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        移動(dòng)端工程制圖虛擬模型資源庫(kù)開(kāi)發(fā)與研究

        2022-01-15 20:33:49方錫武李芳蔣麒麟
        中國(guó)信息技術(shù)教育 2022年2期
        關(guān)鍵詞:碰撞檢測(cè)虛擬現(xiàn)實(shí)

        方錫武 李芳 蔣麒麟

        摘要:作者根據(jù)工程制圖課程的教學(xué)特點(diǎn)和需要,基于Unity3d平臺(tái)開(kāi)發(fā)了教學(xué)用移動(dòng)端工程制圖3D虛擬模型資源庫(kù),重點(diǎn)研究了虛擬模型資源庫(kù)系統(tǒng)的交互功能組成、陳列臺(tái)模型的拾取方法、剖切模型的表達(dá)方法和裝配體工作原理的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)方法,實(shí)現(xiàn)了模型資源庫(kù)模型的分類導(dǎo)航、展臺(tái)展示,實(shí)現(xiàn)了模型-文字、模型-視圖相結(jié)合表達(dá)課程內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn),使人手一個(gè)隨身攜帶的工程制圖3D模型資源庫(kù)成為可能。模型資源庫(kù)的使用鍛煉了學(xué)生的思維能力,給教與學(xué)帶來(lái)極大便利。

        關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí);Unity3D;碰撞檢測(cè);型文;型圖

        中圖分類號(hào):TH161 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ?論文編號(hào):1674-2117(2022)02-0099-05

        ● 引言

        工程制圖課程是理工類院校的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課,教學(xué)時(shí)要用實(shí)物模型輔助教學(xué),以培養(yǎng)學(xué)生的空間邏輯思維能力和三維造型設(shè)計(jì)能力。學(xué)校一般有專門(mén)的模型陳列室和模型管理人員,教師借模型到教室輔助上課。而隨著計(jì)算機(jī)的普及,教師可以使用輔助設(shè)計(jì)軟件在電腦上呈現(xiàn)虛擬模型或者模型圖片來(lái)輔助教學(xué),但虛擬模型難以脫離造型軟件平臺(tái),圖片不具備交互性,不能全方位觀看模型;另外,由于高校擴(kuò)招,部分學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力不足,傳統(tǒng)的教學(xué)手段不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的三維構(gòu)型能力。經(jīng)過(guò)實(shí)踐,筆者發(fā)現(xiàn)將課程的模型資源內(nèi)置于手機(jī),就相當(dāng)于人手一個(gè)隨身攜帶的制圖模型資源庫(kù),能給課程的教與學(xué)帶來(lái)極大便利。

        移動(dòng)學(xué)習(xí)不受時(shí)空限制,具有隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。Raffaele[1]等利用VR和AR技術(shù),結(jié)合手機(jī)成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù),研究在虛擬環(huán)境下實(shí)時(shí)組裝機(jī)器的方法。國(guó)內(nèi)也有許多研究機(jī)構(gòu)積極將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)平臺(tái)。邱龍輝[2]等利用Direct3D Mobile開(kāi)發(fā)出基于Windows Mobile平臺(tái)的工程制圖虛擬模型庫(kù),通過(guò)加載VRML虛擬模型,實(shí)現(xiàn)虛擬模型在移動(dòng)設(shè)備的顯示;劉偉[3]等基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),利用JPCT-AE三維引擎、3DsMAX以及OpenGL ES2.0等工具,開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于Android平臺(tái)移動(dòng)端的工程圖學(xué)移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng);李波[4]利用Unity3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)畫(huà)法幾何三維交互式課件的設(shè)計(jì);葉琳[5]等探討了虛擬模型造型技術(shù),并建立了機(jī)械制圖虛擬模型室。上述研究對(duì)移動(dòng)端工程制圖模型資源庫(kù)技術(shù)做了多方面的有益探索,有的已用于實(shí)際教學(xué)中,但仍然存在以下不足:①模型資源庫(kù)大多立足于自己?jiǎn)挝痪帉?xiě)的教材,不使用其教材則不能使用,推廣面有限;②有的產(chǎn)品平臺(tái)是基于PC或Windows Mobile系統(tǒng)的,手機(jī)平臺(tái)則是Android和IOS;③模型庫(kù)在點(diǎn)線面投影內(nèi)容上有遺漏,如在剖視圖、裝配圖原理表達(dá)方面沒(méi)有剖開(kāi)狀態(tài),以致不能看清零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀;④沒(méi)有動(dòng)畫(huà)演示裝配體的工作原理,以致表達(dá)效果不強(qiáng)。

