鄧 娜

0 引言

在全球污染日益嚴(yán)重的背景下，極端天氣氣候事件頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境急劇惡化，對人類生存發(fā)展和生產(chǎn)生活都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，于是人們越來越重視環(huán)境的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)今環(huán)保產(chǎn)業(yè)和環(huán)保公司蓬勃發(fā)展興起，需要大量人才來選擇、設(shè)計、開發(fā)或改進(jìn)環(huán)保設(shè)備。環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)以控制環(huán)境污染為主要目的的機(jī)電設(shè)備知識是非常必要的，因而環(huán)境工程圖學(xué)需進(jìn)行機(jī)械制圖訓(xùn)練教學(xué)，鍛煉學(xué)生的空間想象能力?？臻g想象能力并非與生俱來的，注重空間想象能力的培養(yǎng)是環(huán)境工程圖學(xué)的主要教學(xué)特點，教學(xué)中培養(yǎng)空間想象力主要依靠模型展示。但是，機(jī)電設(shè)備及各零件等包含很多，在工程制圖教學(xué)中展示實物模具比較困難，特別是在網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)環(huán)境下沒有實體模型，需要繪制大量三維的虛擬模型。目前的三維造型軟件較多，像UG，Pro/E，CATIA，SolidWorks等等，但生成的模型文件都存在需要占用大量的存儲空間，展示也不方便的缺點，然而直接利用VRML語言創(chuàng)建三維模型又較困難。在教學(xué)中較常使用的三維造型軟件是SolidWorks，因此著重研究了利用三維造型軟件SolidWorks獲得VRML虛擬模型的簡便方法，并利用parallelgraphics公司的瀏覽器插件cortona實現(xiàn)在Web頁面展示，并提供逼真的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)三維模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、移動等操作，達(dá)到資源的優(yōu)化配置和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)課程的共享。

1 VRM L虛擬模型的創(chuàng)建方法

1.1 VRML語言簡述

隨著硬件技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，以及3D技術(shù)的日益成熟，人們迫切需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)發(fā)布。VRML(Virtual Reality Modeling Language)虛擬現(xiàn)實建模語言是一種被標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器接受的圖形描述性語言，它把構(gòu)成場景的每一個節(jié)點都看成一個對象，通過對節(jié)點的描述及節(jié)點間的層層嵌套就構(gòu)成了一個VRML文件。VRML通過Internet共享3D實體和場景，是一種用于在Internet上構(gòu)筑3D多媒體和共享虛擬世界的開放式語言，是 CAD、三維建模軟件以及動畫制作等領(lǐng)域的事實上的標(biāo)準(zhǔn)。

VRML語言的優(yōu)點有:平臺無關(guān)——無論你的平臺是PC還是SGI，都可以瀏覽VRML世界;基于Web，能夠建立三維可視化服務(wù)器;能夠快速建模:支持PROTO等靈活的編程方式;大量的可用資源:越來越多的Internet站點含有與VRML有關(guān)的內(nèi)容。但也有缺點:著色不如OpenGL快;沒有底層控制;界面不友好，上手困難。這些缺點阻礙了對VRML的使用。

1.2 利用三維建模軟件創(chuàng)建模型

目前常用的一些三維建模與分析軟件如UG，Pro/E，Solid-Works，SolidEdge等為用戶提供了強(qiáng)大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設(shè)計功能，不僅能夠完成最復(fù)雜的實體造型設(shè)計，而且在設(shè)計過程中還可以通過進(jìn)行機(jī)構(gòu)運動分析、有限元結(jié)構(gòu)分析、動力學(xué)分析和仿真模擬來提高設(shè)計的可靠性。一般工程技術(shù)人員都會掌握上述軟件中的兩種或者更多，而這些軟件自身的Web發(fā)布技術(shù)各不相同，從而影響了設(shè)計人員之間的協(xié)同工作。將這些軟件創(chuàng)建的虛擬模型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式VRML進(jìn)行發(fā)布，可以把模型放在Web頁面上，當(dāng)用瀏覽器打開模型時，一個可操作的三維模型就會出現(xiàn)，還可以在上面添加所需要的信息等等。教師和學(xué)生可以時時地討論修改，以優(yōu)化模型，達(dá)到最佳設(shè)計目的。

SolidWorks軟件屬于中端產(chǎn)品，在教學(xué)科研單位和中小企業(yè)中廣泛使用。其操作簡單，界面友好，易學(xué)易用，功能強(qiáng)大，有多種數(shù)據(jù)接口和專業(yè)插件如cosmos/works，piping，photoworks等可選擇。因此在環(huán)境工程圖學(xué)教學(xué)中主要使用SolidWorks生成三維模型。

