VRML技术在环境工程图学教学中的应用★

邓 娜

0 引言

在全球污染日益严重的背景下，极端天气气候事件频发，生态环境急剧恶化，对人类生存发展和生产生活都构成了严重威胁，于是人们越来越重视环境的保护和可持续发展。当今环保产业和环保公司蓬勃发展兴起，需要大量人才来选择、设计、开发或改进环保设备。环境工程专业学生学习以控制环境污染为主要目的的机电设备知识是非常必要的，因而环境工程图学需进行机械制图训练教学，锻炼学生的空间想象能力。空间想象能力并非与生俱来的，注重空间想象能力的培养是环境工程图学的主要教学特点，教学中培养空间想象力主要依靠模型展示。但是，机电设备及各零件等包含很多，在工程制图教学中展示实物模具比较困难，特别是在网络课程教学环境下没有实体模型，需要绘制大量三维的虚拟模型。目前的三维造型软件较多，像UG，Pro/E，CATIA，SolidWorks等等，但生成的模型文件都存在需要占用大量的存储空间，展示也不方便的缺点，然而直接利用VRML语言创建三维模型又较困难。在教学中较常使用的三维造型软件是SolidWorks，因此着重研究了利用三维造型软件SolidWorks获得VRML虚拟模型的简便方法，并利用parallelgraphics公司的浏览器插件cortona实现在Web页面展示，并提供逼真的虚拟环境，实现三维模型的缩放、旋转、移动等操作，达到资源的优化配置和远程网络课程的共享。

1 VRM L虚拟模型的创建方法

1.1 VRML语言简述

随着硬件技术和Internet技术的飞速发展，以及3D技术的日益成熟，人们迫切需要通过网络进行数据共享和数据发布。VRML(Virtual Reality Modeling Language)虚拟现实建模语言是一种被标准浏览器接受的图形描述性语言，它把构成场景的每一个节点都看成一个对象，通过对节点的描述及节点间的层层嵌套就构成了一个VRML文件。VRML通过Internet共享3D实体和场景，是一种用于在Internet上构筑3D多媒体和共享虚拟世界的开放式语言，是 CAD、三维建模软件以及动画制作等领域的事实上的标准。

VRML语言的优点有:平台无关——无论你的平台是PC还是SGI，都可以浏览VRML世界;基于Web，能够建立三维可视化服务器;能够快速建模:支持PROTO等灵活的编程方式;大量的可用资源:越来越多的Internet站点含有与VRML有关的内容。但也有缺点:着色不如OpenGL快;没有底层控制;界面不友好，上手困难。这些缺点阻碍了对VRML的使用。

1.2 利用三维建模软件创建模型

目前常用的一些三维建模与分析软件如UG，Pro/E，Solid-Works，SolidEdge等为用户提供了强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，不仅能够完成最复杂的实体造型设计，而且在设计过程中还可以通过进行机构运动分析、有限元结构分析、动力学分析和仿真模拟来提高设计的可靠性。一般工程技术人员都会掌握上述软件中的两种或者更多，而这些软件自身的Web发布技术各不相同，从而影响了设计人员之间的协同工作。将这些软件创建的虚拟模型转换为统一的格式VRML进行发布，可以把模型放在Web页面上，当用浏览器打开模型时，一个可操作的三维模型就会出现，还可以在上面添加所需要的信息等等。教师和学生可以时时地讨论修改，以优化模型，达到最佳设计目的。

SolidWorks软件属于中端产品，在教学科研单位和中小企业中广泛使用。其操作简单，界面友好，易学易用，功能强大，有多种数据接口和专业插件如cosmos/works，piping，photoworks等可选择。因此在环境工程图学教学中主要使用SolidWorks生成三维模型。

1.3 生成VRML文件

由于VRML语言自身规范的复杂性，即使构造一个简单的三维场景也需要录入较多的数据，同时用户在将其所需的空间几何体直接用VRML规范的数据格式实现时存在较大的困难，这些都阻碍了用户对 VRML的使用[2]。对于工程技术人员来说，直接应用VRML语言创建的三维虚拟场景是远远不够的，因为机电一体化产品往往非常复杂。但幸运的是，上述三维建模与分析软件都能够直接导出扩展名为wrl的文件，即VRML格式的文件，这样便解决了复杂模型的VRML虚拟模型创建问题。

