運用VRML提高模像直觀的教學創新與研究

仝兆景 張 科 楊 藝 王大虎

河南理工大學 河南焦作 454000

運用VRML提高模像直觀的教學創新與研究

仝兆景 張 科 楊 藝 王大虎

河南理工大學 河南焦作 454000

針對傳統教學中模像直觀在表達上不足，提出運用基于VRML的虛擬現實技術來增強建模對象的真實感，結合實例給出了逼真、生動模型的建模方法和豐富動態交互功能的實現方法。

VRML；模像直觀；虛擬現實

隨著社會的發展，高等教育理論方法的不斷創新和素質教育的進一步推進，諸多新技術、新理念、新手段被不斷地引入教育教學環節，極大地提高教育教學質量和效率。教學中常用的模像直觀通過對事物的模擬性形象直接感知而進行的一種直觀方式，例如圖片、圖表、模型、幻燈片和教學電影電視等的觀察和演示等。通過模像直觀的方式可以人為地排除無關因素，突出本質要素；可根據觀察需要，通過大小變化、動靜結合、虛實互換、色彩對比等方式擴大直觀范圍，不受實物直觀的局限，提高直觀效果，擴大直觀范圍，因此它已成為現代化教學的重要手段，是現代教育技術學研究的重要內容。但模像直觀也有模擬形象與實際事物之間有一定描述差距的不足，如何減少這種差距，成為當前教學實踐中要解決的首要問題。

虛擬現實技術誕生于20世紀90年代，它集計算機、傳感與測量、仿真、微電子等技術于一體，它可利用計算機生成一個逼真的三維視覺、觸覺以及嗅覺等感覺世界，讓參與者從自己的視點出發，利用各種傳感設備，在與現實世界對應的虛擬世界進行瀏覽和交互式互動。經實際使用證明，將基于VRML的虛擬現實技術用于教學實踐，可極大提高教學對象的直觀度，改善教學效果，提高教學質量。

1 基于VRML的教學對象建模

VRML虛擬場景應用節點(Node)建模，利用對象及其屬節點構建復雜系描述?；赩RML的教學對象三維建模一般由Shape節點定義，這些特征定義了創建放置在虛擬空間中的造型。一個造型的確切幾何尺寸和外觀由給定節點和節點域的選擇值控制。造型的外觀由Appearance和Material節點來描述。VRML提供4種原始幾何造型，它們是Sphere，Box，Cylinder和Cone節點。任何復雜的設備、傳感器、儀表可通過Box，Cylinder，Sphere，Cone基本形體節點和Extrusion，IndexedFaceSet等生成復雜形體的節點進行分別實現。形狀特殊的部件，還可以用3D成型軟件如UG，Maya，Pro/E和SolidWorks，利用它們先進行三維建模，通過Export輸出VRML文件(.wrl)，再調入Vrmlpad進行編程，經過處理后參與整體的組合，這樣可簡化編程，對壓力表的三維建模如圖1所示。

圖1 壓力儀表的三維建模效果

2 動態交互功能的實現

在教學中不僅要求模擬對象有逼真的外觀及效果，還應該有符合實際的動態交互功能，如設備儀表的拆裝、器件的透明化處理、開關、按鈕的交互操作、器件工作原理的模擬等。VRML2.0新增了許多動態交互功能，如通過路由實現的事件入、事件出體系，通過事件體系，事件可以蔓延傳播從而引起其他節點的變化，形成交互操作；在實際操作中，也可結合VrmlScript與JavaScript實現虛擬場景的動態交互，它利用Script節點，控制場景和用戶的交互過程的邏輯控制以及場景內三維物體的運動，VrmlScript或JavaScript腳本語言，通常作為一個事件級聯的一部分而執行，實質上是一段可執行的程序；對于復雜交互動作實現，VRML2.0提供的外部編程接口，通過EAI利用Java Applet編程可以讀取或發送三維場景中節點的事件消息，使VRML2.0虛擬世界與外部對象實現互動溝通。