        ● 模型資源庫(kù)的內(nèi)容分析及功能分析

        1.內(nèi)容分析

        工程制圖課程內(nèi)容主要包含點(diǎn)線面、基本體、組合體、機(jī)件表達(dá)、連接件和傳動(dòng)件、零件圖、裝配圖等七個(gè)方面,因此,選取教學(xué)模型必須遵循這些內(nèi)容,符合工程制圖課程的教學(xué)大綱和通用教材,且具備普適性和應(yīng)用性,能夠滿足大學(xué)本科和??平虒W(xué),模型具體組成及數(shù)量如圖1所示。

        2.功能分析

        模型資源庫(kù)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的模型陳列室,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性,將模型與知識(shí)點(diǎn)、模型與視圖有機(jī)結(jié)合起來(lái),能更加形象生動(dòng)地表達(dá)制圖的成圖原理。另外,模型庫(kù)主要給用戶觀看模型形狀,必須具備良好的交互性,具體功能體現(xiàn)在以下五個(gè)方面:

        (1)按課程內(nèi)容設(shè)置的導(dǎo)航功能。

        (2)模型的展示平臺(tái)(陳列臺(tái))及臺(tái)上的單個(gè)模型與用戶的交互功能:用戶能夠拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái),手指觸擊(或鼠標(biāo)點(diǎn)擊)單個(gè)模型,則拾取模型,模型放大展示,手指拖動(dòng)能全方位旋轉(zhuǎn)觀看模型。

        (3)特殊模型的“剖切”表達(dá)功能:針對(duì)截切體、相貫體、剖視圖、零件圖、裝配圖等內(nèi)容,模型庫(kù)具備“剖切”功能,以進(jìn)一步觀察立體被截切后的截交線形狀、立體與立體相交的相貫線形狀和零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀。

        (4)特殊模型的工作原理動(dòng)畫(huà)表達(dá)功能:針對(duì)連接件和傳動(dòng)件有動(dòng)畫(huà)演示其連接或傳動(dòng)原理,裝配體有動(dòng)畫(huà)演示其工作原理和拆卸過(guò)程。

        (5)“型-文”“型-圖”結(jié)合表達(dá)知識(shí)點(diǎn)功能,模型庫(kù)是輔助課程學(xué)習(xí)的軟件工具,盡可能將表達(dá)形狀的模型與表達(dá)知識(shí)點(diǎn)的文字相結(jié)合,將表達(dá)形狀的模型和模型視圖表達(dá)相結(jié)合,在同一屏幕界面顯示來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),以快速掌握知識(shí)。

        ● 模型資源庫(kù)功能實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

        1.開(kāi)發(fā)平臺(tái)及編程語(yǔ)言

        筆者在建設(shè)模型資源庫(kù)時(shí),采用的是Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)和C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,Unity3D是一個(gè)專業(yè)游戲引擎,對(duì)3D模型具有較強(qiáng)的集成控制功能,其編輯器可運(yùn)行在Windows、Linux、Mac OS系統(tǒng)下,用戶只需一次開(kāi)發(fā),應(yīng)用程序就可發(fā)布至Windows、Mac、iPhone和Android等平臺(tái),為模型資源庫(kù)跨平臺(tái)發(fā)布提供了保障;借助C#編程語(yǔ)言,可控制場(chǎng)景中模型的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、隱藏、放大等基本操作,實(shí)現(xiàn)3D模型與用戶的交互。C#語(yǔ)言編譯速度快,其后臺(tái)Visual Studio提供各種精準(zhǔn)的分析與重構(gòu)功能,具備很多可直接調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù),可大大減輕開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。

