虚拟现实技术在机械制图课程中的应用

张海明，陈伟珍

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

虚拟现实技术在机械制图课程中的应用

张海明，陈伟珍

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

使用先进的虚拟现实技术搭建机械制图网络学习平台，开发动态VRML机械制图模型替代传统的木头实物模型来辅助教学。动态VRML模型可实现可视化3D交互操作，有利于教师授课，有利于学生课后学习和提高学习效率。

虚拟现实；机械制图；VRML

一、引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）也称人工环境或灵境技术，是近年来发展起来的高新技术。所谓虚拟现实就是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，让使用者身临其境，获得视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，可以实时观察三度空间内的事物。

虚拟现实技术发展到今天，已成为国内外当前研究热点之一，并且已广泛地应用于军事、建筑、娱乐、航空、航天、体育、医学以及教育等多个领域。在教育领域里，虚拟现实技术作为一种崭新的教学媒体，给教育领域注入新的生机与活力。

1.应用虚拟现实技术开发网络课程的步骤虚拟现实技术开发网络动态课件的关键技术在于虚拟环境建模技术和交互控制技术。其中，虚拟教学环境建模技术建立在三维模型创建基础之上，常用的工具有3DMAX、UG、CATIA、Pro/e和SolidWorks等专业建模软件。而开发整个三维环境的交互控制能力的技术常有VRML、OpenGL、Cult3D等。

依据上述两个过程、两类技术的不同组合，结合我们的实际条件和课件自身的需求。我们在机械制图网络学习平台的开发中采用的是UG+VRML的方案。具体的开发步骤如下：

首先在UG软件中创建三维CAD模型。

然后采用VRML网页交互技术制作交互场景，把在UG软件中建立的三维模型转换成为能够在互联网上进行传输、浏览、操作和信息交互的网络模型。网络模型还需具备机械制图课程教学过程中常用的投影、剖切、装拆等表达手段。

最后在SpinFire Pro平台中进行信息协同、媒体交互合成。

2.VRML在机械制图模型开发中的应用虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language）简称VRML，是一种用于建立虚构的三维世界或者真实世界的场景模型的场景建模语言。近些年来，国内外专家学者对VRML在机械制图上的应用进行了较多的研究。

在机械制图模型中的应用VRML网页交互技术，制作动态可视化3D交互机械制图模型替代实物模型，革新了机械制图的教学手段，有利于更好地培养学生的空间想象力。制作机械制图动态VRML网络模型的步骤如下。

（1）实体建模和渲染。实体建模可以选择的三维CAD建模软件有很多，我们选择目前比较流行的UG软件，按照实体的实际形状尺寸创建三维CAD模型。然后通过渲染给三维CAD模型设计合理的光源，添加一些纹理和材质等，使三维CAD模型具有更好的现实视觉效果。图1所示为脚轮总成的CAD建模和渲染的效果图。

图1 脚轮CAD建模和渲染

图2 脚轮静态VRML模型

（2）静态VRML转换。可以使用UG软件具有的转换功能，将上一步所创建的添加了纹理和材质等渲染效果的实体模型转换成为可以在互联网上进行传输和浏览的静态VRML可视化模型，静态VRML模型只能实现一些旋转、缩放等简单功能，对制图教学的帮助非常有限。图2所示为脚轮总成的静态VRML实体模型。

（3）动态VRML设计。为了更好地辅助教学，我们必须把静态的VRML模型进一步转换成可以实现动画、拆装等效果的动态VRML可视化交互模型。这个转换可以使用一些VRML编辑软件对静态VRML模型进行功能扩展设计来实现，我们所采用的编程语言是一种基于时间轴动画的脚本语言。

如图3所示是进行了扩展设计之后的脚轮总成动态VRML文件，它可以实现动态的阀体拆卸。为帮助学习者熟悉拆卸的过程、工具以及注意事项，设置了一些相关的问题要求学习者回答。在测试模式引入游戏功能，寓教于乐，增加了趣味性；并设计了评价功能，学习者完成测试之后系统自动给出学习状况和分数。这些设计将大大提高学生学习的积极性。

图3 脚轮的动态VRML网络模型

（4）网络发布。将动态VRML文件上传到网络服务器，在互联网上以网页的形式进行发布，使用者在网页浏览器中输入网址即可对三维动态VRML的实体模型进行交互操作。

图4 “.3D”格式的网络模型

二、信息交互协同技术在制图模型中的应用

目前常用的基于WEB的2D/3D CAD信息可视化交互协同技术的平台有SpinFire Pro、E-drawing等。

本文采用了SpinFire Pro平台，这个平台上可以进行供各种CAD格式文件的输入，使用者无须安装专门的CAD软件即可直接开启各种CAD格式的图形文件，而且可以输出能够在互联网上进行传输的、高压缩比的3D文件。此外，这种3D文件还保留了原CAD文件所具有的主要操控性质，如缩放、旋转、投影、测量、剖切、拆装等。这样的机械制图模型完全包括了机械制图所需要的各种表达手段，可以充分满足教学的实际需求。如下图4所示是曲轴的“.3D”格式的网络模型文件。

三、结语

综上所述，使用先进的虚拟现实技术搭建的机械制图网络学习平台提供了一种融侵式的三维学习环境，非常方便开展网络学习，节约了教学资源，提高学习效率，从而使教学的效果大大改善。

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G712

A

1674-9324（2014）20-0197-02

广西高等教育教学改革工程项目《基于工作过程“双线并行”的高职学生自主学习能力培养的研究与实践》（2012JGB341）。

张海明（1981-），男，硕士研究生，广西水利电力职业技术学院工程师，讲师，研究方向：机电类专业教学；陈伟珍（1963-），女，广西水利电力职业技术学院教授，研究方向：机械制造、工程图学教学。