“互联网+”时代机械制图虚拟实验系统的开发与研究

成海涛，武国祥

（江西交通职业技术学院，江西南昌 330013）

1 引 言

《机械制图》课程是机械类专业的一门重要专业基础课，该课程的实验环节主要是通过观察模型绘制三视图，对零部件进行测绘等，这就需要投入大量的财力、物力、人力，采购各类实物模型、零部件等建设实验实训场所．由于教学内容变化较大，实验模型受种类和数量的限制，故难以完全满足实际教学的需要．随着“互联网+”时代的到来，为使教学内容持续更新、教学模式不断变化、教学评价日趋多元化，可以利用计算机网络技术、虚拟现实技术开发机械制图虚拟实验系统，将虚拟现实技术融入教学环境之中，使其成为新型实验教学系统的有机组成，充分体现在实验过程中人与人、人与教学内容、人与系统的互动性，使学习者在教学实验中处于主体地位．它具有直观性、可扩展性、灵活性、经济性等优势，将成为机械制图课程教学改革的重要方向．

2 系统的设计流程

机械制图虚拟实验系统的设计可分为以下四个部分：内容信息框架的设计、模型的构建、交互效果的设计和实验系统发布．具体的开发流程如图1所示．其内容框架的设计采用自上而下的构建方法，从最基础的内容与功能开始分类，由浅入深地设计了五个知识点：认识基本立体、立体相贯、组合体分析、零件分类、装配体部件拆装，各知识点以单独实验模块的形式构建整个虚拟实验系统的框架层次．

机械制图虚拟实验系统利用CAD建模技术与Virtools技术相结合的构建方法．Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，它为各类使用者提供了从产品的初期设计、虚拟环境的仿真到3D互动操作的完整体验，从而使实时3D技术的应用变得更多元、更广泛[1]．Virtools最大的特点就是采用模块化的编程语言，每个BB模块实现一个功能，开发者只需掌握基本的编程知识，利用连线的方式将各个BB功能模块连接起来，就能开发虚拟实验项目，大大降低了开发虚拟实验的难度[2]．

图1 虚拟实验系统开发流程图

3 系统关键技术

3.1 三维模型的创建与导入

构建机械制图虚拟实验系统首先需要创建精确、逼真的三维模型．Virtools软件不具备创建三维模型的功能，因此可以先利用CAD建模软件创建好三维模型，然后再将模型导入3DS Max软件中进行材质的修饰．要把3DS Max建好的模型导出在Virtools中使用，必须安装Virtools Max Export插件，把在3DS Max中创建的模型转化为Virtools的场景文件．在3DS Max中执行文件菜单/导出选定对象选项，选择导出文件类型为Virtools Export（*.NMO,*.CMO,*.VMO），指定好保存路径，保存时应注意一定要以英文命名，最后导入到Virtools环境中就可以进行交互功能的设计[3]．

3.2 虚拟场景灯光的设置

在Virtools场景中导入三维模型后，由于场景中没有光源，在3D Layout编辑视窗中三维模型呈现黑色，所以需要通过添加灯光以使三维模型材质正常显示．Virtools里灯光有三种类型：点光源、聚光灯和平行光，这里选择点光源类型．灯光的建立主要是设置合理的空间位置和强度参数[4]，在灯光设置面板中设置点光源的空间位置坐标，叉选“Specular（高光反射）”选项，设置点光源的光照范围和光照强度，为了从不同角度观察模型时都能体现三维模型的质感，场景设置六盏灯光，分别照射场景不同位置，设置好光源后模型的光泽整体发生变化，模型材质已能正常显示了．

3.3 交互功能的实现

3.3.1 三维模型的旋转和视角的切换

在虚拟实验系统中，要实现三维模型的旋转、缩放和视角切换，就要在Virtools中创建一台摄影机，用它作为观察者的眼睛，通过改变摄影机的角度和坐标来实现视角的改变[5]．

首先在场景中创建一个三维帧作为摄影机视点的参考对象，再创建一台摄影机，为摄影机创建脚本，添加BB行为交互模块：Mouse Waiter（等待鼠标事件）、Parameter Selector（参数选择器）和Mouse Camera Orbit（使用鼠标移动摄影机），来设置鼠标右键的功能，实现三维模型的观察视角跟随鼠标的移动发生改变，从而控制三维模型的旋转，脚本框图如图2所示．

创建摄影机切换脚本，添加BB行为交互模块：Nop（空操作指令）、Swith On Message（切换信息）、Parameter Seleter（参数选择器）和Set Position（设定位置），脚本框图如图3所示，结合视角切换交互脚本，通过单击视角切换按钮来实现三维模型的主视图、俯视图、左视图、轴测图四个场景的观察角度变化．

