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開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇三維仿真論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞三維建模技術(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；模型優(yōu)化；層次模型
中圖分類號(hào)TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1000-2537（2014）02-0090-05
為了在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中生動(dòng)形象地模擬自然環(huán)境之中人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)以及運(yùn)動(dòng)等行為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1].經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)新型研究方向，獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及企業(yè)的廣泛關(guān)注并引起濃厚的研究興趣[2-3].在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，三維建模是該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵步驟和核心技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[4].由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要較高的實(shí)時(shí)性，而三維建模的優(yōu)劣直接影響整個(gè)這類系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[5]，這使得三維建模成為了此項(xiàng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，而三維建模流程的優(yōu)化又成為了重中之重.
目前，關(guān)于三維建模流程的優(yōu)化研究主要集中在模型階段，其中部分研究取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果[6-7].然而，如果在三維建模之前各模型分塊不合理的話，就會(huì)導(dǎo)致建模過(guò)程耗時(shí)較大，從而大大降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.針對(duì)這種情況，論文基于過(guò)程的思想，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型優(yōu)化兩方面對(duì)整個(gè)三維建模流程進(jìn)行優(yōu)化.同時(shí)，論文還提出了一個(gè)新型層次模型簡(jiǎn)化算法以進(jìn)一步縮減三維建模流程中模型間優(yōu)化的時(shí)間間隔.
6結(jié)束語(yǔ)
論文對(duì)三維建模進(jìn)行研究，基于過(guò)程優(yōu)化思想，提出了一個(gè)新的三維建模流程優(yōu)化方法.同時(shí)，針對(duì)其中的模型簡(jiǎn)化也進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)層次性模型簡(jiǎn)化算法.通過(guò)模擬聯(lián)合站系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，所提三維建模流程優(yōu)化方法在建模總體效果和實(shí)時(shí)性兩個(gè)方面，都具有一定的優(yōu)越性.
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【關(guān)鍵詞】水下機(jī)器人；視景仿真；運(yùn)動(dòng)模型；OGRE0.引言
發(fā)展海洋是新時(shí)代的必然趨勢(shì)，水下機(jī)器人對(duì)海洋開(kāi)發(fā)、海洋調(diào)查測(cè)繪及相當(dāng)多水下作業(yè)都有舉足輕重的作用。水下機(jī)器人系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)中，仿真技術(shù)可以縮短其研制周期、提高研發(fā)質(zhì)量和減少經(jīng)費(fèi)，避免因系統(tǒng)故障時(shí)導(dǎo)致其丟失的嚴(yán)重后果。三維視景仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、航海、航空航天、游戲及醫(yī)療等領(lǐng)域，是集圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展的一門綜合性技術(shù)。
3Dmax與OGRE（Open-source Graphics Rendering Engine）是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的嵌入Windows三維模型仿真技術(shù)。它性能卓越，API具有良好的可移植性。本文通過(guò)3Dmax建模和OGRE 3D引擎作為仿真平臺(tái)，及Qt設(shè)計(jì)窗口，在Visual Studio2008環(huán)境下完成仿真。
首先配置好VS2008和OGRE開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要是一些插件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，定義OGRE將要使用的資源，選擇并設(shè)置渲染系統(tǒng)。通過(guò)初始化使用一些資源，并用這些建立一個(gè)場(chǎng)景，啟動(dòng)渲染循環(huán)。
