擬實驗項目研究[J].實驗室研究與探索,2013,32(5):250-254.

[4] 馮桂珍,池建斌,王大鳴,等.減速器虛擬拆裝實驗系統的構建[J].工程圖學學報,2011(1):89-93.

[5] 尹合棟.基于Web 3D的中學物理仿真實驗輔助學習系統的設計與應用[J].電化教育研究,2012(2):78-83.

[6] 杜承烈,陳進朝,尤濤.虛擬試驗軟件平臺技術的研究與展望[J].計算機測量與控制,2011,19(3):490-492,530.

[7] 黃凱,鄭建榮.起重機械虛擬試驗技術的研究與展望[J].起重運輸機械,2011(7):1-4.

[8] Cult3D-the leading 3D technology for the Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/whatiscult3D/whitepaper.pdf.

[9] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL].http://www.cult3D.com.

[10] 網冠科技.Cult3D產品三維演示時尚創作百例[M].北京:機械工業出版社,2002:1-100.

[11] 薛強,孫文磊.Cult3D技術在產品開發中的應用研究[J].機械工程與自動化,2010(1):62-64.

[12] 南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2003:1-153.

Construction of virtual civil engineering experiment platform based on Cult3D

Feng Guizhen, Xing Haijun, Zhang Zengqiang, Chi Jianbin

(Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The system constructes a dynamic and interactive virtual civil engineering experimental platform using SolidWorks,3DMax,Dreamweaver and Cult3D.The platform simulates the common real civil engineering experiment process,through the campus network, the students can carry out the virtual experiment at any time, interact with experiment process with the mouse or keyboard.The system is not limited with the experimental equipment,site,time constraints, which has achieved good teaching effect in application.

virtual civil engineering experiment; computer application; Cult3D

2014- 11- 27 修改日期：2015- 01- 20

河北省教育廳青年基金資助項目(QN20131130)；河北省高校重點學科建設資助項目

馮桂珍(1978—),女,內蒙古商都,碩士,副教授,主要研究方向為虛擬現實技術、計算機輔助設計.

E-mail：fgz789618@163.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0109- 04