为了使三维模型在切换主视图、俯视图、左视图时不出现近大远小的投影角度，要将摄影机的投影类型选择为Orthographic（正交投射），以无透视的方式显示，这样三维模型的缩放就不能由鼠标滚轮来控制了．此时需要另外为三维模型的缩放创建脚本，需使用BB行为交互模块：Switch On Key（切换按键）、Per Second（每秒）、Interpolator（内插运算）、Scale（缩放），脚本框图如图4所示．

图2 鼠标右键控制脚本框图

图3 摄影机切换脚本框图

图4 三维模型缩放脚本框图

3.3.2 装配体的拆装

装配体的拆装实验包括装配体的拆卸演示和手动装配．装配体的拆卸演示主要是帮助学生了解装配体中各零件之间的相对位置和装配关系．手动装配是通过鼠标控制各零件的移动，按照拆卸的反顺序完成装配体的重组．

首先创建装配体零件组，再创建装配体阵列，用于存放装配体各零件对象拆卸前的初始坐标数值和拆卸后的分解坐标数值[6]．在获取了装配体各零件对象初始坐标和分解坐标后，创建拆卸演示脚本，添加BB行为交互模块：Iterator（阵列迭代器）、Bezier Progression（贝兹级数）、Interpolator（内插运算）、Set Position（设定位置）和Binary Switch（二进制转换），实现各零件对象由初始位置渐进移动到分解位置的动态过程，该过程是按照零件对象的排列顺序逐步分解的[7]，脚本框图如图5所示．

3.4 系统的整合与发布

在完成虚拟建模、交互控制设计等一系列的工作流程后，接下来使用Virtools软件中File菜单下的“Create Web Page”以超文本（.htm格式）输出，通过网页设计将机械制图虚拟实验系统中各知识点以单独实验模块进行整合，然后经过前端美化后就可以发布到学习网站了．用户只需要在浏览器上安装Virtools Web Player播放插件，便可以通过访问学习平台的网址进行非常方便的远程终端学习，从而实现机械制图虚拟实验内容的模拟操作．

图5 装配体拆卸演示脚本框图

4 系统的应用效果

基于网络环境的机械制图虚拟实验系统具有直观性、可扩展性、灵活性、经济性等优势．将它应用于制图课程教学中，一方面可针对所选教材，制作配套模型，也可根据不同教学内容和教学对象，及时扩充模型，以满足教学的需要，使教学内容和方法更具有针对性；另一方面学生可以根据自己的学习情况，通过网络远程操作反复学习有关内容，由于虚拟模型能清晰、生动、形象地展示在学生面前，学生可对虚拟模型进行多视角观察，将二维视图与三维实体进行相互转换，增强学生的感性认识，极大地提高学生的空间想象和空间逻辑思维能力．学生对一些难点问题如截交线、相贯线、组合体视图补漏图线及补画视图等知识点的理解变得更加容易，在作业练习中的出错率也明显降低．

5 结 论

针对日益变化的教学需求以及师生对教学体验的更高要求，高校开发或开展相应的虚拟实验教学具有很重要的现实意义．作为一种新型的科学实验教学方式，虚拟实验教学系统将传统实验中的实验环境在虚拟环境中真实的再现，它将成为实验教学活动的发展主方向和提高学生实践能力的重要手段．虚拟实验系统既方便了教学又降低了教学投入，是帮助我们提高远程教育质量和解决教育资源短缺与分布不均衡等问题的重要途径．

[1]徐英欣，杨建文，张安鹏．Virtools虚拟互动设计实例解析[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2012：7．

[2]李永帅，陈清奎，宋开功，等．基于Virtools的虚拟实验室的构建方法研究[J]．机电产品开发与创新，2011（3）：133-134．

[3]罗建勤，张明．交互式漫游动画[M]．北京：中国科学技术出版社，2010：7．

[4]邬宗鹏．Virtools软件在开发减速器虚拟拆装实验教学平台中的应用[J]．铜陵学院学报，2015（2）：109-110．

[5]舒坚，杨勇，吴福虎．基于Virtools平台的三维虚拟计算机硬件组装[J]．计算机技术与发展，2017（1）：156-159．

[6]徐英欣，王丹东，胥林．三维游戏设计师宝典[M]．北京：电脑报电子音像出版社，2009：8．

[7]范孝良，田珍．基于Virtools的钻夹具虚拟装配平台的研究与开发[J]．工业仪表与自动化装置，2011（1）：86-91．