胡 畔，姜 睞，李依桐

（1.東北電力大學 輸變電技術(shù)學院，吉林 吉林132012；2.北京郵電大學 計算機學院，北京 100876）

0 引 言

由于機電產(chǎn)品價格昂貴、設計精密，對實物的設備拆裝實訓不易開展。傳統(tǒng)的設備拆裝實訓教學一般是通過指導教師在圖紙、模型上的原理講解與實物演示相配合完成，其缺點是實訓互動性不強，受訓者缺乏參與體驗和主動探索的積極性，而且拆裝過程中的某些重要細節(jié)不易展示，實訓活動存在一定的局限[1]，效果不理想。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR：Virtual Reality）的設備拆裝實訓系統(tǒng)可在虛擬環(huán)境中對設備拆裝過程進行演示和虛擬操作，從而幫助受訓人員掌握設備構(gòu)造、拆裝規(guī)程等方面的知識，為實物拆裝實訓提供必要的補充和準備，并輔助相關理論知識的理解和實踐技能的形成，提高學習興趣與動力，為培養(yǎng)空間思維能力、實踐動手能力、創(chuàng)新能力和工程意識提供幫助。

在虛擬設備拆裝系統(tǒng)環(huán)境中，可以使用各類交互設備（如：數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和力反饋操作設備等）模擬真實環(huán)境中對設備零部件的各類拆裝操作[2]。系統(tǒng)提供實時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑指示等功能規(guī)范操作過程，受訓者可以隨時停止拆裝活動，通過可視化的裝配過程對設備部件進行多角度、近距離觀察，并參加零部件拆裝序列驗證和規(guī)劃等；拆裝結(jié)束后，系統(tǒng)記錄拆裝過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等，進而驗證拆裝操作的正確與否，以便發(fā)現(xiàn)在拆裝過程中存在的問題，及時進行修改，從而避免實物拆裝實訓中對設備造成不可挽回的損壞。

基于VR的設備拆裝系統(tǒng)是VR技術(shù)在工程設計和教育培訓領域的重要應用。針對不同目標，國內(nèi)外已經(jīng)提出了多個開發(fā)模式與方法（如VRML＆Java、VC＋＋＆OpenGL、LabVIEW＆MAQvision等軟件解決方案），但該領域尚沒有公認的能全面適合各種條件的開發(fā)方案。筆者結(jié)合實訓具體情況，提出了一種“模型文件＋開發(fā)包”的開發(fā)思路和方法，據(jù)此設計構(gòu)建了具有高效率、高質(zhì)量、低成本的VR設備拆裝實訓系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)方案

在基于VR技術(shù)的設備拆裝系統(tǒng)設計中，設計與實訓工程環(huán)境一致的、可交互的虛擬場景信息是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎。系統(tǒng)開發(fā)的組織者根據(jù)實訓大綱對具體項目的目標要求，編寫實訓活動的虛擬場景劇本，說明該項實訓活動的目標、設備情況、零部件組成信息和拆裝規(guī)則等情況；對設備進行分解，析出的零件模型設計任務交由模型設計人員完成。虛擬環(huán)境由大量的與實物對應的虛擬零件組成，有多種軟件（如3DMAX、AutoCAD、MAYA等）可用于構(gòu)造這些靜態(tài)模型，完整的靜態(tài)模型包括零件3D模型、紋理貼圖、渲染路徑[3，4]、生成日期等基本信息以及零件的質(zhì)量、材質(zhì)、規(guī)格及功能說明等高級信息。

