機械制圖課程中虛擬現實(shí)技術(shù)的應用

虛擬教學(xué)是指以虛擬現實(shí)技術(shù)為工具，對教學(xué)過(guò)程進(jìn)行基于計算機的仿真，生成能夠使學(xué)習者獲得知識、經(jīng)驗的教學(xué)場(chǎng)景。虛擬教學(xué)是一種現代化的教學(xué)方法，是現實(shí)教學(xué)的一種延伸。虛擬教學(xué)極大解決了現實(shí)教學(xué)過(guò)程中來(lái)自時(shí)間和空間的限制，使學(xué)習過(guò)程更加靈活。雖然虛擬教學(xué)與實(shí)際的“面對面”的教學(xué)過(guò)程相比還有很大差距，但是它所具有的資源共享、方便的特點(diǎn)很大程度上拓展了教學(xué)的時(shí)空，解決了教學(xué)資源及教師緊張的問(wèn)題。
虛擬教學(xué)所提供的教學(xué)場(chǎng)景是具有沉浸感、可交互性、并能啟發(fā)操作者的仿真環(huán)境。在機械制圖課程中引入虛擬教學(xué)，可以為學(xué)生提供更多的零件模型進(jìn)行學(xué)習，可以使學(xué)生對機械產(chǎn)品裝配過(guò)程有更深入的了解，從而可以提高學(xué)生的圖形理解力，增強其空間想象能力，并激發(fā)工程創(chuàng )造力。因此，從1997 年至今機械制圖的教學(xué)人員對該內容進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)表了很多這方面的論文。本文是在閱讀這些文獻的基礎上進(jìn)行的，第1 節指出機械制圖虛擬教學(xué)的主要研究?jì)热菁疤摂M教學(xué)系統的研究進(jìn)展；第2 節總結虛擬教學(xué)環(huán)境的研究進(jìn)展；第3 節討論機械制圖課程中虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)；第4 節對進(jìn)一步加強虛擬教學(xué)提出建議。

圖1 虛擬教學(xué)內容
一、虛擬教學(xué)體系及主要研究?jì)热?/span>
機械制圖課程中的虛擬教學(xué)主要包括虛擬模型室、虛擬拆裝和測繪的研究，如圖1 所示。
虛擬模型室的建立主要作用是進(jìn)行模型展示。通過(guò)大量的模型展示，開(kāi)闊學(xué)生眼界，提高機械產(chǎn)品認知能力。其次，對照投影反復觀(guān)看模型，可以幫助他們更好地理解“空間———平面、平面———空間”的對應統一關(guān)系，完善其對三面投影的認識，幫助建立空間想象能力。再者，可以加強構型方法的學(xué)習。在體驗式教學(xué)中，使用參數化建模的方法，通過(guò)修改基本幾何體尺寸讓學(xué)生更好地理解了相貫的概念，以及相貫線(xiàn)的變化趨勢。]通過(guò)建立大量的三維虛擬模型，引導學(xué)生進(jìn)行仔細觀(guān)察、分析，使得難以想象的空間形體抽象概念易于接受。虛擬模型室的實(shí)現需要進(jìn)行零件的造型設計、系統環(huán)境設計、以及模型的管理。
虛擬拆裝和檢測技術(shù)主要應用在零件圖和裝配圖學(xué)習過(guò)程中。對減速器的工作原理進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)演示、說(shuō)明，并提供了可以對減速器進(jìn)行虛擬拆裝的虛擬教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以在計算機上反復進(jìn)行減速器的拆裝，從而對減速器的機械結構，零部件之間的相互連接、轉動(dòng)的傳遞，正確的拆裝方法都有了非常深入的了解。
研究開(kāi)發(fā)了可以進(jìn)行虛擬測繪的場(chǎng)景。包括扳手、鉗等拆裝工具的使用，游標卡尺、螺紋尺等測繪工具的使用，和測繪過(guò)程的學(xué)習。實(shí)現這樣的虛擬教學(xué)系統除了要進(jìn)行模型的處理，還涉及到虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，如碰撞、約束等內容。
通過(guò)分析，并結合虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展現狀，筆者給出一個(gè)虛擬教學(xué)系統體系結構，如圖2 所示。交互層包括可以進(jìn)行人機交互的硬件設備，并為虛擬教學(xué)環(huán)境的實(shí)現提供了基礎。功能層包括所實(shí)現的功能，而層和數據層為這些功能的實(shí)現提供。

