基于Virtools的虚拟测绘系统的设计

王盼盼，张 宏

（太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

基于Virtools的虚拟测绘系统的设计

王盼盼，张 宏

（太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

针对传统机械制图测绘教学方法中存在的教学资源短缺问题，基于Virtools虚拟现实技术，利用SolidWorks实现三维机械产品的建模与装配，将三维实体图导入3ds MAX中进行渲染，并结合Virtools软件设计了以齿轮油泵为例的虚拟测绘演示系统。该系统操作简便、交互性强，学生通过该系统可以掌握测绘的方法、步骤，其良好的开放性，可供开发应用到其他教学实践项目中。

虚拟测绘；虚拟装配；工程图学；SolidWorks；Virtools

机械零部件测绘是工程图学教学中的重要内容，它是通过对机械零部件实物的测量、绘制出图样的过程，是一个认识实物和再现实物的过程。测绘教学需要大量的模型，但在教学资源短缺的情况下很难满足需要［1］。

随着计算机和网络技术的发展，虚拟现实技术越来越多地用于教育教学中。利用虚拟现实建模语言，结合JavaScript编写脚本程序，可以构建机械零部件虚拟测绘系统，实现基于网络的机械零件虚拟测绘［1］；基于虚拟现实建模语言的工程图学虚拟实验室，可以将虚拟模型和其工程图样紧密结合，实现虚拟实验的多媒体教学系统［2］。虚拟现实技术还可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有利用率高、易维护等优点［3－6］。

笔者在分析机械制图测绘课程特点的基础上，利用SolidWorks、3ds MAX在机械建模与渲染方面的优点和虚拟现实软件Virtools，设计了齿轮油泵虚拟测绘系统的体系结构。通过该系统，学生可以模拟现实中的测绘，掌握测绘所必备的技能，为培养学生的空间想象能力和自主学习能力提供了极大的便利，达到了降低教学成本，提高教学质量的目的。

1 虚拟测绘系统的总体设计

齿轮油泵虚拟测绘系统包含工程制图测绘教学的主要内容，共分为6部分（见图1）。

（1）软件使用操作说明。主要介绍系统的使用方法以及测绘目的。

（2）测绘工具使用说明。介绍测绘工具的相关知识。

（3）拆卸演示。模拟机械部件的拆卸，通过拆卸可以看清楚每个零件的构造、与其他零件的相互关系以及连接方式等。

（4）虚拟装配。让学生模拟实际中的装配过程。

（5）虚拟测量。可以调入一个零件，然后用相应的测量工具进行测量。

（6）工程图。展示测绘零部件示意图、装配图和零件图，精确表示出零件的结构、形状、尺寸、工作原理和技术要求，可以让学生进行测绘结果的校对和学习，加深对机械制图的认识。

图1 系统开发流程及结构设计

2 开发工具

3ds MAX对于工业机械类建模不够精确，且装配管理效率低［7］，但SolidWorks是专业的三维机械设计软件，同时能从三维模型中自动产生工程图且工程图是全相关的。SolidWorks虽自带渲染插件，但效果却不如3ds MAX好。所以采用SolidWorks对机械部件进行建模和装配，用3ds MAX进行场景的建模，并对机械部件和场景进行渲染。

Virtools［8］是一套虚拟现实整合软件，可以将常用的档案格式整合在一起，如3D模型、2D图形或音效等，是一款有丰富互动行为模块（building blocks）的实时3D环境编辑软件。Virtools 5．0版本已经有大约500个行为模块，只需在脚本流程图的图形界面中对各种行为模块进行拖拽连接就可以了，大大缩短了产品的开发周期，降低了开发难度。

3 虚拟场景的建立

（1）将SolidWorks导入3ds MAX。机械零部件都是通过SolidWorks建模，但是SolidWorks与3ds MAX之间无法直接转换。可以将SolidWorks中的装配体另存为．stl文件［9］再导入3ds MAX。3ds MAX会自动保存原来装配体各个零件的装配位置，不需要重新进行装配。

（2）3ds MAX场景、模型导入Virtools。为了产生更加真实的效果，在3ds MAX中赋予了模型基本的材质属性与贴图。例如泵体均采用金属贴图，材质选用标准材质，否则无法导入Virtools；3ds MAX文件导入Virtools时［10］，需要勾选Materials／Textures选项，否则在3ds MAX中的材质、贴图也无法导入Virtools中。Virtools中齿轮油泵模型如图2所示．

图2 Virtools中齿轮油泵模型

4 虚拟场景与操作演示

4．1 虚拟场景的实现

在Resources（资源）选单中，选择Create New Data Resource命令，创建一个数据资源库，命名为“Pump”，将3ds MAX导出的文件放到3DEntity文件夹下，将在3ds MAX中建立的场景、泵体拖到三维编辑区。导入之后，可能由于单位设置的原因，在Virtools中无法看到物体。这时可以添加一个摄像机，增大摄像机的Far Clip（远裁切点），就可看到物体。然后增加灯光，调节灯光的位置和照明范围等［11］。

一般来说，Virtools中的图像是以位图存储的［12］。为了不影响交互设计的流畅运行，减少电脑内存的占用，便于作品的发布和浏览，在作品设计之前就要对贴图进行设置。在General Preferences中，将Use specific format（特定文件格式）中贴图的模式改为JPEG，这样可以统一压缩图片，提高效率（见图3）。也可以在Texture的设置面板中分别修改每张贴图的模式。整理优化后的场景如图4所示。

图3 Virtools中贴图压缩设置

图4 虚拟测绘系统场景图

4．2 虚拟测绘系统的操作实现与发布

（1）通过加载界面及交互选单，可以很好地体现系统的交互功能。鼠标点击按钮，就可进入相应的模块界面。比如点击操作说明按钮，就可以进入操作说明模块，其主要介绍齿轮泵的工作原理、零件组成，可以帮助学生对齿轮泵有个初步的了解。

