王炳達(dá) 許 琪 姚文亮 陸 濤

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院教務(wù)處，遼寧 沈陽(yáng)110136；3.沈陽(yáng)工程學(xué)院現(xiàn)代教育中心，遼寧 沈陽(yáng)110136；4.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院管理工程系，遼寧 沈陽(yáng)110023）

0 引言

工程制圖是工科類(lèi)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是工程界的語(yǔ)言。它具有較強(qiáng)的空間性和抽象性。在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，教師為了提高學(xué)生的空間想象能力，常使用實(shí)物模型作為教具。但實(shí)物模型具有不易攜帶、易損耗、數(shù)量少、管理難、成本高等缺點(diǎn)，特別不利于學(xué)生的靈活使用。因此，根據(jù)工程制圖課程的特點(diǎn)積極探索新的教具模式勢(shì)在必行。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)頁(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的工程制圖虛擬模型庫(kù)打破了時(shí)間和空間的限制，具有直觀(guān)性、可擴(kuò)展性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。

1 總體設(shè)計(jì)

工程制圖虛擬模型庫(kù)的設(shè)計(jì)包括從建設(shè)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的整個(gè)過(guò)程，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)原則和整體架構(gòu)。

1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）功能性：學(xué)生通過(guò)WEB訪(fǎng)問(wèn)工程制圖虛擬模型庫(kù)。工程制圖虛擬模型庫(kù)具有三維模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、多視圖顯示、模型認(rèn)知、人機(jī)交互、場(chǎng)景漫游、模擬裝配等功能。（2）依托教材：工程制圖虛擬模型庫(kù)中所有的教具模型均來(lái)自教材和習(xí)題集，順序與教材目錄統(tǒng)一，這樣有利于教學(xué)進(jìn)度與模型庫(kù)對(duì)應(yīng)。（3）可擴(kuò)充性：根據(jù)教學(xué)要求，能夠?qū)δＰ蛶?kù)中的教學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)充，滿(mǎn)足教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的要求。（4）控制文件大?。簩W(xué)生通過(guò) WEB訪(fǎng)問(wèn)工程制圖虛擬模型庫(kù)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和服務(wù)器工作能力，盡量減小工程制圖虛擬模型庫(kù)程序包的大小，使學(xué)生的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程流暢。

1.2 整體架構(gòu)

如圖1所示，工程制圖虛擬模型庫(kù)包括畫(huà)法幾何、立體與組合體、零件表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件及常用件、零件庫(kù)、部件庫(kù)。畫(huà)法幾何庫(kù)為點(diǎn)、線(xiàn)、面的投影部分所使用的教學(xué)模型；立體與組合體庫(kù)為基本立體、切割體、相貫體、組合體畫(huà)法所使用的教學(xué)模型；零件表達(dá)方法庫(kù)中為視圖、剖視圖、斷面圖、簡(jiǎn)化畫(huà)法和局部放大圖畫(huà)法、軸測(cè)剖、第三視角投影所使用的教學(xué)模型；標(biāo)準(zhǔn)件及常用件庫(kù)為螺紋、堅(jiān)固件、鍵和銷(xiāo)、齒輪、軸承、彈簧等三維實(shí)體模型及視圖；零件圖庫(kù)中為零件圖視圖模型；部件庫(kù)中包括組成零件和裝配動(dòng)畫(huà)2部分。

2 虛擬設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)包括實(shí)體造型、模型優(yōu)化、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)、二維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)5個(gè)部分，具體流程如圖2所示。

圖1 工程制圖虛擬模型庫(kù)整體架構(gòu)

圖2 虛擬設(shè)計(jì)流程圖

2.1 實(shí)體模型構(gòu)建

實(shí)體模型構(gòu)建是將幾何造型方法與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)。它通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將幾何模型的形狀和屬性表達(dá)出來(lái)，生成具有真實(shí)感和可視化的三維圖形。

