基于Cult3D的虛擬土木工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

馮桂珍, 邢海軍, 張?jiān)鰪?qiáng), 池建斌

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043)

基于Cult3D的虛擬土木工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

馮桂珍, 邢海軍, 張?jiān)鰪?qiáng), 池建斌

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043)

綜合利用SolidWorks、3DMax、Dreamweaver、Cult3D等構(gòu)建了一個(gè)具有動(dòng)態(tài)和交互功能的虛擬土木工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬常用的室內(nèi)土木工程試驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)校園網(wǎng)學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),并通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行交互操作,且不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間的制約,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的教學(xué)效果。

虛擬土木工程實(shí)驗(yàn)； 液塑限聯(lián)合測(cè)定； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； Cult3D

土木工程試驗(yàn)(土工試驗(yàn))不僅在工程建設(shè)實(shí)踐中十分重要,而且在土力學(xué)理論的形成和發(fā)展過(guò)程中也起著決定性的作用[1]——土力學(xué)中的許多理論建立在土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。目前,國(guó)內(nèi)許多高校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式、內(nèi)容及要求越來(lái)越高,但實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等卻相對(duì)滯后,因而一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多高校都根據(jù)自身教學(xué)和科研的需要建立了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如VBL100[2]、OWVLab[3]、減速器虛擬拆裝[4]等,虛擬技術(shù)在很多專業(yè)的教學(xué)[5]和軍工[6]、起重機(jī)械[7]等科研方面應(yīng)用廣泛,但關(guān)于虛擬土工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究和建設(shè)的文獻(xiàn)資料較少。筆者在對(duì)Cult3D[8-11]等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)虛擬土工實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)和分析,利用Cult3D技術(shù)和SolidWorks、3ds Max、Photoshop、Fireworks、Dreamweaver等工具,構(gòu)建了一個(gè)具有動(dòng)態(tài)和交互功能的虛擬土工實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的效果。

1 三維模型的創(chuàng)建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)思想和方便學(xué)生學(xué)習(xí)的主旨,采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,構(gòu)建了虛擬場(chǎng)景漫游與土工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括了經(jīng)典的室內(nèi)土工試驗(yàn)項(xiàng)目(見(jiàn)圖1)[12]。利用互聯(lián)網(wǎng),瀏覽者可以隨時(shí)隨地登錄該系統(tǒng)平臺(tái),并通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)虛擬場(chǎng)景和土工試驗(yàn)進(jìn)行交互操作。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

1.2 三維模型的創(chuàng)建

按照?qǐng)D1所示實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,對(duì)虛擬模型進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。虛擬實(shí)驗(yàn)利用Cult3D實(shí)現(xiàn)交互和動(dòng)畫(huà)。Cult3D是一種常用的虛擬現(xiàn)實(shí)交互工具,具有交互性、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬等優(yōu)點(diǎn),在虛擬場(chǎng)景漫游、虛擬交互實(shí)驗(yàn)等方面具有很好的適用性。

由于C3D Designer自身不具備建模功能,為提高建模效率,系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的、基于特征的、參數(shù)化的三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks2012作為建模工具,進(jìn)行零件建模和虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和組裝。Cult3D程序開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。建模過(guò)程需要考慮以下問(wèn)題。

圖2 Cult3D程序開(kāi)發(fā)流程

(1) 模型接口問(wèn)題。SolidWorks裝配完成后需導(dǎo)出格式為stl的文件,才能與3ds Max進(jìn)行接口。3ds Max導(dǎo)入stl文件后無(wú)需調(diào)整相對(duì)位置,與Solidworks裝配一致。

(2) 模型處理。模型導(dǎo)入后,需進(jìn)行材質(zhì)、燈光等效果設(shè)計(jì),以提高視覺(jué)效果；需添加攝像機(jī),以方便后續(xù)不同視點(diǎn)的切換。

(3) 模型分組及軸點(diǎn)設(shè)置。同步運(yùn)動(dòng)的模型需包裝為一個(gè)組,成組后需調(diào)整其軸點(diǎn),否則動(dòng)畫(huà)過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

2 動(dòng)態(tài)與交互功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

Cult3D是完全拖放式的操作軟件。SceneGraph包括各種基于鼠標(biāo)和鍵盤交互和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)工具,根據(jù)需要將對(duì)象和動(dòng)作事件拖放到EventMap窗口,設(shè)置相應(yīng)屬性,關(guān)聯(lián)對(duì)象與動(dòng)作和事件,即可完成交互和動(dòng)畫(huà)功能。本文以常用的塑液限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)為例,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)內(nèi)容與交互設(shè)計(jì)步驟。液塑限聯(lián)合測(cè)定實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)定細(xì)粒土的液限、塑限,計(jì)算塑性指數(shù),給土分類定名,供設(shè)計(jì)、施工使用。

