虚拟展示技术在工程制图教学中的应用

虚拟展示技术在工程制图教学中的应用 李刚李洁 （泸州职业技术学院 机械工程系， 四川 泸州6 4 6 0 0 5 ） 摘要分析当前工程制图教学过程中存在的过于抽象和教学辅助模型不够灵活的问题， 提出用虚拟 现实展示技术建立虚拟数据模型将会有助于制图教学效果的改善， 并详细介绍了虚拟模型的 建立、 交互设计以及虚拟模型在教学中的应用形式。 关键词虚拟现实； 工程制图； 虚拟模型 1 当前工程图学教学方式 高职教育的目标是培养生产一线的高技能人 才。这就要求高职学生既要具有一定的理论基 础、 又要具有较高的综合素质和很强的技术应用 能力和职业能力。 工程制图是机械类专业学生必 须学习的一门专业基础课， 要求学生应掌握一定 的图学理论基础， 又具有较强的绘图、 读图等实践 技能。 但工程制图具有很强的抽象性和空间性。 传统的制图教学方式重理论轻实践， 局限于挂图、 模型等单一的辅助工具， 学生学习较为困难， 不符 合现代科技发展和高职教育的需要。 当前， 很多高校都在工程制图课程教学改革 上做了一些尝试。 如将现代教学手段与传统教学 方法相结合， 改变单一的传统教学方式， 引入多媒 体技术。将三维动画技术应用于工程图学教学 中， 使其能形象地展示空间物体几何关系， 使学生 更直观地了解有关空间几何概念， 是多媒体 CAI 软件最重要、 也是最有效的用途之一。这种多媒 体教学模式虽说比以前教学方式有了很大进步， 然而在实际上也只能被看作是传统教学模式的附 庸， 学习者与所展示的内容难于进行交互， 只能被 动地观看， 这对教学来说有很大的局限性。 随着计算机科学技术的迅速发展， 当今世界 制造业已经进入了数字化时代， 先进的三维设计、 制造方式正在迅速的发展和推广 1。近年来兴起 的虚拟现实技术受到越来越广泛的关注。 为此提 出将虚拟现实技术应用于工程制图教学， 为教学 的创新提供新的空间、 平台和可能性， 丰富教学的 实践形式。将虚拟现实技术和制图教学相结合， 将其作品应用于工程图学各类教学文件中， 使学 习者更容易突破感知空间的束缚， 突破教学的难 点， 有助于理解和记忆。 对培养学生创造性思维， 使学生掌握现代设计方法， 对于工程图学教学的 现代化发展具有非常重大的意义。 2 虚拟现实展示技术 虚拟现实 （Virtual Reality， 简称 VR） 技术是 一种逼真地模拟人在自然环境中的视觉、 听觉、 运 动等行为的人机界面技术 2。这种技术的特点在 于由计算机产生一种人为虚拟的环境， 通过计算 机图形构成的三维数字模型， 生成一个以视觉感 受为主的人工环境， 可以直接观察、 操作、 触摸、 检 测周围环境及事物的内在变化， 并能与之发生 “交 互” 作用。由于虚拟现实技术的实时三维空间表 现能力、 人机交互式的操作环境， 它将使众多传统 行业和产业发生革命性的改变。 桌面虚拟现实是虚拟现实技术的一种， 是利 用个人计算机进行仿真， 利用计算机屏幕来观察 虚拟环境的一个窗口， 成本也相对较低， 应用面比 较广。桌面虚拟现实系统主要有桌面 CAD 系统 和 VRML(虚拟现实造型语言)。桌面 CAD 系统 利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建 模， 通过计算机的显示器进行观察， 并有能自由地 作者简介： 李刚（1981 ） ， 男， 湖北随州人， 硕士研究生， 讲师。主要研究方向： 先进制造技术， 工业设计。 进行交互。VRML(虚拟现实造型语言)是一种在 Internet网上应用极具前景的技术， 它采用描述性 的文本语言描述基本的三维物体的造型， 通过一 定的控制， 将这些基本的三维造型组合成虚拟场 景， 也可在展示载体上进行浏览交互。 目前较为常用的桌面虚拟现实技术的实现主 要分成三大部分， 即建模技术、 显示技术、 交互技 术。 建模技术是虚拟现实技术的基础。 显示技术 是把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图 像。交互技术是虚拟现实技术的关键技术， 交互 功能通常由虚拟现实软件实现。 根据当前制图教学的实际情况， 运用桌面虚 拟现实技术将制图教学过程中常用的辅助参考模 型制作成虚拟的可交互的模型， 并将虚拟模型在 课堂的教学和学生课后学习中进行使用， 将会对 制图教和学效果带来极大改善。 3 虚拟模型在工程图学教学中的应用 3.1 虚拟展示模型内容的选择 在制图学习中， 学生感到最难学的当然是实 体和投影图之间的转换， 这对空间思维能力要求 较高。而这个恰恰是工程制图教学的重点， 是学 生必须掌握的内容。针对于此， 选择制图传统教 学过程中思维难度较大的内容建立虚拟模型以辅 助教学。按照课程中的教学内容分析， 选择立体 投影、 截交线和相贯线、 组合体、 机件表达方法、 标 准件和常用件等知识点作为虚拟模型的主要建设 内容。 （1） 基本体的虚拟模型。基本体三视投影关 系是工程图表达中最基本的实体投影理论， 必须 打好坚实的基础， 利用其三维实体造型功能和虚 拟现实软件建立实体模型， 可以方便快速地进行 常见基本体的投影实验， 实时完成从三维实体到 二维三视图的转换， 简化学生学习的认知过程。 （2） 组合体的虚拟模型。组合体三视图投影 关系是工程图表达中核心的实体投影理论， 既是 教与学的重点， 又是教与学难点。 因此， 教与学双 边都须高度重视。利用其三维实体造型功能， 进 行组合体造型， 并且运用虚拟现实软件完成组合 体 “加”“减” 的各种组合方式的交互， 从而把握组 合体投影关系的特点及工程图生成的基本规律。 （3） 截交线和相贯线的虚拟模型。截交线是 平面截立体表面所形成的交线， 相贯线是两立体 相交表面形成的交线， 将这两种空间的立体的线 条用平面的投影表示出来一直是学生学习过程中 的难点， 学生学习十分痛苦。借助于虚拟现实技 术手段， 可完成多种实体相贯线的模型， 并可交互 的实时多角度观察相贯线的空间特征， 让学生完 成从三维立体图到二维平面图 （工程图） 的转换认 知过程， 将极为抽象的空间曲线相贯线转变 为具体化、 可视化的投影过程， 极大缩短了认知周 期， 更为重要的是纠正抽象认知过程中的投影错 误。 （4） 装配体的模型制作。装配图表达是工程 设计中重要的环节， 主要表达零件、 组合体之间的 相互位置关系(装配关系） ， 满足机械产品的功能 要求。由于存在多件间的叠加关系， 装配图的表 达较为复杂与抽象。利用虚拟模型的交互功能， 可以完成装配体装配的全过程， 也可以在装配过 程中变换模型的角度， 全过程全方位观察装配体 以及装配体工程图的的生成。 数据模型在虚拟现实技术的支撑下， 可以任 意角度旋转实体模型和设置可交互的特征， 就改 变了以前学生在制图学习的过程中只能靠空间想 象能力进行理解的情况， 既有利于学生用最短的 时间掌握制图理论和方法， 也能够较大提升学生 学习兴趣。 3.2 虚拟展示模型的实现过程 根据前述的虚拟现实展示技术， 我们采用建 模软件和虚拟现实软件结合的形式， 建立常用虚 拟展示模型。 目前使用较为广泛和成熟的虚拟现 实展示技术软件有瑞典 Cycore 公司的 Cult3d， Cult3d支持三维场景物体的多种运动方式和交互 控制， 包括对场景三维物体的平移、 旋转、 缩放， 对 鼠标、 键盘等输入事件的接受等 3。由于其内在 的高质量数据压缩和流式传输特性， 所以 Cult3d 文件的体积很小， 适合简单桌面虚拟现实展示， 而 且其生成文件可以嵌入很多格式的文件， 为我们 日常的使用带来很大方便。 下面将以Cult3d技术为例， 探讨如何使用虚 拟现实技术实现在工程图学教学环节中更为方便 地对各模型进行全方位的展示， 使学习者可以直 接参与交互。 3.2.1 三维模型的创建 由于Cult3D本身不具有三维建模的功能， 需 要使用其他的三维建模工具。 目前， Clut3D 支持 创建 3D 模型的主要工具有 3DSMax、 Maya 等。 在这些软件安装有对应的 Cult3D 插件后就能将 三维模型导出为C3D文件(Cult3D模型文件)。 具 体创建方法如下： (1)简单模型： 可以直接采用 3DSMax等软件 直接建模， 避免数据格式转换。如投影法基本概 念、 基本体等。 (2)复杂模型： 采用 UG 或 Pro/Engineer 完成 三维模型， 然后导入到 3DMax 中进行格式转化， 如截交线和相贯线、 组合体、 机件表达方法、 标准 件和常用件、 零件图和装配图几个部分的模型。 3.2.2 交互功能的设计和实现 Cult3D 是一个完全拖放式软件。从 Scene Graph 窗口选中将要操作的对象， 拖入EventMap 窗口，然后在 Action 窗口中选择要实施的动作， 把它也拖入EventMap窗口， 在EventMap中选择 触发该动作的事件。Cult3D 为用户提供了鼠标 和键盘两种触发事件。 通过预览窗口可以检查动 作和事件以及操作对象之间的相互关系。 将 3DSMAX 模型导出为 Cult3D 模型后， 在 Cult3D 中即可对模型进行编辑处理，进行旋转、 移动、 缩放、 交互操作动作的设计。 之后即可在相 关平台进行发布展现。 4 虚拟展示模型的教学应用形式 在工程制图的教学过程中， 教师课堂讲解和 学生课外学习是相辅相成的过程， 所以下面探讨 一下如何在课程教学和学生课外学习的环境中 利用虚拟现实技术。在课程上，多数教师使用 OFFICE 程序作为载体向学生展示讲课内容。课 下， 学生可以选择在网页上继续学习本课程内容， 并进行作业完成。那么下面将研究一下如何在 OFFICE程序中和网页里进行虚拟制图模型的展 示。 4.1 在 OFFICE 程序中展现 用 Cult3D 技术生成的文件可以无缝地嵌入 到OFFICE程序中， 并可以进行三维的实时展示。 以下操作步骤说明如何在office软件里面插 入 Cult3D 文件。 （1） 打开Word， Excel或者PowerPoint文件。 （2） 打开文件的 “控件工具箱” 。 点击 “其它控 件” ， 在弹出的下拉菜单中， 选择 “Cult3D ActiveX Player” ， 点击确定后导入一个控件对象。 （3） 当文档中出现 Cult3D 控件标志后， 右击 鼠标进入 “属性” 设置。 （4）选择“自定义”项然后点击属性页上的 “Embed” 来导入 Cult3D 文件对象。 （5） 退出 “设计模式” 后就可完成！ 在 Word 中使用 “页面版式” 可以查看效果； 在PowerPoint中， 可以进入 “幻灯片放映模式” 预 览 Cult3D 虚拟现实效果， 如图 1 所示， 为 PPT 插 入的组合体的三维展示文件。 图1 PPT 文件中插入的cult 3d文件实时展示效果 4.2 web3D 展现 经由 cult3d 处理好的 CO 文件可以直接插 入到网页或者经由数据库上传管理。直接插入 到网页一般只用于只有少量虚拟模型时，对于 大量的虚拟模型库的建设，还是需要进行数据 库的管理。通过此代码可以让所有使用者方便 的在网站上上传和展示制作的虚拟模型，而不 需要网页制作编程的技术。下面列出虚拟现实 模型基于 B/S 模式的数据库管理的页面显示代 码： EMBED NAME=CultObject PLUGINSPAGE= dex.html TYPE=application/x-cult3d-object SRC=uploadfile/ ANTIALIASING=0 WIDTH=615 HEIGHT=415 PBCOLOR=FFFFFF BORDER=0 VIEWFINISHED=0 DISABLEPB=0 ANTIALIASINGDELAY=250 当用户需要查看三维模型时， 可以直接登陆 校园网工程制图精品课网站， 进入相应的章节进 行学习， 当有需要进行三维模型展示时， 可以点击 图例三维模型按钮或者图标， 即可进入虚拟模型 界面， 通过鼠标的左、 右键可以进行模型的任意旋 转， 缩放和平移功能，从而便捷地观看到模型的 整体内外结构 （如图 2） 。 为同学们自主学习提供 了极大的方便。 图2 网页浏览器中虚拟模型的展示效果 5 结语 无论是与传统实体模型、 三维软件， 还是与 动画等多媒体技术等比较， 虚拟现实展示技术都 表现出了在工程制图教学中的独特优势和潜力。 在不同的教学内容和教学环境中灵活地使用辅 助教学模型， 不仅使教学活动能够深入浅出， 而 且能使学生对本课程产生浓厚学习兴趣。改变 传统的教学方式， 实现高职工科制图课程对抽象 理论的简化， 将注意力集中到学生实际应用能力 上来。随着计算机技术的高速发展， 虚拟展示技 术必将更加成熟和实用， 将其有机地融入到工程 图学等学科的多媒体教学资源和教学情境的设 计、 开发中， 可以为学习者创建更生动、 更真实的 学习环境。 参考文献： 1王建华.由三维建模入手的工程制图课教学改革实践J.工程图学学报， 2008(6):123-126. 2瞿畅,王君泽,曹红蓓.Web3D 技术及其在工程图学教学中的应用J.工程图学学报， 2006(2):150-154. 3王君泽,瞿畅.基于 Cult3d 的组合夹具异地装配J.组合机床与自动化加工技术,2004,(9):36-37. （下转第8页） 坡屋面水平投影的速度和能力， 使知识升化， 达 到更高境界， 减少盲目和错误， 事半功倍， 这样 就能绘制任何形式的同坡屋面的水平投影及其 他投影了。 The Drawing and Techniques of Single-slope Roof Horizontal Project Zhou XiaChen Qingshu (Luzhou Vocational and Technical College, Luzhou, Sichuan, 646005) Abstract:Single-slope roof horizontal project is an important part in Architectural Charting and Drawing Recognition teaching. The paper discusses the basic concepts, features and content of single-slope roofhorizontalproject,analyzes thedrawingtechniques and explains through casestudytheadvantages of using the drawing techniques, which will make students understanding of the knowledge of the single-sloperoof horizontalprojectmore profound and willimprove their drawing speedandability of the single-slope roof horizontal project. Key words:single-slope roof ; feature of horizontal project; drawing method; drawing technique 参考文献： 1陆叔华.建筑制图与识图M.高等教育出版社.1994 年 6 月第 1 版. 2闫培明.建筑识图与构造M.中国电力出版社.2009 年 8 月第 1 版. 3赵研. 建筑识图与构造M.中国建筑工业出版社.2004 年 6 月第