基于三维视觉的电梯教学动态模型研究＊

吐尔尼亚孜·艾比布，米热吉古丽·热扎克，秦文斌

（1.新疆交通职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 831401；2.新疆职业大学，新疆 乌鲁木齐 830013）

1 引言

随着信息技术的快速发展，信息化技术已渗透到日常生活的方方面面，从而不断提升人们的生活质量，改变了许多传统的生活方式，其中教育教学也不例外。新出现的信息化教育教学手段彻底改变了传统的学生通过纸质书本获取知识，在学校学习掌握教学重点和难点的教学模式，在线网课、慕课网站进入了越来越多学生的日常学习生活。日新月异的信息化多媒体教学手段为学生提供了更加生动的学习环境，为快速了解学习内容奠定基础，其中三维建模技术和虚拟现实技术的出现，彻底改变了传统的静态描述学习目标的限制，动态还原了学习对象的工作过程。因为人在学习过程中，通过视觉获取的知识比其他途径获取的知识影响更加深刻，所以三维建模技术受到了人们的青睐，许多学者把三维建模技术运用到电梯工程技术方面，例如奥的斯电梯（中国）有限公司的郄扬利用三维建模技术对电梯进行建模，并在建模的基础上进一步说明有限元分析过程[1]。虽然该研究具有一定的参考价值，但是研究的重点在于有限元分析，可用于建筑施工领域，无法直接用于教育教学领域。广州广日电梯工业有限公司的林洁纯研究一种基于SolidWorks 的电梯轿顶装配参数化设计系统[2]，虽然该研究利用三维建模软件对电梯结构进行三维建模，但是并没有对整个电梯进行建模，不能直接用于教学领域。中山职业技术学院的殷勤等研究的基于Solidworks 的电梯安全部件效果图的制作过程[3]，虽然该研究将三维建模技术用于电梯教学，但不是动态的，而是静态的安全部件效果图。综上所述，虽然不少学者围绕电梯行业研究了相关三维建模技术，但是针对电梯教学方面的研究较少，而且限于静态建模。

本文针对电梯的内部结构，利用Solid works 和3DS MAX 等三维建模软件，研究一种有利于学生快速掌握教学重点和难点的动态三维模型。

2 研究内容

本文根据电梯的构造特点和工作过程，利用SolidWorks、3DS MAX 等三维建模软件，在掌握电梯的结构部件尺寸的前提下对整个电梯结构进行静态三维建模，并将静态三维模型进一步处理，把动态参数输入到静态模型，按照电梯教学的典型工作任务和代表性工作任务，建立一种适合电梯教育教学、基于三维视觉的动态模型。该研究围绕电梯机构特性，把电梯教育教学作为出发点，最终建立三维动态模型，主要由建模前的前期准备工作、静态模型的制作过程、动态模型的制作和后期处理等部分组成。基于三维视觉的电梯教学动态模型制作流程如图1 所示。

图1 电梯教学动态模型制作流程图

2.1 前期准备

在该研究中，前期准备工作包括两部分内容：①紧紧围绕电梯教学全过程，找出教学所需的典型工作任务和代表性工作任务；②根据相关国家标准，掌握常见电梯的结构静态参数，也就是电梯的组成部件的静态尺寸参数。

2.1.1 典型工作任务和代表性工作任务

由于人的精力有限，在建模的过程中不可能完成电梯内部每个部件的精细动态模型，因此需要确定典型工作任务和代表性工作任务。在本文中，根据电梯教学中的课程标准，按照实际工作和生产的需要，确定典型工作任务和代表性工作任务，在此前提下建立电梯教学动态模型。

2.1.2 电梯部件的静态参数

电梯部件的静态参数指电梯在静止状态下，组成整个电梯的各个零部件的尺寸大小和结构材料的性能指标。静态参数能够为三维建模奠定基础，若没有静态参数，则无法准确建立电梯部件的三维模型，无法实现电梯各个部件之间的相互匹配，更不用说通过电梯部件组装整体的三维电梯模型。在本研究中获取电梯部件静态参数的途径有两个：查阅相关文献资料，找出常见的电梯部件尺寸和材料性能参数；与合作企业联系，到现场测量部件的尺寸参数，获取电梯结构材料的性能参数。在该研究中，两种方法都有利弊。第一种方法的优点为相对简单，风险较低，缺点为不能保证静态参数的全面性，有些参数无法确定。第二种方法的优点为可靠性强，能够全面掌握电梯部件的静态参数，缺点为获取静态参数时需要注意安全，存在一定的风险。

2.2 静态模型制作

在本文中静态模型指不包括运动参数的电梯结构三维模型。为了对整个电梯进行三维建模，需要先对组成电梯的部件进行三维建模。在部件三维建模的基础上，组装不同的部件。由于电梯部件的数量较多，结构复杂，只用一种建模软件对电梯部件进行建模会延长建模周期，降低三维建模的效率。因此需要根据部件的相关特性，用多种建模软件对电梯部件进行三维建模。在本研究中主要利用两种三维建模软件，分别为SolidWorks 和3DS MAX。这两种软件都是功能很强的三维建模软件，能够有效提高三维建模效率。用多种软件对电梯部件三维建模的依据是三维软件导出的文件具有兼容性，也就是说无论是SolidWorks 软件还是3DS MAX软件都能够导出扩展名为STL 的文件，利用三维建模后的*.STL 文件，随意更换建模环境。