由于VRML的局限性，使得三维模型转换为w rl文件时精度丢失和文件过大，比如利用SolidWorks进行文件转换时会丢失光源信息等，但各个三维建模与分析软件厂商还是不遗余力地提供对VRML的支持，因为VRML支持三维工作，甚至向其添加文本和超链接等。这些缺点对于通过Internet展示产品模型进行协同设计的要求来说，影响不大，并不妨碍工程技术人员之间的交流协作。

在利用三维建模与分析软件创建模型时还是要考虑尽可能降低这些影响，例如在SolidWorks中创建模型时，尽量不使用光源;为了获得良好的图形效果，设计时注意调节图像品质为最高等。

2 虚拟模型与W eb的融合技术

2.1 Java与VRML的结合

在VRML中使用Java有两种方式，即通过内部Scrip t节点和外部编程接口(EAI)。一般来说对于单一的VRML事件实现交互及运算功能可选择内部的Script，若需集成多种媒体，并进行复杂网络控制，则更宜于使用EAI，自然其编程也要复杂一些。

Demicron公司的WireFusion组件是提供了非常专业的3D交互、动画、虚拟世界的制作工具。WireFusion的特点是可以使用的大众化的3D动画软件，如3dsmax，Maya等，制作的模型场景都可以简单的输入WireFusion中，然后利用Java Applet技术在网络中发布，并实现对三维场景和模型的交互、控制。

上面这种方法有两个缺点:

1)与工程造型及分析软件结合不紧密，对PR/E，SolidWorks，SolidEdge等支持不够;

2)需要花费大量精力在编制程序而不是考虑产品性能、提高质量与效率上，显然不太适合工程技术人员使用。除此之外，目前Web浏览器对Java虚拟机支持的不同，可能导致EAI调用不稳定;并且由于这些技术底层依赖于Java，因此不太适合与Windows平台下一些优秀的开发工具(Visual C++，VB，Delphi)相结合进行二次开发[3]。

2.2 利用VRML组件直接浏览

1)VRML组件的选择。

VRML模型浏览器有很多，如Blaxxun，Cosmo，Piveron，VRML97-object，WorldView等等，其使用方法和cortona浏览器差不多，但利用IE浏览时，其可操作性与观看效果不如cortona，因此选用cortona浏览器，此插件在ParallelGraphics公司主页可以免费下载。

2)cortona组件设置。

关于cortona组件的详细使用方法不过多介绍，可以参考其帮助手册，在这里仅指出一些需要注意的地方。在cortona组件界面上点右键菜单Preferences…在弹出的界面中选CAD-like界面，此界面简洁易用，左边一列四个按钮就可完成几乎全部操作，如图 1所示。

另外，图1中Speed展开二级菜单设为Slower或Slowest，这是由于目前计算机配置都比较高，不这样做会使操作不易控制。

3 结语

通过网络发布、展示虚拟模型，在网络课程的教学全过程中都得到了应用，它可以使教师随时掌握学生的学习情况，加强师生交流，提高学生学习兴趣和学习效率，通过在本校环境工程专业中试用，取得了很好的效果。该技术在其他领域如工程设计、化工设备等课程的课堂教学、远程教育等也有很好的应用前景。

[1] 魏宗平.现代产品设计技术在食品机械设计中的应用[J].包装与食品机械，2005，23(4):36-39.

[2] 冯桂珍，池建斌.基于Web的虚拟现实模型创建工具[J].工程图学学报，2004(3):60-64.

[3] 陈轶群，朱群雄.Cortona组件在虚拟现实系统中的应用[J].北京化工大学学报，2005，32(5):102-105.

[4] 刘绍英，刘成锁.基于VRML的虚拟现实(场景)制作[J].中国远程教育，2002(12):54-56.

[5] 王兴建，李 丽，陈雪菱，等.基于VRML和JAVA的交互式工程制图Web模型库的建立[J].四川师范大学学报(自然科学版)，2005，28(2):250-252.

[6] 魏 玲，殷佩生.基于VRML的航道虚拟场景应用研究[J].工程图学学报，2004(4):94-97.