工程制圖虛擬模型庫(kù)中的所有實(shí)體模型均采用Pro/E進(jìn)行構(gòu)建。通過(guò)對(duì)實(shí)物教具模型進(jìn)行測(cè)繪，保證了虛擬模型庫(kù)中實(shí)體模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在測(cè)繪過(guò)程中所有教具模型都按統(tǒng)一的計(jì)量單位進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，避免了構(gòu)建的實(shí)體模型導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中出現(xiàn)尺寸和比例不一致的異?，F(xiàn)象。

2.2 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化在3DS MAX軟件中進(jìn)行，主要包括面數(shù)精簡(jiǎn)、材質(zhì)貼圖、優(yōu)化燈光、烘焙貼圖4部分。

在不影響視覺(jué)真實(shí)性的前提下，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行面數(shù)精簡(jiǎn)能夠減小文件大小，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。面數(shù)精簡(jiǎn)的主要方法有減少“三角形”數(shù)量、用紋理代替多邊形造型、使用簡(jiǎn)單分量紋理、使用平面圖像。

材質(zhì)貼圖方法主要有基本材質(zhì)法、位圖法和復(fù)合材質(zhì)法?；静馁|(zhì)由Ambient Color、Diffuse Color和Specular Color 3種參數(shù)構(gòu)成，能夠創(chuàng)造出大部分需要的材質(zhì)。這些材質(zhì)既簡(jiǎn)單又能滿(mǎn)足渲染效果的需要。位圖法是二維貼圖法，在實(shí)體模型中有許多表面貼圖都要與真實(shí)模型一致，通過(guò)程序貼圖比較繁瑣且與真實(shí)模型吻合程度差。采用相機(jī)拍攝獲取位圖進(jìn)行實(shí)體模型的二維貼圖是一種非常實(shí)用的方法。復(fù)合材質(zhì)就是將基本材質(zhì)、程序貼圖和位圖法進(jìn)行綜合運(yùn)用達(dá)到預(yù)期的效果。

放置燈光是3DS MAX中獲得光照效果的重要方法，但在虛擬設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量少用光源，采用顏色和材質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)光照的視覺(jué)效果，這樣能夠減少執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)資源消耗。在光源布置方面宜精不宜多，明暗分布要有層次性。

烘焙貼圖優(yōu)化主要是在烘焙時(shí)Lighting Map和CompleteMap類(lèi)型的選擇。Lighting Map類(lèi)型只支持默認(rèn)的材質(zhì)但耗顯存低，貼圖清晰但光感弱。CompleteMap類(lèi)型支持大部分材質(zhì)但耗顯存高，貼圖模糊但光感強(qiáng)。在VRP虛擬平臺(tái)中，Lighting Map類(lèi)型需要2張貼圖，CompleteMap類(lèi)型需要1張貼圖。因此，在烘焙尺寸相同時(shí)Lighting Map要比CompleteMap消耗顯存量高。但經(jīng)過(guò)VRP虛擬平臺(tái)壓縮處理后，Lighting Map類(lèi)型顯存消耗會(huì)變得很小。CompleteMap類(lèi)型如果要和Lighting Map達(dá)到同樣的清晰程度，其代價(jià)就是消耗數(shù)倍的顯存量和烘焙時(shí)間，因此應(yīng)盡可能地選用lighting Map貼圖。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)

工程制圖虛擬現(xiàn)實(shí)模型庫(kù)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)采用中視典VRP技術(shù)，主要是虛擬場(chǎng)景、界面交互、剖視圖動(dòng)畫(huà)、基本視圖動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)。

工程制圖虛擬模型庫(kù)場(chǎng)景的制作是通過(guò)“天空盒”環(huán)境特效來(lái)完成的。在場(chǎng)景中央位置制作一個(gè)半徑約為20 cm的球體模型來(lái)表示視點(diǎn)的位置。在材質(zhì)編輯器中選擇Stan dard材質(zhì)球，使用Diffuse功能，設(shè)置Reflect/Refract參數(shù)，場(chǎng)景就會(huì)渲染出6幅圖片。將得到的圖片導(dǎo)入VRP虛擬平臺(tái)，利用“天空盒”編輯器完成場(chǎng)景的制作。

