王瑤

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

VRML是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場(chǎng)景建模語言，也具有平臺(tái)無關(guān)性。在零部件測(cè)繪與裝配圖繪制過程中，應(yīng)用CAD軟件，構(gòu)造零件的三維模型，再創(chuàng)建成部件的裝配模型，基于VRML技術(shù)建立零部件測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室，并在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬仿真部件的運(yùn)動(dòng)，檢驗(yàn)裝配的正確性，對(duì)其進(jìn)行虛擬測(cè)繪，這將極大地提高測(cè)繪工作效率，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 基于VRML零部件測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要點(diǎn)

1.1 制作虛擬測(cè)繪網(wǎng)頁

為了滿足信息順利交互的基礎(chǔ)要求，在具體應(yīng)用中需要做好虛擬測(cè)繪網(wǎng)頁的制作工作，這也是后續(xù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)保障。在具體的制作過程中，經(jīng)常使用到的技術(shù)包括VRML技術(shù)、Java語言和HTML文件等。利用VRML技術(shù)來完善Web網(wǎng)頁內(nèi)容，可以提供除文字外的更多選項(xiàng)，滿足虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理需求。而且為了滿足信息實(shí)時(shí)交互、測(cè)繪過程動(dòng)態(tài)管理等要求，在網(wǎng)頁設(shè)計(jì)過程中，也需要搭配Java語言和HTML文件來進(jìn)行綜合處理，從而建立符合虛擬實(shí)驗(yàn)室管理的服務(wù)系統(tǒng)，提升整個(gè)管理過程的有序性。

1.2 構(gòu)建三維場(chǎng)景模型

為了滿足虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用要求，提升所建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的逼真度，因此在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)借助VRML技術(shù)來搭建三維場(chǎng)景模型（如圖1所示）。在三維場(chǎng)景模型的搭建過程中，主要包含行為建模和幾何建模兩部分內(nèi)容。前者的主要工作內(nèi)容是對(duì)場(chǎng)景真實(shí)度進(jìn)行還原，如測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室光照環(huán)境、溫度環(huán)境、相對(duì)濕度、實(shí)驗(yàn)室材質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)紋理、內(nèi)部色彩分布等，借此來提升搭建結(jié)果的逼真度，也提升數(shù)據(jù)信息分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；后者在應(yīng)用過程中的主要內(nèi)容則是完成虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)建設(shè)，如測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室中的儀器模塊、操作臺(tái)模塊、存儲(chǔ)模塊等，在具體的建設(shè)和構(gòu)建過程中，也會(huì)將其細(xì)分為若干個(gè)管理對(duì)象，同時(shí)利用INline節(jié)點(diǎn)來完成模型內(nèi)容整理，借此來實(shí)現(xiàn)虛擬模型和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的順利結(jié)合，提升三維場(chǎng)景模型的逼真度。

圖1 虛擬三維場(chǎng)景模型示例

1.3 消減場(chǎng)景復(fù)雜度

結(jié)合虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室相關(guān)要求，在建立的三維模型中，其涉及到的三角形數(shù)目總量較多，為了提升內(nèi)容的簡(jiǎn)潔性，防止復(fù)雜度過高造成的負(fù)荷失效問題，需要依托于技術(shù)來完成場(chǎng)景復(fù)雜度的消減工作。例如，在測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室中的儀器模型，可以利用現(xiàn)實(shí)生活中的圖片來進(jìn)行紋理映射，這樣也有利于細(xì)節(jié)特征的順利傳遞，確保設(shè)計(jì)內(nèi)容本身的逼真度，同時(shí)也對(duì)復(fù)雜內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得到了逼真度更高、實(shí)時(shí)交互效果更好的測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室模型。

1.4 完成動(dòng)態(tài)信息交互

零部件測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室在應(yīng)用過程中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息交互也是非常重要的應(yīng)用內(nèi)容。其主要作用在于，如果用戶的試點(diǎn)出現(xiàn)的變動(dòng)的情況，那么此時(shí)利用已建立信息交互系統(tǒng)，可以對(duì)此類信息場(chǎng)景進(jìn)行及時(shí)處理，常用處理方法為視變換技術(shù)，借此來提升信息交互結(jié)果的使用價(jià)值。

在視點(diǎn)處理過程中，假定視點(diǎn)A（x1，y1，z1）在空間坐標(biāo)軸z軸上，此時(shí)投影平面在位置p點(diǎn)位置所得到的投影方程為q=（x1-x）/（0-x）=（y1-y）/（0-y）=（z1-z）/（zp-z），利用公式中給到的內(nèi)容展開計(jì)算，從而得到所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，在測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用過程中，也需要對(duì)現(xiàn)階段漫游時(shí)間和相對(duì)位置信息進(jìn)行及時(shí)獲取，而且在應(yīng)用中也需要對(duì)時(shí)空參數(shù)進(jìn)行獲取，以此來得到最優(yōu)化的全景圖像，滿足定位過程的基礎(chǔ)需求。

1.5 裝配動(dòng)畫的順利實(shí)現(xiàn)