虛擬場景是在計算機環(huán)境中對現(xiàn)實拆裝環(huán)境的模擬再現(xiàn)，是基于VR技術(shù)的設備拆裝系統(tǒng)設計的核心。虛擬設備及零件的三維模型根據(jù)用戶輸入的拆裝操作指令進行動態(tài)變化（如：移動、旋轉(zhuǎn)、放縮等），進而實現(xiàn)具體拆裝的組合、分解和碰撞[5]等效果。傳統(tǒng)的VR系統(tǒng)的開發(fā)通常使用編程語言（如：VC）調(diào)用底層圖形接口（如：OpenGL）讀取靜態(tài)模型的方式構(gòu)造虛擬場景，再使用編程語言對內(nèi)部基本對象和交互控制操作進行描述實現(xiàn)，這種方式的設計過程對開發(fā)人員要求較高，且開發(fā)的虛擬拆裝系統(tǒng)功能單一，不易維護，系統(tǒng)的靈活性、可移植性和交互性較差。設計則直接使用編程語言（VC）內(nèi)嵌TrueVision3D（簡稱TV3D）引擎的解決方案實現(xiàn)系統(tǒng)的設計。TV3D是個優(yōu)秀的3D開發(fā)引擎，具有開源、簡潔、開發(fā)高效等特點，直接使用VC的語法調(diào)用TV3D中的API即可實現(xiàn)虛擬場景的開發(fā)。此方案僅使用通用的編程語法就可以簡單、高效地完成三維虛擬場景的生成和渲染、模型的動態(tài)增刪、物體的碰撞檢測、場景的實時渲染和交互控制等功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

設計良好的系統(tǒng)架構(gòu)對于保障開發(fā)質(zhì)量、降低開發(fā)成本和達成軟件設計目標要求至關重要，系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。交互控制系統(tǒng)負責接收用戶提出的操作請求，轉(zhuǎn)為交互指令提交給場景調(diào)度系統(tǒng)，場景調(diào)度根據(jù)系統(tǒng)后備拆裝信息資源提供的數(shù)據(jù)驗證該指令，并將具體的動作要求提交給裝配場景，該部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其將零件模型按裝配關系進行計算機再現(xiàn)，并根據(jù)場景調(diào)度的要求模擬拆裝過程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Block diagram of system

3 虛擬現(xiàn)實設備拆裝系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 模型的建立

為了更好地體現(xiàn)鍵連接、螺紋連接、銷連接和帶傳動機構(gòu)等典型連接的拆裝工藝，系統(tǒng)以粉碎機為例分析了系統(tǒng)的設計過程。粉碎機在結(jié)構(gòu)上由軸承臺、定刀臺、篩片和篩架等組成，其特征在于軸承臺和定刀臺鑄在下機殼軸預留孔外側(cè)的同一平面上，篩架在下機殼內(nèi)經(jīng)螺絲固定形成階梯形，為橢圓形模型。使用3DMAX軟件設計設備零件模型，導出為.3ds格式文件后，將相關信息添加到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，為加載模型文件到虛擬環(huán)境提供支持。模型生成須按系統(tǒng)所要求的標準化規(guī)格統(tǒng)一設計，一個模型可以在一個場景中或系統(tǒng)中的多個場景中反復使用，從而減少了重復性建模工作，對提高系統(tǒng)的開發(fā)效率尤為重要。

根據(jù)場景劇本的要求，對各零件模型分別賦予旋轉(zhuǎn)、移動、放縮、對齊和復合等操作，據(jù)此生成相應的拆裝操作的動作信息并將其添加到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為場景調(diào)度活動提供支持。

3.2 數(shù)據(jù)庫組織

系統(tǒng)管理員負責對系統(tǒng)運行的后備資源數(shù)據(jù)庫進行維護和管理。包括多種文件類型的后備資料，如模型庫中存儲包括3D素材對象的模型、材質(zhì)、紋理和貼圖等；場景資料庫存放多個備用場景的構(gòu)成元素的描述信息；裝配內(nèi)容資料庫則以文字、圖片、聲音和動畫等多種形式存放供系統(tǒng)引用的設備元件、裝配資料等。

為了更加便捷地訪問和處理模型、紋理、材質(zhì)等內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫組織如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)表的組織Tab.1The table of the organization of the data in database