1.仿真的一般流程
通常我們先用軟件Creator、3Dmax、Photoshop和Auto CAD等畫出一維、二維及三維的仿真圖形庫(kù)。一些特殊的如仿生魚水下機(jī)器人建立時(shí)圖形仿真時(shí)用到了自由變形計(jì)軸變形及其他樣條曲線理論的支持完成。到最后顯示的視景仿真一般都是通過(guò)Vega或者OpenGL再通過(guò)Visual studio編譯執(zhí)行寫好的虛擬現(xiàn)實(shí)代碼等來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，而且3D仿真大都需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。為了設(shè)計(jì)窗口的方便可能運(yùn)用MFC或其它工具來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)交互窗口，最終形成一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)。
2.模型的建立
通過(guò)3Dmax所得到的水下機(jī)器人三維模型。
根據(jù)國(guó)際水池會(huì)議推薦，建立固定坐標(biāo)系（慣性坐標(biāo)系）和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（附體坐標(biāo)系）上圖的水下機(jī)器人也將按此坐標(biāo)系[1]。
由于完整的六自由度運(yùn)動(dòng)方程具有極強(qiáng)的非線性和耦合性，所以需要我們進(jìn)行解耦進(jìn)而進(jìn)行求解。對(duì)于方程的簡(jiǎn)化與求解大多數(shù)專家并沒(méi)有給出，不過(guò)我們通常根據(jù)不同的水下機(jī)器人的形狀等特點(diǎn)來(lái)適當(dāng)減少式中的未知量及個(gè)數(shù)，一般將各方向的運(yùn)動(dòng)都簡(jiǎn)化為平面運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)化得到的方程式不但有的時(shí)候能讓我們更容易的得到未知量來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，而且對(duì)于水動(dòng)力系數(shù)等得求解也簡(jiǎn)單的多。三自由度、五自由度及六自由度的操縱性方程是最常見(jiàn)的，有的為了方便甚至直接簡(jiǎn)化為一維的線性方程，再通過(guò)一些其他的算法來(lái)趨緊真實(shí)的結(jié)果。
水動(dòng)力模型相對(duì)復(fù)雜，最簡(jiǎn)單就是力、力矩對(duì)速度、加速度、舵角等的一階偏導(dǎo)數(shù)即線性流體水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。這里就不諸一列舉各項(xiàng)研究所用的水動(dòng)力方程，水動(dòng)力系數(shù)的選取與獲得現(xiàn)在一般是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、拖曳實(shí)驗(yàn)及CFD技術(shù)。其中拖曳實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是最準(zhǔn)確的，但是它也受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境及未知因素的影響。CFD技術(shù)已經(jīng)被張赫等人驗(yàn)證了其具有一定的準(zhǔn)確性[2]。
其中附加質(zhì)量及附加質(zhì)量所形成的力及力矩經(jīng)常被放到質(zhì)量矩陣?yán)锩妗埡找蔡徇^(guò)用面緣法來(lái)對(duì)慣性水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估算。張曉頻采用現(xiàn)有的比較成熟的商業(yè)流體力學(xué)軟件FLUENT模擬潛水器的粘性繞流流場(chǎng)，模擬阻力試驗(yàn)、斜航試驗(yàn)和平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（PMM）試驗(yàn)，求解操縱性水動(dòng)力系數(shù)。建立多功能潛水器六自由度運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，編寫仿真程序，預(yù)報(bào)其操縱性能[3]。
帶有均衡潛伏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立，推進(jìn)器的推力模型，舵的水動(dòng)力系數(shù)模型及升降系數(shù)模型，海流模型、海浪模型及帶纜的數(shù)學(xué)模型等。這些模型有的時(shí)候?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)的仿真結(jié)果影響不大，有的時(shí)候卻是起到主要影響作用，因此我們要視情況而定以達(dá)到仿真的最佳效果。梁宵構(gòu)建了舵、翼、槳聯(lián)合操縱的微小型水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，討論P(yáng)DCE運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要組成部分并通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性及可靠性[4]。
3.視景仿真的應(yīng)用
不論我們研究什么理論到最后都要進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證，仿真就是為了使得試驗(yàn)更簡(jiǎn)單，更直觀，風(fēng)方便，甚至可以做到一些現(xiàn)實(shí)中無(wú)法做到的假設(shè)試驗(yàn)。
