【摘 要】VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3Ds Max三維建模技術(shù)是現(xiàn)如今三維建模中運用的主要工具。本文以化學(xué)中常見的噴泉實驗為例，闡述在高校化學(xué)實驗室虛擬建模中，如何運用VRML和3Ds Max綜合完成場景的建模及最終動畫的實現(xiàn)。實驗證明，該方法簡單有效，對提高高校整體的教學(xué)質(zhì)量能夠起到一定的輔助作用。

【關(guān)鍵詞】VRML 3Ds Max虛擬建模 虛擬化學(xué)實驗室 實驗教學(xué)

虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）是一種描述Internet上交互式3D多媒體的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，是HTML的3D演示[1]。許多學(xué)者把虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體技術(shù)、3Ds Max三維建模技術(shù)、AUTO CA技術(shù)綜合一起完成實驗的設(shè)計、建模及仿真[2]。本文選擇使用3Ds MAX與VRML綜合進(jìn)行三維虛擬建模。

一、虛擬化學(xué)試驗室中的建模工具、方法及步驟

（一）建模工具

1.VrmlPad；2.3Ds Max 7。

（二）建模方法

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化學(xué)試驗室建模體系的核心內(nèi)容主要包括兩個部分：三維數(shù)字化建模和實驗交互化數(shù)字仿真。在數(shù)字實驗室建模方面，我們有兩種方法來實現(xiàn)：

1.一是運用ParallelGraphics公司開發(fā)的VRML語言編輯器VrmlPad、VRML播放器Cortona4.0或可視化開發(fā)工具Internet Space Builder本身提供的建模功能，直接編寫源程序，并最終生成虛擬三維模型。

2.二是以現(xiàn)實中的化學(xué)實驗裝備為原型，3Ds Max為建模工具，創(chuàng)建出實驗所需的三維虛擬模型，然后將該模型以.wrl的VRML文件格式export導(dǎo)出。通過修改VRML文件中的源程序，微調(diào)整三維空間中場景，并增加各種傳感器和路由節(jié)點，以實現(xiàn)三維空間造型的動畫功能。

（三）建模步驟[3]

1.利用3Ds Max工具構(gòu)造模型2.將場景從3Ds Max中以.wrl格式導(dǎo)出，對VRML源程序反復(fù)調(diào)試修改，包括對造型的外觀材質(zhì)、顏色、坐標(biāo)、透明度的調(diào)整，使其符合用戶的實際需求。3.設(shè)置場景的動畫。4.對場景進(jìn)行反復(fù)修改、預(yù)覽、優(yōu)化，直到最終滿足用戶需求。

二、案例分析

下面以我們熟悉的高中化學(xué)實驗噴泉實驗為例，來進(jìn)一步闡述如何利用VRML和3D Max創(chuàng)建虛擬化學(xué)實驗室。

（一）噴泉實驗的反應(yīng)原理

氣體在液體中溶解度很大，在短時間內(nèi)產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)差（負(fù)壓），打開活塞后，大氣壓將燒杯內(nèi)的液體壓入燒瓶中，在尖嘴導(dǎo)管口形成噴泉。在本例中，我們選擇使用氨氣NH3作為反應(yīng)氣體，燒杯中盛放酚酞溶液。氨氣的溶解度為1：700，打開活塞，氨氣接觸到燒杯中的液體后，圓底燒瓶里面的壓強(qiáng)會急劇降低，與外界產(chǎn)生壓強(qiáng)差，促使燒杯中的酚酞試液通過尖嘴導(dǎo)管進(jìn)入到圓底燒瓶中，氨氣遇酚酞試液會變成紅色，最終我們將會看到紅色的噴泉產(chǎn)生。

（二）利用3Ds Max實現(xiàn)虛擬化學(xué)反應(yīng)場景

噴泉實驗所需要的裝備很多不能利用軟件中提到的標(biāo)準(zhǔn)幾何體繪圖。我們需要用3Ds Max來進(jìn)行繪畫，微調(diào)，并最終導(dǎo)出為.wrl格式，利用VrmlPad編輯器修改它的顏色，透明度等。

