機床導軌直線度測量虛擬實驗設計

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[摘要]在傳統實驗室進行實驗常受時間、空間、實驗設備等因素的限制，為有效解決該問題，結合虛擬現實技術的發展，研究了利用VRML設計虛擬實驗的可行性及其開發流程。針對機床導軌直線度測量實驗，重點分析了基于VRML的虛擬實驗模型建立方法和虛擬裝飾方法，實現了機床導軌直線度測量實驗過程的動態模擬、交互和仿真。同時，將虛擬實驗運用于實驗教學，有效地規避了傳統實驗教學的缺陷，取得了良好的實驗效果。

[關鍵詞]VRML；虛擬實驗；直線度；實驗教學

0引言

機床導軌直線度測量是大學機械類專業《互換性與測量技術基礎》課程的一個重要實驗，機床導軌直線度的誤差直接影響被加工零件的質量，因此,掌握機床導軌直線度測量的原理、方法及實驗數據處理方法是十分必要的。但傳統實驗室建造成本較高，且實驗時間、地點相對固定。于是尋求一種規避傳統實驗教學缺陷、提高實驗教學效果的實驗教學方法具有重要意義。隨著信息科技的發展，虛擬現實技術日漸成熟，使得虛擬實驗得以實現。虛擬實驗是基于Web、仿真和虛擬現實等技術構建的開放式、網絡化、可替代傳統實驗操作環節的教學平臺。虛擬實驗的設計可使實驗者身臨其境，能極大地提高實驗者的實驗積極性[1]。目前，國內外多數高校都根據自身教學需求建立了虛擬實驗室，但普遍存在虛擬實驗的交互手段有限、沉浸感不強的問題。針對這些問題，文中以機床導軌直線度測量為對象，基于VRML建模語言，實現實驗過程的動態模擬、仿真和交互，將其運用于實驗教學。

1基于VRML設計虛擬實驗的研究開發

VRML(VirtualRealityModelingLanguage)，即虛擬現實建模語言，是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言，通過該語言創建一個現實或幻想中的虛擬場景，可在網頁中實現三維動畫效果以及基于三維對象的用戶交互[2]。

1.1基于VRML設計虛擬實驗的可行性研究

1.1.1造型豐富VRML提供了多種幾何節點、幾何屬性節點和外觀節點等，通過這些節點可以構造出色彩豐富的接近真實世界的靜態虛擬環境。1.1.2動態仿真和交互性VRML通過環境傳感器、接觸傳感器、感知傳感器、時間傳感器、碰撞傳感器和控制動畫的插補器等對三維造型進行實時交互仿真和渲染。由于VRML仿真和渲染的實時性，虛擬場景中人機可交互，也即瀏覽者不僅可以在場景中隨意漫步切身感受虛擬環境，而且還可以通過自己的行為影響虛擬環境。1.1.3立體視聽效果隨著瀏覽者的移動，VRML場景中的物體屬性，如光照、方位等也隨之改變，給瀏覽者予立體視覺感。此外，VRML通過3D聲音讓人感受周圍環境的聲音,在Sound節點中，可以進行聲音大小、位置、方向等空間性質的設定，讓聲音的表現有遠近不同的立體效果。1.1.4腳本功能在VRML中的Script節點中加入JavaScript或Java程序語言，可進行對象行為的設定。Java具有Interner環境下程序設計的優勢，VRML具有虛擬現實場景建模的優勢，兩者結合可以開發出較為復雜的、交互性強的虛擬三維系統。1.1.5分布式環境設計及可擴充性VRML支持多個分布式文件的內聯機制，通過內聯機制嵌入其他的.wrl文件，即可將一個巨大的虛擬環境進行分割設計后合并展示。VRML還提供了外部原型引用機制，允許以超鏈接的方式在本地節點中指向并組織Interner上的資源，實現擴充。

1.2基于VRML的虛擬實驗開發流程

虛擬實驗室的創建主要包括虛擬模型的創建、動態交互的實現以及實驗平臺的集成。其中，虛擬實驗場景部分主要是虛擬建模及裝飾，而實驗儀器的開發重點在于交互的實現。后續虛擬實驗平臺集成是將虛擬實驗環境與Web頁面及文字、視頻、音頻等多媒體教育資源進行有機整合。鑒于VRML的技術特點，通過VRML虛擬建模語言不僅可構建逼近于現實世界的虛擬場景，而且可實現良好的交互功能，應用VRML技術開發虛擬實驗是一種行之有效的方法。