張赫過(guò)定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)這兩種情況進(jìn)行不同試驗(yàn)形式的模擬計(jì)算，在得到模擬結(jié)果的同時(shí)，給出相應(yīng)循環(huán)水槽試驗(yàn)結(jié)果，最后做出對(duì)比結(jié)果的分析。其中定常運(yùn)動(dòng)包括模擬直航試驗(yàn)和模擬斜航試驗(yàn)，非定常試驗(yàn)包括模擬平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的五種操縱性試驗(yàn)。最后在結(jié)論分析中對(duì)上述三種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了總體的比較和分析，并由試驗(yàn)結(jié)果給出了用于建立潛水器空間運(yùn)動(dòng)方程的各個(gè)系數(shù)。為了我們的研究需要，可以發(fā)揮我們自己的想象合理的去做仿真試驗(yàn)，會(huì)得到意想不到的好處與突破創(chuàng)新。
4.結(jié)論
建立了動(dòng)力學(xué)模型，研究了對(duì)象的水動(dòng)力性能，得到運(yùn)動(dòng)方程所需的水動(dòng)力、重力、浮力、推進(jìn)器作用力等，并在此基礎(chǔ)上建立了以推進(jìn)器為主要操縱方式的運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)完成視景仿真，得到視景仿真的效果圖。我們不但可以做不同的試驗(yàn)來(lái)獲得水下機(jī)器人的操縱性能、適航性及受力變化情況，還可以此來(lái)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上分析與設(shè)計(jì)。之后我們還可以將水下機(jī)器人的高度智能化進(jìn)行視景仿真來(lái)驗(yàn)證與設(shè)計(jì)。還可以對(duì)某些重要的系數(shù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別的仿真實(shí)驗(yàn)，還要繼續(xù)加強(qiáng)視景仿真的真實(shí)性，來(lái)適應(yīng)需求更高的仿真。 [科]
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關(guān)鍵詞：射線跟蹤，規(guī)劃仿真，傳播模型
一、概述各移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商及移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)咨詢單位在進(jìn)行規(guī)劃方案驗(yàn)證時(shí)，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)規(guī)劃仿真軟件使用宏蜂窩傳播模型及20米精度三維電子地圖對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證；然而，宏蜂窩傳播模型的應(yīng)用范圍和自身局限性限制了規(guī)劃方案仿真驗(yàn)證的精度：首先，宏蜂窩傳播模型的應(yīng)用范圍一般在500米以上，而CBD區(qū)域基站的覆蓋半徑一般在500米以下。其次，宏蜂窩傳播模型只能從宏觀上反映方案覆蓋效果，無(wú)法根據(jù)建筑物的高度從微觀上反映局部的覆蓋情況。因此，需要采用更合適的傳播模型配合高精度的三維電子地圖對(duì)CBD區(qū)域的規(guī)劃方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以確保該重點(diǎn)區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建成后的網(wǎng)絡(luò)性能。
目前射線跟蹤模型作為一種高精度的規(guī)劃仿真?zhèn)鞑ツＰ驮诖笾行统鞘懈采w重點(diǎn)區(qū)域的規(guī)劃方案仿真驗(yàn)證中得到廣泛應(yīng)用。本文首先對(duì)射線跟蹤模型的原理進(jìn)行探討，然后以WaveCall公司的WaveSight模型為例說(shuō)明射線跟蹤模型的應(yīng)用方法。其結(jié)果有助于應(yīng)用射線跟蹤模型對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行精確驗(yàn)證，對(duì)規(guī)劃工作有積極的參考和指導(dǎo)作用。
二、射線跟蹤模型簡(jiǎn)介2.1 微蜂窩傳播模型介紹 當(dāng)前傳播模型根據(jù)應(yīng)用范圍可分為宏蜂窩傳播模型和微蜂窩傳播模型，宏蜂窩傳播模型應(yīng)用范圍為1km至幾十km；而微蜂窩傳播模型應(yīng)用范圍僅為幾百米，一般只適用于基站附近區(qū)域。免費(fèi)論文。由于CBD區(qū)域基站的覆蓋一般在500米以內(nèi)，因此應(yīng)用微蜂窩傳播模型對(duì)該區(qū)域規(guī)劃方案的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證更為合適。
微蜂窩傳播模型根據(jù)模型建立方法，可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停_定性模型以及混合模型；
l經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃诖罅繙y(cè)量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，該模型與室外傳統(tǒng)宏蜂窩傳播模型類似，不考慮理論計(jì)算，對(duì)基站附近測(cè)量大量數(shù)據(jù)后統(tǒng)計(jì)歸納出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
l確定性模型
確定性模型是依據(jù)電波傳播理論計(jì)算出接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)之間的傳播損耗。射線跟蹤模型是一種典型的確定性模型，確定性模型不考慮測(cè)量，僅在確定計(jì)算公式中的個(gè)別參數(shù)時(shí)需要測(cè)量驗(yàn)證。
l混合模型