（三）利用VRML對場景進(jìn)行微調(diào)整

依據(jù)用戶的實際需求，利用VRML對場景包括對造型的外觀、顏色和材質(zhì)等各方面的調(diào)整。下面以噴泉實驗中的鐵架為例，我們可以設(shè)置它的材質(zhì)節(jié)點Material中的漫反射顏色、光反射強(qiáng)度、鏡面反射顏色和造型表面的亮度，使它的外觀成為金屬材質(zhì)的效果

（四）場景進(jìn)行動畫處理

化學(xué)實驗，常常需要對裝置啟動動作操作，如點亮酒精燈或擠壓活塞等，以保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。在VRML虛擬現(xiàn)實語言中，提供了各種類型的時間傳感器（TimeSensor）、位置插補器（PositionInterpolator）和顏色插補器（ColorInterpolator），以控制裝置的啟動時間，移動路徑以及顏色循環(huán)變換。

1.設(shè)計場景中造型運動動畫

代碼傳遞步驟如下：（1）定義時間傳感器，設(shè)置循環(huán)時間周期；（2）對造型添加位置插補器，并設(shè)置路徑坐標(biāo)（包括開始坐標(biāo)和終點坐標(biāo)）；（3）點擊造型節(jié)點，觸發(fā)事件的發(fā)生，系統(tǒng)將動作傳遞給時間傳感器；（4）時間傳感器向造型節(jié)點輸出時間事件；（5）位置插補器計算新的位置坐標(biāo)，并將其傳遞給對應(yīng)的造型，造型開始按輸出的路徑坐標(biāo)移動。

2.設(shè)計場景中造型顏色變化動畫

（1）定義時間傳感器，設(shè)置循環(huán)時間周期；（2）對造型添加顏色插補器，并設(shè)置造型的顏色變化前后RGB值；（3）點擊造型節(jié)點，觸發(fā)事件的發(fā)生，時間傳感器向顏色插補器輸出時間事件；（4）顏色插補器輸出顏色變化值給對應(yīng)的造型節(jié)點，造型開始按輸出的RGB值變換顏色。

3.設(shè)計噴泉動畫

在VRML提供的各種節(jié)點語言中，沒有專門針對噴泉等粒子系統(tǒng)設(shè)置專門的節(jié)點，在幾何體創(chuàng)建中，我們選擇粒子系統(tǒng)下的超級噴射，通過調(diào)整噴射的基本參數(shù)，添加重心牽引力，使其整體具備噴泉的基本動畫效果，同時我們還可以設(shè)置噴泉顏色變化值，通過控制幀的播放時間、頻率，使噴泉在發(fā)生的同時，隨著化學(xué)反應(yīng)的同時進(jìn)行，噴泉顏色會逐漸發(fā)生變化。

三、結(jié)束語

3Ds Max軟件的主要功能是為用戶提供簡單、快捷的三維實體畫圖工具，并進(jìn)行實時渲染。但是3Ds Max對于動畫的渲染能力很低，像素不高，不能給用戶視覺上的沖擊。VRML軟件主要用程序語言來建模，語法簡單，適合簡單模型的建模，但對于大型復(fù)雜的場景，則顯得繁瑣無章。用VrmlPad編輯器調(diào)試顯示的動畫顯示效果比3Ds Max預(yù)覽動畫顯示的效果要好得多。由于3Ds Max提供VRML文件的接口，兩個軟件之間可以相互交互，優(yōu)劣相補，共同實現(xiàn)復(fù)雜的動畫場景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓芬， 榮輝， 張同莊. 基于VRML的教學(xué)演示系統(tǒng)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用， 2002， 21（4）： 52-54.

[2]閻偉. 3DS MAX與AutoCAD結(jié)合進(jìn)行三維技術(shù)建模及動畫制作方法[J]. 淮海工學(xué)院學(xué)報， 2000， 9（2）： 27-30.

[3] 翟旭峰， 朱杰杰， 潘志庚. 3ds MAX建模及其在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用[J]. 計算機(jī)仿真， 2004， 21（4）： 94-97.

作者簡介：

王瓊瑤（1987—），女，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向：系統(tǒng)優(yōu)化、決策與控制，數(shù)據(jù)挖掘；

何友全（1964—），男，重慶人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信息處理、數(shù)據(jù)挖掘方面的研究；

基金項目：

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目（0634167）