基于3D模擬仿真平臺的高校實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)建技術(shù)研究

2018-10-12 05:48:38王俊潔

現(xiàn)代電子技術(shù) 2018年19期

王俊潔

摘要：目前對于3D模擬仿真的研究重要集中在虛擬場景界面和場景支撐兩方面。詳細(xì)介紹了3D模擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，分析了3D模擬仿真技術(shù)的語法構(gòu)成及編輯運(yùn)行過程。對實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境模型進(jìn)行搭建并對搭建模型效果圖進(jìn)行展示，最后指出3D模擬仿真技術(shù)目前存在的主要問題，為今后利用3D模擬仿真技術(shù)進(jìn)行校園實訓(xùn)教學(xué)提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞： 3D；模擬仿真技術(shù)；實訓(xùn)教學(xué)；模型搭建；虛擬場景界面；場景支撐

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0183?04

Abstract： At present， the research on 3D simulation mainly focuses on virtual scene interface and scene support. The characteristics and application fields of 3D simulation technology are introduced in detail. The grammar composition and editing operation of 3D simulation technology are analysed. The practical teaching environment model was built， and the effect images of built model are displayed. The main problems existing in 3D simulation technology are pointed out. The 3D simulation technology provides a new way for college practical teaching.

Keywords： 3D； simulation technology； practical teaching； model establishment； virtual scene interface； scene support

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，3D模擬仿真技術(shù)迅速融入到人們的日常生活中，極大地豐富和改變了人們的生產(chǎn)生活方式[1]。模擬仿真技術(shù)一經(jīng)提出就向人們展示了無限的應(yīng)用前景，得到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。其中教育行業(yè)是模擬仿真技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。采用3D模擬仿真技術(shù)搭建實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境并應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境中，能夠打破傳統(tǒng)教學(xué)枯燥乏味的方式，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和對科學(xué)探究的興趣[2?4]。

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)+的提出，高校教育方式逐漸走向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化[5]。尤其對于高校實訓(xùn)教學(xué)方面，在一些相對比較危險的實驗過程可以通過模擬仿真來代替，避免因?qū)嶒炇д`或者實驗不良結(jié)果帶來的對于學(xué)生身體和教學(xué)器材的損傷[6]。模擬仿真教學(xué)提出思路如圖1所示。

目前國外對于3D模擬仿真平臺的研究主要集中在用戶感知、虛擬場景界面和場景支撐。我國在這方面的研究與發(fā)達(dá)國家相比仍然存在很大差距，但是在政府的大力鼓勵和眾多學(xué)者的不懈努力下，這種差距在逐漸縮小[7]。相比國外，我國學(xué)者的研究主要集中在硬件和軟件方面。

1 3D模擬仿真技術(shù)簡介

3D模擬仿真技術(shù)是一種既規(guī)范又虛擬現(xiàn)實的新時代科技，該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)語法采用的是XML標(biāo)記式語法結(jié)構(gòu)，通過自身豐富多樣的節(jié)點(diǎn)式語言詳細(xì)描述逼真生動的虛擬環(huán)境，使得在虛擬環(huán)境中的人能夠得到在真實世界的感觸[8]。

3DMax仿真環(huán)境包含硬件部分和軟件部分。

作為整個系統(tǒng)支撐環(huán)境的是一臺實驗室PC機(jī)，本研究使用的計算機(jī)是64位操作系統(tǒng)，CPU的主頻在3.5 GHz以上即可，硬盤為1 TB，當(dāng)然更高的硬件配置能夠展現(xiàn)更加流暢的光影感受。表1所示為本研究硬件系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

3DMax充分利用人眼的錯覺，將原本靜止的三維圖片進(jìn)行快速連續(xù)的播放，這樣在觀眾看來就是一部生動活潑的動態(tài)場景，而3DMax發(fā)揮的最重要作用就是將影視動畫中人物形象的具體細(xì)節(jié)表現(xiàn)出來，達(dá)到逼真、生動、活潑的效果。3DMax的基本屬性由三部分構(gòu)成：幀和時間軸、圖層、元件實例。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D模擬仿真技術(shù)也得到了極大的創(chuàng)新發(fā)展，各項功能日趨完善。模擬仿真技術(shù)交互性和動畫逼真效果得到很大提升，能夠給用戶帶來極佳的使用體驗，提升了虛擬環(huán)境的智能性，給使用者更大的發(fā)揮空間[9]。

3D模擬仿真技術(shù)可以將虛擬環(huán)境的矢量形式制作出來，并按照.swf的格式進(jìn)行保存，達(dá)到逼真、生動、活潑的效果。

為使所創(chuàng)作的虛擬環(huán)境與外部引入程序進(jìn)行很好的融合，通過random函數(shù)，可以使創(chuàng)作出的虛擬環(huán)境具有一定的隨機(jī)性，這也是3D模擬仿真技術(shù)的靈活性所在。