（2）测绘工具分为拆卸工具和测量工具。拆卸工具有扳手、锤子、铜棒、木棒等，测量工具应根据欲测零件的尺寸精度要求选用。此模块主要通过文字及视频介绍常用工具的使用方法和注意事项，实现方法如图5所示。单击“测绘工具”按键，通过2DPicking选中物体，通过Test进行判断所选中物体是否与指定的对象相符，如果相符，就通过Video Player加载相应的视频进行测绘工具的演示。

（3）拆卸模块主要是将泵体进行分解。泵体零件按照顺序进行分解，然后放在设定的位置，虚拟装配模块与拆卸模块的过程相反，界面如图6所示。泵体是不能被选取的，它相当于装配的参照物，按照零件序号从大到小进行装配。学生可以用鼠标选取拖动零件到泵体附近，只有零件的装配顺序正确且符合实际，才能够装配上，否则零件是不能被安装到泵体上的。此外，对零件装配进行了编号从大到小分组，比如第一组38（右轴承）、37（主动轴）、36（键）、35（主动轮）等4个零件是可以被鼠标选取并移动的，其他零件则不能被选取，只有按顺序装配好这4个零件，才可以继续装配下一组。这样的设计，使学生既可以自主装配，又提供了装配的大致顺序，教学效果较好。分组装配脚本如图7所示。

图5 视频演示模块脚本

图6 装配界面

（4）虚拟测量模块可以根据所测零件选择相应的测量工具，以测量从动轴（编号33）的长度为例，首先为游标尺卡座添加Fixed Obstacle属性，为从动轴和卡尺添加Moving Obstacle属性，再添加脚本如图8所示，这样测量时从动轴和卡标不会相互穿越，碰撞后就自动停止运动，就可以在游标卡尺上读取数据（见图9）。

（5）发布。虚拟测绘系统完成后，可以通过File－Create Web Page将作品以网页形式发布。需要生成．vmo和．html 2个格式的文件，客户端只需安装Virtools Web Player程序文件就可以通过IE浏览器播放制作好的测绘演示了。也可以生成．exe文件，用可执行播放的方式发布，但需要外挂Virtools Make－Exe．exe和CustomPlayer．exe文件来实现。

图7 分组装配脚本

图8 测量脚本

图9 读取数据

5 结束语

利用SolidWorks、3ds MAX并结合虚拟现实技术，开发设计了虚拟测绘教学系统。该系统摆脱了传统实验教学在空间、时间等方面的限制，使学生能够直观、多角度地观看齿轮泵的装配过程，并了解测绘装配情况和相关知识，激发学生的学习兴趣，培养学生的实践能力。在本系统的基础上，可以再增加机械制图投影、相贯线内容，引进力反馈器，使学生有更全面、真实的虚拟测绘体验。

（References）

［1］何培英．机械零部件虚拟测绘系统开发［J］．工程图学学报，2007（6）：161－165．

［2］李春波，胡青泥．基于VRML的工程图学虚拟实验室［J］．东华大学学报：自然科学版，2008，34（3）：347－350．

［3］李云峰，陈际达．虚拟现实、多媒体与系统仿真［J］．中南工业大学学报，2002，33（2）：205－208．

［4］魏安顺，周印，谢叻．虚拟现实技术及其在制造业的应用［J］．模具技术，2004（5）：54－58．

［5］单美贤．虚拟实验室的发展方向［J］．开放教育研究，2002（2）：44－46．

［6］方利伟．基于Virtools的三维虚拟实验室研究与实现［J］．实验技术与管理，2010，27（5）：83－86．

［7］胡亮，王兰美，宋宏鹏，等．SolidWorks、3DS Max结合Virtools实现虚拟现实应用研究［J］．山东理工大学学报：自然科学版，2010，24（3）：103－106．

［8］牛彦，张烁男．基于Virtools技术的产品虚拟交互式操作指导系统构建［J］．沈阳建筑大学学报：自然科学版，2012，28（3）：569－576．

［9］阎庆华，林大钧．Solidworks结合AutoCAD与3DMAX实现机械产品设计［J］．工程图学学报，2004（3）：150－154．

［10］王方，王峥．3ds Max模型及动画输出为Virtools格式的方法［J］．现代电影技术，2007（10）：49－54．

［11］刘明昆．三维游戏设计师宝典［M］．重庆：四川电子音像出版中心，2005：43－47．

［12］张洋，黄心渊．网上虚拟博物馆中梅花的表现手法和技术实现［J］．计算机系统应用，2011，20（12）：148－153．

Design of virtual measuring system based on Virtools

Wang Panpan，Zhang Hong
（College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Traditional mechanical drawing teaching method has the problem of shortage of instructional resource．Based on the analysis of engineering drawing teaching and the characteristics of virtual reality，the virtual measuring system for oil pump is designed．Three－dimensional mechanical design software，3ds MAX and Virtools are applied in this system．SolidWorks is used to model and assemble．3ds MAX is used to render and make animation．This system is easy to operate and not subject to time and place，which can improve the initiative of students．This system has the character of friendly human－computer interaction and open platform and can be applied to other teaching practice．

virtual measuring；virtual assembly；engineering graphics；SolidWorks；Virtools

TP391

A

1002－4956（2015）3－0148－04

2014－07－05

山西省软科学研究项目（2012041038－01）

王盼盼（1990—），女，河北衡水，硕士研究生，研究方向为虚拟现实技术

E－mail：chuwangfly＠163．com

张宏（1959—），女，山西长治，硕士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为工程图形学及计算机图形学、机械设计与制造．