基于虚拟现实技术的产品结构模型交互系统的构建

章 文 （广东第二师范学院美术学院 510310）



基于虚拟现实技术的产品结构模型交互系统的构建

章 文 （广东第二师范学院美术学院 510310）

摘要：本文探讨了基于虚拟现实技术的产品结构模型交互系统的构建，整个系统包括产品结构理论和案例模块，产品结构模型展示模块和产品结构模型交互模块，利用三维造型软件对系统模型进行建模，并导出成VRML格式的文件；然后利用VRML事件体系和Javascript程序语言来定义交互过程；最后，通过网页插件实现基于Web3D的产品结构模型的实时展示和拆装演示的交互设计。该系统凭借其沉浸感、体验感和低成本等优势，能够很好的满足该课程的学习需求，将枯燥的知识直观化、形象化和系统化，引发学生的学习兴趣，进而启发引导学生对产品的结构进行改良和创新设计。

关键词：虚拟现实技术；产品结构原理；交互设计；Web3D

一、引言

据调查，国内目前开设产品设计专业的高校中，对于《产品结构设计》的教学，主要以机械结构原理的讲授为教学内容，存在机械结构原理与具体的产品造型相脱节等问题，使学生无法建立系统完整的设计概念。另外，艺术类院校设计专业的学生由于数理化知识较薄弱，思维方式偏重感性思维，对枯燥的机械概念讲授较为排斥，更加达不到教学效果。因此，《产品结构设计》的教学方法有必要回到产品设计的本质——以物为载体，解决人与物的关系问题上来，从具体的产品实体的结构和工作原理分析入手，将枯燥的知识直观化、形象化和系统化，引发学生的学习兴趣，进而启发引导学生对产品的结构进行改良和创新设计。

实践教学中必然要运用产品结构模型进行分析讲解，而手板模型按产品的规格、复杂度、外观精度要求、装配要求的不同，价位在几千元到几万元不等，建立一个多品类的产品实体模型库的造价较高，对于办学资金有限的学校难以实现。而计算机辅助设计技术的发展有助于我们来构建虚拟实践交互平台：通过三维软件Solidworks、Web3D技术和虚拟现实技术对产品进行三维建模，构建产品结构模型虚拟交互平台，使学生较为直观的认识产品形态和结构设计等内容，以较低的教学成本实现最优化的教学效果。

二、基于Web3D的虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。随着Internet技术的迅猛发展，虚拟现实技术也逐步运用到互联网中，目的在于在互联网上构建三维虚拟世界。基于Web 3D的虚拟现实系统，也称作桌面虚拟现实系统，是利用个人计算机或初级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，应用各种外部设备来对虚拟环境进行操作。它要求操作者使用鼠标等，通过屏幕观察360°范围内的虚拟环境，并且可以进行交互操作。这种虚拟现实系统凭借沉浸感、体验感和低成本等优势，在教育教学中得到了更多的关注和应用，例如基于Web3D的虚拟校园、虚拟图书馆、虚拟课堂和虚拟实验室等。特别是随着移动网络的普及，它将在移动虚拟学习领域占据重要的位置。

三、基于虚拟现实技术的产品模型交互系统

1.系统功能和实现思路

教学过程中最重要的是如何将产品结构知识信息的呈献与实体产品相结合，并具有灵活多样的教学交互方式。因此，本文探讨如何构建基于虚拟现实技术的产品模型交互系统，学生通过使用产品模型交互系统，不仅可以从3D产品模型资源中接受到全面、直观的知识信息，还可以在交互过程中体验到更多的趣味感。本系统的功能模块包括：产品结构理论和案例模块，使用户能学习到产品结构的基础知识；产品结构模型展示模块，为用户提供三维的、动态的虚拟产品结构模型；产品结构模型交互模块，用户能够远程浏览产品结构模型，并进行简单的交互操作，系统的交互过程如图1所示。