2 3D模擬仿真技術(shù)語法及運(yùn)行環(huán)境

2.1 3D模擬仿真技術(shù)語法簡介

3D模擬仿真技術(shù)對三維立體場景進(jìn)行建模時采用笛卡爾三維坐標(biāo)系；取值范圍為（0.0 0.0 0.0）到（1.0 1.0 1.0）的RGB顏色值標(biāo)準(zhǔn)[10]。

3D模擬仿真技術(shù)語言結(jié)構(gòu)與xml語言和html語言類似，通過節(jié)點(diǎn)之間的嵌套實現(xiàn)語言的功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。3D模擬仿真技術(shù)為使用者提供了功能強(qiáng)大、豐富的節(jié)點(diǎn)語言，通過對多個節(jié)點(diǎn)嵌套使用就可以得到目的場景的虛擬環(huán)境。

2.2 編輯及運(yùn)行環(huán)境

3D模擬仿真語言的編輯主要通過兩種方式實現(xiàn)：一種是使用支持編程語言的記事本進(jìn)行編輯；另一種是利用3D的專業(yè)編輯軟件3D?Edit來實現(xiàn)。前者簡單易行，但需要借助單獨(dú)的3D瀏覽器才能實現(xiàn)對編輯結(jié)果的預(yù)覽；后者在編輯的過程中就能看到三維模型的效果，但是該種方式難以處理較大、復(fù)雜的文件，圖形預(yù)覽與語言編寫無法完全同步。

3D模擬仿真的瀏覽方式分為：獨(dú)立安裝的瀏覽器，如Xj3D，Octaga，BSContact；插件式瀏覽器，如Flux Player，F(xiàn)reeWRL；無安裝版凈化瀏覽器，如Virtual Globe。本文采用的是BSContact瀏覽方式。

在同時具備java運(yùn)行環(huán)境和Xeena?1.2ea插件時，3D?Edit才能夠正常運(yùn)行。在使用該軟件的過程中，為了避免影響其他應(yīng)用的正常運(yùn)行，需要運(yùn)行remove3D?EditPreferencesWinXp.bat完全結(jié)束后臺程序的運(yùn)行。

3 實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境模型搭建

高校實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境生成的模型資源庫主要通過基礎(chǔ)實體模型和原子實體模型實現(xiàn)。3D模擬仿真技術(shù)具有強(qiáng)大的語言編輯功能，憑借自身生動逼真的模型效果被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。但是完全依靠3D?Edit編輯軟件對3D模擬仿真技術(shù)進(jìn)行語言編輯來實現(xiàn)如此逼真的環(huán)境模擬是十分困難的，3D語言對于簡單的幾何節(jié)點(diǎn)模型創(chuàng)建很容易，但對于較復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)模型就需要操作者很高的技術(shù)水平了，這樣3D模型資源庫的創(chuàng)建就遇到了很大的問題。

本文通過對比發(fā)現(xiàn)，用專業(yè)的三維建模軟件對實際環(huán)境進(jìn)行模型創(chuàng)建，通過VRML進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，導(dǎo)出[.WRL]格式的文件，最后轉(zhuǎn)換為3D文件格式，這樣就可快速得到理想的模型。

3.1 基礎(chǔ)實體模型

基礎(chǔ)實體模型創(chuàng)建以實訓(xùn)教室為原型，對其基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行模型創(chuàng)建。基礎(chǔ)實體模型原型主要包括：教室的窗戶、教室的大門、學(xué)生課桌、多媒體設(shè)備、實驗器材等。基礎(chǔ)實體模型的確定是根據(jù)實訓(xùn)教室的構(gòu)建方式和構(gòu)成部分?jǐn)[放位置進(jìn)行詳細(xì)分析所得，如圖3所示的實訓(xùn)教室由窗戶、多媒體設(shè)備、黑板、課桌和燈管構(gòu)成，因此對于該模型的創(chuàng)建就要分為幾個不同的部分進(jìn)行。

首先對實訓(xùn)教室這個大整體進(jìn)行3D模擬，由于教室整體為一個矩形框架，構(gòu)造較為簡單，可以通過3D?Edit直接進(jìn)行模型創(chuàng)建。該模型的創(chuàng)建主要通過Box節(jié)點(diǎn)和IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)，每個Box節(jié)點(diǎn)模型與IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)模型的連接組合通過Transform節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)。通過對Transform節(jié)點(diǎn)中Translation，scale，rotation的屬性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，就能得到期望的模型效果。其他部分的模型創(chuàng)建均可參照上述方法。得到的模型如圖4所示。

為了提高模型的真實性，需要應(yīng)用到Appearance節(jié)點(diǎn)中的Material節(jié)點(diǎn)、ImageTexture節(jié)點(diǎn)和Texture Transform來增強(qiáng)模型的真實性，達(dá)到逼真的效果。得到的最終接近真實的效果圖如圖5所示。

