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1、机 械 设 计 与 制 造第 期 $ VX $ YLK;01FI Z1G0B YL6JLKH6F1 !% 年 月文章编号：& $ *WWV ) !% ( $ VX $ !虚拟现实技术在工程制图实验系统中的应用研究陈 洁 &杨秀梅 !刘垂玖 !曾顺鹏 &（& 重庆科技学院 机械工程学院，重庆*%）# () ! 重庆第一财贸学校，重庆!# $%&($)*+ $+, -#.#$-( */ 0-)1$& -#$&)2 )#(+31#.+ #+4+#-+4 4-$%(. #5%#-6#+) .2.)#6+,-. /01&，23.4 506 $ 710!，89: +;60 $ -.4 ?;6 $ A1B&
2、) &C +;=BD0B :0E1FG0HI =J ?K01K1 LM N1K;=O=BIP +;=BD0B #，+;0L () !+;=BQ0B .=C & R0LK1 LM NFLM1 ?K;=O，+;=BD0B *%，+;0L (+,【摘要】这里阐述了虚拟现实技术的特点，并进一步探讨了基于网络的工程制图实验系统中，虚拟 现实动画及其交互的实现技术以及在 S1T 界面中的具体应用。关键词：虚拟现实技术；工程制图；网络 +39【!#$%&$】 !# $%&%$#&()($) *+ ,(&-%. &#%.(/ #$0(1-#) () (0&*2-$#2 (0 #34 5-&#& (01-(&(
3、#2 (0*%.)* * #36#&(7#0 %$*&2(08 * # #08(0#&(08 8&%6($) *+ # 0#9*&: (0 # )/)#7; ,(&-%. &#%.()($ %0(4()* +,%-#. /0%$1&2 %)&20$* $)34051)#；64704)%047 7%&830#；9)$+,%: ;!中图分类号：NU*&VC & 前言文献标识码：3Y8 语言是一种与互联网结合，用来描述三维造型和染的图形描述性语言。它把一个虚拟世界看作一个场景，把 景中的一切都看作对象，即节点，对于对象的描述文件将构成C FO 为扩展名的 Y8 文件。它可应用于创建虚拟现实的 象、景
4、象和展示模型等 ! _ 。通过浏览器，互联网的用户可以观赏到由 Y8 创建的 维虚拟现实，是 ,NY8 的 *Z 模式，需要通过网络传输的只是 个很小的描述文件，大量的计算和场景生成由浏览器完成， 使得当前的低带宽的 9H1F1H 上就可以实现虚拟三维场景的 输、显示以及交互。图 & 表明了浏览 Y8 文件的过程。Y8 采用面向对象技术以树状 结构的场景图 ) ?K11 4FLA; ( 来描述三维世界，场景图的基本元素为节点) .=M1 ( ，按其功能可分成造型类、外观 属性类、环境定义类、动画和感知控制 类、视点控制类和文件接口类等类 型。其属性包含在域 ) J01OM、1aA=G1Mb由于
5、工程制图的特殊性，大量模型动画构成了工程制图实验系统网络课件的主体。而以往课件中的动画一般由开发者提 供的，动画一旦做成之后，就不能修改，学习者只能被动地从头 到尾看完，机械地接受知识，不能实行实时交互以发挥其主观 能动性。而虚拟现实技术可使你介入其中，由被动学习变为主 动学习。开发基于网络的工程制图实验系统多媒体课件，其目 的是使学生在实践中加深对知识的理解和综合运用，培养和提 高学生的动手能力、设计能力和创新能力。该课件的重要组成 部分是三维模型与三维动画，这些图形与动画文件很大，网上 传递速度较慢，降低了远程教育的效果。鉴于此，这里就如何增 强工程制图实验系统网络课件中学生身临其境的参与
