基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究

孙红春 胥 勇 程桂娟

1. 东北大学 辽宁沈阳 110819

2. 沈阳自动控制研究设计院 辽宁沈阳 110819

基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究

孙红春1胥 勇1程桂娟2

1. 东北大学 辽宁沈阳 110819

2. 沈阳自动控制研究设计院 辽宁沈阳 110819

以理论教学为主导的传统教学模式使机械工程测试技术课程脱离工程实践。针对这一情况，提出了基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究，将教师的工程项目整合为虚拟测试环境，使学生跨越硬件设备资源的限制，通过交互性工程实例的测量过程，提高学生的工程实践能力、动手能力以及知识运用能力。

工程测试技术；工程实例；Cult3D技术；虚拟仿真

机械工程测试技术课程是面向机械类本科专业的专业基础必修课，隶属于信息技术。课程主要内容包括传感器技术、信号分析与处理技术、计算机技术等，是一门理论性和实践性都很强的课程，是机械与自动化技术连接的桥梁。传统教学中，理论教学所占比重远远超过实践教学，其主要原因在于学时分配不合理和学校资源不到位。[1]借鉴美国高校的人才教育：高校的实验教学与课堂教学时常融合在一起[2]，同时，考虑到不同高校的实验环境不同，开展了基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究，将课程重要的应用：力的测量、振动测量、温度测量以及位移测量依附于工程实践，进行虚拟仿真测试，由主讲教师依据具体的讲课进度和内容设置与之配套的工程实践虚拟测试环节，培养学生解决工程实际问题的能力，增加学生对专业学习的热情和积极性，启发学生对工程实践中相关事例与情境的深入观察与思考。[3]

1 Cult3D功能简介

Cult3D是一种全新的Web3D技术，一个跨平台的3D引擎，虚拟现实技术在互联网上的一种应用，运用该技术制作的具有交互功能的3D课件。[4]利用Cult3D技术可以使网页设计者制作出3D立体的产品，同时可以用视觉的方式显示不同事件和功能的交互性，并且放置在网页中用鼠标控制3D产品的旋转、移动以及放大、缩小。由于Cult3D本身并没有自己的建模工具，所以常常要借助于其他软件完成建模工作，因此就需要Cult3DExporter插件，利用它可以将3DS Max或者Maya等三维软件中的文件导入Cult3D。[5]Cult3D中还有Cult3DDesigner插件和Cult3D player插件，其中Cult3DDesigner为Cult3D主要的设计平台，通过这一平台可建立具有交互性能的对象；Cult3Dplayer主要用于Cult3D文件的网络发布，使浏览器可以播放Cult3D对象并展示其交互功能。

2 汽车变速器振动与噪声测试的网络虚拟技术实现

2.1 虚拟化工作流程

Cult3D基于面对对象的思想进行开发。三维物体作为一个对象，模型下每个节点都可以作为一个对象，每个对象具有一定的属性(如颜色、纹理等)。对象可进行一定的动作(如运动、旋转、放大缩小、粒子特效、动画播放、声音播放、粒子系统、复位等)。事件发生在对象身上，可触发对象的某个属性或动作的改变。

一个完整的Cult3D例程可以通过以下步骤实现，流程如图1所示。[6]

图1 Cult 3D工作流程

2.2 汽车变速器三维模型的构建

采用专业三维建模软件(如3DS Max，ProE，SolidWorks等)制作物体的三维模型，然后利用插件Cult 3D Exporter for 3D MAX导出文件，输出Cult3D Designer的.c3d格式文件。若采用其他建模软件(如SolidWorks，Pro /E等)可在软件中另存为.stl格式文件，然后在3DS Max中导入，再导出.c3d文件，或者采用PolyTrans模型转换软件将文件格式变换为3DMax可读出的格式，作为中转，转化为.c3d格式。本次汽车变速器建模，首先采用SolidWorks软件进行三维模型的构建，然后将其保存为.stl格式文件，导入3DS Max进行渲染或剖切等操作，最后将其输出为.c3d格式文件，此文件格式可直接载入到Cult3D软件中进行虚拟。汽车变速器三维模型构建的流程如图2所示。

图2 汽车变速器建模流程

2.3 三维模型交互设置

启动Cult3D Designer，点击“fle”按钮，选择添加Cult3D Designer文件，将之前保存好的.c3d格式文件导入，为三维模型加入互动效果、事件和声音等。Cult3D Designer已经将很多基本的命令模块化。即使不懂编程语言也可以很方便地制作出不错的效果。Cult3D中为了提高用户的交互体验，使用了面对对象的开发方法。可以按照用户动作、事件、浏览对象三方面去设计浏览过程中的交互环节，触发对象完成某种动作。动作的完成主要有以下两种实现途径。

