鄭耿樂(lè)

摘 要：總之運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)平臺(tái)都將采用參數(shù)化建模和運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可裝配的常用零部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和常用設(shè)備，使學(xué)生能夠直觀的觀察元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且能夠親自動(dòng)手完成虛擬裝配。

關(guān)鍵詞：機(jī)械基礎(chǔ)；引擎；實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2014）15-020-01

近幾年來(lái)，隨著職業(yè)教學(xué)改革的不斷深入對(duì)學(xué)生解決工程實(shí)際中遇到的裝備出現(xiàn)的各種問(wèn)題的有了更高要求。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下的教學(xué)要求，從而面臨諸如實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高昂、教員指導(dǎo)難以到位、教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)等具體困難。常用零部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，機(jī)構(gòu)抽象，大多數(shù)學(xué)生并沒(méi)有見(jiàn)過(guò)真正的實(shí)物和設(shè)備，在理論課程中很難讓學(xué)生完全明白其運(yùn)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)，對(duì)專業(yè)課程的開(kāi)展沒(méi)有起到最佳的支撐。

針對(duì)上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的教學(xué)方法單一、知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作相互分離，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性等問(wèn)題，通常采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室來(lái)來(lái)進(jìn)行課題實(shí)驗(yàn)教學(xué)。隨之3D技術(shù)的不斷發(fā)展可選用的3D引擎越來(lái)越多，下面就筆者在以往項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中使用的兩種3D引擎——unity3D和Vega Prime來(lái)談?wù)剻C(jī)械基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案。

一、基于Vega Prime引擎的設(shè)計(jì)方案

Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司推出 最新虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具、具有面向?qū)ο蟆⒐δ軓?qiáng)大、界面友好、平臺(tái)兼容性好等特點(diǎn)。Vega Prime是一個(gè)應(yīng)用程序編程接口（API），它大大擴(kuò)展了Vega Scene Graph，也是一個(gè)跨平臺(tái)的可視化模擬實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)工具。它由Lynx Prime圖形用戶界面配置工具、C++頭文件可調(diào)用函數(shù)以及Vega Prime庫(kù)三部分組成。Vega Prime的功能還可以被其他特殊功能模塊所擴(kuò)展，這些模塊在擴(kuò)展用戶接口的同時(shí)，也為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了功能庫(kù)。

基于Vega Prime虛擬實(shí)驗(yàn)室方案流程圖如圖1所示。

方案一采用MultiGen Creator完成所需模型的建立，然后采用Visual C++ 編程驅(qū)動(dòng)、控制Vega Prime場(chǎng)景中的模型。MultiGen Creator是一個(gè)強(qiáng)有力的、集為一體的套裝軟件，其長(zhǎng)處是用來(lái)開(kāi)發(fā)諸如大地、海洋、天空等視景仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于機(jī)械基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)所需要的諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、差速器等機(jī)械裝配體模型建模比較困難。

二、基于unity3D的設(shè)計(jì)方案

Unity3d是Unity Technologies開(kāi)發(fā)的一款跨平臺(tái)虛擬仿真開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)三維引擎。該引擎支持DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染通道，支持所有主要三維文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)調(diào)工作。運(yùn)用C#編寫(xiě)的腳本可以靈活實(shí)現(xiàn)多種虛擬仿真應(yīng)用?；趗nity3D的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

采用方案二最大的好處是支持AutoDesk 3ds Max制作導(dǎo)出的模型（*.fbx），常用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件諸如UG、solidworks以及proE主要優(yōu)勢(shì)在于參數(shù)化建模，使用它們制作的模型由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)太亂、面數(shù)太多等原因基本不能在unity3D中直接使用。采用3ds Max制作的模型即可逼真反映機(jī)械零部件機(jī)構(gòu)特點(diǎn)同時(shí)還可以方便的制作出原理、拆裝動(dòng)畫(huà)，并且在unity3D中可以直接通過(guò)程序調(diào)用已經(jīng)制作好的動(dòng)畫(huà)。因此可以極大縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。因此可以極大縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。

三、其它類型引擎的方案

適合開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室的引擎很多，如果是有程序開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)的，建議選擇OSG、OGRE等開(kāi)源虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。 OpenSceneGraph（簡(jiǎn)稱OSG）使用OpenGL技術(shù)開(kāi)發(fā)，是一套基于C++平臺(tái)的應(yīng)用程序接口（API），它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。特別是OSG支持骨骼動(dòng)畫(huà)、關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)等各種流行的動(dòng)畫(huà)，它可以把3DMAX建立的動(dòng)畫(huà)模型轉(zhuǎn)化成OSG格式導(dǎo)入到項(xiàng)目中進(jìn)行控制，從而極大加快開(kāi)發(fā)速度。

總之運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)平臺(tái)都將采用參數(shù)化建模和運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可裝配的常用零部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和常用設(shè)備，使學(xué)生能夠直觀的觀察元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且能夠親自動(dòng)手完成虛擬裝配。學(xué)生通過(guò)裝配和裝配后的元件選擇、虛擬搭接機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程有直觀深入的認(rèn)識(shí)，從而提高對(duì)工作原理的理解，繼而提高學(xué)生任職能力。具體采用何種方案還需要根據(jù)還需參考模型制作任務(wù)以及程序開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)習(xí)慣。endprint