圖2 虛擬教學(xué)系統體系結構圖
下面本文將對系統的核心內容虛擬教學(xué)環(huán)境研究、虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明。
二、虛擬教學(xué)環(huán)境的研究
根據虛擬現實(shí)系統所使用的虛擬設備和產(chǎn)生的沉浸感的不同，虛擬現實(shí)系統可以分為CAVE 式虛擬系統、頭盔式虛擬系統和桌面式虛擬系統。在機械制圖課程的虛擬教學(xué)中，所采用的虛擬現實(shí)系統均為桌面式系統，如圖3所示。這是因為機械制圖課程虛擬教學(xué)的主要目的是提高學(xué)生的圖形理解力，通過(guò)虛擬教學(xué)系統加強學(xué)生對零件測繪和機器部件裝配知識的了解。過(guò)多的虛擬硬件設備不僅增加了虛擬教學(xué)系統的成本，也會(huì )迫使學(xué)生花大量時(shí)間熟悉硬件使用，而忽略系統本身的作用。
虛擬教學(xué)環(huán)境的構建主要是基于各種虛擬平臺進(jìn)行如VIrtools、VRML、Cult3D 等。這些虛擬平臺可以實(shí)現在網(wǎng)頁(yè)上建立交互的三維對象，通過(guò)鼠標、鍵盤(pán)對三維對象進(jìn)行旋轉、縮放，同時(shí)也提供了事件、動(dòng)作等屬性，以及基于JAVA 的開(kāi)發(fā)接口，使得用戶(hù)可以完成更復雜的控制?；赩RML 的虛擬教學(xué)的實(shí)現流程，如圖4 所示。

圖4 基于VRML 的開(kāi)發(fā)流程
除了上述幾種軟件，也有習慣于C 語(yǔ)言的用戶(hù)基于底層OpenGL 進(jìn)行虛擬教學(xué)系統的開(kāi)發(fā)。
三、關(guān)鍵技術(shù)的研究
作為新興的研究?jì)热?，虛擬教學(xué)的發(fā)展與計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)等多個(gè)學(xué)科緊密相關(guān)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括仿真與可視化研究、CAD 模型的格式轉換、虛擬系統中零件的定位與約束、虛擬檢測、協(xié)同設計、人機交互等多個(gè)方面。
根據對虛擬教學(xué)的影響程度，下面對幾個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)分別來(lái)進(jìn)行論述。
（一）虛擬模型及格式轉換
虛擬模型是虛擬教學(xué)的基礎，而機械制圖課程更是不能缺少立體模型的輔助。模型的好壞對終的教學(xué)系統影響巨大。目前大部分虛擬現實(shí)軟件都沒(méi)有強大的建模功能，因此仍然需要從CAD 軟件進(jìn)行造型，然后再通過(guò)數據格式轉換，生成虛擬系統可以接受的文件格式，再進(jìn)行虛擬操作。
機械制圖虛擬教學(xué)中常用的CAD 軟件有Pro/E、Solidworks、Inventor、UG 等。在進(jìn)行格式轉換時(shí)，有些軟件可以與相對應的虛擬現實(shí)進(jìn)行對接，如Pro/E 與Division Mockup虛擬現實(shí)系統，由于屬于同一公司開(kāi)發(fā)，因此可以直接進(jìn)行格式轉換；但是大多數軟件則需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的轉換接口或者以標準化數據格式為中間文件進(jìn)行格式上的轉換，如圖5 所示。
目前的虛擬教學(xué)研究，主要采用的是以標準化數據接圖3 桌面式虛擬系統 口為中間文件進(jìn)行數據格式的轉換。相對于接口，該方法易于實(shí)現。
（二）虛擬環(huán)境中的約束與定位
在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零件的測繪或者裝配操作，必須要進(jìn)行零件的定位，而虛擬現實(shí)環(huán)境本身缺乏現實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力，因此需要依靠自定義方式進(jìn)行定位。目前比較通用的定位模式是基于約束的定位，包括基于幾何位置約束的定位、基于碰撞的約束定位，以及基于裝配語(yǔ)義約束的定位。
基于幾何位置約束是指通過(guò)定義零部件的幾何坐標位置進(jìn)行裝配，這種情況下會(huì )出現零部件的刺穿情況。而如果使用基于碰撞的約束，為零件設置合適的包圍盒，通過(guò)碰撞檢測算法對于可能碰撞的地方進(jìn)行計算，則可以提高系統的擬實(shí)性，這也是目前多數虛擬系統所用的定位方法。
（三）虛擬測繪
零件測繪是機械制圖課程的重要內容。因此虛擬測繪也是虛擬教學(xué)的研究?jì)热葜?。由于缺乏力反饋等虛擬硬件設備的支持，現在的虛擬測繪多數是對于選定點(diǎn)之間的坐標計算，即首先確定需要測量的兩個(gè)點(diǎn)，之后計算兩點(diǎn)之間的坐標差。該方法的本質(zhì)是點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離測量，因此選取精度會(huì )直接影響測繪結果。

圖5 數據轉換
四、結束語(yǔ)
虛擬現實(shí)作為一種先進(jìn)的輔助教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習積極性和圖形理解力。近年來(lái)關(guān)于機械制圖的虛擬教學(xué)活動(dòng)的研究，也取得了很大進(jìn)展。但如何提高系統的交互性，體現以學(xué)生為中心，增強學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中的主觀(guān)性，促進(jìn)創(chuàng )新能力和精神的培養，鼓勵學(xué)生進(jìn)行協(xié)同操作，以及建立合理的虛擬教學(xué)評價(jià)機制仍需要進(jìn)一步研究。