2.3.1 开发平台中自带动作

对象运动有绕xyz轴旋转、平移、缩放、复位、动画播放、动画停止等动作。交互运动有鼠标球运动、鼠标扩展、鼠标和键盘导航。可选择不同摄像机进行视角跳转。可进行图形窗口的渲染设置，例如更改背景、隐藏对象、显示对象、双线性过滤等。可使用粒子系统进行特效模拟。用于触发的事件包括世界启动、世界停止、鼠标左键点击、鼠标右键点击、键盘按键按下、键盘按键弹起等。也可自定义事件。

本次实例的大多数动作都是通过此途径实现的，所以在这里主要介绍一下此途径的一些核心操作和注意点。

(1)对于载入的.c3d文件，首先建立一个虚拟物，将其作为一个整体，与事件启动、控制球组成一个最简单同时也是最有效的事件控制，通过此设置，可以实现对整体结构的旋转、移动以及放大、缩小，便于设计者对整体场景有比较好的把握，同时有利于形成对后续事件的设计思路。就交互性而言，这一步操作至关重要，同时也是后续事件设计的基础。

(2)在进行交互功能的设计之前，设计者需要做一个大概的流程规划，流程规划在一定程度上直接影响交互体验的感受，而且好的流程规划更节省内存。

(3)在交互功能的设计过程中，事件窗口和演示窗口要同时进行，以便及时发现问题进行改正，否则到最后发现问题时，又要从头开始找，降低了设计效率。对于设计的交互控制，最好能做到易读性，这样不仅便于自己的修改，而且也便于其他人的阅读和改正。此实例的交互设计过程如图3所示。

图3 模型交互设计界面

2.3.2 利用Java自编程动作

由于Cult3D是使用Java语言开发，所以借助Java使用Cult3D可以获得更强大的交互功能。为Cult3D编Java类，必须使用Cult3D专用类包Cult3DDevelop.jar，这个文件一般放在Cult3D Designer的安装目录下。

编写好Java类并用编译工具生成*.class文件后，就可在Cult3D Designer中通过拖拉操作使用Java类的功能了。具体在Cult3D Designer中，点击View Java Action打开对话框，添加要用的Java类。

2.4 导出.c3p和.co格式文件

交互设计完成后，将其保存为Cult3DProject文件，文件格式是.c3p，便于以后的修改，然后利用file菜单下的Save Internet fle，把3D模型导出为.co格式文件。

在Cult3D Designer演示窗口的汽车变速器虚拟物体如图4所示(将此虚拟物在Cult3D中保存得到.c3p格式文件，可在Cult3D中进行反复修改)。

图4 演示窗口

2.5 发布.co格式文件

发布.co格式的文件，插入到Html文件中在网上发布。

3 结束语

基于Cult3D技术的网络虚拟测试技术，将Cult3D技术有机地融入多媒体教学资源和教学情境的设计、开发之中，可以为学生创建更多、更好、更真实的操作环境，其生动、逼真的感性测量可以增加学生学习兴趣，打破硬件设备的限制，完成机械工程测试技术工程实例的测试任务，真正做到无硬件支撑环境下的实践教学，同时在不用增加实验学时的情况下培养学生工程实践能力和创新能力。

[1] 何炳蔚.“机械工程测试技术”课程教学改革与实践[J].江苏经贸职业技术学院学报,2013(6):90-92.

[2] 许鸣宇,刘军.美国工程类本科教学模式浅议:以内布拉斯加-林肯大学为例[J].廊坊师范学院学报:自然科学版,2013(5):122-125,12.

[3] 慕丽,王欣威.机械工程测试技术基础课程教学改革探讨[J].装备制造技术,2010(1):212-214.

[4] 薛勇,于新峰.Cult3D技术在网络课件开发中的运用[J].中国现代教育装备,2007(10):68-70.

[5] 张小萍,肖芝,王君泽.Cult3D平台上的立体车库三维仿真[J].机械制造,2012(9):35-37.

[6] 闫龙.基于Cult3D和Java的网络虚拟装配技术的实现[J].机床与液压,2011(1):98-100.

Researching on Virtual Simulation in Mechanical Engineering Testing Technology Based on Cult3D Technique

Sun Hongchun1， Xu Yong1， Cheng GuiJuan2
1. Northeastern University， Shenyang， 110819， China
2. ShenYang Antomatic Control Research and Design Insitute，Shenyang， 110819， China

Abctact： The traditional teaching model based on theory teaching made the Mechanical Engineering and Testing Technology course with less engineering practice， this paper presents virtual simulation examples of engineering testing technology based on Cult3D technology， teachers will integrate the project into a virtual test environment， so that students can work interactively to fnish some instances' measurement process without hardware resource constraints， and it can improve students' ability of engineering practice and using knowledge.

engineering testing technology； project examples； Cult3D technology； virtual simulation

2014-11-04

孙红春，博士，副教授。

东北大学机械学院课程改革项目。