趙艷霞,劉雪梅

(華北水利水電學(xué)院,河南鄭州450011)

制圖實(shí)體模型的合理使用對培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力,建立空間概念起到了十分重要的作用。傳統(tǒng)的實(shí)物模型因其體積大、不易攜帶、易損壞以及造價高等不利因素,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要。而實(shí)體模型室不能全天候向?qū)W生開放,學(xué)生的自主學(xué)習(xí)受到了限制,在較大程度上影響了學(xué)生空間想象能力的發(fā)揮。

用VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)[1-2]技術(shù)建立的虛擬模型室彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)體模型的不足。學(xué)生進(jìn)入該系統(tǒng)如同置身于實(shí)體模型室,可以在虛擬模型室內(nèi)漫步、瀏覽模型,尋找需要的模型,選中模型后還可以全方位動態(tài)觀察模型的結(jié)構(gòu)形狀。虛擬模型室的建立有利于培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力、加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 虛擬模型室的實(shí)現(xiàn)環(huán)境及體系結(jié)構(gòu)

1.1 虛擬模型室的實(shí)現(xiàn)環(huán)境

建立虛擬現(xiàn)實(shí)模型的方法有2種[3]。⑴直接使用VRML語言編寫源代碼。⑵通過輔助建模軟件,先建立三維物體,然后在虛擬世界中進(jìn)行組合,形成豐富多彩的虛擬世界。第一種方法的編寫不直觀,特別是對于復(fù)雜場景的生成十分困難,所以只適合于建立比較簡單的模型。本文建立的場景比較簡單而虛擬模型比較復(fù)雜,因此采用了兩者相結(jié)合的方法。

虛擬模型室的場景較為簡單,直接使用VRML編寫源代碼。VRML能夠較好地表現(xiàn)場景、光照、航行、變換、動感造型等。VRML源代碼可通過VrmlPad編寫,而VrmlPad是由Parallel Graphics公司開發(fā)的基于文本格式、支持即時預(yù)覽的VRML專用開發(fā)工具。

虛擬模型的建立使用了三維建模工具——Solid Edge軟件。Solid Edge是運(yùn)行在Windows平臺下的三維建模軟件,它的三維表現(xiàn)力極強(qiáng),加上出色的色彩使用及渲染能力,使得表現(xiàn)出的三維模型很真實(shí),且能夠建立復(fù)雜且細(xì)致的三維模型,加上它強(qiáng)大的動畫制作功能可以彌補(bǔ)VRML在建模方面的不足?？梢詫olid Edge軟件建立的模型保存為VRML文件格式并等待系統(tǒng)的調(diào)用。

1.2 虛擬模型室的體系結(jié)構(gòu)

虛擬模型在虛擬模型室系統(tǒng)中是重要的建模主體,而且數(shù)量較多。為了使設(shè)計能體現(xiàn)沉浸感、真實(shí)感、交互性,需要設(shè)計出如真實(shí)模型室的模型架、模型室、樓房(平房)以及室外環(huán)境。將視點(diǎn)放在建筑物外面,觀察者可從建筑物外→建筑物→模型室→瀏覽模型→全方位觀看選中模型,較好地逼近于真實(shí)的過程。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況確定的設(shè)計原則：

⑴由于系統(tǒng)虛擬的是一個現(xiàn)實(shí)存在的環(huán)境,為了取得較真實(shí)的效果,現(xiàn)實(shí)存在的室外環(huán)境在虛擬環(huán)境中都應(yīng)該予以建模。

⑵盡可能采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的內(nèi)聯(lián)(Inline)節(jié)點(diǎn)及原型定義(PROTO)簡化程序代碼,以便減輕瀏覽器的負(fù)擔(dān),提高場景的瀏覽速度。

⑶由于虛擬模型室的主體是模型,最終的目的是全方位地觀察模型,即希望能從原場景中出來,進(jìn)入到另一個場景中。VRML提供了一種Web技術(shù),可將其他VRML文件創(chuàng)建的空間鏈接在一起,這個鏈接點(diǎn)稱為錨點(diǎn)(Anchor)。當(dāng)觀察者點(diǎn)擊一個造型錨點(diǎn)時,VRML瀏覽器從Web中取出目的空間,使觀察者進(jìn)入其中進(jìn)行觀察。