另外系統(tǒng)為不同用戶分別實現(xiàn)增、刪、改、查詢等操作權(quán)限，以滿足各類資源的修改和更新要求。對場景中的固定實體（如構(gòu)成一個設備的必要實體元件），只允許管理員對其進行增、刪、改操作。普通用戶僅可以對學習場景中實體的紋理、材質(zhì)、位置和角度進行改變。在用戶參與裝配的訓練方式中允許用戶增加元件，但有數(shù)目的限制。

3.3 核心場景的建立

針對具體拆裝任務，考慮實際拆裝過程中可能遇到的情況設計出符合實際操作要求的VR設備拆裝系統(tǒng)的核心場景是首要任務。包括地形的建立、場景中設備模型的加載等[6]。

建立符合裝配內(nèi)容要求的地形是提升虛擬場景真實效果的重要部分。系統(tǒng)設計采用數(shù)字高程模型（DEM：Digital Elevation Model）描述地形結(jié)構(gòu)，從事先準備好的數(shù)據(jù)庫中進行高程圖文件和地面紋理文件的讀取，并直接使用TV3D中的TVLandscape類（見圖2）實現(xiàn)地貌效果。高程信息根據(jù)具體的目標場景要求設計，使用基于灰度圖像的DEM生成方法實現(xiàn)地面模型的生成。

場景中的模型包括電動機（三角帶、連接螺栓、帶輪及連接鍵）、上蓋（連接銷、螺栓及殼體、擋板、牙板）等，通過TVMesh和TVScene類（見圖3）對存放在后備資源數(shù)據(jù)庫中模型的ID和幾何參數(shù)等信息進行讀取，在獲取了用戶的交互信息或有新的元件加載要求觸發(fā)時，根據(jù)控制參數(shù)對場景中相應區(qū)域調(diào)用對應的模型。在某些場景中，需要描述模型的動態(tài)變化，即行為效果（如設備運轉(zhuǎn)時相關組件的動態(tài)變化，設備中各組件在不同裝配狀態(tài)的外觀、位置的變化等），展示各元件在虛擬環(huán)境中的位置、大小、狀態(tài)（紋理、材質(zhì)、燈光、攝像機、角色等）及關系的變化情況。引用TV3D的API在虛擬場景中直接封裝并加載頂點和索引數(shù)據(jù)的Mesh對象，從而實現(xiàn)在系統(tǒng)中加載存儲于.3ds文件中的模型數(shù)據(jù)。通過Mesh的屬性、方法、事件實現(xiàn)對場景中的模型進行紋理、材質(zhì)、色彩的變化控制，以及幾何位置的移動、旋轉(zhuǎn)、大小縮放等動態(tài)行為描述。對一些固定的行為效果在場景數(shù)據(jù)庫中可以直接進行描述，再由場景初始化時直接加載其效果。另外一些復雜的行為描述（如螺紋／鍵／銷／過盈連接、帶傳動等）則需要使用編程代碼對其變化過程進行精確的說明。

圖2 地形實現(xiàn)類Fig.2Class of TVLandscape

圖3 加載模型類Fig.3Class of TVMesh and TVScene

3.4 系統(tǒng)的交互控制

交互控制在系統(tǒng)中主要負責精確地響應用戶的交互行為，并產(chǎn)生對應行為的實時變化。通過視覺反饋設備（顯示器、數(shù)據(jù)眼鏡等）[7]，操作者接收到場景中設備元件的實時變化，從而完成進一步的交互。系統(tǒng)的交互控制主要包括場景控制、用戶進出控制、漫游控制、場景調(diào)度、操作效果控制和實時渲染。

良好的沉浸性是VR技術(shù)的重要特征之一，核心場景控制部分的主要功能是控制虛擬場景中設備整體的拆卸或各設備組件模型的裝配過程的動態(tài)變化（如：設備拆裝演示、人機交互的拆裝實踐、拆裝效果的直觀展示等），是用戶所要體驗的虛擬世界的關鍵部分[8]。在虛擬場景空間中，為了使瀏覽者方便地控制自己的觀察位置和角度，整體把握實訓內(nèi)容，由TV3D對攝像機的運動過程進行全面控制，包括視點位置和視點方向的變換等。在系統(tǒng)中用戶參與學習的過程采用追逐攝像機跟蹤對象，從而更好地觀察對象。

