虚拟现实建模在构建机电虚拟实验室中的应用
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摘 要：机电类课程实践性很强，远程教学模式中如何顺利完成实践环节是工科教学面临的难题。本文提出构建基于C/S模式下虚拟机电实验的解决方案，通过实例讨论了利用VRML语言制作三维交互式实验的具体实现途径。
关键词：虚拟实验室 远程教育 虚拟建模 VRML
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）09（b）-0154-02
当今社会网络的充分发展，改变了传统的教学模式，因学习能够不受时空限制，远程教育已成为广受欢迎的新型教学模式。工科专业如何适应远程教育成了亟待解决的新课题。众所周知，工科教学实践性强，远程教学中，开发网络实验室必不可少。网络实验室提供虚拟的实验设备，让学习者通过网络浏览器，按照一定的实验步骤，完成某种专业实验，从而达到专业训练的目的。本文将研究如何利用虚拟现实建模语言在进行建模，构建远程网络实验室。
虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是目前网络上三维网站制作的主流语言，它的突出优点是交互式、具有平台无关性等特点，可以帮助人们建立模拟真实世界的场景模型或虚拟三维环境场景建。
机电虚拟实验室是基于Web技术、VR虚拟现实技术，为机电专业相关课程的远程教学构建的开放式网络虚拟实验教学系统，将部分教学实验室的数字化和虚拟化，包括实验室环境、实验设备仪器、实验对象、实验信息资源等。例如，《电工学》课程实验当中，学习者通过选取虚拟元器件搭建电路，检测电路输出，使其对电路的设计、元器件的功用等有更深认识；《机械制造技术》课程实验可以选取相关机构虚拟部件，进行机械总体的搭建，从而让学习者掌握机床的相关构成。通过虚拟的实验室进行实验，既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。
VRML的访问方式基于C/S模式，它用文本信息描述三维场景，在网络上传输。服务器提供VRML文件，客户通过网络下载希望访问的文件，通过本地平台的浏览器（Viewer）对该文件描述的VR世界进行访问，并根据VRML规范在本地机上解释生成三维场景。文本描述的信息在网络上的传输比图形文件迅速，同时把复杂的处理任务交给本地机从而减轻了网路的负荷。正是这种优势，才使VRML在网络应用中有很快的发展。
2 VRML虚拟设备开发实例
《数控机床概论》课程是机电专业的一门传统课程，因设备大而且贵，传统知识展示只有文字、图纸和图片，因机构相对复杂，学习者往往觉得晦涩难懂。为了更形象和直观阐述这部分知识点，现使用VRML来实现虚拟机床部件结构和装配的辅助实验教学。开发机床各个部件的基本步骤如下：
（1）基本造型。制作一系列空间形体的三维造型和动画，并且为这些造型指定所需要的颜色、大小等特性参数；利用VRML的造型设计和VRML Script的动画链接虚拟出组装机床所需的主要硬件，将VRML文件嵌入到网页。
（2）建立虚拟运动空间，引入VRML的相关节点，实现基于三维的实验室模拟功能。通过VRML的动画节点控制和VRML Script的结合。制作出安装、注释和视点切换的效果。
（3）VRML场景优化，在构建场景的过程中，利用VRML提供的高级造型技术适当优化。
在网络学习中，学习者通过浏览器，可将随意旋转的三维的虚拟硬件模型，与教材中的二维图片信息进行对比和参照学习，加深对知识的理解和掌握。在学习的过程中，只要按相应的步骤点击相应的按钮，拖动鼠标或按钮可以随意地移动机床组件到指定的位置进行安装。学习者根据装配指示，按照安装步骤完成机床床身、导轨、工作台、刀具等部件的组装。通过VRML Script语言的链接。制作出生动有趣的动画效果和逼真的声音效果。例如，摇动手轮，工作台托架就会滑动，甚至还可设计马达转动时的声音，使学习者能动态地观看到效果。有一种身临其境的感觉来完成学习的过程。
2.1 基本造型
基本造型是通过VRML文件来对三维部件进行描述的。VRML文件一般有四个主要成份：VRML文件头、原型、造型和脚本、路由。并不是所有的文件都包括这些要素，唯一必须的是VRML文件头。VRML文件包含描述机床组成部件的空间造型及属性节点。单个节点描述造型、颜色、光照、视点、以及造型、动画定时器、传感器、内插器等的定位和朝向等。
以下为一个机床工作台建构架构：
Group { # 定义工作台
children [它描述一个几何形状及其颜色等特征
Shape { #定义几何体方盒节点
geometry Box { ... } # 长方体
} # Shape定义结束
] # children定义结束
} #Group定义结束
机床工作台相当于一个大组件Group，在此组节点范围之内定义工作台的所有几何等形体要素，具体的小零部件，用子域来进一步定义，这样就可以把虚拟场景组织成条理清晰的树形分支结构。
2.2 机构部件的动画效果
为了使虚拟空间具有动感，需要设计相关部件的运动。VRML中的动画产生是由于变动了任何一个坐标系的位置、方向和形体比例，从而使物体按你所想的方式飞行、平移、旋转或按比例缩放。可以通过在构造指令中定义相关绑定指令，通过绑定多个节点，创建多个路由，从而使虚拟实验室空间具有更为逼真的动感。
下面用机床上手轮的旋转运动作为实例进行说明。当手轮受到碰触后，就会连续转动，我们先建立一个时间检测器节点，来实现启动和定制转动的动画，而随时间变化的旋转动作可用脚本节点或方向插补器节点实现。
由程序可知，手轮包含两个子节点，前者定义它的形态为一个环形，后者把它定义成接触检测器。旋转值指定的初始值是“1 1 1 0”，分别定义旋转轴、旋转角的初始状态。
为了使手轮连续旋转，需要使用时间检测器来等间隔连续发送的时间序列，并以此触发驱动手轮旋转事件。
DEF ticker TimeSensor {
cleInterval 0.1
loop TRUE
enabled FALSE
}
这个时间检测器用于启用和停用时间检测器，这一状态可以被修改。由程序可知，启用的时间检测器每隔0.1秒送出一个事件，以此触发转动事件，即每0.1秒调用一次驱动函数，从而驱动手轮连续旋转。
3 结语
实践环节实现是远程教学模式中的难点，三维虚拟实验具有先进性和共享性，能在一定程度上满足教学的需求。本文利用VRML语言研究开发虚拟机电实验室，通过具体案例，对虚拟设备建模过程进行了剖析，为远程教育模式下工科课程的部分实践环节提供了有效的解决途径。
参考文献
[1] 刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理，2011（7）：193-194.
[2] 张德发.高校网络虚拟实验室特点与建设[J].信息与电脑：理论版，2011（8）.
[3] 叶华，张仁津.虚拟现实技术实验教学课件的制作和应用[J].安顺学院学报，2010（1）：91-93.
[4] 潘磊，周新建.应用VRML技术实现虚拟装配仿真[J].华东交通大学学报，2005（4）：117-120.
[5] 王天煜，沈冰.机械基础虚拟实验的实现[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2011（3）：274-276.