VRML完成動態交互效果實質上是依靠觸發一個給定的時間傳感(TimeSensor)和一系列各種各樣的插補器節點實現的關鍵幀動畫，由時間傳感器給出一個控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包含了關鍵動畫的開始、停止時間、時間間隔和是否循環等動畫控制參數，然后通過這個時鐘的輸出，通過將這些事件入TimeSensor節點的eventOut通過路由傳到其他節點，當TimeSensor節點的時鐘計時，可以在虛擬場景中驅動各種插補器節點，VRML瀏覽器根據插補器節點的設置通過線性插值的方法生成模型的位置或狀態數據，并將數據輸出至相應的模型節點，從而完成整體動態交互。

電機速度檢測及停轉報警是通過以下程序實現：

程序模塊中定義名為Speedcontrol的Script節點，Script節點又定義了布爾型的域RotateEnable和SFTime型的入事件ClickIn和布爾型的出事件Control。電機處于轉動狀態時，轉動的速度通過OrientationInterpolator節點的key[]和keyValue[]的域值結合時間傳感器來控制：事件入口S e t_fraction接收一個時刻值時，朝向插補器節點根據關鍵時刻列表和與其對應的旋轉關鍵值列表，計算出一個旋轉關鍵值列表，并通過Value_changed事件出口輸出新算出的旋轉列表，從而使轉子不停地轉動，轉速的大小由時間傳感器TimeSensor節點的CycleInterval域的值決定。

由于布爾型的域RotateEnable在初始狀態為TRUE，所以虛擬場景引入時電機處于轉動狀態，對電機停轉情況的報警可從點擊關閉電機開關這一事件分析起，點擊電機開關這一動作由觸動傳感器傳送到Script節點，ClickIn(value，ts)函數被調用，點擊后RotateEnable取其反即FALSE，Script節點不會觸發時間傳感器，電機就會停下，一旦電機停下，“print('報警!電機停止轉動');”語句就會被調入，通過Cortona控制臺彈出狀態窗口，提示：報警!電機停止轉動(如圖2所示)。相應的報警還可用于錯誤操作、壓力異常、速度異常、液面異常等情況。

圖2 電機停轉報警

3 VRML在傳感器技術教學中的應用

傳感器技術是電子信息技術與儀器、測控等專業課程中的一門基本課程，主要講授常用傳感器及儀表的基本原理、基本結構、應用特性以及使用方法。傳統教材上關于傳感器的二維圖表及圖片對空間想象能力較差的學生來講，對知識的掌握程度勢必降低。而虛擬現實的引用較好實現了計算機對傳感器模型及應用特性的表達，在學習者的控制下可以任意位置的觀察三維模型并實現交互操作，這是傳統教學所無法實現的。如圖3所示，教學對象建模示意圖，根據實際教學對象，運用VRML建立虛擬模型，這個模型在教學實踐中不僅可用于學生觀察和模擬操作，還能通過虛擬模型的信息反饋，強化學生在學習中對實際設備、傳感器的認識，利于增進學生對實際器件性能的掌握，且不會因為誤操作而損傷設備或儀器。教師在教學中可以依據信息反饋，對虛擬模型不斷優化，甚至還能為實際傳感器或儀表的參數優化提供建議。

圖3 教學對象建模示意圖

4 結束語

運用VRML建立的三維虛擬模像直觀虛擬場景，充分體現了V R M L構建對象交互性強、靈活性大等優點，學生可按照自己的興趣，根據自身的學習情況，在虛擬場景親身參與和體驗，從而輕松愉快地獲得知識，提高知識的理解力和掌握程度。隨著計算機技術的發展和人們對教學手段方法的創新和研究，基于VRML的虛擬現實將會在深化教學改革中發揮更大的作用。

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Abstract: Due to the insufficiency of expression in the traditional teaching, the virtual reality technology based VRML was presented to improve the third dimension, instances was given to describe how to conceive the vivid and pleasing model, and how to achieve the function of dynamic interaction in virtual world.

Key words: VRML; model simulation; virtual reality

Teaching research and innovation in using VRML to improve model simulation effect

Tong Zhaojing, Zhang Ke, Yang Yi, Wang Dahu
Henan polytechnic university, Jiaozuo, 454000, China

2010-11-08

仝兆景，碩士，講師。

河南理工大學教育教學改革研究項目(編號：2008JG048)。