基于Cult3D技術的工程測試技術實例虛擬仿真研究

孫紅春 胥 勇 程桂娟

1. 東北大學 遼寧沈陽 110819

2. 沈陽自動控制研究設計院 遼寧沈陽 110819

基于Cult3D技術的工程測試技術實例虛擬仿真研究

孫紅春1胥 勇1程桂娟2

1. 東北大學 遼寧沈陽 110819

2. 沈陽自動控制研究設計院 遼寧沈陽 110819

以理論教學為主導的傳統(tǒng)教學模式使機械工程測試技術課程脫離工程實踐。針對這一情況，提出了基于Cult3D技術的工程測試技術實例虛擬仿真研究，將教師的工程項目整合為虛擬測試環(huán)境，使學生跨越硬件設備資源的限制，通過交互性工程實例的測量過程，提高學生的工程實踐能力、動手能力以及知識運用能力。

工程測試技術；工程實例；Cult3D技術；虛擬仿真

機械工程測試技術課程是面向機械類本科專業(yè)的專業(yè)基礎必修課，隸屬于信息技術。課程主要內容包括傳感器技術、信號分析與處理技術、計算機技術等，是一門理論性和實踐性都很強的課程，是機械與自動化技術連接的橋梁。傳統(tǒng)教學中，理論教學所占比重遠遠超過實踐教學，其主要原因在于學時分配不合理和學校資源不到位。[1]借鑒美國高校的人才教育：高校的實驗教學與課堂教學時常融合在一起[2]，同時，考慮到不同高校的實驗環(huán)境不同，開展了基于Cult3D技術的工程測試技術實例虛擬仿真研究，將課程重要的應用：力的測量、振動測量、溫度測量以及位移測量依附于工程實踐，進行虛擬仿真測試，由主講教師依據具體的講課進度和內容設置與之配套的工程實踐虛擬測試環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力，增加學生對專業(yè)學習的熱情和積極性，啟發(fā)學生對工程實踐中相關事例與情境的深入觀察與思考。[3]

1 Cult3D功能簡介

Cult3D是一種全新的Web3D技術，一個跨平臺的3D引擎，虛擬現(xiàn)實技術在互聯(lián)網上的一種應用，運用該技術制作的具有交互功能的3D課件。[4]利用Cult3D技術可以使網頁設計者制作出3D立體的產品，同時可以用視覺的方式顯示不同事件和功能的交互性，并且放置在網頁中用鼠標控制3D產品的旋轉、移動以及放大、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Maya等三維軟件中的文件導入Cult3D。[5]Cult3D中還有Cult3DDesigner插件和Cult3D player插件，其中Cult3DDesigner為Cult3D主要的設計平臺，通過這一平臺可建立具有交互性能的對象；Cult3Dplayer主要用于Cult3D文件的網絡發(fā)布，使瀏覽器可以播放Cult3D對象并展示其交互功能。

2 汽車變速器振動與噪聲測試的網絡虛擬技術實現(xiàn)

2.1 虛擬化工作流程

Cult3D基于面對對象的思想進行開發(fā)。三維物體作為一個對象，模型下每個節(jié)點都可以作為一個對象，每個對象具有一定的屬性(如顏色、紋理等)。對象可進行一定的動作(如運動、旋轉、放大縮小、粒子特效、動畫播放、聲音播放、粒子系統(tǒng)、復位等)。事件發(fā)生在對象身上，可觸發(fā)對象的某個屬性或動作的改變。

一個完整的Cult3D例程可以通過以下步驟實現(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中導入，再導出.c3d文件，或者采用PolyTrans模型轉換軟件將文件格式變換為3DMax可讀出的格式，作為中轉，轉化為.c3d格式。本次汽車變速器建模，首先采用SolidWorks軟件進行三維模型的構建，然后將其保存為.stl格式文件，導入3DS Max進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軟件中進行虛擬。汽車變速器三維模型構建的流程如圖2所示。

