基于不同引擎的機械基礎(chǔ)仿真實驗室方案比較

鄭耿樂

摘 要：總之運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗的計算機教學平臺都將采用參數(shù)化建模和運動過程仿真技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境，提供可裝配的常用零部件、傳動機構(gòu)和常用設(shè)備，使學生能夠直觀的觀察元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且能夠親自動手完成虛擬裝配。

關(guān)鍵詞：機械基礎(chǔ)；引擎；實驗室

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）15-020-01

近幾年來，隨著職業(yè)教學改革的不斷深入對學生解決工程實際中遇到的裝備出現(xiàn)的各種問題的有了更高要求。傳統(tǒng)的實驗教學手段已經(jīng)不能滿足新形勢下的教學要求，從而面臨諸如實驗室建設(shè)費用高昂、教員指導難以到位、教學目標難以落實等具體困難。常用零部件、傳動機構(gòu)運動復雜，機構(gòu)抽象，大多數(shù)學生并沒有見過真正的實物和設(shè)備，在理論課程中很難讓學生完全明白其運動原理和結(jié)構(gòu)，導致教學目標難以落實，對專業(yè)課程的開展沒有起到最佳的支撐。

針對上述傳統(tǒng)實驗教學中存在的教學方法單一、知識學習和實驗動手操作相互分離，學生缺乏學習主動性和創(chuàng)造性等問題，通常采用虛擬仿真實驗室來來進行課題實驗教學。隨之3D技術(shù)的不斷發(fā)展可選用的3D引擎越來越多，下面就筆者在以往項目開發(fā)中使用的兩種3D引擎——unity3D和Vega Prime來談談機械基礎(chǔ)虛擬仿真實驗室的設(shè)計方案。

一、基于Vega Prime引擎的設(shè)計方案

Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司推出 最新虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具、具有面向?qū)ο?、功能強大、界面友好、平臺兼容性好等特點。Vega Prime是一個應用程序編程接口（API），它大大擴展了Vega Scene Graph，也是一個跨平臺的可視化模擬實時開發(fā)工具。它由Lynx Prime圖形用戶界面配置工具、C++頭文件可調(diào)用函數(shù)以及Vega Prime庫三部分組成。Vega Prime的功能還可以被其他特殊功能模塊所擴展，這些模塊在擴展用戶接口的同時，也為應用開發(fā)提供了功能庫。

基于Vega Prime虛擬實驗室方案流程圖如圖1所示。

方案一采用MultiGen Creator完成所需模型的建立，然后采用Visual C++ 編程驅(qū)動、控制Vega Prime場景中的模型。MultiGen Creator是一個強有力的、集為一體的套裝軟件，其長處是用來開發(fā)諸如大地、海洋、天空等視景仿真數(shù)據(jù)庫。對于機械基礎(chǔ)仿真實驗室系統(tǒng)所需要的諸如發(fā)動機、變速器、差速器等機械裝配體模型建模比較困難。

二、基于unity3D的設(shè)計方案

Unity3d是Unity Technologies開發(fā)的一款跨平臺虛擬仿真開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)三維引擎。該引擎支持DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染通道，支持所有主要三維文件格式，并能和大部分相關(guān)應用程序協(xié)調(diào)工作。運用C#編寫的腳本可以靈活實現(xiàn)多種虛擬仿真應用?；趗nity3D的虛擬仿真實驗室設(shè)計方案如圖2所示。

采用方案二最大的好處是支持AutoDesk 3ds Max制作導出的模型（*.fbx），常用機械設(shè)計軟件諸如UG、solidworks以及proE主要優(yōu)勢在于參數(shù)化建模，使用它們制作的模型由于拓撲結(jié)構(gòu)太亂、面數(shù)太多等原因基本不能在unity3D中直接使用。采用3ds Max制作的模型即可逼真反映機械零部件機構(gòu)特點同時還可以方便的制作出原理、拆裝動畫，并且在unity3D中可以直接通過程序調(diào)用已經(jīng)制作好的動畫。因此可以極大縮短項目開發(fā)周期。因此可以極大縮短項目開發(fā)周期。

三、其它類型引擎的方案

適合開發(fā)虛擬實驗室的引擎很多，如果是有程序開發(fā)基礎(chǔ)的，建議選擇OSG、OGRE等開源虛擬現(xiàn)實平臺。 OpenSceneGraph（簡稱OSG）使用OpenGL技術(shù)開發(fā)，是一套基于C++平臺的應用程序接口（API），它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。特別是OSG支持骨骼動畫、關(guān)鍵幀動畫等各種流行的動畫，它可以把3DMAX建立的動畫模型轉(zhuǎn)化成OSG格式導入到項目中進行控制，從而極大加快開發(fā)速度。

總之運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗的計算機教學平臺都將采用參數(shù)化建模和運動過程仿真技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境，提供可裝配的常用零部件、傳動機構(gòu)和常用設(shè)備，使學生能夠直觀的觀察元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且能夠親自動手完成虛擬裝配。學生通過裝配和裝配后的元件選擇、虛擬搭接機構(gòu)的工作過程有直觀深入的認識，從而提高對工作原理的理解，繼而提高學生任職能力。具體采用何種方案還需要根據(jù)還需參考模型制作任務以及程序開發(fā)的開發(fā)習慣。endprint