界面交互設(shè)計(jì)采用VRP虛擬平臺(tái)中高級(jí)界面的設(shè)計(jì)方法，使用了單選框、流動(dòng)條、菜單、窗口、滑桿和組合下拉框等控件。這些控件在人機(jī)交互功能上顯示了非常大的作用。在程序設(shè)計(jì)方面采用了VRP腳本編輯器，利用了窗口消息函數(shù)、鍵盤(pán)映射函數(shù)、鼠標(biāo)映射函數(shù)、方向盤(pán)映射函數(shù)、VRPIE事件以及自定義函數(shù)。

剖視圖是假想用剖切面剖開(kāi)零件，將處在觀(guān)察者和剖切面之間的部分移去，而將其余部分向投影面投射所得到的圖形。剖視圖動(dòng)畫(huà)采用先按剖面分解結(jié)果進(jìn)行教具模型的實(shí)體設(shè)計(jì)，再進(jìn)行完整裝配。導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)后，進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。通過(guò)Flash設(shè)計(jì)出二維剖視圖，并將其插入對(duì)應(yīng)的剖視圖虛擬窗口。

基本視圖是以正六面體的6個(gè)面為基本投影面，把零件放置在空的正六面體內(nèi)，將零件分別向6個(gè)基本投影面投射所得到的視圖。在基本視圖動(dòng)畫(huà)上充分使用了VRP的時(shí)間軸功能。教具模型放置在六面體內(nèi)時(shí)記錄為時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)的初始幀，在每個(gè)投影面上擺放出該教具模型的正確投影結(jié)果，并記錄為關(guān)鍵幀。

2.4 二維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

在工程制圖虛擬模型庫(kù)中，二維動(dòng)畫(huà)主要應(yīng)用于畫(huà)法幾何模型庫(kù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要應(yīng)用了Flash的補(bǔ)間動(dòng)畫(huà)和逐幀動(dòng)畫(huà)。補(bǔ)間動(dòng)畫(huà)是指只要做好關(guān)鍵幀和終點(diǎn)關(guān)鍵幀的圖像，F(xiàn)lash就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)上中間的動(dòng)畫(huà)過(guò)程。逐幀動(dòng)畫(huà)是在連續(xù)的關(guān)鍵幀中分解動(dòng)畫(huà)的動(dòng)作，也就是在時(shí)間軸的每幀上逐幀繪制不同的畫(huà)面，使其連續(xù)播放而形成動(dòng)畫(huà)。在動(dòng)畫(huà)的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。在動(dòng)畫(huà)控制設(shè)計(jì)中采用了ActionScript的事件和事件處理函數(shù)，使用戶(hù)通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊或鍵盤(pán)操作直接完成用戶(hù)與計(jì)算機(jī)的交互。

2.5 網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)

通過(guò)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)將工程制圖虛擬模型庫(kù)中的各個(gè)模塊進(jìn)行整合和發(fā)布。開(kāi)發(fā)軟件采用了集成網(wǎng)頁(yè)制作和網(wǎng)站管理功能的Dreamweaver軟件。在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了框架、表格、表單、Flash、ActionScript等技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

工程制圖虛擬模型庫(kù)三維場(chǎng)景逼真、人機(jī)交互性強(qiáng)、訪(fǎng)問(wèn)流暢、可擴(kuò)展、易維護(hù)，有利于工程制圖教學(xué)的輔助和遠(yuǎn)程教學(xué)的應(yīng)用。其研發(fā)過(guò)程和所使用的技術(shù)對(duì)其他課程的虛擬設(shè)計(jì)具有重要的借鑒作用。