混合模型結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型，一方面混合模型以電波傳播理論為依據(jù)得出電波的傳播模型，同時(shí)需要對(duì)基站附近測(cè)量大量數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)確定傳播模型中的參數(shù)值。
2.2 射線跟蹤模型介紹 射線跟蹤模型是一種確定性模型，其基本原理為標(biāo)準(zhǔn)衍射理論（Uniform Theory ofDiffraction，簡(jiǎn)稱UTD）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射理論，高頻率的電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特性可簡(jiǎn)化為射線（Ray）模型。因此射線跟蹤模型實(shí)際上是采用光學(xué)方法，考慮電波的反射、衍射和散射，結(jié)合高精度的三維電子地圖（包括建筑物矢量及建筑物高度），對(duì)傳播損耗進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
由于在電波傳播過(guò)程中影響的因素過(guò)多，在實(shí)際計(jì)算預(yù)測(cè)中無(wú)法把所有的影響因素都考慮進(jìn)去，因此需要簡(jiǎn)化傳播因素；射線跟蹤算法把建筑物的反射簡(jiǎn)化為光滑平面反射、建筑物邊緣散射以及建筑物邊緣衍射。
根據(jù)考慮路徑的種類不同，射線跟蹤模型可分為三種：
l2D射線跟蹤模型
只考慮水平切面的傳播路徑，即第一類路徑。
l3D射線跟蹤模型
只考慮水平切面以及垂直切面的傳播路徑，即第一類及第三類路徑。
l全3D射線跟蹤模型
考慮所有傳播路徑，即考慮所有第一、二、三類路徑。
三、射線跟蹤模型基本原理射線跟蹤模型的基本原理是簡(jiǎn)化傳播因素，采用光學(xué)方法定位傳播路徑并計(jì)算各接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)之間的路徑損耗；因此，射線跟蹤模型的關(guān)鍵在于如何定位接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)之間的傳播路徑并計(jì)算路徑損耗。免費(fèi)論文。
3.1 水平切面的傳播損耗從發(fā)射源在接收點(diǎn)之間可能存在很多傳播路徑，但是一般只有一到兩條強(qiáng)度最強(qiáng)，在傳播中起主導(dǎo)作用的主導(dǎo)傳播路徑。路徑損耗計(jì)算時(shí)只需計(jì)算主導(dǎo)傳播路徑的損耗即可。免費(fèi)論文。
3.2 垂直切面的傳播損耗 相對(duì)于水平切面的傳播損耗，垂直切面的傳播損耗計(jì)算要簡(jiǎn)單一些，計(jì)算垂直切面的傳播損耗時(shí)，需要首先確定發(fā)射源與接收點(diǎn)之間的垂直傳播路徑，然后計(jì)算其中各個(gè)刀鋒衍射損耗，其路徑損耗為各刀鋒衍射損耗之和。
3.3 射線跟蹤模型簡(jiǎn)要結(jié)論 根據(jù)射線跟蹤模型的理論以及相關(guān)資料，可以得到射線跟蹤模型的簡(jiǎn)要結(jié)論如下：
1.對(duì)近距離的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)， 水平切面算法（2D射線跟蹤算法）起主導(dǎo)作用。
2.全3D方向算法中全3D路徑（即第三類路徑）對(duì)遠(yuǎn)距離的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性影響很大。
3.在整齊規(guī)劃的建筑群中，對(duì)遠(yuǎn)距離的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)，垂直切面算法可取代全3D方向算法。
四、射線跟蹤模型的應(yīng)用 本節(jié)主要以WaveCall公司的WaveSight射線跟蹤模型為例，對(duì)射線跟蹤模型的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。
WaveCall公司的WaveSight射線跟蹤模型作為AIRCOM公司的規(guī)劃軟件Enterprise的插件，可用于高精度的規(guī)劃方案仿真驗(yàn)證。該模型基于標(biāo)準(zhǔn)衍射理論及射線跟蹤算法，綜合考慮電波傳播范圍內(nèi)建筑物的輪廓、高度、地形剖面圖，對(duì)電波的傳播特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
WaveSight模型是一種3D射線跟蹤模型，該模型包括兩種類型路徑：水平切面路徑以及垂直切面路徑。
對(duì)比傳統(tǒng)射線跟蹤模型，WaveSight 具有優(yōu)點(diǎn)十分明顯：首先，WaveSight射線跟蹤模型采用了不同于傳統(tǒng)射線跟蹤模型的算法，空前地提高了計(jì)算效率：該模型完成一個(gè)基站的覆蓋預(yù)測(cè)所需時(shí)間僅是傳統(tǒng)射線跟蹤模型所需時(shí)間的1/3左右，不僅保證了覆蓋預(yù)測(cè)的精度，同時(shí)還保證了覆蓋預(yù)測(cè)的速度。此外，WaveSight 模型使用簡(jiǎn)單，該模型不需要使用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)校，僅需要輸入兩個(gè)參數(shù)：使用頻率及接收端高度。
WaveSight 射線跟蹤模型的缺點(diǎn)是：僅適用于市區(qū)環(huán)境，對(duì)電子地圖精度要求較高，不僅要求地圖精度必須達(dá)到5m 以上，而且要求提供建筑物矢量信息以及高度信息。
五、結(jié)論及后續(xù)工作 本文首先對(duì)射線跟蹤模型的原理進(jìn)行探討，然后給出射線跟蹤模型的簡(jiǎn)要結(jié)論，最后以WaveCall公司的WaveSight模型為例說(shuō)明射線跟蹤模型的應(yīng)用方法。其結(jié)果有助于應(yīng)用射線跟蹤模型對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行精確驗(yàn)證，對(duì)規(guī)劃工作有積極的參考和指導(dǎo)作用。
