孫紅春 胥 勇 程桂娟

1. 東北大學(xué) 遼寧沈陽 110819

2. 沈陽自動(dòng)控制研究設(shè)計(jì)院 遼寧沈陽 110819

基于Cult3D技術(shù)的工程測(cè)試技術(shù)實(shí)例虛擬仿真研究

孫紅春1胥 勇1程桂娟2

1. 東北大學(xué) 遼寧沈陽 110819

2. 沈陽自動(dòng)控制研究設(shè)計(jì)院 遼寧沈陽 110819

以理論教學(xué)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式使機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程脫離工程實(shí)踐。針對(duì)這一情況，提出了基于Cult3D技術(shù)的工程測(cè)試技術(shù)實(shí)例虛擬仿真研究，將教師的工程項(xiàng)目整合為虛擬測(cè)試環(huán)境，使學(xué)生跨越硬件設(shè)備資源的限制，通過交互性工程實(shí)例的測(cè)量過程，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、動(dòng)手能力以及知識(shí)運(yùn)用能力。

工程測(cè)試技術(shù)；工程實(shí)例；Cult3D技術(shù)；虛擬仿真

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程是面向機(jī)械類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，隸屬于信息技術(shù)。課程主要內(nèi)容包括傳感器技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，是機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)連接的橋梁。傳統(tǒng)教學(xué)中，理論教學(xué)所占比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)踐教學(xué)，其主要原因在于學(xué)時(shí)分配不合理和學(xué)校資源不到位。[1]借鑒美國高校的人才教育：高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)時(shí)常融合在一起[2]，同時(shí)，考慮到不同高校的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，開展了基于Cult3D技術(shù)的工程測(cè)試技術(shù)實(shí)例虛擬仿真研究，將課程重要的應(yīng)用：力的測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、溫度測(cè)量以及位移測(cè)量依附于工程實(shí)踐，進(jìn)行虛擬仿真測(cè)試，由主講教師依據(jù)具體的講課進(jìn)度和內(nèi)容設(shè)置與之配套的工程實(shí)踐虛擬測(cè)試環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，增加學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情和積極性，啟發(fā)學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐中相關(guān)事例與情境的深入觀察與思考。[3]

1 Cult3D功能簡(jiǎn)介

Cult3D是一種全新的Web3D技術(shù)，一個(gè)跨平臺(tái)的3D引擎，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上的一種應(yīng)用，運(yùn)用該技術(shù)制作的具有交互功能的3D課件。[4]利用Cult3D技術(shù)可以使網(wǎng)頁設(shè)計(jì)者制作出3D立體的產(chǎn)品，同時(shí)可以用視覺的方式顯示不同事件和功能的交互性，并且放置在網(wǎng)頁中用鼠標(biāo)控制3D產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)以及放大、縮小。由于Cult3D本身并沒有自己的建模工具，所以常常要借助于其他軟件完成建模工作，因此就需要Cult3DExporter插件，利用它可以將3DS Max或者M(jìn)aya等三維軟件中的文件導(dǎo)入Cult3D。[5]Cult3D中還有Cult3DDesigner插件和Cult3D player插件，其中Cult3DDesigner為Cult3D主要的設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過這一平臺(tái)可建立具有交互性能的對(duì)象；Cult3Dplayer主要用于Cult3D文件的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使瀏覽器可以播放Cult3D對(duì)象并展示其交互功能。

2 汽車變速器振動(dòng)與噪聲測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬化工作流程

Cult3D基于面對(duì)對(duì)象的思想進(jìn)行開發(fā)。三維物體作為一個(gè)對(duì)象，模型下每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象具有一定的屬性(如顏色、紋理等)。對(duì)象可進(jìn)行一定的動(dòng)作(如運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、粒子特效、動(dòng)畫播放、聲音播放、粒子系統(tǒng)、復(fù)位等)。事件發(fā)生在對(duì)象身上，可觸發(fā)對(duì)象的某個(gè)屬性或動(dòng)作的改變。

