（机械设计及理论专业论文）工程制图模型虚拟实验系统研究与实现.pdf

亟j 金塞王捏制图撞型虐拯塞坠丕统班荭生塞强 摘要 本文基于对网络教学相关教育理论、方法的研究，开发了工程制图模型虚拟 实验系统。主要包括以下工作； 研究了当前国内外网络教学的现状及趋势，虚拟实验的相关理论及应用 情况。 构建了工程制图协同学习系统内容新体系，将参数化实验、虚拟模型库 作为不可欠缺的重要组成部分，强化了实践教学。 完成了工程制图模型虚拟实验系统的设计。 关键词：工程制图网络参数化虚拟实验j a v a 3 d e o n r e a l i t y 模型库 m 5 p e l - i sb a s e do nr e s e a r c ho fs o m er e l a t e de d u c a t i o n a lt h e o r i e sm e t h o d s a b o u tt h en e t w o r ke d u c a t i o n a n di td e v e l o p st h ev l m l a lm o d e le x p e r i m e n t a ls y s t e m b a s e do nw 曲o f e n g i n e e r i n gg r a p h i c s t h e p a p e r i n c l u d e s ： 皿er e s e a r c ho nt h ep r e s e n ta n df u t u r es t a t eo f n e t w o r ke d u c a t i o na th o m e & 曲r o a d , t h er e l a t e dt h e o r i e sa n da p p l i c a t i o no f v n t u a le x p e r i m e n t c o n s t r u c t i o no fi l e wf r a m e w o r ko fe n g i n e e r i n gg r a p h i c sc o l l a b o r a t i v e l e a r n i n gs y s t e m , w h i c hh a sa t t a c h e dt h eg r e a ti m p o r t a n c et ot h en e t w o r k p a r a m e t e re x p e r i m e n t & v u - t u a lm o d e lb a s e a sw e l l 勰p u te m p h a s i so n p r a c t i c a lt e a c h i n g c o m p l e t i n gt h ed e s i g no ft h ev m u a lm o d e le x r i e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do n w 曲o f t h ee n g i n e e r i n gg r a p h i c s k e yw o r 由：e n g i n e e r i n gg r a p h i c s ；n e t w o r kp m x u n e t e re x p e r i m e n t ；j a v a3 dv t r t u a l - e x p e r m 删s y s t e m ；e o n g e a l i t y ；m o d e lb a s e 亟论奎工程剑图搓型虐型塞墅圣蕴班究生塞强 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名 一年( 月瑭 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 州年7 月穸日 亟途塞王猩剑国搓型虐拯塞坠丕统班宜妄塞盟 1 1 前言 l 绪论 利用最新的计算机技术、网络技术、多媒体技术开展网络教学系统开发与应 用研究是当前教育教学改革的热点问题。网络教学从广义上讲，是指在教学过程 中运用网络技术的活动；从狭义上讲，是指将网络技术作为构成新型学习生态环 境的有机因素，充分体现学习者的主体地位，以探究学习作为主要学习方式的教 学活动。网络教学具有资源丰富性和动态性、具有开放性和灵活性、具有多元性 和社会性、具有交互性和协作性，实现了学习者的平等化的优势。基于网络的虚 拟实验是一种新型的科学实验方法，充分利用虚拟现实技术将传统教学中的实验 环境在网络中真实重现，为学生自主学习提供丰富的教学资源支撑是一项具有实 际意义而艰巨的任务。 1 2 网络教学的现状【1 】 网络教学与传统教学相比，有着极大不同，也有着自身的优势，但现今高校 网络教学存在一些认识及实践上的误区，没有真正发挥其应有的作用。 1 教学指导思想陈旧 尽管我们的某些网络硬件技术可能已经达到了网络教学的要求，但由于教学 理念没有得到有效的转变。在网络教学资源的设计上出现低水平的重复建设，在 教学方式上则从“满堂灌”演变为“满电脑灌”。