3.2 原子實體模型

原子實體模型與基礎(chǔ)實體模型是一樣真實存在的，可以通過不同基礎(chǔ)實體拼接而成，也可以通過語言編輯實現(xiàn)。原子實體模型創(chuàng)建的基本原理是將簡單的幾何模型組合為復(fù)雜的模型。

原子實體模型在創(chuàng)建時提供了一個通用屬性USE和一個節(jié)點(diǎn)Inline，它們可以在重復(fù)的模型中重復(fù)利用。同時USE屬性需要與DEF屬性搭配使用，當(dāng)需要重復(fù)使用由幾個模型構(gòu)成的組合模型時，就需將Group節(jié)點(diǎn)與USE屬性和DEF屬性一起搭配使用。原子實體模型效果圖如圖6所示。

3.3 3D模擬仿真技術(shù)存在的問題

由于3D模擬仿真技術(shù)還沒有十分成熟，技術(shù)本身存在一定的難度，實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境搭建過程中會表現(xiàn)出很多缺點(diǎn)與不足，搭建后的模型也會存在諸多問題。下面針對這兩個方面進(jìn)行分析。

在模型搭建過程中，由于3D軟件操作界面不夠精致，對于一些操作水平較低的人員來說，制作過程中環(huán)境的光線強(qiáng)度和色調(diào)與真實環(huán)境相比還具有一定的差距；軟件自身對電腦的配置要求較高，實時互動性較差，這樣使用者就難以根據(jù)實時的模型圖進(jìn)行不斷的修改；系統(tǒng)的更新維護(hù)存在一定的難度，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行成本；系統(tǒng)平臺的簡易操控性以及網(wǎng)絡(luò)速度都直接影響著實訓(xùn)教學(xué)模型的運(yùn)行。

搭建后形成的實訓(xùn)教學(xué)模擬仿真環(huán)境在使用時也會遇到諸多問題。模擬的教學(xué)環(huán)境不利于學(xué)生與老師之間的溝通交流，難以營造一種很好的教學(xué)氛圍；沒有教師真實課堂的實時監(jiān)督，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果可能會降低；實訓(xùn)教學(xué)模型后期的維護(hù)優(yōu)化需要耗費(fèi)一定的人力、物力和財力，會增加學(xué)校教學(xué)的成本。

4 結(jié) 語

本文首先對3D模擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)介紹；然后對3D模擬仿真技術(shù)的語法構(gòu)成及編輯運(yùn)行過程進(jìn)行了分析；接著對實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境模型進(jìn)行了搭建，并對搭建模型效果圖進(jìn)行了展示；最后指出3D模擬仿真技術(shù)目前存在的主要問題。本文為今后利用3D模擬仿真技術(shù)進(jìn)行校園實訓(xùn)教學(xué)提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳王樂，余秋明.淺談?wù)Z義Web本體及本體庫設(shè)計技術(shù)[J].科技風(fēng)，2012（14）：100.

CHEN Wangle， YU Qiuming. On semantic Web ontology and ontology library design technology [J]. Science and technology wind， 2012（14）： 100.

[2] 楊永艷.基于本體和 X3D 技術(shù)的文物景觀建模研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2012.

YANG Yongyan. Research on the modeling of cultural relics and landscape based on ontology and X3D technology [D]. Chengdu： Sichuan Normal University， 2012.

[3] 尚新麗.國外本體構(gòu)建方法比較分析[J].圖書情報工作，2012，56（4）：116?119.

SHANG Xinli. Comparison and analysis of the construction methods of foreign noumenon [J]. Library and information work， 2012， 56（4）： 116?119.

[4] 張金鏑.X3D虛擬校園系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

ZHANG Jindi. Development and design of X3D virtual campus system [D]. Changchun： Jilin University， 2011.

[5] 閆書強(qiáng).電影更真實的秘密：3D電影技術(shù)解析[N].電腦報，2010?01?25（55）.

YAN Shuqiang. The more real secret of the film： 3D film technology analysis [N]. Computer newspaper， 2010?01?25（55）.

[6] DUFFY D J， GERMANI A. C# for financial markets [M]. US： Andrea John Wiley & Sons Ltd.， 2013： 123?125.

[7] 邵維忠，楊芙清.面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：22?26.

SHAO Weizhong， YANG Fuqing. Object oriented analysis and design [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2013： 22?26

[8] 汪廣擴(kuò).機(jī)械加工桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

WANG Guangkuo. Research on machined desktop virtual reality system [D]. Chongqing： Chongqing University， 2013.

[9] 王湘妍.基于桌面三維虛擬現(xiàn)實的中等職業(yè)教育實訓(xùn)課程教學(xué)模式研究[D].開封：河南大學(xué)，2013.

WANG Xiangyan. Research on the teaching model of secon?dary vocational education based on desktop 3D virtual reality [D]. Kaifeng： Henan University， 2013.

[10] 張志田，劉云芳.基于 Virtools 的電子技術(shù)虛擬實驗系統(tǒng)及其在項目式教學(xué)中的實現(xiàn)[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，13（1）：11?12.