虛擬模型室系統(tǒng)的使用流程如圖1所示。

圖1 虛擬模型室使用流程

2 虛擬模型室的造型技術(shù)

2.1 虛擬場景的實(shí)現(xiàn)

天空和地面是虛擬場景設(shè)置[4-5]中首先要考慮的問題,即空間背景、地面背景、視點(diǎn)以及點(diǎn)光源等。背景的設(shè)置可通過Background節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：

Group{

children{

Background{

skyAngle[ 1.2 1.57 ] #設(shè)置天空角

skyColor[ 0 0 1 #設(shè)置天空角對應(yīng)的顏色

0 0.5 0.8

1 1 1 ]

groundAngle[ 1.2 1.571] #設(shè)置地面角

groundColor[ 0.1 0.1 0.1 #設(shè)置地面角對應(yīng)的顏色

0.4 0.3 0.2

0.8 0.8 0.8 ]

}

}

}

為使立體模型表面產(chǎn)生反光效果,增加模型的真實(shí)感,同時使周圍環(huán)境明亮而便于觀察.在適當(dāng)?shù)牡胤?如模型室、廊道、樓房的大門前等)應(yīng)設(shè)置光源。模型室內(nèi)光源的程序代碼如下：Viewpoint{

position 0.0 2.0 1.5

description ”front” #光源的位置描述

}

2.2 建筑物的制作技術(shù)

建筑物的造型一般都比較簡單,可以用堆積木的方式構(gòu)造建筑物。在VRML中,用Shape節(jié)點(diǎn)定義建筑物的外觀屬性,例如材料、顏色以及幾何形狀等;Transform節(jié)點(diǎn)定義建筑物的空間定位和顯示比例。圖2為VRML制作的建筑物。如下定義了一面墻：

Transform{

translation 0-1.505 1.475

children Shape{

appearance Appearance{

material Material{diffuseColor 255 255 255} #定義顏色

texture ImageTexture{url”floor.jpg”} #表面貼圖

}

geometry Box{size 3 3 0.01} #定義形狀大小

}

}

2.3 虛擬門窗的制作技術(shù)[1]

門具有開啟和閉合的動作,因此在門的制作中運(yùn)用了圓柱傳感器(CylinderSersor)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知觀察者的推動動作,并且計算旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度,且通過它的totationchanged域輸出,將鼠標(biāo)的動作轉(zhuǎn)換成適于操作造型的輸出,從而引起造型物體的旋轉(zhuǎn),如圖3所示。以下為旋轉(zhuǎn)門的程序?qū)崿F(xiàn)：

DEF door Transform{

center -0.5 0 0

children Shape{ #門的旋轉(zhuǎn)軸造型

appearance Appearance{

material Material{diffuseColor 0.0 0.6 0.6}

}

geometry Box{size 1 3 0.1}

}

}

DEF sensor Cylinder Sensor{diskAngle 0.3} #定義圓柱體傳感器及設(shè)定初始旋轉(zhuǎn)角度

推拉窗的制作運(yùn)用了平面?zhèn)鞲衅?PlaneSersor)節(jié)點(diǎn),該傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知觀察者的拖動動作,并且計算出平移的距離,程序設(shè)定平移的最大距離即為窗子全開時的距離。傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出通常被路由到Transform節(jié)點(diǎn),并引起造型的平移,如圖2所示。推拉窗的推動動作由如下程序?qū)崿F(xiàn)：

DEF sensor Plane Sensor{ #設(shè)定推拉的距離

minPosition-0.7 0

maxPosition 0 0

}

2.4 虛擬模型的制作

虛擬模型庫中三維實(shí)體模型采用三維繪圖軟件Solid Edge制作[6-7],該軟件操作簡便、功能強(qiáng)大,制作的三維實(shí)體模型色彩豐富,效果逼真。三維實(shí)體模型制作完成后保存為STL文檔供3dsMax調(diào)用[8]。