一個(gè)完整的Cult3D例程可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)，流程如圖1所示。[6]

圖1 Cult 3D工作流程

2.2 汽車變速器三維模型的構(gòu)建

采用專業(yè)三維建模軟件(如3DS Max，ProE，SolidWorks等)制作物體的三維模型，然后利用插件Cult 3D Exporter for 3D MAX導(dǎo)出文件，輸出Cult3D Designer的.c3d格式文件。若采用其他建模軟件(如SolidWorks，Pro /E等)可在軟件中另存為.stl格式文件，然后在3DS Max中導(dǎo)入，再導(dǎo)出.c3d文件，或者采用PolyTrans模型轉(zhuǎn)換軟件將文件格式變換為3DMax可讀出的格式，作為中轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為.c3d格式。本次汽車變速器建模，首先采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，然后將其保存為.stl格式文件，導(dǎo)入3DS Max進(jìn)行渲染或剖切等操作，最后將其輸出為.c3d格式文件，此文件格式可直接載入到Cult3D軟件中進(jìn)行虛擬。汽車變速器三維模型構(gòu)建的流程如圖2所示。

圖2 汽車變速器建模流程

2.3 三維模型交互設(shè)置

啟動(dòng)Cult3D Designer，點(diǎn)擊“fle”按鈕，選擇添加Cult3D Designer文件，將之前保存好的.c3d格式文件導(dǎo)入，為三維模型加入互動(dòng)效果、事件和聲音等。Cult3D Designer已經(jīng)將很多基本的命令模塊化。即使不懂編程語言也可以很方便地制作出不錯(cuò)的效果。Cult3D中為了提高用戶的交互體驗(yàn)，使用了面對(duì)對(duì)象的開發(fā)方法?？梢园凑沼脩魟?dòng)作、事件、瀏覽對(duì)象三方面去設(shè)計(jì)瀏覽過程中的交互環(huán)節(jié)，觸發(fā)對(duì)象完成某種動(dòng)作。動(dòng)作的完成主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)途徑。

2.3.1 開發(fā)平臺(tái)中自帶動(dòng)作

對(duì)象運(yùn)動(dòng)有繞xyz軸旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、復(fù)位、動(dòng)畫播放、動(dòng)畫停止等動(dòng)作。交互運(yùn)動(dòng)有鼠標(biāo)球運(yùn)動(dòng)、鼠標(biāo)擴(kuò)展、鼠標(biāo)和鍵盤導(dǎo)航?？蛇x擇不同攝像機(jī)進(jìn)行視角跳轉(zhuǎn)?？蛇M(jìn)行圖形窗口的渲染設(shè)置，例如更改背景、隱藏對(duì)象、顯示對(duì)象、雙線性過濾等?？墒褂昧Ｗ酉到y(tǒng)進(jìn)行特效模擬。用于觸發(fā)的事件包括世界啟動(dòng)、世界停止、鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊、鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊、鍵盤按鍵按下、鍵盤按鍵彈起等。也可自定義事件。

本次實(shí)例的大多數(shù)動(dòng)作都是通過此途徑實(shí)現(xiàn)的，所以在這里主要介紹一下此途徑的一些核心操作和注意點(diǎn)。

(1)對(duì)于載入的.c3d文件，首先建立一個(gè)虛擬物，將其作為一個(gè)整體，與事件啟動(dòng)、控制球組成一個(gè)最簡(jiǎn)單同時(shí)也是最有效的事件控制，通過此設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)以及放大、縮小，便于設(shè)計(jì)者對(duì)整體場(chǎng)景有比較好的把握，同時(shí)有利于形成對(duì)后續(xù)事件的設(shè)計(jì)思路。就交互性而言，這一步操作至關(guān)重要，同時(shí)也是后續(xù)事件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

(2)在進(jìn)行交互功能的設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者需要做一個(gè)大概的流程規(guī)劃，流程規(guī)劃在一定程度上直接影響交互體驗(yàn)的感受，而且好的流程規(guī)劃更節(jié)省內(nèi)存。