2機床導軌直線度測量虛擬實驗模型的創建

2.1虛擬實驗對象幾何建模

虛擬實驗對象幾何建模主要包括虛擬機床、虛擬電子水平測量儀和虛擬實驗教室的創建，如圖2所示。VRML提供了4種最基本的幾何造型，可直接用來創建VRML虛擬場景，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體和文本。這些幾何造型的幾何尺寸及外觀控制是由Shape節點來實現的，一個Shape節點有兩個域Appearance和Geometry。Appearance域用來設定對象的外觀，通常使用材質（Material）或貼圖（Texture）方式來實現；Geometry域用來設置幾何形體，即Box、Sphere、Cylinder、Cone、Text。在虛擬場景中，通過設定Transform的Translation、Rotation和Scale域，可以達到使其children對象平移、旋轉和縮放。通過組合這些基本形體，可以得到復雜的規則形狀物體。此外，還可以使用PointSet節點、IndexedLineSet節點、IndexedFaceSet節點、ElevationGrid節點和Extrusion節點來創建較為復雜的虛擬場景造型。創建復雜的虛擬模型時通常利用SolidWorks、Pro/E、3dsMax等三維建模軟件輔助建模，然后保存為.wrl格式，通過VRML編輯器構造虛擬場景[3]。

2.2虛擬實驗場景裝飾

虛擬實驗場景裝飾是指對虛擬幾何模型進行材質和紋理處理，同時對其所處的三維空間進行渲染，使虛擬場景逼近真實世界。2.2.1材質處理在現實世界中，物體由于自身材料的不同，外觀也不盡相同。同樣，在VRML中可以通過Appearance節點中的Material節點來控制造型的外觀。造型的外觀主要是指造型的顏色、透明度、發光效果和明暗程度，它們是由Material節點內的DiffuseColor域、AmbientIntensify域、SpecularColor域、EmissiveColor域、Shininess域和Transparency域的域值控制。2.2.2紋理處理通過材質處理后只是對虛擬場景進行了簡單的裝飾，對一些視覺細節并不能表現出來，這些視覺細節需要通過紋理來實現。紋理是一個位圖，其并不改變造型的幾何形狀，而是帶給瀏覽者一種視覺效果。這種視覺效果通過紋理圖根據幾何體的外形，按一定規則映射到物體的表面。使用紋理能使虛擬物體更具真實感，提高渲染效果，同時也避免了對某些細節進行復雜造型。VRML提供了3種紋理節點，即ImageTexture節點、PixelTexture節點和MovieTexture節點。在進行紋理處理時通常還需要使用TextureTransform節點對圖像進行平移、縮放和旋轉變換，以提高渲染質量。機床導軌直線度測量虛擬實驗場景紋理處理包括虛擬實驗室的天花板、地板、墻壁、黑板、墻壁掛圖和實驗裝置等。對幾何體進行圖像紋理處理時，幾何體的每個面都映射上了紋理圖，但對墻壁掛圖進行紋理處理時，僅使虛擬實驗室內墻壁出現掛圖效果。為了解決這一問題，在內墻壁表面創建一個近似于平面的Box，然后對這個Box進行圖像紋理處理。2.2.3空間渲染VRML不僅可以對造型進行裝飾，還可對造型所處的三維空間進行渲染，即室外裝飾。在VRML中，這些場景是以由天空和地面構成的空間背景的形式呈現的，而這個空間背景是通過Backgroud節點創建的。天空和地面需要著色的位置及顏色，是通過Backgroud節點內SkyAngle、skyColor和GroundAngle、GroundColor域的域值來實現的。

3虛擬實驗動態交互的實現

在VRML中動畫是通過使某一特定域的域值隨時間變化而變化來實現的，要改變某一域的域值須指定事件的路由，以觸發該域值變化[4]。VRML提供了多種控制動畫的插補器和實現交互的傳感器，如位置插補器（PositionInterpolator）、旋轉插補器（OrientationInterpolator）、顏色插補器（ColorInterpolator）、時間傳感器（TimeSensor）、接觸傳感器（TouchSensor）、視覺傳感器（VisibilitySensor）等，VRML中典型的交互機制如圖4所示。機床導軌直線度測量虛擬實驗,主要涉及電子水平儀對機床導軌的測量過程動畫仿真及交互和虛擬教室大門對人的感應。

