工程制图虚拟系统整体结构设计分析

第一章绪论

1.1虚拟实验室在国内外的研究现状
虚拟实验室最大的优点是成本低，不需要购买昂贵的实验设备因此会节省下一大笔维护实验设备的费用，同时虚拟实验室通过模拟现实的实验设备，可以随时随地的进行实验操作。虚拟实验室的基本特征是:与现实的一致性(或现实的延伸)、高度交互性以及实时的信息反馈。目前国外比较著名的虚拟现实实验室有:
(1)美国微软公司开发的TechNct虚拟实验室[2]微软公司开发的Tecl创虚拟实验室能提供所有Microsoft企业产品的技术信息，通过TechNct可以不用在自己的机器上安装就可以立刻试用微软的各种新产品，只需要使用浏览器就可以进行实验，而不需要安装任何软件或者虚拟机，不论是对珑crosoft的企业产品进行测试、部署或者是技术支持。
(2)卡耐基梅隆大学的lrydium[3]卡耐基梅隆大学的IrydiuLrn项目始于2000年，它是一个利用JAVA技术开发的一套基于网络的化学虚拟实验室。使用者通过计算机和网络就可以访问并使用LYdium的资源，随时随地进行化学课程的学习或实验操作。丘Ydium提供数以百计的化学试剂和各种操作方式，研究人员可以自行设计化学实验然后对结果进行测试，例如溶解度实验、酸碱性实验、氧化还原实验等等。
(3)HolardHugh医学院开发的Biointeractive[#]Biointeractive由4个单元组成—虚拟实验室、仿真动画、虚拟展示馆、网络视频。通过BiointeractiV。人们不仅可以学习到有关生物科学及生物技术的各种知识，并可以通过Biointeractive提供的虚拟实验室进行生物化学的研究。例如在虚拟实验室部分，人们可以通过Bioint~tive进行诸如转基因虚拟实验、心脏病研究、人体免疫等实验操作;仿真动画可以告诉我们血液如何流动、细菌侵入人体的过程等问题。2虚拟实验室国内研究现状伴随虚拟实验技术在国内的不断发展，从上世纪90年代末开始，国内一些大学以及机构也纷纷开始虚拟实验室系统的开发。目前国内比较著名的虚拟实验室有:
(l)中科院天文学网络虚拟实验室天文学网络虚拟实验室的目标是集成、整合国内主要的大型光学天文望远镜等稀缺性科研资源，向禾杆开人员、高校师生和公众提供互联网上的远程协同观测服务以及围绕天文望远镜的数据共享平台和协同科研环境。天文学网络虚拟实验室由服务中心、观测站控制中心、客户端三部分组成。
(2)华中科技大学的机械工程测试技术虚拟实验室该实验室结合教学需要，将Java技术与虚拟仪器技术结合，开发的一个网络化虚拟实验室，实现了测试技术课程网上仿真实验。同时华中大学开发的DRVI快速可重构虚拟仪器实验平台，采用软件总线开放结构和CON灯DCOM组件即插即用特性设计，具有计算机硬件模块化组装特点和在线编程等优点，可用于工业测控、科学实验、远程教育和实验教学等领域。
(3)中南大学虚拟实验室[l3]中南大学的虚拟实验室是一个基于构件和研几b服务的虚拟实验平台，可实现计算机、通信和信息安全专业主要专业课程的虚拟实验。目前己经成功开发了《数字图像处理》、《计算机组成原理》、《数字通信原理》、《数字信号处理》、《密码学》、《C语言程序设计》等多个虚拟实验室系统。此外清华大学、复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、中山大学、北京航空航天大学等也相应建立了虚拟实验室并应用于科研和教学中。

1.2发展趋势
(l)将虚拟仪器实验室和虚拟现实实验室相结合。虚拟实验室的人机界面目前多采用WMP技术，即以窗口、图符、菜单指向为特点的人机界面技术。引入虚拟现实技术和人工场景技术，使用数字化仿真工具，可使操作者与虚拟仿真环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感，用户使用虚拟原型交互仿真界面对虚拟原型进行操作。
(2)协作式虚拟实验室科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因此，基于协作虚拟原型的协同设计方法将成为协同设计实现的一种重要思路[l6]。
(3)自适应虚拟实验室，自适应是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征，直观地说，自适应实验即指能更正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境，该系统的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能。

