工程圖學投影展開虛擬仿真系統的研究與實踐

曾 紅，王元昊，高秀艷

工程圖學投影展開虛擬仿真系統的研究與實踐

曾 紅，王元昊，高秀艷

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

為滿足工程圖學投影原理的教學基本需求，本文基于3D Max、Adobe Media Encoder渲染器等軟件制作開發了一套投影展開虛擬仿真系統，系統主要包括正投影法的基本概念及特性仿真、點線面投影與展開仿真、立體投影及表面取點仿真、軸測圖形成仿真、機件的常用表達方法仿真等模塊。仿真動畫內容全面形象，使單調抽象的投影展開的空間思維問題變得簡單、直觀。虛擬仿真系統在教學實踐中實際運用效果良好，為工程圖學的教學改革提供了參考。

工程圖學；正投影法；虛擬仿真實驗

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術對教育發展具有革命性的影響，教育信息化是新時代教育改革的發展趨勢和必然要求。”[1-2]

工程圖學課程是工科院校機類、近機類和非機類專業重要的技術基礎必修課，該課程主要研究應用正投影法繪制與閱讀機械工程圖樣的原理和方法。點、線、面、體的正投影法的投影基本原理和空間三面投影體系的展開方法是教學中的難點和重點。

由于大學一年級學生空間形體的思維能力較弱，教師的語言和靜態圖示難以形象地表達投影的基本原理和展開的基本方法，教學單調枯燥[3]。

本文基于3D Max、Adobe Media Encoder渲染器等軟件[4-5]，針對正投影法中點線面的投影與展開、立體投影及表面取點、軸測圖形成，以及機件的常用表達方法等內容建立了工程圖學投影展開虛擬教學仿真系統，可動畫展示物體正投影的基本原理，以及投影生成后投影面與投影的展開方法。基于本系統開發的動畫內容全面、形象，便于學生掌握投影和展開的基本原理，解決師生課前預習、課堂授課和課下復習過程中空間形象思維轉換的困惑，可有效推動“互聯網+”技術不斷深入融合傳統教學，豐富教學內容，寓知識性、趣味性、互動性于一體，促進學生和教師雙向互動教學，提高教學質量[6-8]。

一、工程圖學虛擬仿真系統的設計與實現

（一）系統的基本組成

本系統是用于工程圖學教學過程中投影展開原理演示的仿真教學軟件，主要包括投影法的概念及特性仿真、點線面投影與展開仿真、投影變換的原理與方法、立體及表面取點的投影與展開仿真、軸測圖形成仿真、機件的常用表達方法仿真等投影展開原理的動畫仿真模塊。

（二）虛擬仿真系統開發平臺

系統的開發采用了3ds Max、After Effect、Adobe Media Encoder渲染器、Illustrator、Substance Painter、Vray渲染器等軟件，其中最必要的是3ds Max、After Effect和Adobe Media Encoder。在這些軟件中，3ds Max用于3D動畫制作；After Effect用于后期制作并添加提示語；Adobe Media Encoder用于渲染和批量渲染輸出視頻；Illustrator是藝術類矢量軟件，用于機械矢量二維圖和數字媒體軟件之間的銜接，將原機械二維圖形導入數字藝術類軟件；Substance Painter是全球高級三維材質設計軟件，用于部分零件逼真的金屬質感制作；Vray渲染器用于高質量的3D動畫幀序列輸出[9-11]。

（三）虛擬仿真系統的開發步驟與方法

1. 在課件動畫的制作過程中，根據課件設計要求，在3ds Max中進行場景建模、賦予材質、根據教學要求拍動畫。

材質區分度鮮明，不同動畫中相似內容材質（如投影線顏色等）盡可能統一[12-13]。

2. 對于投影面，需要嚴格體現機械原二維圖，需要將Auto CAD中的二維矢量圖導入Illustrator轉換成Adobe系列數字媒體軟件可以兼容的格式，讓這些含機械圖的圖片或二維動畫成為投影面的材質貼圖[14]。

3. 在大多數情況下，場景的主零件模型為純色（如黃色帶光澤）即可。一些情況下，模型需要逼真的金屬質感，需要將模型在3ds Max中劃分UV，在UVW編輯器中加以調節，將帶UV劃分的模型導出成*.fbx（Autodesk三維交換格式）輸入到Substance Painter中詳細繪制材質，將導出的Vray貼圖輸入回3ds Max的材質編輯器，這樣就可以獲得具有金屬質感的材質。

4. 渲染輸出幀序列之后，將幀序列和所有所需素材輸入到After Effect，剪輯并添加提示語等文字，如有需求，也可以對文字制作簡單動畫。

5. 最后After Effect中的所有內容調整好后，預覽整個合成、自檢。由于After Effect屬于前期制作軟件，一般不是輸出視頻，而是幀序列，所以需要將合成導出到Adobe Media Encoder渲染器進行視頻的最終渲染輸出，主要輸出設置根據“HD 1 080 p預設”改編，為1 920×1 080，20 Mbps，取消音頻，時間插值采用光流法算法。經歷上述過程即可得到課件三維虛擬仿真動畫。系統的基本組成如圖1所示。

圖1 工程圖學虛擬仿真系統的基本組成

二、虛擬仿真系統案例介紹

（一）虛擬仿真系統的基本仿真過程

“工程圖學投影展開虛擬仿真系統”采用1080 p分辨率、10～50 Mbps碼率、H264解碼、MP4格式，知識嚴謹，內容清晰，兼容性極強，是學生輔助學習工程圖學課程的理想選擇。