今后研究工作可以再上述研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開(kāi)，對(duì)全3D射線跟蹤算法進(jìn)行進(jìn)一步的探討，同時(shí)也可以對(duì)其它射線跟蹤模型如WinProp模型等進(jìn)行研究，
進(jìn)一步研究射線跟蹤傳播模型算法，更精確地城市CBD區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及優(yōu)化工作。
【參考文獻(xiàn)】
1．WaveCall公司；《WaveCallPropagationWhitePaper》；2001
2．WaveCall公司；《WavecallCaseStudy》；2001
論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí),分層裝配,運(yùn)動(dòng)仿真,Quest3D
虛擬裝配作為虛擬制造技術(shù)[1-3]的重要組成部分，近年來(lái)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對(duì)敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造模式的實(shí)施具有深遠(yuǎn)影響。利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問(wèn)題。而通過(guò)虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，可模擬產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)精度的準(zhǔn)確度。通過(guò)反饋信息可對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過(guò)可視化顯示裝配運(yùn)動(dòng)過(guò)程。運(yùn)用該技術(shù)不但有利于并行工程的開(kāi)展，而且還可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬裝配改善傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主、裝配滯后于加工設(shè)計(jì)的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法，依據(jù)零件的裝配分層關(guān)系實(shí)現(xiàn)序列拆裝，并給出虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和案例。
1 分層序列裝配模型
由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)零部件之間都有嚴(yán)格的裝配關(guān)系[4-5]，無(wú)論是拆還是裝都需要按照設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)按照其真實(shí)的裝配標(biāo)準(zhǔn)按層次劃分或分解為不同級(jí)別的能夠進(jìn)行獨(dú)立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產(chǎn)品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機(jī)器五個(gè)等級(jí)的裝配體，裝配時(shí)，按照上述等級(jí)依次分解，上一級(jí)包含下一級(jí)子裝配體，下一級(jí)子裝配體又包含更下一級(jí)子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級(jí)裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點(diǎn)在于更清晰表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次關(guān)系，并可以用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，可減少裝配分析的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解過(guò)程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點(diǎn)說(shuō)明：
（1）在裝配模型設(shè)計(jì)中，每一層裝配體都會(huì)存在基準(zhǔn)件，按照裝配工藝要求將基準(zhǔn)件設(shè)為該層序列的第一個(gè)裝配體，以保證滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機(jī)械產(chǎn)品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時(shí)，該類零件則視為部件級(jí)零件，可以直接在相應(yīng)層中進(jìn)行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個(gè)區(qū)，即場(chǎng)景區(qū)和功能區(qū)。場(chǎng)景區(qū)包括攝像機(jī)控制、3D模型導(dǎo)入和顯示、環(huán)境設(shè)置。其中，攝像機(jī)控制是根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)模型及場(chǎng)景的瀏覽漫游功能如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等；3D模型導(dǎo)入和顯示則是基于原始模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和表示，每個(gè)零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設(shè)置包括場(chǎng)景布置、燈光設(shè)置以及UI設(shè)計(jì)。功能區(qū)由五個(gè)功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化及場(chǎng)景設(shè)置