根据交互系统的主要功能模块的要求，交互系统的设计思路为：利用Solidworks、Pro-E等三维造型软件对系统模型进行建模，并将产品模型导出成VRML格式的文件；然后通过VrmlPad对VRML格式的产品模型进行编辑，利用VRML事件体系和Javascript程序语言来定义交互过程；最后，通过Cosmo Player插件实现基于Web的可交互操作的产品结构模型的实时展示和拆装演示的交互过程。

2.基于VRML的虚拟系统模型生成

根据本系统的功能要求，本虚拟交互系统的模型可分为建筑、环境和产品模型三类。其中建筑模型主要是指静态的厂房模型；环境模型包括工作台、吊灯、工业风格的厂房内部装饰等；产品模型包括可拆装的和不可拆装的产品结构模型。建模的过程如下：首先通过Pro-E或Solidworks等三维软件得到产品结构模型，通过3DMax得到建筑模型和环境模型；然后对建筑、环境和产品模型进行渲染，结合材质库赋予各个模型合适的纹理贴图，使模型具有逼真的效果；将模型转换成VRML格式，以便实现下一步的基于VRML事件设置的交互设计。

3.虚拟系统的产品模型交互设计

VRML的动态交互设计主要是依赖传感器机制实现的，通过实时感知到鼠标对于三维模型的操作和控制变化，促使其他部件进行相应的反馈处理。接触检测器（Touch Sensor）是一种基本的检测器，也是使用最为频繁的检测器之一。它能够感知多种变化，包括替身的位置变化，鼠标点击事件，视角变化等信息。虚拟产品交互系统的事件是由浏览者点击某个TouchSensor节点，如开门、产品拆装等，产生相应的输出事件。其中，最重要的部分是产品模型拆装的交互过程，整个过程的事件为：通过鼠标点击触发TouchSensor事件，然后传递isActive=True的属性值，引发EventIn事件，执行ROUTE命令，根据时间指令引发EventOut事件。整个虚拟产品交互系统的VRML事件如图2所示。

图2　系统的VRML事件

4.虚拟产品模型的WEB展示页面构建

虚拟产品模型交互系统是为《产品结构原理》课程教学而服务的，该课程通过教学网站展示学习资源和展开教学活动，如通过教学网站的知识库、案例库和实践练习库整合和共享丰富的课内外的教材和辅导内容；以文字、图像、声音、动画、视频等多种形式传播教学内容和案例内容，提升教学的表现力；基于网络化的虚拟现实技术构建产品结构模型的虚拟实践平台，突破远程虚拟教学的时空限制，提供丰富的多媒体学习资源、逼真的实体和场景模拟、全面的感官沉浸和实时丰富的交互体验。

利用HTML的embed元素可实现VRML和HTML的结合，在教学网站嵌入3D场景和产品模型。embed元素能够在网页上嵌入任何类型的文档对象，用户浏览网页时，需要在自己的计算机上安装正确查看相应数据类型的应用程序。用户通过设置embed元素的SRC、ALIGN、BORDER、WIDTH及HEIGHT等属性可用来指定嵌入网页的文件名称、尺寸、文本的对齐方式、边框等。例如将在一个HTML平面网页中产生400x500大小的文件名为“chuizi”的VRML三维模型文件。

四、结语

传统的计算机三维模型只能提供360度旋转浏览，在一定程度上展示产品的整体外观或内部结构，而本系统提供的基于VRML等虚拟现实技术设计的交互模型改变了学习者与学习资源之间的关系，使得产品结构教学能够注重教师-知识原理-产品模型-学生之间的互动关系，提升了理论知识学习的可见性和趣味性。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学，2009（01）.

[2]吴昊.基于java3D的Web 3D技术在数据可视化中研究与应用[D].上海交通大学，2009（12）.

[3]李翔宇.基于VRML的交互式虚拟漫游场景的应用与研究[D].天津大学，2013（13）.

[4]章文.产品结构设计网络课程的交互设计研究[J].艺术科技，2015 （9）.

[5]曹良亮.Web2.0支持下的远程教学系统架构分析[J].中国远程教育，2008（3）.