(3)在交互功能的設(shè)計(jì)過程中，事件窗口和演示窗口要同時(shí)進(jìn)行，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行改正，否則到最后發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，又要從頭開始找，降低了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于設(shè)計(jì)的交互控制，最好能做到易讀性，這樣不僅便于自己的修改，而且也便于其他人的閱讀和改正。此實(shí)例的交互設(shè)計(jì)過程如圖3所示。

圖3 模型交互設(shè)計(jì)界面

2.3.2 利用Java自編程動(dòng)作

由于Cult3D是使用Java語言開發(fā)，所以借助Java使用Cult3D可以獲得更強(qiáng)大的交互功能。為Cult3D編Java類，必須使用Cult3D專用類包Cult3DDevelop.jar，這個(gè)文件一般放在Cult3D Designer的安裝目錄下。

編寫好Java類并用編譯工具生成*.class文件后，就可在Cult3D Designer中通過拖拉操作使用Java類的功能了。具體在Cult3D Designer中，點(diǎn)擊View Java Action打開對(duì)話框，添加要用的Java類。

2.4 導(dǎo)出.c3p和.co格式文件

交互設(shè)計(jì)完成后，將其保存為Cult3DProject文件，文件格式是.c3p，便于以后的修改，然后利用file菜單下的Save Internet fle，把3D模型導(dǎo)出為.co格式文件。

在Cult3D Designer演示窗口的汽車變速器虛擬物體如圖4所示(將此虛擬物在Cult3D中保存得到.c3p格式文件，可在Cult3D中進(jìn)行反復(fù)修改)。

圖4 演示窗口

2.5 發(fā)布.co格式文件

發(fā)布.co格式的文件，插入到Html文件中在網(wǎng)上發(fā)布。

3 結(jié)束語

基于Cult3D技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)試技術(shù)，將Cult3D技術(shù)有機(jī)地融入多媒體教學(xué)資源和教學(xué)情境的設(shè)計(jì)、開發(fā)之中，可以為學(xué)生創(chuàng)建更多、更好、更真實(shí)的操作環(huán)境，其生動(dòng)、逼真的感性測(cè)量可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，打破硬件設(shè)備的限制，完成機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)工程實(shí)例的測(cè)試任務(wù)，真正做到無硬件支撐環(huán)境下的實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)在不用增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的情況下培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

[1] 何炳蔚.“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013(6):90-92.

[2] 許鳴宇,劉軍.美國工程類本科教學(xué)模式淺議:以內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)為例[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(5):122-125,12.

[3] 慕麗,王欣威.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探討[J].裝備制造技術(shù),2010(1):212-214.

[4] 薛勇,于新峰.Cult3D技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)課件開發(fā)中的運(yùn)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007(10):68-70.

[5] 張小萍,肖芝,王君澤.Cult3D平臺(tái)上的立體車庫三維仿真[J].機(jī)械制造,2012(9):35-37.

[6] 閆龍.基于Cult3D和Java的網(wǎng)絡(luò)虛擬裝配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓,2011(1):98-100.

Researching on Virtual Simulation in Mechanical Engineering Testing Technology Based on Cult3D Technique

Sun Hongchun1， Xu Yong1， Cheng GuiJuan2
1. Northeastern University， Shenyang， 110819， China
2. ShenYang Antomatic Control Research and Design Insitute，Shenyang， 110819， China

Abctact： The traditional teaching model based on theory teaching made the Mechanical Engineering and Testing Technology course with less engineering practice， this paper presents virtual simulation examples of engineering testing technology based on Cult3D technology， teachers will integrate the project into a virtual test environment， so that students can work interactively to fnish some instances' measurement process without hardware resource constraints， and it can improve students' ability of engineering practice and using knowledge.

engineering testing technology； project examples； Cult3D technology； virtual simulation

2014-11-04

孫紅春，博士，副教授。

東北大學(xué)機(jī)械學(xué)院課程改革項(xiàng)目。