吐?tīng)柲醽喿巍ぐ炔?，米熱吉古麗·熱扎克，秦文?/p>

（1.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 831401；2.新疆職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830013）

1 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息化技術(shù)已滲透到日常生活的方方面面，從而不斷提升人們的生活質(zhì)量，改變了許多傳統(tǒng)的生活方式，其中教育教學(xué)也不例外。新出現(xiàn)的信息化教育教學(xué)手段徹底改變了傳統(tǒng)的學(xué)生通過(guò)紙質(zhì)書(shū)本獲取知識(shí)，在學(xué)校學(xué)習(xí)掌握教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的教學(xué)模式，在線網(wǎng)課、慕課網(wǎng)站進(jìn)入了越來(lái)越多學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活。日新月異的信息化多媒體教學(xué)手段為學(xué)生提供了更加生動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，為快速了解學(xué)習(xí)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)，其中三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)的靜態(tài)描述學(xué)習(xí)目標(biāo)的限制，動(dòng)態(tài)還原了學(xué)習(xí)對(duì)象的工作過(guò)程。因?yàn)槿嗽趯W(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)視覺(jué)獲取的知識(shí)比其他途徑獲取的知識(shí)影響更加深刻，所以三維建模技術(shù)受到了人們的青睞，許多學(xué)者把三維建模技術(shù)運(yùn)用到電梯工程技術(shù)方面，例如奧的斯電梯（中國(guó)）有限公司的郄揚(yáng)利用三維建模技術(shù)對(duì)電梯進(jìn)行建模，并在建模的基礎(chǔ)上進(jìn)一步說(shuō)明有限元分析過(guò)程[1]。雖然該研究具有一定的參考價(jià)值，但是研究的重點(diǎn)在于有限元分析，可用于建筑施工領(lǐng)域，無(wú)法直接用于教育教學(xué)領(lǐng)域。廣州廣日電梯工業(yè)有限公司的林潔純研究一種基于SolidWorks 的電梯轎頂裝配參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[2]，雖然該研究利用三維建模軟件對(duì)電梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，但是并沒(méi)有對(duì)整個(gè)電梯進(jìn)行建模，不能直接用于教學(xué)領(lǐng)域。中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院的殷勤等研究的基于Solidworks 的電梯安全部件效果圖的制作過(guò)程[3]，雖然該研究將三維建模技術(shù)用于電梯教學(xué)，但不是動(dòng)態(tài)的，而是靜態(tài)的安全部件效果圖。綜上所述，雖然不少學(xué)者圍繞電梯行業(yè)研究了相關(guān)三維建模技術(shù)，但是針對(duì)電梯教學(xué)方面的研究較少，而且限于靜態(tài)建模。

本文針對(duì)電梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用Solid works 和3DS MAX 等三維建模軟件，研究一種有利于學(xué)生快速掌握教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的動(dòng)態(tài)三維模型。

2 研究?jī)?nèi)容

本文根據(jù)電梯的構(gòu)造特點(diǎn)和工作過(guò)程，利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件，在掌握電梯的結(jié)構(gòu)部件尺寸的前提下對(duì)整個(gè)電梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)三維建模，并將靜態(tài)三維模型進(jìn)一步處理，把動(dòng)態(tài)參數(shù)輸入到靜態(tài)模型，按照電梯教學(xué)的典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)，建立一種適合電梯教育教學(xué)、基于三維視覺(jué)的動(dòng)態(tài)模型。該研究圍繞電梯機(jī)構(gòu)特性，把電梯教育教學(xué)作為出發(fā)點(diǎn)，最終建立三維動(dòng)態(tài)模型，主要由建模前的前期準(zhǔn)備工作、靜態(tài)模型的制作過(guò)程、動(dòng)態(tài)模型的制作和后期處理等部分組成。基于三維視覺(jué)的電梯教學(xué)動(dòng)態(tài)模型制作流程如圖1 所示。

