基于3D模拟仿真平台的高校实训教学环境构建技术研究

王俊洁

摘 要： 目前对于3D模拟仿真的研究重要集中在虚拟场景界面和场景支撑两方面。详细介绍了3D模拟仿真技术的特点和应用领域，分析了3D模拟仿真技术的语法构成及编辑运行过程。对实训教学环境模型进行搭建并对搭建模型效果图进行展示，最后指出3D模拟仿真技术目前存在的主要问题，为今后利用3D模拟仿真技术进行校园实训教学提供一种新的思路。

关键词： 3D； 模拟仿真技术； 实训教学； 模型搭建； 虚拟场景界面； 场景支撑

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0183?04

Abstract： At present， the research on 3D simulation mainly focuses on virtual scene interface and scene support. The characteristics and application fields of 3D simulation technology are introduced in detail. The grammar composition and editing operation of 3D simulation technology are analysed. The practical teaching environment model was built， and the effect images of built model are displayed. The main problems existing in 3D simulation technology are pointed out. The 3D simulation technology provides a new way for college practical teaching.

Keywords： 3D； simulation technology； practical teaching； model establishment； virtual scene interface； scene support

0 引 言

随着信息技术的飞速发展，3D模拟仿真技术迅速融入到人们的日常生活中，极大地丰富和改变了人们的生产生活方式[1]。模拟仿真技术一经提出就向人们展示了无限的应用前景，得到了各行各业的广泛关注。其中教育行业是模拟仿真技术应用的主要领域。采用3D模拟仿真技术搭建实训教学环境并应用于教学环境中，能够打破传统教学枯燥乏味的方式，有效提高学生的创新思维能力和对科学探究的兴趣[2?4]。

伴随着互联网+的提出，高校教育方式逐渐走向智能化、网络化和数字化[5]。尤其对于高校实训教学方面，在一些相对比较危险的实验过程可以通过模拟仿真来代替，避免因实验失误或者实验不良结果带来的对于学生身体和教学器材的损伤[6]。模拟仿真教学提出思路如图1所示。

目前国外对于3D模拟仿真平台的研究主要集中在用户感知、虚拟场景界面和场景支撑。我国在这方面的研究与发达国家相比仍然存在很大差距，但是在政府的大力鼓励和众多学者的不懈努力下，这种差距在逐渐缩小[7]。相比国外，我国学者的研究主要集中在硬件和软件方面。

1 3D模拟仿真技术简介

3D模拟仿真技术是一种既规范又虚拟现实的新时代科技，该技术的标准语法采用的是XML标记式语法结构，通过自身丰富多样的节点式语言详细描述逼真生动的虚拟环境，使得在虚拟环境中的人能够得到在真实世界的感触[8]。

3DMax仿真环境包含硬件部分和软件部分。

作为整个系统支撑环境的是一台实验室PC机，本研究使用的计算机是64位操作系统，CPU的主频在3.5 GHz以上即可，硬盘为1 TB，当然更高的硬件配置能够展现更加流畅的光影感受。表1所示为本研究硬件系统的相关参数。

3DMax充分利用人眼的错觉，将原本静止的三维图片进行快速连续的播放，这样在观众看来就是一部生动活泼的动态场景，而3DMax发挥的最重要作用就是将影视动画中人物形象的具体细节表现出来，达到逼真、生动、活泼的效果。3DMax的基本属性由三部分构成：帧和时间轴、图层、元件实例。

随着科学技术的快速发展，3D模拟仿真技术也得到了极大的创新发展，各项功能日趋完善。模拟仿真技术交互性和动画逼真效果得到很大提升，能够给用户带来极佳的使用体验，提升了虚拟环境的智能性，給使用者更大的发挥空间[9]。

3D模拟仿真技术可以将虚拟环境的矢量形式制作出来，并按照.swf的格式进行保存，达到逼真、生动、活泼的效果。

为使所创作的虚拟环境与外部引入程序进行很好的融合，通过random函数，可以使创作出的虚拟环境具有一定的随机性，这也是3D模拟仿真技术的灵活性所在。

2 3D模拟仿真技术语法及运行环境

2.1 3D模拟仿真技术语法简介

3D模拟仿真技术对三维立体场景进行建模时采用笛卡尔三维坐标系；取值范围为（0.0 0.0 0.0）到（1.0 1.0 1.0）的RGB颜色值标准[10]。

3D模拟仿真技术语言结构与xml语言和html语言类似，通过节点之间的嵌套实现语言的功能，其结构图如图2所示。3D模拟仿真技术为使用者提供了功能强大、丰富的节点语言，通过对多个节点嵌套使用就可以得到目的场景的虚拟环境。