        2.系統(tǒng)的交互功能

        模型資源庫(kù)系統(tǒng)與用戶的交互采用了Unity3d的GUI技術(shù),該技術(shù)提供從界面布局、執(zhí)行到可視化的整套解決方案,具有布局靈活、執(zhí)行快速、可視化程度高的優(yōu)點(diǎn),并能滿足系統(tǒng)與用戶的交互需求。模型資源庫(kù)系統(tǒng)主要應(yīng)用于手機(jī)端和計(jì)算機(jī),要求交互操作越簡(jiǎn)單越好,因此主要通過(guò)如上頁(yè)圖2所示的五個(gè)控件完成用戶與系統(tǒng)的交互功能和模型、知識(shí)點(diǎn)的顯示功能。

        3.模型的處理流程及管理

        3D模型造型工具采用了Pro Engineer5.0,然后在3dsMAX(或Rhinoceros)軟件里優(yōu)化處理,最后輸出為“*.fbx”的特定格式文件,并在Unity3d軟件平臺(tái)集成模型形成資源庫(kù),模型處理流程如圖3所示。

        筆者按照上述七大類內(nèi)容建立了七個(gè)展示場(chǎng)景,場(chǎng)景主要包括陳列平臺(tái)和教學(xué)模型,圖4為基本體場(chǎng)景。在開(kāi)發(fā)環(huán)境下,建立的所有教學(xué)模型均為陳列臺(tái)模型的子物體的層級(jí)關(guān)系,即陳列臺(tái)與模型是“父與子”的層級(jí)關(guān)系,這樣就能保證旋轉(zhuǎn)、放大縮小陳列臺(tái)時(shí),所有子物體隨著一起旋轉(zhuǎn)或放縮;隱藏陳列臺(tái),則子物體一起隱藏。

        4.模型拾取和全方位觀看

        模型資源庫(kù)的觀看場(chǎng)景主要有陳列臺(tái)及臺(tái)上模型,在開(kāi)發(fā)環(huán)境中,它們均為幾何模型,可賦予顏色和材質(zhì)。場(chǎng)景中模型的拾取可采用光線追蹤碰撞檢測(cè)技術(shù),當(dāng)手指或鼠標(biāo)觸碰到屏幕上的物體模型時(shí),在開(kāi)發(fā)環(huán)境下就會(huì)被視作從攝像機(jī)發(fā)出的射線延長(zhǎng)到虛擬場(chǎng)景中,與場(chǎng)景中三維模型產(chǎn)生了碰撞,則拾取該模型,進(jìn)而重新生成一個(gè)該模型的實(shí)例,同時(shí)隱藏陳列臺(tái)及模型。教師可通過(guò)程序語(yǔ)言獲得拾取模型的名稱、坐標(biāo)、碰撞點(diǎn)位置等相關(guān)信息,也可對(duì)拾取模型進(jìn)行如改變顏色、隱藏、放大、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作。程序處理流程如圖5所示。

        5.特殊模型的剖切表達(dá)

        課程的基本體部分有的需要呈現(xiàn)截切體,機(jī)件表達(dá)和零件圖部分也存在需要剖開(kāi)表達(dá)的機(jī)件,另外裝配圖部分也要將裝配體剖開(kāi)顯示,剖開(kāi)表達(dá)的目的是方便學(xué)生看清楚內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀。為表現(xiàn)剖切后的效果,可將整體模型剖分為幾個(gè)組成部分,初始呈現(xiàn)為整體,通過(guò)按鍵操作隱藏切去部分,從而讓用戶看到剖切后的形狀。如下頁(yè)圖6所示的接頭模型,可以剖分為如圖6(b)1、2、3、4共四個(gè)組成部分,為了顯示剖切后的形狀,隱藏相應(yīng)部分就可得到剖切后的立體模型,如圖6的(c)(d)所示。

        6.工作原理的動(dòng)畫(huà)表達(dá)

