移动端工程制图虚拟模型资源库开发与研究

方锡武 李芳 蒋麒麟

摘要：作者根据工程制图课程的教学特点和需要，基于Unity3d平台开发了教学用移动端工程制图3D虚拟模型资源库，重点研究了虚拟模型资源库系统的交互功能组成、陈列台模型的拾取方法、剖切模型的表达方法和装配体工作原理的动画实现方法，实现了模型资源库模型的分类导航、展台展示，实现了模型-文字、模型-视图相结合表达课程内容的知识点，使人手一个随身携带的工程制图3D模型资源库成为可能。模型资源库的使用锻炼了学生的思维能力，给教与学带来极大便利。

关键词：虚拟现实;Unity3D;碰撞检测;型文;型图

中图分类号：TH161  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）02-0099-05

● 引言

工程制图课程是理工类院校的一门技术基础课，教学时要用实物模型辅助教学，以培养学生的空间逻辑思维能力和三维造型设计能力。学校一般有专门的模型陈列室和模型管理人员，教师借模型到教室辅助上课。而随着计算机的普及，教师可以使用辅助设计软件在电脑上呈现虚拟模型或者模型图片来辅助教学，但虚拟模型难以脱离造型软件平台，图片不具备交互性，不能全方位观看模型;另外，由于高校扩招，部分学生主动学习能力不足，传统的教学手段不能很好地培养学生的三维构型能力。经过实践，笔者发现将课程的模型资源内置于手机，就相当于人手一个随身携带的制图模型资源库，能给课程的教与学带来极大便利。

移动学习不受时空限制，具有随时随地进行学习的特点。Raffaele[1]等利用VR和AR技术，结合手机成像技术和计算机图形学技术，研究在虚拟环境下实时组装机器的方法。国内也有许多研究机构积极将虚拟现实技术应用到移动平台。邱龙辉[2]等利用Direct3D Mobile开发出基于Windows Mobile平台的工程制图虚拟模型库，通过加载VRML虚拟模型，实现虚拟模型在移动设备的显示;刘伟[3]等基于虚拟现实技术，利用JPCT-AE三维引擎、3DsMAX以及OpenGL ES2.0等工具，开发出应用于Android平台移动端的工程图学移动学习系统;李波[4]利用Unity3D平台实现画法几何三维交互式课件的设计;叶琳[5]等探讨了虚拟模型造型技术，并建立了机械制图虚拟模型室。上述研究对移动端工程制图模型资源库技术做了多方面的有益探索，有的已用于实际教学中，但仍然存在以下不足：①模型资源库大多立足于自己单位编写的教材，不使用其教材则不能使用，推广面有限;②有的产品平台是基于PC或Windows Mobile系统的，手机平台则是Android和IOS;③模型库在点线面投影内容上有遗漏，如在剖視图、装配图原理表达方面没有剖开状态，以致不能看清零部件内部结构形状;④没有动画演示装配体的工作原理，以致表达效果不强。

● 模型资源库的内容分析及功能分析

1.内容分析

工程制图课程内容主要包含点线面、基本体、组合体、机件表达、连接件和传动件、零件图、装配图等七个方面，因此，选取教学模型必须遵循这些内容，符合工程制图课程的教学大纲和通用教材，且具备普适性和应用性，能够满足大学本科和专科教学，模型具体组成及数量如图1所示。

2.功能分析

模型资源库相当于一个虚拟的模型陈列室，利用计算机技术的优越性，将模型与知识点、模型与视图有机结合起来，能更加形象生动地表达制图的成图原理。另外，模型库主要给用户观看模型形状，必须具备良好的交互性，具体功能体现在以下五个方面：

（1）按课程内容设置的导航功能。

（2）模型的展示平台（陈列台）及台上的单个模型与用户的交互功能：用户能够拖动旋转平台，手指触击（或鼠标点击）单个模型，则拾取模型，模型放大展示，手指拖动能全方位旋转观看模型。

（3）特殊模型的“剖切”表达功能：针对截切体、相贯体、剖视图、零件图、装配图等内容，模型库具备“剖切”功能，以进一步观察立体被截切后的截交线形状、立体与立体相交的相贯线形状和零部件的内部结构形状。

（4）特殊模型的工作原理动画表达功能：针对连接件和传动件有动画演示其连接或传动原理，装配体有动画演示其工作原理和拆卸过程。

（5）“型-文”“型-图”结合表达知识点功能，模型库是辅助课程学习的软件工具，尽可能将表达形状的模型与表达知识点的文字相结合，将表达形状的模型和模型视图表达相结合，在同一屏幕界面显示来引导学生学习，以快速掌握知识。

● 模型资源库功能实现及关键技术

1.开发平台及编程语言

笔者在建设模型资源库时，采用的是Unity3D开发平台和C#开发语言，Unity3D是一个专业游戏引擎，对3D模型具有较强的集成控制功能，其编辑器可运行在Windows、Linux、Mac OS系统下，用户只需一次开发，应用程序就可发布至Windows、Mac、iPhone和Android等平台，为模型资源库跨平台发布提供了保障;借助C#编程语言，可控制场景中模型的旋转、移动、隐藏、放大等基本操作，实现3D模型与用户的交互。C#语言编译速度快，其后台Visual Studio提供各种精准的分析与重构功能，具备很多可直接调用的标准库，可大大减轻开发强度。

2.系统的交互功能

模型资源库系统与用户的交互采用了Unity3d的GUI技术，该技术提供从界面布局、执行到可视化的整套解决方案，具有布局灵活、执行快速、可视化程度高的优点，并能满足系统与用户的交互需求。模型资源库系统主要应用于手机端和计算机，要求交互操作越简单越好，因此主要通过如上页图2所示的五个控件完成用户与系统的交互功能和模型、知识点的显示功能。

