基于3D模擬仿真平臺的高校實訓教學環(huán)境構建技術研究

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。詳細介紹了3D模擬仿真技術的特點和應用領域，分析了3D模擬仿真技術的語法構成及編輯運行過程。對實訓教學環(huán)境模型進行搭建并對搭建模型效果圖進行展示，最后指出3D模擬仿真技術目前存在的主要問題，為今后利用3D模擬仿真技術進行校園實訓教學提供一種新的思路。

關鍵詞： 3D； 模擬仿真技術； 實訓教學； 模型搭建； 虛擬場景界面； 場景支撐

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： 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

隨著信息技術的飛速發(fā)展，3D模擬仿真技術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生活方式[1]。模擬仿真技術一經提出就向人們展示了無限的應用前景，得到了各行各業(yè)的廣泛關注。其中教育行業(yè)是模擬仿真技術應用的主要領域。采用3D模擬仿真技術搭建實訓教學環(huán)境并應用于教學環(huán)境中，能夠打破傳統教學枯燥乏味的方式，有效提高學生的創(chuàng)新思維能力和對科學探究的興趣[2?4]。

伴隨著互聯網+的提出，高校教育方式逐漸走向智能化、網絡化和數字化[5]。尤其對于高校實訓教學方面，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，避免因實驗失誤或者實驗不良結果帶來的對于學生身體和教學器材的損傷[6]。模擬仿真教學提出思路如圖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者的不懈努力下，這種差距在逐漸縮小[7]。相比國外，我國學者的研究主要集中在硬件和軟件方面。

1 3D模擬仿真技術簡介

3D模擬仿真技術是一種既規(guī)范又虛擬現實的新時代科技，該技術的標準語法采用的是XML標記式語法結構，通過自身豐富多樣的節(jié)點式語言詳細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。

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

3DMax充分利用人眼的錯覺，將原本靜止的三維圖片進行快速連續(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節(jié)表現出來，達到逼真、生動、活潑的效果。3DMax的基本屬性由三部分構成：幀和時間軸、圖層、元件實例。

隨著科學技術的快速發(fā)展，3D模擬仿真技術也得到了極大的創(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的格式進行保存，達到逼真、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行很好的融合，通過random函數，可以使創(chuàng)作出的虛擬環(huán)境具有一定的隨機性，這也是3D模擬仿真技術的靈活性所在。

2 3D模擬仿真技術語法及運行環(huán)境

2.1 3D模擬仿真技術語法簡介

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

3D模擬仿真技術語言結構與xml語言和html語言類似，通過節(jié)點之間的嵌套實現語言的功能，其結構圖如圖2所示。3D模擬仿真技術為使用者提供了功能強大、豐富的節(jié)點語言，通過對多個節(jié)點嵌套使用就可以得到目的場景的虛擬環(huán)境。

2.2 編輯及運行環(huán)境

3D模擬仿真語言的編輯主要通過兩種方式實現：一種是使用支持編程語言的記事本進行編輯；另一種是利用3D的專業(yè)編輯軟件3D?Edit來實現。前者簡單易行，但需要借助單獨的3D瀏覽器才能實現對編輯結果的預覽；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、復雜的文件，圖形預覽與語言編寫無法完全同步。

3D模擬仿真的瀏覽方式分為：獨立安裝的瀏覽器，如Xj3D，Octaga，BSContact；插件式瀏覽器，如Flux Player，FreeWRL；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運行環(huán)境和Xeena?1.2ea插件時，3D?Edit才能夠正常運行。在使用該軟件的過程中，為了避免影響其他應用的正常運行，需要運行remove3D?EditPreferencesWinXp.bat完全結束后臺程序的運行。

3 實訓教學環(huán)境模型搭建

高校實訓教學環(huán)境生成的模型資源庫主要通過基礎實體模型和原子實體模型實現。3D模擬仿真技術具有強大的語言編輯功能，憑借自身生動逼真的模型效果被應用于眾多領域。但是完全依靠3D?Edit編輯軟件對3D模擬仿真技術進行語言編輯來實現如此逼真的環(huán)境模擬是十分困難的，3D語言對于簡單的幾何節(jié)點模型創(chuàng)建很容易，但對于較復雜的節(jié)點模型就需要操作者很高的技術水平了，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，用專業(yè)的三維建模軟件對實際環(huán)境進行模型創(chuàng)建，通過VRML進行模型轉換，導出[.WRL]格式的文件，最后轉換為3D文件格式，這樣就可快速得到理想的模型。