首先，播放視頻，視頻會呈現最基本的1～3個投影面和所研究的幾何體。

然后，需要注意不同動畫（如投射線粗細、投射方式等）的建模標準盡可能統一。同一動畫中投射光線抵達投影面后，會根據機械制圖規則生成一個視圖，并配置文字說明。文字說明主要表達點、線、面之間的位置關系。

在一些視頻中，虛擬仿真系統會詳細呈現各個投影面上的視圖及其輔助線的形成過程，幫助學生理解原理。

多個視圖形成完畢后，投影面逐漸展開為共面，視頻中會保留視圖和投影面上的文字，其他部分消失。

最后，視角正視于展開后的投影面，保留相關的提示語。

（二）典型仿真示例展示

1. 正投影的基本原理——顯實性

如圖2所示，已知線段AB和表達平面的三角形CDE都平行于投影面，將線段和平面向投影面投射，所得到的線段投影反映實長，所得到平面的投影反映實形。

圖2 正投影的基本特性——顯實性仿真

2. 圓錐表面取點——輔助緯圓法

如圖3所示，已知圓錐及圓錐表面上的點M，用一個平行于水平面的面過M點，將圓錐截出一個圓（緯圓），同時也將圓錐的主視圖、左視圖截出了兩條線。以緯圓和線作為輔助線，求M點在其他兩視圖上的投影。

圖3 圓錐表面取點——輔助緯圓法

3. 斜視圖的形成過程

斜視圖屬于一種“向視圖”，當六個基本視圖不能準確表達實形時，添加一個投影面，單獨對特殊角度投影面進行投射即得到斜視圖，如圖4所示。

圖4 斜視圖的生成

三、結束語

本課題組研制開發的“工程圖學投影展開虛擬仿真系統”已在工程圖學的教學實踐中得到了廣泛的應用。已作為單獨的虛擬仿真模塊上傳至學校的網絡課程平臺，學生可用手機或電腦隨時隨地進行課程的預習和復習實踐。系統模塊也插到了多媒體課件中供教師課堂教學使用。此外，基于仿真動畫錄制了知識點微課，通過二維碼調用的方式納入紙質教材體系[15]，形成新形態立體化的教材，利于碎片化、泛在式教學的開展，符合移動互聯網時代學生的學習心理與學習習慣。

系統把原本單調抽象的投影和展開的基本原理變得簡單、直觀、通俗易懂，激發了學生的學習興趣，豐富了教學內容，對推進工程圖學課程的線上線下混合式教學起到了積極的推動作用[16]，為工程圖學的教學改革提供了參考。

[1] 中華人民共和國教育部. 關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見[EB/OL]. (2018-10-17)[2022-02-20]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.

[2] 高德, 陸俊杰, 陳根浪, 等. 基于虛擬仿真的包裝機械實驗課程建設與實踐[J]. 大學教育, 2021(3): 49-52.

[3] 蔣薇, 門朝威. “雙一流”背景下機械制圖課程改革的幾點思考[J]. 人才培育, 2021(2): 118-120.

[4] 李芳, 王軼, 柳志丹，等. 基于 3D MAX 的隧道工程施工動畫建模研究[J]. 山西建筑, 2018, 44(27): 164-165.

[5] 邊丹. 三維軟件渲染器的優缺點比較[J]. 蕪湖職業技術學院學報, 2017, 19(1): 47-49.

[6] 楊彩霖. VR虛擬仿真實驗系統的設計與實現[J]. 現代電子技術, 2021, 44(15): 124-128.

[7] 沈超, 付小莉, 李衛超. 波浪運動特性虛擬仿真實驗的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2021, 40(7): 180-184+194.

[8] 張宗波, 王珉, 吳寶貴, 等. “線上+線下融合式”工程圖學課程建設與教學實踐[J]. 圖學學報, 2016, 37(5): 718-725.

[9] 閆漢生, 曾峰, 龍宇輝, 等. 基于 Unity3D 的產品結構認知虛擬實驗室的構建[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(8): 117-121.

[10] 時代印象. 3ds MAX2012基礎培訓教程[M]. 2 版. 北京: 人民郵電出版社, 2017: 79-86.

[11] 吳金棟, 任光輝, 黃東鍵, 等. 基于虛擬仿真技術開展實踐教學改革的研究與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2018, 37(5): 240-244.

[12] 常雅寧, 彭鈺珂, 魏東芝, 等. 虛擬仿真技術在酶工程實驗教學上的應用[J]. 實驗室研究與探索, 2019, 38(2): 237-239+244.

[13］常金光, 顧若陽, 孟麗麗, 等. 基于Unity3D 的機械設計基礎虛擬實驗平臺設計[J]. 機械工程師, 2017(2): 95-97.

[14] 婁啟業, 程效軍, 譚凱. 基于AutoCAD 和 3DMAX 的建筑物三維建模[J]. 工程勘測, 2013(11): 71-74.

[15] 曾紅. 工程制圖[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2021: 27-44+101.

[16] 曾紅, 高秀艷, 陳鴻飛, 等. 畫法幾何及機械制圖一流課程的建設與實踐[J]. 遼寧工業大學學報(社會科學版), 2021, 23(4): 120-121.

：10.15916/j.issn1674-327x.2023.05.028

G642.2

B

1674-327X (2023)05-0111-04

2022-04-13

遼寧省教育廳一流課程建設項目(2021130193)；遼寧工業大學教學改革研究項目(202073)

曾紅(1964-)，女，廣東連平人，教授。

(責任編輯：付春玲)