一、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VRMLScript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VRMLScript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VRMLScript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。
二、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。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。
三、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“1110”,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。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。
四、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。
作者：徐丹丽 周益明 单位：上海开放大学信息与工程学院
