工程制图虚拟模型库研究与设计

2014-01-31王炳达姚文亮

机电信息 2014年15期

王炳达许琪姚文亮陆涛

（1.沈阳工程学院机械学院，辽宁沈阳110136；2.沈阳工程学院教务处，辽宁沈阳110136；3.沈阳工程学院现代教育中心，辽宁沈阳110136；4.辽宁轨道交通职业学院管理工程系，辽宁沈阳110023）

0 引言

工程制图是工科类重要的专业基础课，是工程界的语言。它具有较强的空间性和抽象性。在传统教学过程中，教师为了提高学生的空间想象能力，常使用实物模型作为教具。但实物模型具有不易携带、易损耗、数量少、管理难、成本高等缺点，特别不利于学生的灵活使用。因此，根据工程制图课程的特点积极探索新的教具模式势在必行。

随着计算机技术和网络技术的飞速发展，利用虚拟现实技术和网页技术开发的工程制图虚拟模型库打破了时间和空间的限制，具有直观性、可扩展性、灵活性、经济性等优势。

1 总体设计

工程制图虚拟模型库的设计包括从建设到网络发布的整个过程，重点是设计原则和整体架构。

1.1 设计原则

（1）功能性：学生通过WEB访问工程制图虚拟模型库。工程制图虚拟模型库具有三维模型的缩放、旋转、多视图显示、模型认知、人机交互、场景漫游、模拟装配等功能。（2）依托教材：工程制图虚拟模型库中所有的教具模型均来自教材和习题集，顺序与教材目录统一，这样有利于教学进度与模型库对应。（3）可扩充性：根据教学要求，能够对模型库中的教学模型进行补充，满足教学和学生自主学习的要求。（4）控制文件大小：学生通过 WEB访问工程制图虚拟模型库，所以在设计过程中要考虑到网络传输速度和服务器工作能力，尽量减小工程制图虚拟模型库程序包的大小，使学生的访问过程流畅。

1.2 整体架构

如图1所示，工程制图虚拟模型库包括画法几何、立体与组合体、零件表达方法、标准件及常用件、零件库、部件库。画法几何库为点、线、面的投影部分所使用的教学模型；立体与组合体库为基本立体、切割体、相贯体、组合体画法所使用的教学模型；零件表达方法库中为视图、剖视图、断面图、简化画法和局部放大图画法、轴测剖、第三视角投影所使用的教学模型；标准件及常用件库为螺纹、坚固件、键和销、齿轮、轴承、弹簧等三维实体模型及视图；零件图库中为零件图视图模型；部件库中包括组成零件和装配动画2部分。

2 虚拟设计

虚拟设计包括实体造型、模型优化、虚拟现实设计、二维动画设计和网页设计5个部分，具体流程如图2所示。

图1 工程制图虚拟模型库整体架构

图2 虚拟设计流程图

2.1 实体模型构建

实体模型构建是将几何造型方法与计算机图形学相结合的先进技术。它通过计算机技术将几何模型的形状和属性表达出来，生成具有真实感和可视化的三维图形。

工程制图虚拟模型库中的所有实体模型均采用Pro/E进行构建。通过对实物教具模型进行测绘，保证了虚拟模型库中实体模型的数据准确性。在测绘过程中所有教具模型都按统一的计量单位进行数据记录，避免了构建的实体模型导入虚拟场景中出现尺寸和比例不一致的异常现象。

2.2 模型优化

模型优化在3DS MAX软件中进行，主要包括面数精简、材质贴图、优化灯光、烘焙贴图4部分。

在不影响视觉真实性的前提下，对实体模型进行面数精简能够减小文件大小，提高网络传输速度。面数精简的主要方法有减少“三角形”数量、用纹理代替多边形造型、使用简单分量纹理、使用平面图像。