圖1 電梯教學(xué)動(dòng)態(tài)模型制作流程圖

2.1 前期準(zhǔn)備

在該研究中，前期準(zhǔn)備工作包括兩部分內(nèi)容：①緊緊圍繞電梯教學(xué)全過(guò)程，找出教學(xué)所需的典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)；②根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，掌握常見(jiàn)電梯的結(jié)構(gòu)靜態(tài)參數(shù)，也就是電梯的組成部件的靜態(tài)尺寸參數(shù)。

2.1.1 典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)

由于人的精力有限，在建模的過(guò)程中不可能完成電梯內(nèi)部每個(gè)部件的精細(xì)動(dòng)態(tài)模型，因此需要確定典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)。在本文中，根據(jù)電梯教學(xué)中的課程標(biāo)準(zhǔn)，按照實(shí)際工作和生產(chǎn)的需要，確定典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)，在此前提下建立電梯教學(xué)動(dòng)態(tài)模型。

2.1.2 電梯部件的靜態(tài)參數(shù)

電梯部件的靜態(tài)參數(shù)指電梯在靜止?fàn)顟B(tài)下，組成整個(gè)電梯的各個(gè)零部件的尺寸大小和結(jié)構(gòu)材料的性能指標(biāo)。靜態(tài)參數(shù)能夠?yàn)槿S建模奠定基礎(chǔ)，若沒(méi)有靜態(tài)參數(shù)，則無(wú)法準(zhǔn)確建立電梯部件的三維模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電梯各個(gè)部件之間的相互匹配，更不用說(shuō)通過(guò)電梯部件組裝整體的三維電梯模型。在本研究中獲取電梯部件靜態(tài)參數(shù)的途徑有兩個(gè)：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，找出常見(jiàn)的電梯部件尺寸和材料性能參數(shù)；與合作企業(yè)聯(lián)系，到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部件的尺寸參數(shù)，獲取電梯結(jié)構(gòu)材料的性能參數(shù)。在該研究中，兩種方法都有利弊。第一種方法的優(yōu)點(diǎn)為相對(duì)簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)較低，缺點(diǎn)為不能保證靜態(tài)參數(shù)的全面性，有些參數(shù)無(wú)法確定。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)為可靠性強(qiáng)，能夠全面掌握電梯部件的靜態(tài)參數(shù)，缺點(diǎn)為獲取靜態(tài)參數(shù)時(shí)需要注意安全，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 靜態(tài)模型制作

在本文中靜態(tài)模型指不包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)的電梯結(jié)構(gòu)三維模型。為了對(duì)整個(gè)電梯進(jìn)行三維建模，需要先對(duì)組成電梯的部件進(jìn)行三維建模。在部件三維建模的基礎(chǔ)上，組裝不同的部件。由于電梯部件的數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只用一種建模軟件對(duì)電梯部件進(jìn)行建模會(huì)延長(zhǎng)建模周期，降低三維建模的效率。因此需要根據(jù)部件的相關(guān)特性，用多種建模軟件對(duì)電梯部件進(jìn)行三維建模。在本研究中主要利用兩種三維建模軟件，分別為SolidWorks 和3DS MAX。這兩種軟件都是功能很強(qiáng)的三維建模軟件，能夠有效提高三維建模效率。用多種軟件對(duì)電梯部件三維建模的依據(jù)是三維軟件導(dǎo)出的文件具有兼容性，也就是說(shuō)無(wú)論是SolidWorks 軟件還是3DS MAX軟件都能夠?qū)С鰯U(kuò)展名為STL 的文件，利用三維建模后的*.STL 文件，隨意更換建模環(huán)境。