1.3 生成VRML文件

由于VRML語言自身規(guī)范的復(fù)雜性，即使構(gòu)造一個簡單的三維場景也需要錄入較多的數(shù)據(jù)，同時用戶在將其所需的空間幾何體直接用VRML規(guī)范的數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)時存在較大的困難，這些都阻礙了用戶對 VRML的使用[2]。對于工程技術(shù)人員來說，直接應(yīng)用VRML語言創(chuàng)建的三維虛擬場景是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為機(jī)電一體化產(chǎn)品往往非常復(fù)雜。但幸運的是，上述三維建模與分析軟件都能夠直接導(dǎo)出擴(kuò)展名為wrl的文件，即VRML格式的文件，這樣便解決了復(fù)雜模型的VRML虛擬模型創(chuàng)建問題。

由于VRML的局限性，使得三維模型轉(zhuǎn)換為w rl文件時精度丟失和文件過大，比如利用SolidWorks進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換時會丟失光源信息等，但各個三維建模與分析軟件廠商還是不遺余力地提供對VRML的支持，因為VRML支持三維工作，甚至向其添加文本和超鏈接等。這些缺點對于通過Internet展示產(chǎn)品模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計的要求來說，影響不大，并不妨礙工程技術(shù)人員之間的交流協(xié)作。

在利用三維建模與分析軟件創(chuàng)建模型時還是要考慮盡可能降低這些影響，例如在SolidWorks中創(chuàng)建模型時，盡量不使用光源;為了獲得良好的圖形效果，設(shè)計時注意調(diào)節(jié)圖像品質(zhì)為最高等。

2 虛擬模型與W eb的融合技術(shù)

2.1 Java與VRML的結(jié)合

在VRML中使用Java有兩種方式，即通過內(nèi)部Scrip t節(jié)點和外部編程接口(EAI)。一般來說對于單一的VRML事件實現(xiàn)交互及運算功能可選擇內(nèi)部的Script，若需集成多種媒體，并進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制，則更宜于使用EAI，自然其編程也要復(fù)雜一些。

Demicron公司的WireFusion組件是提供了非常專業(yè)的3D交互、動畫、虛擬世界的制作工具。WireFusion的特點是可以使用的大眾化的3D動畫軟件，如3dsmax，Maya等，制作的模型場景都可以簡單的輸入WireFusion中，然后利用Java Applet技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布，并實現(xiàn)對三維場景和模型的交互、控制。

上面這種方法有兩個缺點:

1)與工程造型及分析軟件結(jié)合不緊密，對PR/E，SolidWorks，SolidEdge等支持不夠;

2)需要花費大量精力在編制程序而不是考慮產(chǎn)品性能、提高質(zhì)量與效率上，顯然不太適合工程技術(shù)人員使用。除此之外，目前Web瀏覽器對Java虛擬機(jī)支持的不同，可能導(dǎo)致EAI調(diào)用不穩(wěn)定;并且由于這些技術(shù)底層依賴于Java，因此不太適合與Windows平臺下一些優(yōu)秀的開發(fā)工具(Visual C++，VB，Delphi)相結(jié)合進(jìn)行二次開發(fā)[3]。

2.2 利用VRML組件直接瀏覽

1)VRML組件的選擇。

VRML模型瀏覽器有很多，如Blaxxun，Cosmo，Piveron，VRML97-object，WorldView等等，其使用方法和cortona瀏覽器差不多，但利用IE瀏覽時，其可操作性與觀看效果不如cortona，因此選用cortona瀏覽器，此插件在ParallelGraphics公司主頁可以免費下載。

2)cortona組件設(shè)置。

關(guān)于cortona組件的詳細(xì)使用方法不過多介紹，可以參考其幫助手冊，在這里僅指出一些需要注意的地方。在cortona組件界面上點右鍵菜單Preferences…在彈出的界面中選CAD-like界面，此界面簡潔易用，左邊一列四個按鈕就可完成幾乎全部操作，如圖 1所示。

另外，圖1中Speed展開二級菜單設(shè)為Slower或Slowest，這是由于目前計算機(jī)配置都比較高，不這樣做會使操作不易控制。

3 結(jié)語

通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、展示虛擬模型，在網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)全過程中都得到了應(yīng)用，它可以使教師隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，加強(qiáng)師生交流，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，通過在本校環(huán)境工程專業(yè)中試用，取得了很好的效果。該技術(shù)在其他領(lǐng)域如工程設(shè)計、化工設(shè)備等課程的課堂教學(xué)、遠(yuǎn)程教育等也有很好的應(yīng)用前景。

[1] 魏宗平.現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)在食品機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械，2005，23(4):36-39.

[2] 馮桂珍，池建斌.基于Web的虛擬現(xiàn)實模型創(chuàng)建工具[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2004(3):60-64.

[3] 陳軼群，朱群雄.Cortona組件在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北京化工大學(xué)學(xué)報，2005，32(5):102-105.

[4] 劉紹英，劉成鎖.基于VRML的虛擬現(xiàn)實(場景)制作[J].中國遠(yuǎn)程教育，2002(12):54-56.

[5] 王興建，李 麗，陳雪菱，等.基于VRML和JAVA的交互式工程制圖Web模型庫的建立[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，28(2):250-252.

[6] 魏 玲，殷佩生.基于VRML的航道虛擬場景應(yīng)用研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2004(4):94-97.