例如：初始狀態(tài)下實驗場景的視點設置：Cam.SetPosition 100，100，－200。在場景中向前移動時的視點設置：Scene.GetCamera.MoveRelative TV.AccurateTimeElapsed＊0.2，0，0。

用戶進出控制模塊的設計包括用戶登錄、場景選擇、學習模式選擇、啟動核心場景、用戶離開時安全關閉系統(tǒng)等功能。

用戶在虛擬場景中的漫游控制，涉及對用戶漫游位置的檢測，場景中人與實體間、實體與實體間的碰撞檢測[9]，設置交互節(jié)點實現(xiàn)與用戶的實時交互等[10]。系統(tǒng)中碰撞檢測的實現(xiàn)有兩種方式：1）通過使用TVCollisionResult對象的IsCollision方法實現(xiàn)，直接可以檢測到與其他實體之間是否發(fā)生表面的接觸；2）通過使用三維圖形碰撞檢測包圍盒，它可以包圍整個模型，用于測試碰撞和精確的鼠標點擊識別。根據(jù)不同需要，系統(tǒng)可使用的碰撞檢測類型有：與角色的碰撞和與地面的碰撞、與Mesh的碰撞和與所有實體發(fā)生碰撞。

操作效果控制部分主要是對場景中的模型進行動態(tài)的紋理映射、材質(zhì)設置和光照特效、并結(jié)合粒子系統(tǒng)等技術(shù)增強虛擬場景的真實感。

交互控制可以使操作者通過輸入設備（鍵盤、鼠標和力矩球等）選擇或輸入信息，通過交互控制系統(tǒng)檢測用戶操作的各設備組件之間的關系是否正確，并作用于虛擬環(huán)境中的實體，產(chǎn)生實時的設備拆、裝狀態(tài)效果。另一方面要讀取場景中的信息，渲染到屏幕上。實時渲染部分除了將場景中的實時變化反映到屏幕上以外，還應該能創(chuàng)造出非常逼真的、有說服力的虛擬環(huán)境。

在系統(tǒng)中交互操作的鼠標按鍵任務分配如表2所示。

表2 輸入設備交互任務分配表Tab.2The allocation of input device interaction tasks

在系統(tǒng)的交互控制中，要為鍵盤和鼠標編寫更新函數(shù)，根據(jù)按鍵狀態(tài)和按鍵時鼠標的位置狀態(tài)設置角色合適的位置值。圖4為實現(xiàn)輸入檢測并控制視角變換的類及其方法。

圖4 實現(xiàn)輸入檢測并控制視角變換的類及其方法Fig.4Class and method of input detection and view angle changing

VR設備拆裝系統(tǒng)運行的效率至關重要，設計時要考慮在不影響系統(tǒng)表現(xiàn)的前提下，盡量使用優(yōu)化策略實現(xiàn)開發(fā)。

4 結(jié) 語

將VR技術(shù)引入設備拆裝實訓中，改變了傳統(tǒng)的實驗室實訓方式，突破了學習過程的時間和空間的限制，有助于輔助教學活動開展，提高實訓效果。系統(tǒng)的開發(fā)融“理論、示范、訓練、反饋”于一體，將“教、學、做”合而為一，能有效地培養(yǎng)使用者的技術(shù)綜合應用能力。同時利用虛擬拆裝代替實物拆裝，可以解決實際拆裝訓練受到的設備成本、拆裝場所、不易觀察等條件限制的難題，對降低成本、提高效率具有重要的意義。筆者提出的系統(tǒng)總體設計方案和簡捷易用的軟件解決方案能對虛擬技術(shù)領域中的虛擬儀器[11，12]的研究和發(fā)展提供有益的參考。

：

[1]陳敏，劉曉秋，伍勝男.基于 VRML技術(shù)虛擬機械設計實驗室的研究[J].機械設計，2007，24（2）：68-70.