3.模型的处理流程及管理

3D模型造型工具采用了Pro Engineer5.0，然后在3dsMAX（或Rhinoceros）软件里优化处理，最后输出为“*.fbx”的特定格式文件，并在Unity3d软件平台集成模型形成资源库，模型处理流程如图3所示。

笔者按照上述七大类内容建立了七个展示场景，场景主要包括陈列平台和教学模型，图4为基本体场景。在开发环境下，建立的所有教学模型均为陈列台模型的子物体的层级关系，即陈列台与模型是“父与子”的层级关系，这样就能保证旋转、放大缩小陈列台时，所有子物体随着一起旋转或放缩;隐藏陈列台，则子物体一起隐藏。

4.模型拾取和全方位观看

模型资源库的观看场景主要有陈列台及台上模型，在开发环境中，它们均为几何模型，可赋予颜色和材质。场景中模型的拾取可采用光线追踪碰撞检测技术，当手指或鼠标触碰到屏幕上的物体模型时，在开发环境下就会被视作从摄像机发出的射线延长到虚拟场景中，与场景中三维模型产生了碰撞，则拾取该模型，进而重新生成一个该模型的实例，同时隐藏陈列台及模型。教师可通过程序语言获得拾取模型的名称、坐标、碰撞点位置等相关信息，也可对拾取模型进行如改变颜色、隐藏、放大、移动、旋转等操作。程序处理流程如图5所示。

5.特殊模型的剖切表达

课程的基本体部分有的需要呈现截切体，机件表达和零件图部分也存在需要剖开表达的机件，另外装配图部分也要将装配体剖开显示，剖开表达的目的是方便学生看清楚内部的结构形状。为表现剖切后的效果，可将整体模型剖分为几个组成部分，初始呈现为整体，通过按键操作隐藏切去部分，从而让用户看到剖切后的形状。如下页图6所示的接头模型，可以剖分为如图6（b）1、2、3、4共四個组成部分，为了显示剖切后的形状，隐藏相应部分就可得到剖切后的立体模型，如图6的（c）（d）所示。

6.工作原理的动画表达

对于连接传动件和装配体，其工作原理主要通过零件的旋转、平移运动来体现，在代码编程实现这些运动时，为了减少编程工作量和保证零件运动协调一致，在开发环境里尽可能建立零件间的“父-子”层级关系，以满足“父”动则“子”动、“子”动“父”不动的规则。笔者以B型齿轮油泵为例，简述其方法。如图7所示，B型齿轮油泵主要包括泵体、泵盖、主动齿轮、轴和其上附件、从动齿轮和轴、带轮及其附件、泄压装置等，其工作原理主要表现为主动齿轮（轴）转动带动从动齿轮（轴）转动，转动过快，则出油口压力增大会启动泄压装置。实现其工作原理的动画主要包含四个动作：①主动轴、齿轮、带轮和键转动;②从动轴及齿轮转动;③泄压钢球、顶垫和弹簧的移动;④弹簧压缩。在组织管理这些零件时，可如上表所示，建立上述四个动作零件间的“父-子”层级关系。代码实现原理动画只需考虑父物体运动，四个动作的核心代码如图8所示。

7.系统开发的总体框架

整个模型资源库系统开发的总体框架如图9所示。

● 模型资源库系统效果展示

下页图10a为系统主界面，通过按钮导航至不同大类内容;图10b为机件表达展台，点击展台机件，则放大模型，型文结合表达模型知识点，如图10c所示;图10d为点击“切去”按钮机件的表达效果;点击连杆倾斜部分，则演示旋转剖视图形成的原理动画;图10e为点击“型图”按钮的表达效果;图10f为装配体展台，点击模型也会出现放大单个模型，其中有关键零部件运动表达其工作原理。

● 结语

笔者基于Unity3d开发了移动端工程制图3d模型资源库。本模型资源库在笔者所在学校机电193-194、车辆201-202等班级试用，学生自己操控手机端逼真的虚拟三维模型，参与其中观看模型的形状或变化，突破时空限制，且随身携带随时使用，大大激发了学生的学习兴趣，变被动接受为主动学习，增加了学习的乐趣，锻炼了学生的空间想象思维能力，提高了学习效率。

参考文献：

[1]RAFFAELE DE AMICIS， Augmented Reality for virtual user manual[J].International Journal on Interactive Design and Manufacturing，2018（12）：689-697.

[2]邱龙辉，楚建明，叶琳，等.基于智能手机的工程图学虚拟模型资源库的研究与实现[J].图学学报，2013，34（01）：83-86.

[3]刘伟，杜强，张顺心，等.基于VR技术的工程图学移动学习系统[J].图学学报，2016，37（06）：857-861.

[4]李波，李秋怡，宣珊珊，等.Unity3D画法几何三维交互式课件的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（11）：229-231.

[5]叶琳.机械制图虚拟现实网络模型室的建立[J].工程图学学报，2002，22（03）：202-206.

作者简介：方锡武（1971—），男，汉族，湖北省武穴市人，博士，副教授，主要研究领域为工程图学、数字化设计与制造。李芳（1971—），女，汉族，江苏省南京市人，副教授，硕士，主要研究领域为数字化设计。蒋麒麟（1978—），男，汉族，安徽省怀宁县人，博士，副教授，主要研究领域为数字化设计。

基金项目：2020年度中国高等教育学会“数字化课程资源”专项课题“移动端工程制图3D模型资源库开发与研究”（2020SZYB10）;南京工程学院高等教育研究课题（2019YB12）。