3.1電子水平儀對機床導軌的測量過程動畫仿真及交互

機床導軌直線度的檢測是通過電子水平儀在機床導軌上作等距離移動[5]，從而讀取電子水平儀的顯示屏示數來實現的。電子水平儀在導軌上的移動可以通過位置插補器（PositionInterpolator）實現，PositionInterpolator節點用來描述一系列電子水平儀不同時刻在機床導軌上的位置，該節點內含Key和KeyValue兩個域值。通過接觸傳感器（TouchSensor）實現電子水平儀移動動作的觸發。實現電子水平儀示數的實時顯示是機床導軌直線度測量虛擬實驗設計的難點，一般通過VRML提供的Script節點寫入腳本語言來實現，常用的腳本語言有JavaScript和Java,這一方法可實現復雜的動畫仿真及交互，但須一定JavaScript或Java編程基礎。文中提供一種不需要JavaScript或Java編程就能實現電子水平儀顯示屏示數實時顯現的方法。顯示屏上每個阿拉伯數字均可以看成是由7個Box構成的8字型。通過ColorInterpolator節點控制這7個Box在不同時刻的外觀顯示狀態，可組合出不同的阿拉伯數字。當事件入口set_fraction接收到一個時刻值時，ColorInterpolator節點就計算出一個RGB色彩值，并通過value_changed事件出口輸出該RGB色彩值。在對這7個Box造型時，將8字中間的橫條Box的外觀設置成淺灰色（diffuseColor0.60.60.6），即與顯示屏背景同色，其余Box的外觀顏色均設置成黑色，即黑色為顯示狀態，淺灰色為非顯示狀態。電子水平儀顯示屏共有3位數字1個正負符號，通過這些Box的外觀組合呈現不同的示數。

3.2虛擬教室大門對人的感應

虛擬實驗教室大門采用水平移動的方式實現大門的開啟和關閉。當輸入密碼或刷卡后，兩扇大門分別自動向左右水平移動，即開啟大門，若干秒后大門檢測到無人進出時，自動關閉。利用TouchSensor節點仿真輸入密碼或刷卡動作，通過位置插補器實現大門的水平移動，ProximitySensor節點用來感知實驗者何時進入、離開和移動于坐標系內的一個長方體區域。

4VRML場景優化及系統平臺集成

4.1VRML場景優化

VRML場景優化的目的是減小場景大小和加快場景在用戶端執行的速度，VRML場景優化主要是通過減小VRML文件大小和提高執行性能來完成。減少文件大小的主要方法有使用貼圖代替建模，利用DEF、USE的組合避免相同對象代碼重復和通過VRMLPad2.0自帶的壓縮功能壓縮文件。提高執行能力的方法是使用細節層次（LevelofDetail，LOD），可依據瀏覽者視點的遠近顯示不同復雜度的場景；另外，在渲染時場景要計算光線路徑，因此過多的光源將增加CPU計算時間，即應當減少光源的使用，一般一個VRML文件不應超過3個光源[6]。

4.2系統平臺的集成

創建好VRML虛擬實驗環境后，需要將虛擬實驗環境與Web頁面及文字、音頻、視頻等多媒體教育資源有機整合，最終創建了一個生動直觀、具交互性能的三維虛擬實驗教學平臺。通過VRML插件與JavaScript接口連接，把虛擬實驗在Web服務器上，實驗者只需聯入Internet即可進行虛擬實驗。VRML可以合并到網頁中，瀏覽器為一個VRML文件單獨打開一個窗口，通過embed或object標簽在HTML文件中以使用插件的方式插入VRML文件[7]。

5結語

虛擬實驗教學實踐表明，虛擬實驗不僅使學生掌握了實驗原理、方法，而且提高了學生的實驗主動性，取得了良好的實驗效果。相對于傳統實驗，基于VRML的虛擬實驗還具有交互功能強、低成本、突破時空、安全性高等優點。通過文中設計的機床導軌直線度測量虛擬實驗，實驗者可以在線對虛擬實驗進行評價、提出建議、分享實驗感受等，對于改進和完善虛擬實驗教學具有重要意義，極大的提高了實驗效率。

參考文獻

[1]宋淑彩,祁愛華,岳杰.基于VRML的虛擬實驗室的設計與開發[J].數學的實踐與認識,2012,42(16):132-137.

[2]賽博科技工作室.VRML與Java編程技術[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[3]許楨英,聞武,王勻,殷蘇民.基于VRML海工平臺虛擬裝配系統設計[J].煤礦技術,2013,32(4):168-170.

[4]張武軍,田海,尹旭日.VRML虛擬現實技術基礎與實踐教程[M].北京:冶金工業出版社,2013.

[5]陳嵐.電子水平儀測量機床導軌直線度的方法[J].化學工程與裝備,2010(9):147-148.

[6]孫俊峰.基于VRML的虛擬實驗研究與實現[D].北京：中國農業大學,2005.

[7]朱婷婷.基于VRML的虛擬實驗的設計與研究[D].成都：四川師范大學,2009.

作者：姚家勝 張永亮 杜寶江 單位：上海理工大學