在3ds Max環(huán)境下打開STL文檔直接保存為wrl文檔,由此實(shí)現(xiàn)了Solid Edge—→3ds Max—→VRML之間的轉(zhuǎn)換。

為了將一個個VRML格式的三維實(shí)體模型文件連接到主程序中,采用Inline(內(nèi)聯(lián))節(jié)點(diǎn),即通過內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上資源的利用,將一個個分散的wrl文檔(三維實(shí)體模型文件)連接到另一個wrl文檔(主程序)中顯示出來。group1.wrl文檔被引用的語句為：children Inline{url”group1.wrl”}。圖4為模型文件被內(nèi)聯(lián)到虛擬模型室后的結(jié)果。

2.5 虛擬模型的動畫制作

若要觀看模型架上的某個模型,我們希望從場景中走出來,進(jìn)入到另一個場景中,這種技術(shù)稱為錨(Anchor)接。當(dāng)觀察者點(diǎn)擊一個錨點(diǎn)(如設(shè)置在三維模型上),便進(jìn)入另一個模型空間進(jìn)行觀察,如圖5所示。希望對模型進(jìn)行全方位的觀看或讓其旋轉(zhuǎn),要采用時間傳感器以及插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)。

ROUTE leg1Page.value_changed TO leg1.rotation

3 虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動的碰撞檢測

時間傳感器以及插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)對場景中的動畫進(jìn)行控制,是由時間傳感器給出控制動畫的時鐘效果,并輸出到瀏覽器中驅(qū)動插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn),從而產(chǎn)生動畫效果。在組合體場景中設(shè)置的時間傳感器程序代碼如下：

DEF time TimeSensor{

Enabled FALSE

Cycle Intenral 5.0

Loop TRUE

}

為了從不同角度觀察組合體形狀,可將組合體設(shè)置成具有一定的旋轉(zhuǎn)效果,需要在場景中添加動畫插補(bǔ)器中的方向插補(bǔ)器(OrientationIntepolator),實(shí)現(xiàn)其功能的程序代碼如下：DEF xz OrientationInterpolator{

Key[0.0,0.5,1.0]

keyValue[ #前3個矢量為旋轉(zhuǎn)軸,最后一個為角度。

0.0 0.0 1.0 0.0,

0.0 0.0 1.0 3.14,

0.0 0.0 1.0 0.0]

}

在虛擬環(huán)境中,由于用戶的交互和物體的運(yùn)動,為保持環(huán)境的真實(shí)性。發(fā)生碰撞時需及時檢測到并計算相應(yīng)的碰撞反應(yīng),及時調(diào)整運(yùn)動路線,否則物體會發(fā)生穿透現(xiàn)象,破壞虛擬環(huán)境的真實(shí)感和用戶的沉浸感。

用Collision(碰撞)節(jié)點(diǎn)來檢測觀察者和虛擬物體是否發(fā)生了碰撞。因?yàn)樘摂M環(huán)境中造型非常復(fù)雜,要檢測觀察者是否與一個個造型發(fā)生了碰撞,對于VRML瀏覽器來說將是非常費(fèi)時的工作,且會降低瀏覽環(huán)境的流暢性。因此在碰撞檢測時,該系統(tǒng)采用了簡單的長方體包圍盒[9]來代替復(fù)雜的虛擬物體,大大縮短了檢測所需的時間。

4 結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,利用VRML代碼編程,將VRML與三維繪圖軟件Solid Edge及3DS max相結(jié)合建立虛擬模型,構(gòu)建基于VRML的工程制圖虛擬模型室可以補(bǔ)充實(shí)體學(xué)校模型室不足的問題,也便于學(xué)生隨時隨地進(jìn)行工程制圖的學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)經(jīng)學(xué)生使用收到了良好的效果,學(xué)生不僅可以流連于虛擬模型室中,還可以從模型架上取出任意需要的模型進(jìn)行全方位觀看,培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)新思維能力,提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

[1] 黃文麗,盧碧紅,楊志剛,等.VRML語言入門與應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社,2003.

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[9] 金漢均.虛擬環(huán)境中物體碰撞檢測算法研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.