当前的各种网络教学软件品种 繁多，网上课件数不胜数，但真正意义上符合网络教学理念的好课件却非常缺乏， 网络教学没有满足学习者多方面的要求，甚至造成资源极大浪费。 2 网络教育资源缺乏 目前网络课程主体上还是视频加文字的方式，授课方式主要是将课件上传， 学生通过网络自学。这种方式并没有最大限度地发挥网络交互的优势，师生之间 没有产生良性互动。另外，由于缺少系统的研究与开发设计，大部分网络课程是 教师授课的录像搬上网络。学生上网观看容易产生视觉疲劳和心理疲倦感。进而 失去学习的兴趣和动力。文字方式的课程资源在编写时很难照顾到各种学生的需 求和学习者原有的知识结构水平，学习者在学习时经常产生无助感。 亟j 金塞王程剑图搓型虐拟塞验丞统班窥生塞丑 1 3 网络教学的建设思路【1 2 l 1 正确认识网络教育主客体关系 教师和学生都应树立新的教育教学观念。教师应该从传统的知识传播的主体 地位和家长角色转变为教学资源的选择者、开发者、教学过程的设计者，学习群 体的组织者、帮助者，学习者个人的咨询者，学习者或学习群体智力交流活动的 指导者和协调者，还要成为学习者品德形成过程的示范者，成长道路上的引路人 和朋友，还应该是学习过程中的学习伙伴。学生也应积极转变观念，他们不应该 再是知识的被动接受者，而应该是主动参与者。学生应该充分发挥自己的积极主 动性，消除传统教学中被动接受的心理，积极主动地参与学习过程，成为学习的 主体。 2 网络资源是网络教学不可欠缺的支撑，目前各级教育主管部门及广大教 师应积极推动和参与网络资源建设工程。 建立c a i 软件库，库中的c a i 软件应满足多学科需要，内容丰富、形式 多样。 建立资料库，为各级各类学校的教师提供丰富的备课用参考资料。 建立电子图书馆，在校园网上建立c d 服务器，采用光盘陈列存储与教 育有关的视听材料及重要的图书资料。 建立模拟学校。 进一步推广精品课程建设。 3 网络教学的新模式虚拟学习”。 虚拟学习是依据建构主义学习理论并以网络及多媒体技术为依托而构建的 一种在线式( o n l i n e ) 学习方式。这种学习方式以学习者为中心，为学习者提供 符合个人需求及特点的互动实时课程。课程的设计注重学习者的及时反馈和学习 效果，其形式为虚拟学习社区，。在虚拟的环境里学习现实世界”。 传统的“远程教学”与“虚拟学习”存在差异性，传统的远程教学主要是采 用异步教学，如录像带教学、电视教学等，而虚拟学习主要是采用同步教学，进 行同步的讨论会，现场有虚拟教室、虚拟同学、虚拟学伴、虚拟教师、虚拟实验 等来进行“教”与“学”的动作。虚拟学习具有如下的特点： i ) 互动性 网络产生的最初动因就是使信息的传播更快捷，使人的交流更便捷。随着网 络及多媒体技术的成熟，网络上的“互动”已经不再是一种“理想”而是现实存 在。虚拟学习依托最先进的信息技术，实现了学习的互动性。 传统教学教师与学生、学生与学生之间的直接“互动”，因身处同一教室而 2 亟主控塞王捏制图搓型虐赵实验丕统研冠皇塞盟 非常容易。他们可以面对面的同时( 时间) 讨论同一问题，不存在时间和空间上 的差异。但是如果教师与学生，学生与学生身处两地，甚至远隔千里，那该怎么 办? 虚拟学习通过在网络上架构学习平台，为身处不同地方的学习者提供了一个 能够通畅交流的“虚拟课堂”。学习者即使身处雪域高原或者天涯海角，他们的 学习都能够达到良好的互动性。 2 ) 实时性 信息交流反馈的实时性体现在反馈的准确及时和无障碍性。众所周知，在网 络没有出现的时候，解决异地远程教学的办法是函授和电视教学等方式。这些方 式最大的缺点是教师和学习者在同一时间内只能单向地向对方传递信息和反馈， 特别是学习者的反馈不能实时的反馈给教师，这样光是在信息的传递这一环节上 就花费了很多时间，而且在这一环节还可能导致信息的“失真”，不符合传播理 论的要求。同时学习者相互之间也无法形成良好的相互沟通交流模式，这样形成 了一个个封闭的信息“孤岛”。 虚拟学习的良好互动使得信息和反馈的传递能够同时进行，而且现代网络技 术又能将“失真”控制在最低限度。有了这些保障，学习的反馈就能做到及时和 准确。 3 ) 个性化 虚拟学习和以往教学方式不同之处还体现在“因材施教”。这种学习模式比 小班化教学更加注重学生的个性特点，学习者通过网上注册，可以进入一个完全 适合个人特点的课程体系，实现一对一的学习，并且可以向“社区”定制自己所 需的课程、资源来满足自己的学习需求，学习时间也更具弹性，完全体现了以学 生为中心的新型教学模式的特点。 虚拟学习是学生基于自学能力，自我控制学习步调，以各种讨论方式来进行 学习，学生的学习时间和空间有更大的弹性；虚拟学习将混合各种多媒体教学所 形成的影响进行统整，达到统合多媒体教学成效、优点的一种功能强大的学习途 径。 4 ) 平等性 虚拟学习的另一个特点是平等的互助合作学习。网上社区有来自各个地区的 学习者。网上社区提供了丰富的资源和工具，为所有学习者提供了良好的合作环 境。如人大附中网校推出的基于网络的研究性学习平台，就是这种小组合作式学 习的一种模式。学习者之间在平等的交流过程中实现学习的互助合作，或者完全 不受地域限制地在网络社区中自由组成合作小组完成某一具体任务。这种合作在 网络虚拟学习出现以前是完全不可想像的。 