圖2 汽車變速器建模流程

2.3 三維模型交互設置

啟動Cult3D Designer，點擊“fle”按鈕，選擇添加Cult3D Designer文件，將之前保存好的.c3d格式文件導入，為三維模型加入互動效果、事件和聲音等。Cult3D Designer已經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的效果。Cult3D中為了提高用戶的交互體驗，使用了面對對象的開發(fā)方法。可以按照用戶動作、事件、瀏覽對象三方面去設計瀏覽過程中的交互環(huán)節(jié)，觸發(fā)對象完成某種動作。動作的完成主要有以下兩種實現(xiàn)途徑。

2.3.1 開發(fā)平臺中自帶動作

對象運動有繞xyz軸旋轉、平移、縮放、復位、動畫播放、動畫停止等動作。交互運動有鼠標球運動、鼠標擴展、鼠標和鍵盤導航?？蛇x擇不同攝像機進行視角跳轉?？蛇M行圖形窗口的渲染設置，例如更改背景、隱藏對象、顯示對象、雙線性過濾等?？墒褂昧Ｗ酉到y(tǒng)進行特效模擬。用于觸發(fā)的事件包括世界啟動、世界停止、鼠標左鍵點擊、鼠標右鍵點擊、鍵盤按鍵按下、鍵盤按鍵彈起等。也可自定義事件。

本次實例的大多數(shù)動作都是通過此途徑實現(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。

(1)對于載入的.c3d文件，首先建立一個虛擬物，將其作為一個整體，與事件啟動、控制球組成一個最簡單同時也是最有效的事件控制，通過此設置，可以實現(xiàn)對整體結構的旋轉、移動以及放大、縮小，便于設計者對整體場景有比較好的把握，同時有利于形成對后續(xù)事件的設計思路。就交互性而言，這一步操作至關重要，同時也是后續(xù)事件設計的基礎。

(2)在進行交互功能的設計之前，設計者需要做一個大概的流程規(guī)劃，流程規(guī)劃在一定程度上直接影響交互體驗的感受，而且好的流程規(guī)劃更節(jié)省內存。

(3)在交互功能的設計過程中，事件窗口和演示窗口要同時進行，以便及時發(fā)現(xiàn)問題進行改正，否則到最后發(fā)現(xiàn)問題時，又要從頭開始找，降低了設計效率。對于設計的交互控制，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。此實例的交互設計過程如圖3所示。

圖3 模型交互設計界面

2.3.2 利用Java自編程動作

由于Cult3D是使用Java語言開發(fā)，所以借助Java使用Cult3D可以獲得更強大的交互功能。為Cult3D編Java類，必須使用Cult3D專用類包Cult3DDevelop.jar，這個文件一般放在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，點擊View Java Action打開對話框，添加要用的Java類。

2.4 導出.c3p和.co格式文件

交互設計完成后，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中進行反復修改)。

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文件中在網上發(fā)布。

3 結束語

基于Cult3D技術的網絡虛擬測試技術，將Cult3D技術有機地融入多媒體教學資源和教學情境的設計、開發(fā)之中，可以為學生創(chuàng)建更多、更好、更真實的操作環(huán)境，其生動、逼真的感性測量可以增加學生學習興趣，打破硬件設備的限制，完成機械工程測試技術工程實例的測試任務，真正做到無硬件支撐環(huán)境下的實踐教學，同時在不用增加實驗學時的情況下培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

[1] 何炳蔚.“機械工程測試技術”課程教學改革與實踐[J].江蘇經貿職業(yè)技術學院學報,2013(6):90-92.

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

[3] 慕麗,王欣威.機械工程測試技術基礎課程教學改革探討[J].裝備制造技術,2010(1):212-214.

[4] 薛勇,于新峰.Cult3D技術在網絡課件開發(fā)中的運用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007(10):68-70.

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

[6] 閆龍.基于Cult3D和Java的網絡虛擬裝配技術的實現(xiàn)[J].機床與液壓,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。

東北大學機械學院課程改革項目。