2.1 真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程分析

2.1.1 儀器設(shè)備

真實(shí)試驗(yàn)的儀器設(shè)備主要包括:液塑限聯(lián)合測(cè)定儀、3個(gè)試樣杯(直徑40～50 mm、高30～40 mm)、天平(量程200 g、分度值0.01 g)、烘箱、干燥器、鋁盒、調(diào)土刀、篩(孔徑0.5 mm)、凡士林等。

2.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

(1) 當(dāng)采用天然含水量的土樣時(shí),應(yīng)剔除粒度大于0.5 mm的顆粒,然后分別按接近液限、塑限和二者之間狀態(tài)制備不同稠度的土膏,靜置濕潤(rùn)。靜置時(shí)間可視原含水量大小而定。當(dāng)采用風(fēng)干土樣時(shí),取過(guò)0.5 mm篩的代表性土樣約200 g,分成3份,分別放入3個(gè)盛土皿中,加入不同數(shù)量純水,使分別接近液限、塑限和二者中間狀態(tài)的含水量,調(diào)成均勻土膏,放入密封的保濕器中,靜置24 h。

(2) 將制備好的土膏用調(diào)土刀調(diào)拌均勻,密實(shí)地填入試樣杯中,并使空氣逸出。高出試樣杯的余土用刮土刀刮平,隨即將試樣杯放在儀器底座上。

(3) 取圓錐儀,在錐體上涂以薄層凡士林,接通電源,使電磁鐵吸穩(wěn)圓錐儀。

(4) 調(diào)節(jié)屏幕準(zhǔn)線,使初讀數(shù)為零；調(diào)節(jié)升降座,使圓錐儀錐角接觸試樣面。當(dāng)指示燈亮?xí)r,圓錐在自重下沉入試樣內(nèi),經(jīng)5 s后立即測(cè)讀圓錐下沉深度。

(5) 取下試樣杯,然后從杯中取10 g以上的試樣2個(gè),測(cè)定含水率。

(6) 按上述(2)—(5)的步驟,測(cè)試其余2個(gè)試樣的圓錐下沉深度和含水率。

2.1.3 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

進(jìn)行3次土樣測(cè)定后,根據(jù)圓錐下沉深度和相應(yīng)的含水率,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制關(guān)系曲線,求得圓錐入土深度為17 mm及2 mm時(shí)的相應(yīng)含水率,即分別為細(xì)粒土的液限和塑限。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了使虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程盡量接近真實(shí)試驗(yàn),動(dòng)態(tài)和交互設(shè)計(jì)至關(guān)重要。Cult3D提供了基于鼠標(biāo)和鍵盤的動(dòng)作觸發(fā)機(jī)制,如鼠標(biāo)左、中、右三鍵的點(diǎn)擊、鍵盤按鍵的按下或釋放等,為實(shí)驗(yàn)的交互提供了方便。交互功能實(shí)現(xiàn)主要是設(shè)計(jì)出事件規(guī)劃圖。圖3是液塑限聯(lián)合測(cè)定實(shí)驗(yàn)的事件規(guī)劃圖,主要包括以下內(nèi)容。

圖3 “液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)”事件規(guī)劃圖

2.2.1 基于鼠標(biāo)的動(dòng)態(tài)察看

通過(guò)“鼠標(biāo)-控制球”功能,將整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛虬谝粋€(gè)組內(nèi),將組名拖動(dòng)鏈接到“鼠標(biāo)-控制球”,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)察看。其中,按下左鍵可旋轉(zhuǎn)模型,按下中鍵可平移模型,按下右鍵可縮放模型。

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程的模擬

虛擬實(shí)驗(yàn)利用“對(duì)象平移”、“對(duì)象旋轉(zhuǎn)”等動(dòng)作模擬實(shí)際試驗(yàn)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。例如圓錐儀動(dòng)作的設(shè)計(jì),當(dāng)實(shí)際接通電源時(shí),電磁鐵要吸穩(wěn)圓錐儀。為模擬電磁鐵吸合動(dòng)作,采用2個(gè)z軸移動(dòng),它們的動(dòng)作周期不同,移動(dòng)速度也不同,實(shí)現(xiàn)了先慢后快效果。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的邏輯控制

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程須符合邏輯順序,因而在交互動(dòng)作設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行邏輯控制處理,使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程符合實(shí)際的操作要求。具體實(shí)現(xiàn)包括:

(1) 同一實(shí)驗(yàn)步驟,利用時(shí)間線(TimeLine)控制動(dòng)作的先后邏輯次序；

(2) 不同實(shí)驗(yàn)步驟,通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊“激活事件”,實(shí)現(xiàn)下一操作步驟的開(kāi)啟；通過(guò)“解除事件”,實(shí)現(xiàn)本操作步驟的停止。

2.2.4 視點(diǎn)切換及實(shí)驗(yàn)提示

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了呈現(xiàn)最佳視角,可以進(jìn)行視點(diǎn)的自動(dòng)切換。視點(diǎn)的自動(dòng)切換是通過(guò)更改攝像機(jī)完成的。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有工具提示(Tooltip)功能,該功能與相應(yīng)的模型綁定,提供操作提示信息,如實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)備名稱等。

“液塑限聯(lián)合測(cè)定實(shí)驗(yàn)”的操作步驟如下:

(1) 根據(jù)操作提示“第一步:水平調(diào)節(jié)”,左鍵點(diǎn)擊儀器底座上的水平調(diào)節(jié)螺絲,進(jìn)行水平調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖4)；

(2) 根據(jù)操作提示“第二步:點(diǎn)擊電源按鈕”,將光標(biāo)移動(dòng)到電源按鈕上(面板左下角),左鍵點(diǎn)擊,圓錐儀與電磁裝置吸合,同時(shí)電源指示燈亮(電源按鈕上方)。

(3) 根據(jù)操作提示“點(diǎn)擊零線按鈕指示表歸零”,將光標(biāo)移動(dòng)到零線調(diào)節(jié)按鈕上,左鍵點(diǎn)擊,指示表歸零(見(jiàn)圖5)。

圖4 水平調(diào)節(jié)

圖5 零線調(diào)節(jié)

(4) 根據(jù)操作提示“點(diǎn)擊升降臺(tái)”,將光標(biāo)移動(dòng)到升降臺(tái)上,用左鍵點(diǎn)擊升降臺(tái),升降臺(tái)帶著土樣上升,土樣與圓錐儀接觸后,計(jì)時(shí)指示燈亮。此時(shí)處于自動(dòng)測(cè)量狀態(tài),圓錐儀即自由落下,延時(shí)5 s,讀數(shù)指示燈亮,讀取數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6)。

圖6 圓錐儀下沉讀數(shù)

(5) 根據(jù)操作提示“讀數(shù)后復(fù)位”,將光標(biāo)移動(dòng)到復(fù)位按鈕上,左鍵點(diǎn)擊復(fù)位按鈕,復(fù)位后測(cè)量下一杯土樣。

(6) 點(diǎn)擊另一土樣,重復(fù)以上步驟,完成第二個(gè)土樣的測(cè)試,以及測(cè)點(diǎn)。

(7) 點(diǎn)擊第三土樣,重復(fù)以上步驟,完成第三個(gè)土樣的測(cè)試,以及測(cè)點(diǎn)。同時(shí)在“下沉深度與含水率關(guān)系”坐標(biāo)中顯示測(cè)試后的關(guān)系(見(jiàn)圖7)。

圖7 測(cè)量后作圖

2.3 系統(tǒng)集成發(fā)布

利用Dreamweaver完成系統(tǒng)的最后集成。在Dreamweaver環(huán)境中,編輯網(wǎng)頁(yè)并將co文件嵌入網(wǎng)頁(yè)中。將虛擬實(shí)驗(yàn)的3D部分與實(shí)驗(yàn)輔助信息部分統(tǒng)一風(fēng)格。Cult3D的co文件在Dreamweaver中顯示為ActiveX控件,系統(tǒng)效果如圖7所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬土工實(shí)驗(yàn),改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,且不受設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、時(shí)空的限制。虛擬實(shí)驗(yàn)的三維、動(dòng)態(tài)、交互操作模式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了新的手段,同時(shí)對(duì)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的發(fā)展也具有重要意義。

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Construction of virtual civil engineering experiment platform based on Cult3D

Feng Guizhen, Xing Haijun, Zhang Zengqiang, Chi Jianbin

(Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The system constructes a dynamic and interactive virtual civil engineering experimental platform using SolidWorks,3DMax,Dreamweaver and Cult3D.The platform simulates the common real civil engineering experiment process,through the campus network, the students can carry out the virtual experiment at any time, interact with experiment process with the mouse or keyboard.The system is not limited with the experimental equipment,site,time constraints, which has achieved good teaching effect in application.

virtual civil engineering experiment; computer application; Cult3D

2014- 11- 27 修改日期：2015- 01- 20

河北省教育廳青年基金資助項(xiàng)目(QN20131130)；河北省高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目

馮桂珍(1978—),女,內(nèi)蒙古商都,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).

E-mail：fgz789618@163.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0109- 04