亟i 金塞王捏制图搓型虐越塞坠丕统珏塞生塞丑 5 ) 生动性和现实性 虚拟学习虽然其教与学的环境完全是建构在网络这一被人们称作“虚拟的 世界”、“不真实的世界”的环境中的，但虚拟学习的内容和其展示的情境是真 实世界的反映。它是用虚拟的技术来展示真实情境，虚拟的只是学习的环境。 1 4 国内外研究概况及发展趋势m 8 1 虚拟实验是一种新型的科学实验方法。到目前为止，它已经历了思维模型与 逻辑分析、计算机仿真和虚拟现实等阶段。 虚拟现实是虚拟实验发展的一个新阶段，虚拟现实( v i r t u a lr e a li t y ) ，简 称v r ，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算 技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的90 年代计算机领域的最新 技术。它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维 图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可以直接参与 和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中，产 生沉浸感。 v r 技术广泛地应用于各个领域，如城市规划、旅游、产品、建筑房地产、服 装展示、展览等。 早在1 9 6 5 年，美国a r p a 信息处理办公室( i p t o ) 主任i v a ns u t h e r ll a n d 在论文“终极显示”中为计算机图形学提出了一个研究计划。他认为“人们必须 面对一种显示屏幕，通过这个窗口可以看到一个虚拟世界”。他对计算机世界提 出的挑战是：“必须使窗口中的景象看起来真实，听起来真实，而且物体的行动 真实。”这篇文章被称为是研究虚拟现实系统的开端。作为虚拟现实前身的图形 仿真器( 如飞行仿真器) 也于6 0 年代在美国首先出现。但是，由于受限于当时软 硬件技术的发展，这项技术直到八十年代中期才逐步兴起，并在九十年代初得到 了长足发展。时至今日，v r 技术已经在远程操作、设计与规划、数据和模型可 视化、娱乐与艺术创作、教育和培训等众多领域得到广泛应用。 其它的一些发达国家如法国、德国、瑞典、西班牙等也积极进行了v r 的开 发与应用，目前己有不少实际成果，如西班牙的多用户虚拟奥运会，德国的虚拟 空间测试平台，瑞典的d i v e 分布式虚拟交互环境等等。在欧美、台湾等地已经 广泛使用，目前国内应用还不太多，现在国内已有一些房地产开发商采用虚拟现 实技术作为促销手段。 在我国v r 技术的研究还刚刚起步。由于资金等方面的原因，与发达国家相 比，我们在这一领域还相对落后，v r 的实际应用还不多，市场上的v r 商品也很 少。抓住机遇，发展我国的v r 技术是非常必要的。 4 亟监塞 王猩型图搓型虐毯塞墅丕缠班窭兰塞丑 目前国内大部分传统的工程制图实验和模型库受到时间和空间限制，无法做 到资源共享，将实验和模型库真实地在网络上重现是网络教学平台建设的关键。 虽然有个别模型库在网上出现，但这些模型只是采用三维展示形式，学生只能被 动观察，无法做到自由的三维浏览，更不能够实现模型的参数化控制，无法产生 交互体验，虚拟实验环境无法建立。 1 5 课题研究的目的和意义 教学模型在工程制图教学中具有重要的作用，教师通过模型形象地展示教学 内容，学生通过观察模型建立形体的概念，增强形象思维、空间想象能力。然而 传统的实物模型其空间范围和数量容易受到限制，不能实现参数化控制的连续变 化，不能产生必要的动感效果，学生的认知效果不够理想。 本系统采用协同教学设计理念，基于j a v a 3 d 技术、j a v ah p p l e t 等技术， 充分发挥了网络虚拟交互式教学这一特点，为用户提供工程制图课程的网络虚拟 实验。 网络虚拟实验与传统工程制图实验有根本性的变化，学生实验突破了空间和 时间的限制，学生可在任何时间、任何地点进行网上学习和研究。虚拟实验系统 实现了对实验影响因素的参数化控制、图形投影变换方法的控制，可以帮助学生 建立正确的形体概念、投影概念，易于对课程难点内容的理解。如截交线、相贯 线受各种因素影响的变化。 工程制图模型虚拟实验系统是教学过程优化的一种崭新手段，可以有效地克 服传统工程制图实验教学的缺陷，有利于提高学生的图形认知能力和水平，增强 学生学习的主动性、积极性，从而促进工程制图教学质量的提高。 2 工程制图网络协同学习系统 2 1 协同学习系统的特点【1 3 1 4 _ 1 5 l 对于学生学习获取知识的过程，建构主义认为，知识不是通过教师传授得到， 而是学习者在一定的情景和社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得，并且认为“情境”、 “协作”“会话“意义建构”是学习环境的四大要素或四大属性。其中情境部 分要求学习环境中的情境能够有利于学生对所学内容的意义建构；协作发生在学 习过程的始终，对学习资料的搜集分析，假设的提出验证，学习成果的评价直到 意义的建构均有重要的作用；而会话协作是协作过程中必不可少的环节，学习小 组成员间必须通过会话商讨如何完成规定的学习计划；意义建构是完成对事物的 性质、规律及其事物之间的联系的掌握。 