2.2 编辑及运行环境

3D模拟仿真语言的编辑主要通过两种方式实现：一种是使用支持编程语言的记事本进行编辑；另一种是利用3D的专业编辑软件3D?Edit来实现。前者简单易行，但需要借助单独的3D浏览器才能实现对编辑结果的预览；后者在编辑的过程中就能看到三维模型的效果，但是该种方式难以处理较大、复杂的文件，图形预览与语言编写无法完全同步。

3D模拟仿真的浏览方式分为：独立安装的浏览器，如Xj3D，Octaga，BSContact；插件式浏览器，如Flux Player，FreeWRL；无安装版净化浏览器，如Virtual Globe。本文采用的是BSContact浏览方式。

在同时具备java运行环境和Xeena?1.2ea插件时，3D?Edit才能够正常运行。在使用该软件的过程中，为了避免影响其他应用的正常运行，需要运行remove3D?EditPreferencesWinXp.bat完全结束后台程序的运行。

3 实训教学环境模型搭建

高校实训教学环境生成的模型资源库主要通过基础实体模型和原子实体模型实现。3D模拟仿真技术具有强大的语言编辑功能，凭借自身生动逼真的模型效果被应用于众多领域。但是完全依靠3D?Edit编辑软件对3D模拟仿真技术进行语言编辑来实现如此逼真的环境模拟是十分困难的，3D语言对于简单的几何节点模型创建很容易，但对于较复杂的节点模型就需要操作者很高的技術水平了，这样3D模型资源库的创建就遇到了很大的问题。

本文通过对比发现，用专业的三维建模软件对实际环境进行模型创建，通过VRML进行模型转换，导出[.WRL]格式的文件，最后转换为3D文件格式，这样就可快速得到理想的模型。

3.1 基础实体模型

基础实体模型创建以实训教室为原型，对其基础设施进行模型创建。基础实体模型原型主要包括：教室的窗户、教室的大门、学生课桌、多媒体设备、实验器材等。基础实体模型的确定是根据实训教室的构建方式和构成部分摆放位置进行详细分析所得，如图3所示的实训教室由窗户、多媒体设备、黑板、课桌和灯管构成，因此对于该模型的创建就要分为几个不同的部分进行。

首先对实训教室这个大整体进行3D模拟，由于教室整体为一个矩形框架，构造较为简单，可以通过3D?Edit直接进行模型创建。该模型的创建主要通过Box节点和IndexedFaceSet节点实现，每个Box节点模型与IndexedFaceSet节点模型的连接组合通过Transform节点实现。通过对Transform节点中Translation，scale，rotation的属性进行参数设置，就能得到期望的模型效果。其他部分的模型创建均可参照上述方法。得到的模型如图4所示。

为了提高模型的真实性，需要应用到Appearance节点中的Material节点、ImageTexture节点和Texture Transform来增强模型的真实性，达到逼真的效果。得到的最终接近真实的效果图如图5所示。

3.2 原子实体模型

原子实体模型与基础实体模型是一样真实存在的，可以通过不同基础实体拼接而成，也可以通过语言编辑实现。原子实体模型创建的基本原理是将简单的几何模型组合为复杂的模型。

原子实体模型在创建时提供了一个通用属性USE和一个节点Inline，它们可以在重复的模型中重复利用。同时USE属性需要与DEF属性搭配使用，当需要重复使用由几个模型构成的组合模型时，就需将Group节点与USE属性和DEF属性一起搭配使用。原子实体模型效果图如图6所示。

3.3 3D模拟仿真技术存在的问题

由于3D模拟仿真技术还没有十分成熟，技术本身存在一定的难度，实训教学环境搭建过程中会表现出很多缺点与不足，搭建后的模型也会存在诸多问题。下面针对这两个方面进行分析。

在模型搭建过程中，由于3D软件操作界面不够精致，对于一些操作水平较低的人员来说，制作过程中环境的光线强度和色调与真实环境相比还具有一定的差距；软件自身对电脑的配置要求较高，实时互动性较差，这样使用者就难以根据实时的模型图进行不断的修改；系统的更新维护存在一定的难度，提高了系统的运行成本；系统平台的简易操控性以及网络速度都直接影响着实训教学模型的运行。

搭建后形成的实训教学模拟仿真环境在使用时也会遇到诸多问题。模拟的教学环境不利于学生与老师之间的沟通交流，难以营造一种很好的教学氛围；没有教师真实课堂的实时监督，学生的学习效果可能会降低；实训教学模型后期的维护优化需要耗费一定的人力、物力和财力，会增加学校教学的成本。

4 结 语

本文首先对3D模拟仿真技术的特点和应用领域进行了详细介绍；然后对3D模拟仿真技术的语法构成及编辑运行过程进行了分析；接着对实训教学环境模型进行了搭建，并对搭建模型效果图进行了展示；最后指出3D模拟仿真技术目前存在的主要问题。本文为今后利用3D模拟仿真技术进行校园实训教学提供了一种新的思路。

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