通過(guò)UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Deep Exploration軟件將prt文件模型進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換為dae文件，中學(xué)英語(yǔ)論文然后導(dǎo)入到Quest3D中。Quest3D可對(duì)導(dǎo)入所有數(shù)字內(nèi)容的進(jìn)行設(shè)置和編制。由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個(gè)可裝配的零部件，需要通過(guò)程序定義其在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系，用3D render場(chǎng)景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個(gè)零部件裝配運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個(gè)可裝配零部件的運(yùn)動(dòng)屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運(yùn)動(dòng)方向建立聯(lián)系。在拆或裝時(shí)候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時(shí)，阻尼增大，零件裝配運(yùn)動(dòng)減慢，反之亦然。
場(chǎng)景設(shè)置主要包括光照、攝影機(jī)設(shè)置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點(diǎn)光源從攝像機(jī)的投射方向給予模型物體較好的立體視覺(jué)效果，增強(qiáng)用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機(jī)是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對(duì)空間視窗的對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機(jī)（Object Inspection Camera）作為場(chǎng)景的交互窗口，通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設(shè)定攝像機(jī)的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標(biāo)就可以對(duì)三維場(chǎng)景中所有物體進(jìn)行瀏覽操作。圖4為三維模型導(dǎo)入效果圖中，（a）為一個(gè)二級(jí)減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
Quest3D中的三維模型中各個(gè)裝配體依據(jù)裝配單元建立層級(jí)鏈表，即確定拆裝過(guò)程的序列。每個(gè)裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉(zhuǎn)）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對(duì)裝配體的各個(gè)矩陣中參數(shù)的進(jìn)行改變?cè)O(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)裝配體的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到零部件裝配效果。
虛擬裝配過(guò)程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動(dòng)拆裝方式。整體拆裝是對(duì)整個(gè)模型一次性實(shí)現(xiàn)拆分和裝配過(guò)程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進(jìn)行拆裝；模擬手動(dòng)拆裝則是通過(guò)建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實(shí)拆裝過(guò)程。無(wú)論以何種方式進(jìn)行裝配，拆裝模塊作為獨(dú)立模塊可進(jìn)行重復(fù)調(diào)用，表1為拆裝模塊中相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示。
系統(tǒng)的UI模塊是用戶實(shí)現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機(jī)械產(chǎn)品可根據(jù)其復(fù)雜程度和操作方便性、人性化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可用三維鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時(shí)設(shè)置菜單、按鈕、復(fù)選框等控件進(jìn)行裝配過(guò)程的選擇、設(shè)置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級(jí)變速虛擬傳動(dòng)示意圖。
3 結(jié)論
本文提出了分層裝配思想應(yīng)用Quest3D 引擎開(kāi)發(fā)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機(jī)械產(chǎn)品模型，通過(guò)建立虛擬場(chǎng)景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對(duì)于產(chǎn)品的交互操作，其虛擬裝配過(guò)程和運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)于企業(yè)設(shè)計(jì)制造及高校實(shí)踐教學(xué)提供了較好的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，8 （16）：139-144.