6、感和交 互性等所涉及的数字化虚拟技术和 Y8 语言等进行了探讨 和实践。! 数字化虚拟现实技术和 Y8 语言!C & 虚拟现实技术虚拟现实 ) 0FH6LO 1LO0HI ( 技术是由多媒体与仿真技术相结 合而产生的一种交互技术，它可以创造一种身临其境、完全真实 的环境。换言之，虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触 觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多 感知性、存在感、交互性和自主性等特征 & _ 。它对图形图像的渲 染是实时的，用户可以走进这一环境，通过鼠标控制浏览的方向， 并操作场景中的对象，实现在虚拟场景中的人机交互性。用户也 可以借助头盔式屏幕、数据手套、立体
7、眼镜和三维鼠标等进入虚 拟现实的环境，感觉和操纵虚拟世界中的各种对象。!C ! Y8 语言特点R01OM ( 和事件 ) -E1H，包括 -E1H9 和 图 & 浏览 Y8 文件过程-E1Hc6H ( 中，域用来保存定义该功能所需要的数值，例如形状点会包含几何体的大小、颜色等信息。事件用于描述节点间通 时需传递的数据消息。从最下层的根节点向上扩展，各节点通 父子关系组织在一起形成任意大的动态场景图。!C * 三维实体的建立虚拟现实技术用于网络教学时，一般通过 Y8 语言编 或用三维造型软件 *Z? Y35、Y323 等生成复杂逼真的场景 对象，然后通过 Y8 编程语言编制复杂行为。创建场景对
8、时，Y8 通过基本图元 ) 球、圆柱、长方体等 ( 可建立简单几!来稿日期：!# $ % $ %+,+,第 V 期陈 洁等：虚拟现实技术在工程制图实验系统中的应用研究d b_ dV 虚拟现实在 W(R 界面的交互设计!#$ 节点除了可以与 !#$ 节点之间通过路由进行消 息 传 递 之 外 ， 还 可 以 通 过 浏 览 器 接 口 或 外 部 编 程 接 口 ;2%5 ;).(A&+9 2C.D8A:&?#$ 的标签与 !#$ 通信。通过 ?#$ 中的 8&/$8+ 属性将所定义的函数作为它的值来实现与 !#$ 的链接。5 0 = 利用 !#$ 的 2&,D8A 节点与 ?#$ 通信。!#$
9、 提供 的 2&,D8A 节点允许打开一个 ?#$ 文档。利用这个功能可以针 对被单击的物体进行进一步的描述。（V）?#$ 文件通过 Y-,A:F.Z 标记链接 !#$ 场景。在?#$ 文件的 Y-,A:F.Z 标记中应用脚本语言编程，得到浏览器 接口提供的对象，生成实例，利用该对象所提供的控制方法，控 制 !#$ 场景。图 O 为 减 速 器 的 虚 拟 现 实模型，当用鼠标点击文本窗口中的 某一模型 名称 时，在!#$ 窗口中显示一个立体模 型的动画；在虚拟场景中用鼠 标点击按钮，可以使立体旋转 及在任何位置停止，这样可以造型。对于复杂三维实体，!#$ 提供了 %&()(*+,(-(. 等
10、节点，采用多边形面片来描述形体，理论上任何三维形体都可以用 %&/()(*+,(-(. 节点精确或近似地构造，但对于复杂形体，一般人 员用手工编写程序来创建则很难。对于较复杂的机械零件和组合体，利用 01- #23 或 421 软件进行三维虚拟现实造型则较为实际。如果所用 421 软件具 有 !#$ 输出接口 5 如 67，-89: ;?#$ 输 出的 421 的软件中打开并存为 !#$ 文件。三维造型时，相同 或仅大小相同的零件只造型、存储数据就可以了。通过以上方 法完成了零件 !#$ 文件的生成，实现了机械零件的几何模型 转换成能在计算机上实现和运动的仿真模型。本课件在制作时，先利用 01