由于用SolidWorks 软件和3DS MAX 软件建立的三维模型侧重点不同，在本研究中对于棱角较明显的电梯部件，用SolidWorks 软件进行三维建模，而对于结构复杂的曲面部件，用3DS MAX 软件进行三维建模，最后利用软件导出功能导出STL 文件或者用导入功能将STL 文件导入到另一个建模软件。电梯导向轮三维模型通过STL 文件导入到不同建模环境的效果如图2 所示。

2.3 动态模型制作

在本研究中动态模型指在静态模型的基础上增加其运动参数，是一种能够还原电梯或电梯部件工作过程的三维模型。动态模型的制作过程不仅涉及电梯部件的运动参数，还需要考虑动态模型的动作或镜头的美观性、吸引性。因为基于三维视觉的电梯动态模型为教育教学服务，只重视电梯或电梯部件的工作过程而不重视动态模型的吸引力，则最终的动态模型会让学生感觉枯燥无味，达不到教育的目的，整个建模工作会失去意义。因此在动态建模的过程中需要同时考虑模型的动态工作过程和艺术美观性。

图2 导向轮建模效果

2.3.1 动态工作过程

三维动态模型是反映和还原真实电梯或电梯部件的工作过程。那如何还原工作过程呢？需掌握电梯工作过程的每个细节，将细微的动作参数运用到静态模型，按照实际电梯运行过程让模型完成相应的动作，从而将静态模型转换为动态模型。学生利用信息化的现代教育资源，通过观察三维动态模型，能够深入了解电梯的工作过程，快速掌握教学的重点和难点。

2.3.2 动态模型的艺术美观性

在本研究中动态模型的艺术美观性是由光源、环境、阴影和相机（镜头）的移动速度等参数综合决定。利用SolidWorks、3DS MAX 等三维建模软件可以有效控制光源、阴影、环境和相机（镜头）的相关参数[4]，这些参数能够直接影响三维动态模型的表现力。若参数设置比较合适，则模型的感染力较强，可以给学生留下较深刻的影响，教育教学效果也会较好，反之亦然。因此制作三维动态模型不仅要有过高的建模技术能力，还需要一定的艺术审美能力，否则做出来的电梯三维模型无法达到预期的教育教学效果。用SolidWorks 软件制作三维动态模型的效果如图3 所示。

2.4 后期处理

在后期处理中，需要先了解建模软件的渲染过程，在掌握基本渲染参数的基础上对模型进行渲染；其次要根据实际需求把模型渲染输出为动画视频或者GIF 动图；最后可以加上水印或者将学校的校徽附加到模型中，从而表明模型的原创性。

图3 三维动态模型效果图

渲染的作用是提升模型表面的质感，使模型更加真实，吸引学生的注意力。由于动画视频有声音和图像信息，需要的存储空间较大，但其包含内容多，而且比较详细，容易理解，因此如果把模型用在室内多媒体环境教学或者存储空间没有限制的网上教学上，可以将动态模型渲染为动画视频。若受存储空间或平台插件的限制，则可以将模型转换为GIF动图，因为GIF 动图只包含图像信息，没有声音，需要的存储空间和平台资源较少。

在后期处理的过程中需要综合交叉使用多种软件。例如建立校徽的三维模型时需要使用Adobe Photoshop、Adobe AI 和3DS MAX 等软件，因为直接用3DS MAX 建模较容易遇到对应字体找不到的尴尬局面。因此首先将校徽的平面图像用Adobe Photoshop 软件打开，然后把校徽的轮廓勾出来，形成选区，接下来建立工作路径[5]，把工作路径导出为Adobe AI 文件，该文件中保存着校徽轮廓的闭合线条。其次将导出来的Adobe AI 文件导入到3DS MAX，从而获得校徽的轮廓样条线，最后把样条线通过软件的修改器挤出后得到校徽的三维模型。除此之外在后期处理中，还需用到Adobe After Effect 和会声会影等[6]视频处理软件。

3 存在的问题与不足

本研究虽然在电梯动态模型方面做了不少工作，但由于在日常生活中使用的电梯种类较多，结构上有一定的差别，而且在建模过程中审美能力不足，整体研究还存在一定问题与不足，主要体现在建模完整性方面和三维动态模型的美观吸引人方面。

建模完整性方面。由于电梯的结构比较复杂，要想建立精细的电梯三维动态模型需要花费大量的时间和精力，无法在短时间内完成让人满意的动态模型。因此有待进一步提高模型的完整性，需要建立完善的电梯相关参数体系，从而建立多种类型的电梯或电梯部件的三维动态模型。

美观吸引人方面。因为没有接受系统的审美教育，动态模型的美观方面有待提高。若从艺术角度出发，模型的背景颜色、相机（镜头）的移动速度和光源相关参数等因素都能够直接影响学生的学习兴趣。由于以上因素无法快速确定，而且在确定相关参数的过程中没有固定的规律或公式，这为动态建模过程增添了不少麻烦。

4 总结

本文利用SolidWorks、3DS MAX 等三维建模软件，根据电梯的构造特点和工作过程，对整个电梯结构进行静态三维建模，并将静态三维模型进行进一步处理，把动态参数输入到静态模型，按照电梯教学的典型工作任务和代表性工作任务，建立一种适合于电梯教育教学的基于三维视觉的动态模型。虽然研究过程中取得了一定的成就，但还存在一些问题。在今后的教育教学工作中，将紧紧抓住电梯教学信息化、三维视觉化的主要目标，努力克服困难，解决建模过程中存在的问题，进一步完善基于三维视觉的电梯教学动态模型。