CHEN Min，LIU Xiao-qiu，WU Sheng-nan.Study of the Virtual Machine Design Laboratory Based on VRML Technology[J].Journal of Machine Design，2007，24（2）：68-70.

[2]黃海，方宏根，姜力，等.基于虛擬彈簧的欠驅(qū)動手指的動力學建模和控制[J].吉林大學學報：工學版，2010，40（6）：1688-1692.

HUANG Hai，F(xiàn)ANG Hong－gen，JIANG Li，et al.Virtual Spring Based Dynamic Model and Control of Underactuated Hand[J].Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2010，40（6）：1688-1692.

[3]汪偉，范秀敏，武殿梁.虛擬現(xiàn)實應用中的并行渲染技術(shù)[J].計算機工程，2009，35（3）：282-285.

WANG Wei，F(xiàn)AN Xiu-min，WU Dian-liang.Parallel Rendering Technology in Virtual Reality Applications[J].Computer Engineering，2009，35（3）：282-285.

[4]GAO Xin，HU Huan，JIA Qing-xuan，et al.3DAugmented Reality Teleoperated Robot System Based on Dual Vision[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2011，18（1）：105-112.

[5]叢佩超，孫兆偉.雙臂式空間機械臂捕捉目標的碰撞問題研究[J].四川大學學報：工程科學版，2010（4）：234-241.

CONG Pei-chao，SUN Zhao-wei.Research of Impact Issues During Dual-Arm Space Manipulator Capturing Object[J].Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2010（4）：234-241.

[6]李惠，盧奕南，齊阿榮.基于VRML的大規(guī)模虛擬場景的實時載入方法[J].吉林大學學報：信息科學版，2010，28（1）：84-88.

LI Hui，LU Yi-nan，QI A-rong.Real-Time Loading Method of Virtual Environment Based on VRML[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition，2010，28（1）：84-88.

[7]LIU Hong，MEUSEL P，SEITZ N，et al.The Modular Multisensory DLR-HIT-Hand[J].Mechanism and Machine Theory，2007，42（5）：612-625.

[8]王念東，劉毅，李文正.面向虛擬裝配的VR與CAD系統(tǒng)信息集成技術(shù)機械科學與技術(shù)[J].機械科學與技術(shù)，2009（1）：25-30.

WANG Nian-dong，LIU Yi，LI Wen-zheng.Information Integration Technology between Virtual Reality and CAD for Virtual Assembly[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2009（1）：25-30.

[9]孫曉光，王明強.碰撞檢測中的層次包圍盒算法研究[J].現(xiàn)代制造工程，2009（4）：87-91.

SUN Xiao-guang，WANG Ming－qiang.Research on Collision Detection Algorithm Based on Bounding Box[J].Modern Manufacturing Engineering，2009（4）：87-91.

[10]孟慶南，王曉春，張洪武.一種用于動態(tài)光散射測量的虛擬數(shù)字相關儀[J].吉林大學學報：理學版，2007，45（4）：638-641.

MENG Qing-nan，WANG Xiao-chun，ZHANG Hong-wu.A Virtual Digital Correlator for the Measurement of Dynamic Light Scattering[J].Journal of Jilin University：Science Edition，2007，45（4）：638-641.

[11]ZHANG Ming，F(xiàn)ENG Yuan.The Study on Remote Virtual Measurement Technology Based on Wireless Sensor Networks[C]∥2010International Conference on Multimedia Technology.[S.l.]：ICMT，2010：1-4.

[12]ZHANG Mian，ZHANG Li.Remote Virtual Instrument System[C]∥Proceeding 2010 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology.[S.l.]：ICCSIT，2010：541-543.