建构主义的理论比较适合作为协同式网络学习系统的理论基础。因为这种学 习理论强调以学习者为中心，不仅要求由过去的外部刺激的被动接受者和知识的 灌输对象转变为信息加工的主体，知识意义的主动建构者。此时的学习是通过学 习者与他人，与外界的环境，与外部世界的相互作用产生的。学习者在学习的过 程中，不仅是获取知识，更重要的是，在这个过程中，通过与他人的合作，培养 自己的协同工作的能力，探索知识，获取知识的能力。 协同教学允许存在时间和空间地域上的分布，交互既可以同步发生，也可以 异步发生。如表2 1 所示： 表2 1 协同学习空间和时间分布 同时异时 ( s a m et i m e )( d i f f e r e n tt i m e ) 同地集中式，在线式，一般异步对话，一般是同一教 ( s a m el a c e )面对并在同教室中进行。 室不同时间。 异地同步分布式，一般是通异步分布式，一般通过电 ( d i f f e r e n t过计算机网络远程实时交 子邮件或i n t e r n e t 。 p l a c e )互。 随着i n t e r n e t 在学校应用的广泛深入，异时异地方式的协同教学更受欢迎， 它具有以下几方面的特点： 6 亟主j 金塞王蕉制图攫型虐塑塞墅丞统班冠复塞强 1 灵活性学生和教师，学生和学生，在任何连网的计算机上都能进行学 习、交流，不受时间的限制。真正可以实现任何人、在任何时间、任何地点、以 任何方式与任何人交流和讨论。 2 广泛性和开放性对某个学习内容的讨论可以持续进行，任何人都可以 加入，提高了讨论的深度和广度。 3 主动性参加学习讨论的都是对问题感兴趣的人。因此，更能平等地参 与，积极主动的交流讨论。 工程制图协同教学采用t c p i p 协议实现远程交互式教学；同时，应用数据 库将学生的信息保存起来，通过智能化模块，对一些共性的问题系统统一指导， 消除个体间的差异，使学生能较好的掌握这门课程。系统通过网络及时地了解学 生情况和演示教学内容，并加以指导；系统可以保存学生的学习信息，能在一定 程度上有针对性的指导学生，并给出一些智能化的提示及导航。 4 协同性协同学习是一种小组学习方式，强调同学之间、师生之间的相 互交流、相互启发和相互促进，把由个人完成的工作大家来完成。这对提高学生 兴趣，增强学生信心，发扬团队精神无疑有很大的好处。 5 个性化对于接受远程教育的用户的行为进行分析研究，重视用特殊行为 这一重要的信息，给出针对用户个性的信息反馈。使原有的远程系统教育显得更 优人性化，灵活多变，提高用户的学习兴趣。对用户个性化的支持。随着技术的 迅速进步，个性化服务已经成为人机交互的主要发展方向，而这种个性化的服务 也正适合“因材施教”的教育学基本思想。 个性化服务的根本就是尊重用户，研究用户的行为习惯与兴趣，为用户选择 更需要的资源，提供更周到的服务。 把个性化服务的思想用于协同教学工程当中，就引出了个性化数字服务的模 型，简单的结构图及其描述如图2 1 。 2 2 网络协同学习系统主框架 1 6 1 7 l 如图2 2 是系统的框架结构图。工程制图协同学习系统采用t c p i p 协议实 现远程交互式教学；同时，应用数据库将学生的信息保存起来，通过智能化模块， 对一些共性的问题系统统一指导，消除个体间的差异，使学生能较好地掌握这门 课程 7 图2 1 个性化数字服务模型图 咚螋坐鬈i 指导授课程序i 擘习评价程序 l a 哦i n t e r n e t 画旦画 图2 2 系统的总体结构模型图 2 3 协同学习系统的功能旧 协同学习统着重于指导性学习，是围绕如何将课堂教学环境在网络中重现这 一目标来进行系统设计。通过问题讨论区、答疑室、留言板等实现教师与学生、 8 回回瞳匦 亟j 盆奎王捏制图攥型虐型塞验丕统班窀生塞强 学生与学生之间的协同与交互，提供一些文本页面和动画供学生自主学习，这对 于工程制图课程教学是有意义的。在工程制图课程中模型是最重要的辅助教学手 段，虚拟实验是工程制图自主学习资源中不可或缺的重要组成部分，如何在网络 上提供教师、学生交互，有效地开展实践教学是本课题研究的重要内容。 协同学习系统模块有人机界面处理模块、数据库管理模块、教师模块、学生 自我练习自主学习资源模块等组成( 如图2 3 ) ，自主资源模块由参数化虚拟实 验系统、虚拟模型库和教学课件等子模块组成。 2 4 本章小结 系统的功能模块 图2 3 系统的功能模块 本章讨论了协同学习系统的特点、功能和实现，并构建了工程制图协同学习 系统的框架。 9 3 工程制图模型虚拟实验系统总体设计 3 1 系统目标 实物模型是工程制图教学的重要辅助手段，但传统的实物教学模型在教学和 使用方面有着诸多限制，工程制图模型虚拟实验系统就是为了突破这些限制而开 发的，系统首先应通过虚拟现实技术使教学模型在电脑中真实重现，进而利用 j a v a 语言对数字化虚拟模型进行参数化控制，实现用传统实物模型难以表达的 连续变化效果；最终利用网络技术在因特网上发布让学生的观察突破时间和地域 的限制。 