由于用SolidWorks 軟件和3DS MAX 軟件建立的三維模型側(cè)重點(diǎn)不同，在本研究中對(duì)于棱角較明顯的電梯部件，用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面部件，用3DS MAX 軟件進(jìn)行三維建模，最后利用軟件導(dǎo)出功能導(dǎo)出STL 文件或者用導(dǎo)入功能將STL 文件導(dǎo)入到另一個(gè)建模軟件。電梯導(dǎo)向輪三維模型通過(guò)STL 文件導(dǎo)入到不同建模環(huán)境的效果如圖2 所示。

2.3 動(dòng)態(tài)模型制作

在本研究中動(dòng)態(tài)模型指在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上增加其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，是一種能夠還原電梯或電梯部件工作過(guò)程的三維模型。動(dòng)態(tài)模型的制作過(guò)程不僅涉及電梯部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還需要考慮動(dòng)態(tài)模型的動(dòng)作或鏡頭的美觀性、吸引性。因?yàn)榛谌S視覺(jué)的電梯動(dòng)態(tài)模型為教育教學(xué)服務(wù)，只重視電梯或電梯部件的工作過(guò)程而不重視動(dòng)態(tài)模型的吸引力，則最終的動(dòng)態(tài)模型會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)枯燥無(wú)味，達(dá)不到教育的目的，整個(gè)建模工作會(huì)失去意義。因此在動(dòng)態(tài)建模的過(guò)程中需要同時(shí)考慮模型的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程和藝術(shù)美觀性。

圖2 導(dǎo)向輪建模效果

2.3.1 動(dòng)態(tài)工作過(guò)程

三維動(dòng)態(tài)模型是反映和還原真實(shí)電梯或電梯部件的工作過(guò)程。那如何還原工作過(guò)程呢？需掌握電梯工作過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)，將細(xì)微的動(dòng)作參數(shù)運(yùn)用到靜態(tài)模型，按照實(shí)際電梯運(yùn)行過(guò)程讓模型完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而將靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模型。學(xué)生利用信息化的現(xiàn)代教育資源，通過(guò)觀察三維動(dòng)態(tài)模型，能夠深入了解電梯的工作過(guò)程，快速掌握教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.3.2 動(dòng)態(tài)模型的藝術(shù)美觀性

在本研究中動(dòng)態(tài)模型的藝術(shù)美觀性是由光源、環(huán)境、陰影和相機(jī)（鏡頭）的移動(dòng)速度等參數(shù)綜合決定。利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件可以有效控制光源、陰影、環(huán)境和相機(jī)（鏡頭）的相關(guān)參數(shù)[4]，這些參數(shù)能夠直接影響三維動(dòng)態(tài)模型的表現(xiàn)力。若參數(shù)設(shè)置比較合適，則模型的感染力較強(qiáng)，可以給學(xué)生留下較深刻的影響，教育教學(xué)效果也會(huì)較好，反之亦然。因此制作三維動(dòng)態(tài)模型不僅要有過(guò)高的建模技術(shù)能力，還需要一定的藝術(shù)審美能力，否則做出來(lái)的電梯三維模型無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教育教學(xué)效果。用SolidWorks 軟件制作三維動(dòng)態(tài)模型的效果如圖3 所示。

2.4 后期處理

在后期處理中，需要先了解建模軟件的渲染過(guò)程，在掌握基本渲染參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行渲染；其次要根據(jù)實(shí)際需求把模型渲染輸出為動(dòng)畫(huà)視頻或者GIF 動(dòng)圖；最后可以加上水印或者將學(xué)校的?；崭郊拥侥Ｐ椭?，從而表明模型的原創(chuàng)性。

