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基于虚拟现实技术的工程图学实验系统的研究与开发

黄小芳  
【摘要】: 工程图学实验是工程图学教学的重要内容。随着虚拟现实技术的的发展,工程图学虚拟实验也逐渐进入高校的实验教学中。利用虚拟现实技术开发研制工程图学实验软件,是对图学实验方法和手段突破性的贡献,其目的是改革传统的落后的实验方法和手段,为学生提供具有沉浸感和交互性的实验软件,在顺利完成传统实验无法实现的各种图学实验的同时,还可以开设许多创新性的实验。 根据工程图学实验的内容、目的不同,本文将工程图学虚拟实验划分了四大实验模块:平面与立体截交实验,立体与立体相贯实验,组合体构型设计实验和虚拟部件拆装实验。其中组合体构型设计实验又包括:目标设计构型实验,读图构型实验,创意构型实验;虚拟部件拆装实验又包括:装配顺序验证实验,拆卸顺序验证实验。通过分析每个实验的特点,选取实验模型,研究模型的建立方法。本文用两种方法建立实验模型:基于计算机图形学技术的方法,基于三维建模软件的方法。 系统以虚拟现实建模语言VRML和程序设计语言Java为平台,用VRML与Java通讯技术实现了实验操作中的交互控制。在系统设计的过程中,分析了多个核心算法并用程序实现,其中包括:平面与立体截交算法,显示切割后立体视图的算法,组合体构型设计实验中的碰撞检测算法,虚拟部件拆装实验中的碰撞检测算法等。 该虚拟实验系统具有如下特点:1、基于网络的平台。系统只需要一台连入网络的计算机作为服务器。学生可以通过上网进行工程图学虚拟实验;2、实验灵活性。实验者可以根据实验目的和实验操作的具体要求,按照需要自主的控制模型进行实验;3、实验操作交互性。随着实验者对立体模型的操作,立体模型会及时响应变化并且实时显示给实验者;4、视图实时变化。在平面与立体截交线实验中,立体模型变化的同时,实验者可以在同一页面中看到模型变化后的视图。 本文的主要创新点包括:1、设计规划了整个工程图学虚拟实验的内容,2、根据实验内容的不同选取了典型的实验模型,研究了模型的建立方法;3、利用VRML和Java实现了整个系统的设计,且所有窗口(包括虚拟模型显示窗口、实验交互操作窗口)均在同一Web页面中显示;4、根据计算机图形学技术建立了平面与立体截交实验、立体与立体相贯实验及组合体构型设计实验的模型,实现了其实验控制的自由性;5、分析并研究了针对该系统中部分实验的算法。 随着虚拟现实技术的不断发展,工程图学虚拟实验将也日渐成熟,成为工程图学教学中不可缺少的部分。基于虚拟现实技术的工程图学实验系统的研制成功,将填补图学虚拟实验平台的空白,对提高教学质量,提升教学实验水平有着重要的意义。


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