為了順利模擬出零部件測(cè)繪過程，在技術(shù)應(yīng)用過程中也會(huì)利用VRML來完成裝配動(dòng)畫制作，并且在應(yīng)用過程中，也需要合理設(shè)置時(shí)間傳感器，同時(shí)在應(yīng)用中設(shè)置合適的插補(bǔ)器來對(duì)整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)容進(jìn)行控制，從而得到所需要的裝配動(dòng)畫內(nèi)容。在具體的設(shè)計(jì)過程中，會(huì)在傳感器上布設(shè)用于控制動(dòng)畫效果的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，在該時(shí)鐘中包含了所建立動(dòng)畫內(nèi)容的起始時(shí)間、停止時(shí)間、相互間時(shí)間間隔、循環(huán)控制參數(shù)等。依托于已經(jīng)建立好的時(shí)鐘，可以在搭建好的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)外輸出各種類型的內(nèi)插節(jié)點(diǎn)，得到相應(yīng)的動(dòng)畫內(nèi)容，并且在動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)上也會(huì)提前明確具體的關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵位置數(shù)值等。而依托VRML技術(shù)建立的網(wǎng)頁也會(huì)結(jié)合線性插值的方式來順利完成動(dòng)畫處理，滿足零件動(dòng)態(tài)處理的相關(guān)要求[1]。

1.6 虛擬拆卸與裝配處理

在虛擬實(shí)驗(yàn)室的搭建過程中，做好虛擬拆卸和裝配處理也屬于非常重要的工作內(nèi)容，而整個(gè)虛擬處理過程的重點(diǎn)則是拆除順序的合理確定?；谝酝鶎?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不同類型的零部件因?yàn)檠b配方式的差異性，其拆裝過程的路徑也存在較大差異。例如，許多零件在拆卸時(shí)，只需要通過平移的方式便可以完成，而用于固定零件的螺絲、螺帽，在拆除時(shí)涉及到了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，因此在虛擬處理時(shí)，也需要模擬旋轉(zhuǎn)過程，多采用旋轉(zhuǎn)插補(bǔ)器來完成該模擬過程，從而提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的逼真度。目前，在系統(tǒng)建設(shè)過程中，會(huì)利用ismove來完成裝配監(jiān)督，并且對(duì)于輸出變量Bmove和Bback進(jìn)行控制處理，這樣也滿足零件動(dòng)態(tài)拆除的要求，提升了整個(gè)處理過程的合理性與可靠性[2]。

1.7 零件的虛擬測(cè)繪處理

除了上述提到的應(yīng)用內(nèi)容外，在具體的處理過程中，還需要做好零件的虛擬測(cè)繪處理，校核整個(gè)虛擬處理過程的合理性。以測(cè)量小齒輪直徑為例，具體的處理過程內(nèi)容如下：從建立的虛擬網(wǎng)頁中輸出備選項(xiàng)，內(nèi)容包括待檢測(cè)齒輪和測(cè)量工具（如游標(biāo)卡尺），此時(shí)可以對(duì)游標(biāo)卡尺進(jìn)行移動(dòng)，將齒輪外徑和游標(biāo)卡尺一端的測(cè)量爪進(jìn)行接觸，隨后移動(dòng)鼠標(biāo)，將游標(biāo)卡尺另一端的測(cè)量爪與齒輪另一側(cè)邊緣進(jìn)行觸碰，隨后在頁面上點(diǎn)擊鎖定鍵，系統(tǒng)此時(shí)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)讀數(shù)，得到所需要的測(cè)量數(shù)值。在此過程中，為了防止物體出現(xiàn)重合，無法順利展開測(cè)量的問題，在具體地處理中，會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)增加translation節(jié)點(diǎn)，搭配transform節(jié)點(diǎn)與rotation節(jié)點(diǎn)來完成零件內(nèi)容的精準(zhǔn)定位，而且在此過程中還需要對(duì)位移量的最大值和最小值進(jìn)行調(diào)整，使虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬結(jié)果可以更加準(zhǔn)確，從而提升分析結(jié)果的可靠性[3]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

利用VRML來建立零部件測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室，為了驗(yàn)證其可實(shí)現(xiàn)價(jià)值，需要建立相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整理。在具體的處理過程中，其使用的硬件及準(zhǔn)備內(nèi)容如下：①系統(tǒng)硬件設(shè)備i ntelCor系列為主，硬件系統(tǒng)的CPU不低于1.99GHz，運(yùn)行內(nèi)存8GB以上；②操作系統(tǒng)選擇Windows系列，如目前推出的Windows10可以滿足多數(shù)情況下的基礎(chǔ)需求；③瀏覽器插件在設(shè)計(jì)中選擇CortonaVEMLClient系列，如目前使用的4.0版本具備良好的使用價(jià)值；④編寫工具選擇，主要分為兩類情況，其中VRML內(nèi)容編寫使用VemlPad進(jìn)行處理，而Java文件則使用UItraEdit對(duì)其進(jìn)行處理；⑤在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇中，將響應(yīng)時(shí)間、內(nèi)容處理結(jié)果準(zhǔn)確性、反饋效果等內(nèi)容作為重要參考指標(biāo)[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)同時(shí)進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)，其中兩組用來采集點(diǎn)擊鼠標(biāo)后相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間，另外兩組則用來采集人員視角出現(xiàn)變化后，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以了解到，基于VRML所建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室，鼠標(biāo)響應(yīng)時(shí)間的平均值為0.5s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)鼠標(biāo)響應(yīng)時(shí)間的平均值為0.7s，前者響應(yīng)速度更快。同時(shí)基于VRML所建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室視覺響應(yīng)時(shí)間的平均值為0.4s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)鼠標(biāo)響應(yīng)時(shí)間的平均值為0.6s，前者響應(yīng)速度更快。由此可見基于VRML所建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室具備較強(qiáng)的使用價(jià)值[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，基于VRML建立測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)y(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，同時(shí)也可以完成篩選價(jià)值數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、虛擬測(cè)繪處理、零配件虛擬拆卸等工作，具備較強(qiáng)推廣價(jià)值，能夠?yàn)樵S多活動(dòng)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。