        對(duì)于連接傳動(dòng)件和裝配體,其工作原理主要通過(guò)零件的旋轉(zhuǎn)、平移運(yùn)動(dòng)來(lái)體現(xiàn),在代碼編程實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)時(shí),為了減少編程工作量和保證零件運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致,在開(kāi)發(fā)環(huán)境里盡可能建立零件間的“父-子”層級(jí)關(guān)系,以滿足“父”動(dòng)則“子”動(dòng)、“子”動(dòng)“父”不動(dòng)的規(guī)則。筆者以B型齒輪油泵為例,簡(jiǎn)述其方法。如圖7所示,B型齒輪油泵主要包括泵體、泵蓋、主動(dòng)齒輪、軸和其上附件、從動(dòng)齒輪和軸、帶輪及其附件、泄壓裝置等,其工作原理主要表現(xiàn)為主動(dòng)齒輪(軸)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)齒輪(軸)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快,則出油口壓力增大會(huì)啟動(dòng)泄壓裝置。實(shí)現(xiàn)其工作原理的動(dòng)畫(huà)主要包含四個(gè)動(dòng)作:①主動(dòng)軸、齒輪、帶輪和鍵轉(zhuǎn)動(dòng);②從動(dòng)軸及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng);③泄壓鋼球、頂墊和彈簧的移動(dòng);④彈簧壓縮。在組織管理這些零件時(shí),可如上表所示,建立上述四個(gè)動(dòng)作零件間的“父-子”層級(jí)關(guān)系。代碼實(shí)現(xiàn)原理動(dòng)畫(huà)只需考慮父物體運(yùn)動(dòng),四個(gè)動(dòng)作的核心代碼如圖8所示。

        7.系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總體框架

        整個(gè)模型資源庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總體框架如圖9所示。

        ● 模型資源庫(kù)系統(tǒng)效果展示

        下頁(yè)圖10a為系統(tǒng)主界面,通過(guò)按鈕導(dǎo)航至不同大類內(nèi)容;圖10b為機(jī)件表達(dá)展臺(tái),點(diǎn)擊展臺(tái)機(jī)件,則放大模型,型文結(jié)合表達(dá)模型知識(shí)點(diǎn),如圖10c所示;圖10d為點(diǎn)擊“切去”按鈕機(jī)件的表達(dá)效果;點(diǎn)擊連桿傾斜部分,則演示旋轉(zhuǎn)剖視圖形成的原理動(dòng)畫(huà);圖10e為點(diǎn)擊“型圖”按鈕的表達(dá)效果;圖10f為裝配體展臺(tái),點(diǎn)擊模型也會(huì)出現(xiàn)放大單個(gè)模型,其中有關(guān)鍵零部件運(yùn)動(dòng)表達(dá)其工作原理。

        ● 結(jié)語(yǔ)

        筆者基于Unity3d開(kāi)發(fā)了移動(dòng)端工程制圖3d模型資源庫(kù)。本模型資源庫(kù)在筆者所在學(xué)校機(jī)電193-194、車(chē)輛201-202等班級(jí)試用,學(xué)生自己操控手機(jī)端逼真的虛擬三維模型,參與其中觀看模型的形狀或變化,突破時(shí)空限制,且隨身攜帶隨時(shí)使用,大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,變被動(dòng)接受為主動(dòng)學(xué)習(xí),增加了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣,鍛煉了學(xué)生的空間想象思維能力,提高了學(xué)習(xí)效率。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]邱龍輝,楚建明,葉琳,等.基于智能手機(jī)的工程圖學(xué)虛擬模型資源庫(kù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(01):83-86.

        [3]劉偉,杜強(qiáng),張順心,等.基于VR技術(shù)的工程圖學(xué)移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(06):857-861.

        [4]李波,李秋怡,宣珊珊,等.Unity3D畫(huà)法幾何三維交互式課件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2020,16(11):229-231.

        [5]葉琳.機(jī)械制圖虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)模型室的建立[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(03):202-206.

        作者簡(jiǎn)介:方錫武(1971—),男,漢族,湖北省武穴市人,博士,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ虉D學(xué)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。李芳(1971—),女,漢族,江蘇省南京市人,副教授,碩士,主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)。蔣麒麟(1978—),男,漢族,安徽省懷寧縣人,博士,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)。

        基金項(xiàng)目:2020年度中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)“數(shù)字化課程資源”專項(xiàng)課題“移動(dòng)端工程制圖3D模型資源庫(kù)開(kāi)發(fā)與研究”(2020SZYB10);南京工程學(xué)院高等教育研究課題(2019YB12)。

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