系统要求显示效果逼真，实验模型的显示效果要在现有的网络速度下最大化 的逼真；模型库的运行环境要容易搭建，交互界面应友好简洁便于操作。 3 2 系统构成与要求 根据工程制图课程的教学特点和实际需要，工程制图模型虚拟实验系统由参 数化实验系统和虚拟模型库两大模块组成( 见图3 1 ) 。 工程制图虚拟模型实验系统 i 上上 参数化实验虚拟模型库 j rj rl l 上土一土土 机 相 截 基组截相 件 贯交 盘 变贯 表零装 线 线体体 线 线 达件配 实实模模模模 方模模 案 型型 验 验型型型 型 模 型 图3 i 系统框架结构 亟论墓王捏制图搓型虐拯塞鳌丕筮班究生塞强 3 2 1 参数化实验系统模块 1 1 9 1 参数化实验系统是利用j a v a 3 d 技术、j a v a p p l e t 等技术，充分发挥网上 虚拟实验教学优势，以交互式教学方法实现实验过程为特点开发的实验平台。其 内容分为截交线和相贯线两大部分，包括平面与常用回转体相交、平面立体与回 转体的表面相交、两回转体的表面相交和多个立体表面相交实验。学生可以自主 设计实验内容，有针对性地开展学习，有利于激发思维，主动认知。 参数化实验系统的主要功能需求： ( 1 )模型大小的参数控制 用户和模型库的交互时，用户能对实验模型的大小进行参数控制，观察模型 大小对实验结果的影响。 ( 2 )模型之间的距离的参数控制 用户可以调整实验模型之间的距离，观察模型交线在不同模型间距离下的状 态。 ( 3 )模型之间交角的参数控制 用户能对实验模型之间的交角进行控制，观察模型交线在不同模型间交角的 状态。 ( 4 )任意角度、缩放观看 用户能对实验模型进行任意角度的观看，如同拿着实物模型一样任意翻转。 也可以进行缩放观看，以看清一些细节。 ( 5 )参数控制实时性 用户对实验模型上述的参数控制要能及时的把参数控制结果显示出来。 3 2 2 虚拟模型库模块 虚拟模型库运用虚拟现实技术将各类实物模型在电脑中真实重现，包含：( 1 ) 基本体模型；( 2 ) 组合体模型；( 3 ) 截交线模型；( 4 ) 相贯线模型；( 5 ) 机件表 达方案模型；( 6 ) 零件模型；( 7 ) 装配模型，并实现模型的全方位自由浏览和交 互内容的设定。 3 3 本章小结 本章介绍了工程制图模型虚拟实验系统的设计目标和系统构成，及其子模块 内容。 4 参数化实验系统模块设计与实现 4 1 参数化实验系统模块总体设计 4 1 1 参数化实验系统模块总体结构 工程制图参数化实验系统具有实时参数控制的功能，为用户提供了平面与常 用回转体相交、平面体与回转体的表面相交、两回转体的表面相交和多面体表面 相交实验。它的总体结构如图4 1 所示。 4 1 1 1 虚拟场景模块 图4 1 参数化实验系统模块总体结构 虚拟场景模块实现了平面与常用回转体相交、平面体与回转体的表面相交、 两回转体的表面相交和多面体表面相交实验中虚拟模型( 圆柱体、圆锥体、球体、 盒体) 的建立，并把虚拟模型加入虚拟世界，同时为参数控制面板模块实现提供 亟淦塞 王捏剑图攫型虐型塞验丕筮班究生塞盟 参数控制接口。如图4 2 ： 4 1 1 2 参数控制面板模块 图4 2 虚拟场景 参数控制面板模块实现了与用户及和虚拟场景的实时交互。为用户主要提供 投影视图选择面板，对视图旋转、缩放、移动控制面板，对模型尺寸、两者之间 空间距离、轴线交角参数控制面板。控制面板如图4 3 。 图4 3 控制面板 亟论塞王程制图撞型虐援塞验丕统班宜生塞丑 4 1 2 工程制图参数化实验系统的特点 本参数化实验模块是利用j a v a 3 d 技术及j a v aa p p l e t 技术为工程制图提供了 平面与常用回转体相交、平面体与回转体的表面相交、两回转体的表面相交和多 面体表面相交实验。具有如下特点： 1 对影响实验因素进行参数控制，为学生发挥自身的主动性、积极性和创造 性提供了空间，也是实体模型不具备的功能。 2 图形投影变换方法的控制，使用户不仅可以在透视投影下感受真实三维效 果，以达到实物模型的功能，还提供了平行投影变换，使用户更好的了解相关知 识。 3 逼真而高效的显示。由于采用了j a v a 3 d 技术及j a v aa p p l e t 技术，使模 型的三维效果逼真，并且效率高。 4 操作界面简洁友好。采用j a p p l e t 类，程序可以使用s w i n g 组件，界面 美观友好。 4 1 3 系统应用环境【2 0 l 系统运行需要安装j a v a3 d 1 4r u n t i m e ( o p e n g l ) 与j r e ( j a v a2r u n t i m e e n v i r o n m e n t ) 1 5 及更高版本，这两个安装包均可以从以下站点免费下载： 照主主卫璺；z z j 垒! 垒墨亟：亟旦! ：j 垒! 垒：翌呈墨垒i 翌垒兰z = b 坠i ! 鱼曼：塾主也i 垦主主卫；z z j 垒! 垒：墨坠坠：璺q 坐j 至苎曼z ! ：墨：q 鱼q ! 卫! q 垒鱼：j 墨巳 4 2w e b 3 d 技术概述【2 1 2 7 2 8 4 2 1 眦规范陶 1 9 9 7 年v r m l 规范作为国际标准正式发布。v r m l 用节点( n o d e ) 来描述模型的 各种要素，从而构造场景，每个节点完成某种特定功能。