3.1 基礎實體模型

基礎實體模型創(chuàng)建以實訓教室為原型，對其基礎設施進行模型創(chuàng)建。基礎實體模型原型主要包括：教室的窗戶、教室的大門、學生課桌、多媒體設備、實驗器材等。基礎實體模型的確定是根據實訓教室的構建方式和構成部分擺放位置進行詳細分析所得，如圖3所示的實訓教室由窗戶、多媒體設備、黑板、課桌和燈管構成，因此對于該模型的創(chuàng)建就要分為幾個不同的部分進行。

首先對實訓教室這個大整體進行3D模擬，由于教室整體為一個矩形框架，構造較為簡單，可以通過3D?Edit直接進行模型創(chuàng)建。該模型的創(chuàng)建主要通過Box節(jié)點和IndexedFaceSet節(jié)點實現，每個Box節(jié)點模型與IndexedFaceSet節(jié)點模型的連接組合通過Transform節(jié)點實現。通過對Transform節(jié)點中Translation，scale，rotation的屬性進行參數設置，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，需要應用到Appearance節(jié)點中的Material節(jié)點、ImageTexture節(jié)點和Texture Transform來增強模型的真實性，達到逼真的效果。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實體模型是一樣真實存在的，可以通過不同基礎實體拼接而成，也可以通過語言編輯實現。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Inline，它們可以在重復的模型中重復利用。同時USE屬性需要與DEF屬性搭配使用，當需要重復使用由幾個模型構成的組合模型時，就需將Group節(jié)點與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模擬仿真技術存在的問題

由于3D模擬仿真技術還沒有十分成熟，技術本身存在一定的難度，實訓教學環(huán)境搭建過程中會表現出很多缺點與不足，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)境的光線強度和色調與真實環(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實時的模型圖進行不斷的修改；系統的更新維護存在一定的難度，提高了系統的運行成本；系統平臺的簡易操控性以及網絡速度都直接影響著實訓教學模型的運行。

搭建后形成的實訓教學模擬仿真環(huán)境在使用時也會遇到諸多問題。模擬的教學環(huán)境不利于學生與老師之間的溝通交流，難以營造一種很好的教學氛圍；沒有教師真實課堂的實時監(jiān)督，學生的學習效果可能會降低；實訓教學模型后期的維護優(yōu)化需要耗費一定的人力、物力和財力，會增加學校教學的成本。

4 結 語

本文首先對3D模擬仿真技術的特點和應用領域進行了詳細介紹；然后對3D模擬仿真技術的語法構成及編輯運行過程進行了分析；接著對實訓教學環(huán)境模型進行了搭建，并對搭建模型效果圖進行了展示；最后指出3D模擬仿真技術目前存在的主要問題。本文為今后利用3D模擬仿真技術進行校園實訓教學提供了一種新的思路。

參考文獻

[1] 陳王樂，余秋明.淺談語義Web本體及本體庫設計技術[J].科技風，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 技術的文物景觀建模研究[D].成都：四川師范大學，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虛擬校園系統開發(fā)與設計[D].長春：吉林大學，2011.

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

[5] 閆書強.電影更真實的秘密：3D電影技術解析[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.面向對象的分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2013：22?26.

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

[8] 汪廣擴.機械加工桌面型虛擬現實系統的研究[D].重慶：重慶大學，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實的中等職業(yè)教育實訓課程教學模式研究[D].開封：河南大學，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 的電子技術虛擬實驗系統及其在項目式教學中的實現[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2013，13（1）：11?12.

ZHANG Zhitian， LIU Yunfang. Virtools based electronic technology virtual experiment system and its implementation in project?based teaching [J]. Journal of Hunan Industry Polytechnic， 2013， 13（1）： 11?12.