材质贴图方法主要有基本材质法、位图法和复合材质法。基本材质由Ambient Color、Diffuse Color和Specular Color 3种参数构成，能够创造出大部分需要的材质。这些材质既简单又能满足渲染效果的需要。位图法是二维贴图法，在实体模型中有许多表面贴图都要与真实模型一致，通过程序贴图比较繁琐且与真实模型吻合程度差。采用相机拍摄获取位图进行实体模型的二维贴图是一种非常实用的方法。复合材质就是将基本材质、程序贴图和位图法进行综合运用达到预期的效果。

放置灯光是3DS MAX中获得光照效果的重要方法，但在虚拟设计中应尽量少用光源，采用颜色和材质来实现光照的视觉效果，这样能够减少执行时间和系统资源消耗。在光源布置方面宜精不宜多，明暗分布要有层次性。

烘焙贴图优化主要是在烘焙时Lighting Map和CompleteMap类型的选择。Lighting Map类型只支持默认的材质但耗显存低，贴图清晰但光感弱。CompleteMap类型支持大部分材质但耗显存高，贴图模糊但光感强。在VRP虚拟平台中，Lighting Map类型需要2张贴图，CompleteMap类型需要1张贴图。因此，在烘焙尺寸相同时Lighting Map要比CompleteMap消耗显存量高。但经过VRP虚拟平台压缩处理后，Lighting Map类型显存消耗会变得很小。CompleteMap类型如果要和Lighting Map达到同样的清晰程度，其代价就是消耗数倍的显存量和烘焙时间，因此应尽可能地选用lighting Map贴图。

2.3 虚拟现实设计

工程制图虚拟现实模型库的虚拟现实设计采用中视典VRP技术，主要是虚拟场景、界面交互、剖视图动画、基本视图动画的设计。

工程制图虚拟模型库场景的制作是通过“天空盒”环境特效来完成的。在场景中央位置制作一个半径约为20 cm的球体模型来表示视点的位置。在材质编辑器中选择Stan dard材质球，使用Diffuse功能，设置Reflect/Refract参数，场景就会渲染出6幅图片。将得到的图片导入VRP虚拟平台，利用“天空盒”编辑器完成场景的制作。

界面交互设计采用VRP虚拟平台中高级界面的设计方法，使用了单选框、流动条、菜单、窗口、滑杆和组合下拉框等控件。这些控件在人机交互功能上显示了非常大的作用。在程序设计方面采用了VRP脚本编辑器，利用了窗口消息函数、键盘映射函数、鼠标映射函数、方向盘映射函数、VRPIE事件以及自定义函数。

剖视图是假想用剖切面剖开零件，将处在观察者和剖切面之间的部分移去，而将其余部分向投影面投射所得到的图形。剖视图动画采用先按剖面分解结果进行教具模型的实体设计，再进行完整装配。导入虚拟现实平台后，进行动画设计。通过Flash设计出二维剖视图，并将其插入对应的剖视图虚拟窗口。

基本视图是以正六面体的6个面为基本投影面，把零件放置在空的正六面体内，将零件分别向6个基本投影面投射所得到的视图。在基本视图动画上充分使用了VRP的时间轴功能。教具模型放置在六面体内时记录为时间轴动画的初始帧，在每个投影面上摆放出该教具模型的正确投影结果，并记录为关键帧。

2.4 二维动画设计

在工程制图虚拟模型库中，二维动画主要应用于画法几何模型库。在设计过程中主要应用了Flash的补间动画和逐帧动画。补间动画是指只要做好关键帧和终点关键帧的图像，Flash就会自动补上中间的动画过程。逐帧动画是在连续的关键帧中分解动画的动作，也就是在时间轴的每帧上逐帧绘制不同的画面，使其连续播放而形成动画。在动画的程序结构设计过程中采用了顺序结构、选择结构和循环结构。在动画控制设计中采用了ActionScript的事件和事件处理函数，使用户通过鼠标点击或键盘操作直接完成用户与计算机的交互。