11、- #23 制作出场景，然后利用!#$ 语言进行位置、动作、空间背景、视点、传感效果等设置。 这样生成的教学软件，具有实时性和交互性的特点，便于学生进 行虚拟探索。0 虚拟现实动画与交互的实现技术!#$ 增加了交互性及对动画和行为的描述，能够实现动态仿 真及交互。一般用时间传感器 5 ?:(A-(&B8A= 和各种内插节点配合使 用来完成动画效果，如利用 ?8C,D-(&B8A，?:(-(&B8A 节点和 E9+&(/-(&B8A，-FD(A(-(&B8A，4G9:&(A-(&B8A 节点相结合，创建基于鼠标点 击和拖动的实时交互动画。用路由 H6?; 语句在这些节点中传递 信息，形成控制流。
12、如 H6?; .:(AI JA+,.:8&K,D+&( ?H 8.+/.:8&I B(.KJA+,.:8&H6?; L8(MI ;N(&.HC. ?H L8(OI ;N(&.%& 路 由5 H6?;= 语句可感知造型状态上的各种变化P 并把这些变化传给其它节点P以使其它造型发生相应的改变，由此构建出虚拟现实动画的人机交互功能。要创建路由，必须首先用 1;* 命令为节点命名。上例中的 L8(M 与 L8(O 是用户定义的节点名。;N(&.HC. 是节点的 输出事件名称，;N(&.%& 是节点的输入事件名称。只有当 ;N(&.%& 和;N(&.HC. 的类型致时，事件才能够沿指定的路由传递。通过
13、!#$ 中的各种空间传感器节点，可以有效地创建一 个交互性很强的虚拟世界。这些节点包括Q ?8C,D-(&B8A 节点、 E9+&(-(&B8A 节点、-FD(A(-(&B8A 节点、4G9:&(A-(&B8A 节点、!:B:R:9/:.G-(&B8A 节点、EA8):.G-(&B8A 节点和 4899:B:8& 节点，它们用来 感受浏览者来自虚拟世界的动作，并将这些动作转换成适于空 间造型的输出，使浏览者像是在一个真实的世界里观察到的一 样 S 0 T 。另外 !#$ 还提供了功能更为强大的空间控制节点，即-,A:F. 节点，它允许用户创建自己的域 5 J:(9 = 和事件 5 包括输入 事
14、件 ;N(&.%& 和输出事件 ;N(&.HC. = ，然后通过编写脚本或者通 过用户定义的指令序列来进行一系列的操作，即利用 U+N+ 或者 U+N+-,A:F. 语言编写的程序来扩展 !#$ 的功能，创建出新的内 插和传感节点来控制驱动和控制整个虚拟空间。从而改变了简 单交互的结果，实现较为复杂的功能。具体应用时，可将一个较大的 !#$ 场景分为几个部分， 每部分的造型分别用一个 !#$ 创建，然后用 %&9:&( 节点将这 些 !#$ 文件集合到一个 !#$ 文件中，就可实现要求创建的 虚拟世界，提高浏览及运行速度；当然也可以通过视点的切换实 现虚拟场景间的连接 S V T 。了解模型的
15、结构。图 O 减速器X 结束语利用数字化虚拟现实技术制作的网络 42% 课件，采取开放 的、面向对象的教学方法，改革了呆板的传统教学内容，为工程 制图的教学注入了新的活力，从而从根本上改变了传统的教与 学的方式，使学生真正参与到教学活动中去，成为教育过程中的 主体，有效地提高了教学质量及学生综合运用知识的能力。应 用这种虚拟化、网络化的教学媒体，体现了现代工程制图的时代 特征和实用性，推动了教学思想和教学理论的发展，并引起教学 组织形式、教学方法及结构的相应改变，对教学改革起到了十分 重要的推动作用。参考文献M 普国屏 I 虚拟现实一项变革认识方法的技术 S ; $ T I D.F： I .B:&DC+I (CI ,& O0IO 张正留，汪厚洋 I 虚拟现实造型语言 5 !#$ = 的概况与展望 S U T I 工程 图学学报，M_；5 O = ：X a _MI0 孙济洲 I !#$ 虚拟现实建模语言S # T I 天津：天津大学出版计，M_IV 滕兰芝，何瑾，薄芙丽，刘润华 I 虚拟现实技术在多媒体网络教学中的 应用 S U T I 电化教育研究，OO；5 b = ：V a XIX 李红霞 I 基于网络的虚拟三维环境中人机交互实现途径 S U T I 工程图 学学报，OO；5 M = ：M0M a M0cI