这些节点又包含一系列 的域，这些域用来保存定义该功能所需的参数和数值。形状、位置、比例、光源 和颜色等等都是用相应的节点来指定的。其规范支持纹理映射、背景、视频、音 频、对象运动和碰撞检测等一切用于建立虚拟世界所需的东西。虚拟世界中的任 何一个对象都可以被指定为“定位点”，它将是两个世界的通道人口，单击定位 点可将用户带到另一个世界或任何w e b 文档就像h t 虬中的超级链接一样 v r m l 利用父节点和子节点形成场景图的层次，它的人机交互是建立在事件的基 础上的。场景节点通过事件入口( e v e n t i n ) 来接收事件，通过事件出口发出事件。 1 4 亟j 金塞 工程劁国搓型虐型塞验丕统班究皇塞丑 节点间的时间通路由关键字r 0 u t e 指定。 在虚拟场景，特别是大场景的应用方面，v r m l 技术具有独特的优势。在创 建复杂三维场景时，可以利用v 黜几的可视化工具( 如v r m l p j ) ，3 d m a j ( 等) 来 实现。以降低直接编程难度，提高建模效率，并实时检查编程代码错误。由于 v r m l 内部定义的感应器节点和s c r i p t 节点在实现人机交互时只能按预定规则改 变场景节点数据的函数，然后输出到目标节点，这种交互显然不能满足虚拟现实 的需要。利用j a v a 语言通过编程来扩展v r 虬的交互能力和处理能力，这可以 通过v r 札的f a i 或s c r i p t 节点来实现。通过这种方法，可以使v r m l 场景节点 实时发送或读取来自传感器节点的事件消息，从而动态地生成场景，满足虚拟境 界的实时交互要求。但是w e b 技术的迅速发展使v r m l 的缺点逐渐暴露出来。它 的缺点体现在以下几方面：( 1 ) 性能表现方面：运行前用户要等待较长时间下载 安装插件，运行时占用过多的资源。对场景采用保守的优化方法，操作不方便， 画面不连续，图像质量不高，不能满足对图像质量要求很高的应用。v r m l 属性 过多，包括3 d 几何对象、色彩、材质、灯光、相机、动画以及提供交互性的传 感器等等。规范的复杂性直接导致了v r 肌运行环境的稳定性和互操作性欠佳， 软件的一致性差，浏览器之间不兼容；( 2 ) 编程能力：用v r 儿提供的节点、字 段、事件来直接编程，效率十分低下，要表现复杂场景非常困难，必须借助其他 的可视化编程工具。它提供的a p i 远不能满足应用程序开发的要求，且复杂不易 使用，文件采用a s c i i 格式，传输缓慢；( 3 ) 软件实现：由于v r m l 过于庞大，规 范中定义的一些特性很少使用，为了满足这些特性从而增加了浏览器的大小和复 杂性。另外v r m l 是一个单一的封闭的标准，与现有的w e b 技术和多媒体技术的 集成能力弱，且不支持名字空间，难于实现。同时该规范的稳定性和一致性也不 能满足用户要求。这些严重阻碍了基于w e b 的交互式三维图形技术的发展及大规 模应用。 4 2 2x 3 d 技术闭 x 3 d 由w e b 3 d 联盟1 9 9 8 年底提出，是所谓下一代的v r m l 规范( v f , m ln e x t g e n e r a t i o n ，简称v p a t ln g ) ，该组织称之为可扩展的三维图形规范( e x t e n s i b l e 3 d p e c i f i c a t i o n ) ，又称为v r m l 2 0 0 x 规范。规范使用可扩展标记语言( e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ，简称) 叫。) 表达v r m l 对几何图形和实体行为的描述能力，缩 写x 3 d 就是为了突出新规范中v r m l 与x m l 的集成。x 3 d 是v r m l 9 7 规范的直接后 继但x 3 d 在体系结构、编码方式和软件设计思想等方面都与v r m l 9 7 有根本的 不同。 ( 1 ) x 3 d 与x m l 编码 亟j 金塞 王程制图搓型虐拯塞鳖丞统盈冠皇塞理 x 3 d 利用x m l 及其相关技术，将v r m l 中的抽象对象映射为一种特殊的编码， 即用x m l 对v r m l 9 7 规范进行编码。x m l 编码为创建与x m l 兼容的v r m l 代码，提 供了一组x m l 通用实体和元素类型声明。v r m l 2 0 0 x 规范草案包含一个完整的d t d ， 它定义了x 3 d 的x m l 标记与这些标记的功能实现之间的联系。而d o m 为程序和 脚本动态的访问和更新x m l 文档的内容、结构和样式提供了与平台、语言无关的 接口。采用x m l 作为x 3 d 的语法是由于x m l 正成为在全球范围内使用的一种主要 语法。同时标记也被证明是对数据归档和变换宿主机的长生命周期问题的最好的 解决方法。而且基于x m l 易于集成，更多的用户可以使用交互式三维图形技术开 发w e b 页。x m l 的时代马上就要到来，v p 强4 l 采用x m l 编码使自己能够与下一 代w e b 技术很好的融合。 ( 2 ) x 3 d 构件技术 x 3 d 体系结构的设计是以软构件技术为指导的，这里一个构件是指功能相关 的一个或多个节点类型的一个集合，一个构件扩展内核在某一特定领域的功能。 x 3 d 首先将v r m l 的关键特性封为一个小型的、可扩展的内核。然后通过特性集 扩展内核，实现复杂的或是应用程序定义的功能。用户可以在内核之上建立一个 完整的v r m l 9 7 扩展，从而实现对v r m l 9 7 规范的向后兼容。也可以添加其它的扩 展，如n u r b s 扩展，二进制文件格式扩展或g e o v r m l 扩展，针对特定领域增强内 核的功能。 4 2 3j a v a 3 d 技术口7 1 j a v a 3 d 由s u n 公司在1 9 9 8 年年底正式推出。它是一个交互式三维图形应用 编程接口( a p i ) ，是j a v a 2s d k 的标准扩展，用来书写带有三维图形的应用程序 和a p p l e t ，它可以和普通的j a v a2 d 、s w i n g 、a w t 等很好的结合。它作为j a v a 语言的扩展，将j a v a “一次书写，随处运行”的优点带给了三维图形程序，使 得j a v a 3 d 能运行于多种平台，适应各种显示环境和输入设备；采用j a v a 3 d 编写 的应用程序和a p p l e t 可以访问所有的j a v a 类，使它易于与i n t e r n e t 集成。 j a v a 3 d 的思想来源于现存的各种图形a p i 及多种新技术，其低层图形结构综合 了其他低层a p i ( d i r e c t 3 d 、o p e n g l 、q u i c k d r a w 3 d 和x g l ) 的优点，相应的，其 高层结构也综合了多个图形系统的优点，它为开发者提供了高层建造工具用来创 建和操作三维图形，并构造了用于渲染图形的组织结构。j a v a 3 d 的设计有几个 目标：( 1 ) 高性能，高效益，它并行着色，自动进行着色过程的优化，拥有高 效的流水线方式，自动利用硬件加速功能，以及对场景预编译；( 2 ) 提供一套丰 富的特性，避免枝节性和模糊性；( 3 ) 提供一个高层的面向对象编程模型，使开 发人员能快速展开复杂的应用程序和a p p l e t ；( 4 ) 支持运行时装载器，这样 亟监塞王翟制凰搓型虐拟塞验系统班究曼塞强 j a v a 3 d 就可以兼容多种文件格式，包括各种厂商自定义格式和v r m l 9 7 。j a v a 3 d 是一个面向对象的a p i 。应用程序把单独的图形元素作为分离的对象来构造，然 后将其连接到一个树型结构( 场景图) 中，其编程模型基于图形场景，从而为描绘 和渲染场景提供了一个简单灵活的机制。场景图即对整个场景的完整描述，包括 图形数据、属性信息和视点信息，利用这些数据就可以从一个特定视点来渲染 图形。j a v a 3 d 消除了以前的a p i 强加给编程人员的繁琐细节，允许编程人员更 多地考虑形体本身，而不是组成它们的那些三角面即考虑场景及其组织， 而非底层渲染代码。因此j a v a 3 d 能为w e b 3 d 提供最好的性能。 4 3 参数化设计综述 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动c d i m e n s i o n - d r i v e ) ，是 通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动 完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动乜9 1 4 3 1 参数化设计的原理p o 。3 1 3 2 1 4 3 1 1 变动几何原理 变动几何原理是指将参数化模型的所有几何约束转变成一系列以特征点为 变量的非线形方程组，再根据给定的约束条件，通过数值方法求解非线性方程组 确定几何细节，它是一种整体求解的方法，也是最早的参数设计方法。这种原理 可以由二维推向三维，通用性很好。 4 3 1 2 参数驱动原理 参数驱动原理是基于对图形数据操作和对几何约束处理的一种参数化方法。 对于一个图形，有用户控制的能独立变化的参数一般只有几个，称之为主参数或 主约束；其它约束可以有图形的特征和约束关系来确定，称之为次约束。相关参 数驱动就是建立主约束和次约束在数值和逻辑上的关系，使得主约束的变化驱动 次约束的变化，来实现参数设计。通过参数驱动原理可以对图形的所有几何数据 进行参数修改。 4 3 1 3 三维参数化设计方法 三维参数化设计方法有 1 7 亟i 金塞工程型图堪型虐拯塞验丕统班宜妄塞丑 设计变量实现法：在三维c a d 软件中，通过拉伸、旋转、扫描等手段构建 三维模型，并生成设计变量。以设计变量作为三维模型的参数，通过对设计变量 的数据修改实现用户交互操作层次上的参数化设计。 编程技术实现法：主要利用三维c a d 软件提供的开发工具，用上述介绍的 参数化思想编制参数化程序，实现三维模型的参数化设计。 设计变量和编程技术结合法：实现原理是以三维参数化特征建模技术建 立的三维模型为基础，以设计变量作为参数化程序与三维模型的纽带。 