圖3 三維動(dòng)態(tài)模型效果圖

渲染的作用是提升模型表面的質(zhì)感，使模型更加真實(shí)，吸引學(xué)生的注意力。由于動(dòng)畫(huà)視頻有聲音和圖像信息，需要的存儲(chǔ)空間較大，但其包含內(nèi)容多，而且比較詳細(xì)，容易理解，因此如果把模型用在室內(nèi)多媒體環(huán)境教學(xué)或者存儲(chǔ)空間沒(méi)有限制的網(wǎng)上教學(xué)上，可以將動(dòng)態(tài)模型渲染為動(dòng)畫(huà)視頻。若受存儲(chǔ)空間或平臺(tái)插件的限制，則可以將模型轉(zhuǎn)換為GIF動(dòng)圖，因?yàn)镚IF 動(dòng)圖只包含圖像信息，沒(méi)有聲音，需要的存儲(chǔ)空間和平臺(tái)資源較少。

在后期處理的過(guò)程中需要綜合交叉使用多種軟件。例如建立?；盏娜S模型時(shí)需要使用Adobe Photoshop、Adobe AI 和3DS MAX 等軟件，因?yàn)橹苯佑?DS MAX 建模較容易遇到對(duì)應(yīng)字體找不到的尷尬局面。因此首先將?；盏钠矫鎴D像用Adobe Photoshop 軟件打開(kāi)，然后把?；盏妮喞闯鰜?lái)，形成選區(qū)，接下來(lái)建立工作路徑[5]，把工作路徑導(dǎo)出為Adobe AI 文件，該文件中保存著?；蛰喞拈]合線條。其次將導(dǎo)出來(lái)的Adobe AI 文件導(dǎo)入到3DS MAX，從而獲得?；盏妮喞獦訔l線，最后把樣條線通過(guò)軟件的修改器擠出后得到?；盏娜S模型。除此之外在后期處理中，還需用到Adobe After Effect 和會(huì)聲會(huì)影等[6]視頻處理軟件。

3 存在的問(wèn)題與不足

本研究雖然在電梯動(dòng)態(tài)模型方面做了不少工作，但由于在日常生活中使用的電梯種類(lèi)較多，結(jié)構(gòu)上有一定的差別，而且在建模過(guò)程中審美能力不足，整體研究還存在一定問(wèn)題與不足，主要體現(xiàn)在建模完整性方面和三維動(dòng)態(tài)模型的美觀吸引人方面。

建模完整性方面。由于電梯的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，要想建立精細(xì)的電梯三維動(dòng)態(tài)模型需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成讓人滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)模型。因此有待進(jìn)一步提高模型的完整性，需要建立完善的電梯相關(guān)參數(shù)體系，從而建立多種類(lèi)型的電梯或電梯部件的三維動(dòng)態(tài)模型。

美觀吸引人方面。因?yàn)闆](méi)有接受系統(tǒng)的審美教育，動(dòng)態(tài)模型的美觀方面有待提高。若從藝術(shù)角度出發(fā)，模型的背景顏色、相機(jī)（鏡頭）的移動(dòng)速度和光源相關(guān)參數(shù)等因素都能夠直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于以上因素?zé)o法快速確定，而且在確定相關(guān)參數(shù)的過(guò)程中沒(méi)有固定的規(guī)律或公式，這為動(dòng)態(tài)建模過(guò)程增添了不少麻煩。

4 總結(jié)

本文利用SolidWorks、3DS MAX 等三維建模軟件，根據(jù)電梯的構(gòu)造特點(diǎn)和工作過(guò)程，對(duì)整個(gè)電梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)三維建模，并將靜態(tài)三維模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，把動(dòng)態(tài)參數(shù)輸入到靜態(tài)模型，按照電梯教學(xué)的典型工作任務(wù)和代表性工作任務(wù)，建立一種適合于電梯教育教學(xué)的基于三維視覺(jué)的動(dòng)態(tài)模型。雖然研究過(guò)程中取得了一定的成就，但還存在一些問(wèn)題。在今后的教育教學(xué)工作中，將緊緊抓住電梯教學(xué)信息化、三維視覺(jué)化的主要目標(biāo)，努力克服困難，解決建模過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)一步完善基于三維視覺(jué)的電梯教學(xué)動(dòng)態(tài)模型。