1.3课题的研究目的和意义
画法几何及工程制图是许多专业的主干基础课，担负着培养学生空间想象能力、绘制和阅读机械工程图样的能力等重要任务。该课程主要包括画法几何与工程制图两大部分，画法几何培养和发展学生将空间形体转化为二维图形的能力，探讨空间点、线、面的投影规律及在平面的表示;工程制图则是培养学生应用画法几何中的原理进行阅读和绘制工程图纸的能力。但是传统的画法几何及工程制图教学在教学方法上一直存在一些不足，主要表现在以下几个方面:
(l)画法几何及工程制图的传统教学方法是在课堂上进行黑板作图，不仅费时，而且准确性差，尤其是立体图难以直观准确地在黑板上做出[20]，在授课过程中采用挂图和模型虽可解决上述问题，但是挂图和模型由于是事先订制，缺乏灵活性，降低了学生的学习兴趣与积极性。

    1.4 主要研究的内容 ...................13-15
第二章 虚拟现实的基本理论与关键技术 ...................15-22
    2.1 虚拟现实技术概述 ...................15-16
    2.2 虚拟现实技术的基本特征 ...................16-18
    2.3 虚拟现实的关键技术 ...................18-19
    2.4 虚拟现实技术的应用 ...................19-21
    2.5 本章小结 ...................21-22
第三章 画法几何及工程制图虚拟实验室总体设计 ...................22-34
    3.1 虚拟实验室开发平台 ...................22-30
    3.2 工程制图虚拟实验室开发平台选取................... 30
    3.3 虚拟实验室设计方案 ...................30-32 
    3.4 本章小结 ...................32-34
第四章 工程制图虚拟实验室的设计与开发 ...................34-63
    4.1 虚拟实验室模型的建立及导入 ...................34-37
    4.2 功能模块设计 ...................37-57 
    4.3 界面设计 ...................57-60 
    4.4 系统优化 ...................60
    4.5 虚拟实验室发布 ...................60-61
    4.6 虚拟实验室配置要求 ...................61-62
    4.7 本章小结 ...................62-63

总结

本文以国家精品课程建设为背景，以辅助画法几何及工程制图教学为目的，设计并开发了一套基于虚拟现实技术的画法几何及工程制图虚拟实验室系统。本文在对几个虚拟现实技术开发平台做了认真分析对比的基础上，确定了系统的开发平台，进而对实验室实验功能框架进行了整体设计，最后借助开发平台完成了对系统的开发。论文的主要工作如下:
(l)从技术特性、开发路线、作品发布、功能扩展等几个方面对常用虚拟现实系统开发平台进行分析比较，从而确定了工程制图虚拟实验室的开发平台，并从实验功能及关键技术两方面对工程制图虚拟实验室进行了整体架构设计。
(2)Virtools本身没有建模功能，因此在对故Is模型导入技术分析研究的基础上，联系工程制图虚拟实验室所用模型特点，采用Solid认/Orks与3DSM欧共同完成实验模型的建立，并对模型格式转换、模型导入场rtools中出现的一些问题给出了具体的解决方案。制图虚拟实验室所采用的建模路线也为其它机械类CAD软件模型应用于场rtools开发平台提供了参考。
(3)首次利用劝noolS开发平台完成了包括认识立体、投影理论、立体相贯、组合体分析、标准件演示、装配体拆装在内的六大虚拟实验交互功能的开发。完成了系统界面所需按钮、文字的制作。同时，为了增加实验效果，为某些实验增加了讲解视频。
(4)对系统进行测试，并从模型、图片、文件加载方式等几方面对虚拟实验室系统进行优化，最后将系统以网页和EXE两种方式进行发布，师生可根据自身需要选择合适的系统版本。

参考文献

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