4 4j a v a 3 d 虚拟场景的建立 4 4 1 创建场景图【2 1 3 3 】 j a v a 3 d 的虚拟世界是根据场景图来创建的。场景图是由具有父子关系的节 点对象形成的树状结构，具有方向不对称性。图中的节点表示j a v a 3 d 类的实例， 弧线表示两种j a v a 3 d 实例之间的关系。场景图定义了几何体、声音、灯光、位 置、方向、外观等各种可见或不可见的对象。 每一个场景图有一个v i r t u a l u n i v e r s e ，这个v i r t u a l u n i v e r s e 对象维持了 一个l o c a l e 对象的列表。一个l o c a l e 对象提供了虚拟世界中一个点的应用，可 理解为一个局部坐标系，这个坐标系中的物体就是l o c a l e 对象的子节点，其相 对位置都是相对该l o c a l e 对象的引用点。 一个b r a n c h g r o u p 对象是一个子场景图的根节点。子场景图分为两类：视野 子图与内容子图。视野子图强调观察参数，如观察位置和方向。内容子图强调虚 拟世界的内容，如几何特性、外观、行为、位置、声音和光线。 t r a n s f o r m g r o u p 对象用来定义局部坐标系的对象，主要负责包装数据，通 过对其设定来实现形体的旋转与缩放等几何变换。 s i m p l e u n i v e r s e 类创建一个最小用户环境，创建了一个视野子图所必须的 所有对象：创建了l o c a l e 、v i r t u a l u n i v e r s e 、v i e w i n g p l a t f o r m 和v i e w e r 对象。 这些对象被默认地设置为恰当的值，使它们可以构成一个合适的视野子图，如图 中虚线右边的部分。参数化实验系统模块的场景图如图4 4 所示。 亟j 金塞 王程制图攫型虐越塞整丕箍研究皇塞丑 图4 4 参数化实验系统模块场景图 4 4 2 基本模型的创建 2 1 3 3 3 4 】 j a v a 3 d 核心部分没有定义任何基本形体，但是j a v a 3 d 所带的工具包提供了 一些已经编好的基本形体。一个基本几何体( p r i m i t i v e ) 对象只提供了形状而没 有指定颜色，提供给程序员更多的灵活性。基本几何体类给予程序员可以拥有同 一几何体多个实例的灵活性，每个实例可以通过使用不同的a p p e a r a n c e 节点组 件引用而具有不同的外观。但是不能改变几何体的几何特性。j a v a 3 d 中几何体 的相交没有进行布尔运算为一体，但场景显示表现能满足工程制图课程教学可视 化需要。 b o x 、c o n e 、c y l i n d e r 和s p h e r e 工具类是在c o m s u n j 3 d u t i l s g e o m e t r y 包中定义的，图4 5 表示包中包含的基本几何体部分的层次关系。 亟论塞 王程制图搓型虐拟塞殓丕箕班究皇塞盟 4 4 2 1c o n e 类 图4 5 基本几何体部分的类层次关系 c o n e 类定义了圆锥形对象，该对象以原点为中心，中轴与y 轴同向。默认 的底面半径是1 0 ，高度是2 0 。圆锥的中心定义为它的外接长方体的中心。 参数化实验系统模块中用到方法有： c o n e ( f l o a tr a d i u s ，f l o a th e i g h t ，i n tp r i m f l a g s ，i n tx d i v i s i o n ，i n t y d i v i s i o n ，a p p e a r a n c ea p p ) ：根据指定的参数生成圆锥体，其中x d i v i s i o n 和y d i v i s i o n 表示圆锥x 方向与高度方向的显示精度，a p p 指定圆锥体外观。 4 4 2 2b o x 类 b o x 基本几何体类创建一个可视的3 d 的长方体。默认的长、宽和高都是2 米，中心位于原点。 参数化实验系统模块中用到方法有： b o x ( f l o a tx d i m ，f l o a ty d i m ，f l o a tz d i m ，i n tp r i m f l a g s ，a p p e a r a n c e a p p ) ：根据指定的参数生成立方体。其中x d i my d i mz d i m 分别为b o x 的xyz 坐标方向的值，a p p 为长方体的外观。 2 0 亟j 金童王捏制图搓型虐拯塞熊丕统硒荭生塞丑 4 4 2 3s p h e r e 类 s p h e r e 类创建了一个中心位于原点的球体。默认的半径为1 0 。 参数化实验系统模块中用到方法有： s p h e r e ( f l o a tr a d i u s ，i n tp r i m f l a g s ，i n td i v i s i o n s ，a p p e a r a n c ea p p ) ： 根据指定的参数生成球体，r a d i u s 为球体的半径，a p p 为球体的外观。 4 4 2 4c y l i n