[2]韋有雙，楊雙龍，王飛.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：15-20.
論文關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)LPG，點(diǎn)火方式，燃燒特性
0 引言*
人類對(duì)于自身的生存環(huán)境及空間的保護(hù)意識(shí)日益強(qiáng)烈,內(nèi)燃機(jī)的主要發(fā)展方向已著眼于燃油消耗、排放、噪聲等環(huán)保指標(biāo)，為此清潔代用燃料被廣泛使用。目前比較成熟的代用燃料主要為液化石油氣(LPG)及壓縮天然氣(CNG)，其中LPG成本低、物化特性接近于汽油，甚至在抗爆性及單位體積熱值方面優(yōu)于汽油，是一種優(yōu)秀的替代燃料[1～3]。
但是由于LPG燃燒速度較慢，燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，引起了熱效率低、氣耗高、排放差、排溫高、爆震邊界窄等嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的問(wèn)題[4,5]（采用稀燃技術(shù)后，這些問(wèn)題更加突出）。為解決這些問(wèn)題，本文利用AVL-FIRE三維仿真軟件計(jì)算分析了不同點(diǎn)火方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，通過(guò)仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雜志鋪，得出能改善缸內(nèi)燃燒、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的點(diǎn)火方式。
1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及臺(tái)架介紹
本研究的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以四缸柴油機(jī)為原型，進(jìn)行了針對(duì)LPG燃料的改裝。發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增壓稀燃技術(shù)及電控閉環(huán)預(yù)混合技術(shù)并根據(jù)研究需要采用了多模式點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)技術(shù)。具體參數(shù)由下表1給出：
表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)
Tab. 1 The parameter of the experimental prototype(EP)
項(xiàng)目
規(guī)格
說(shuō)明
缸數(shù)
4
缸徑×沖程
108×115
單位mm
排量
4.214
單位L
額定功率/轉(zhuǎn)速
103KW/2800 r·min-1
115KW/2800 r·min-1
單點(diǎn)火模式
雙點(diǎn)火模式
最大扭矩/轉(zhuǎn)速
420 N·m/1400-1800 r·min-1
430 N·m/1400-1800 r·min-1
單點(diǎn)火模式
雙點(diǎn)火模式
1000rpm扭矩
320 N·m
吸氣方式
增壓中冷
空—空中冷
燃?xì)庀到y(tǒng)
TBD
噪聲
<94 dB
1m聲壓級(jí)
發(fā)動(dòng)機(jī)重量
<380Kg
電控系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：MAXSript；勾線效果；暈染效果；合成效果；彩墨效果
中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 21-0000-03
近幾年是中國(guó)不平凡的幾年，“中國(guó)熱”現(xiàn)象持續(xù)升溫，中國(guó)特色動(dòng)畫形式——水墨動(dòng)畫經(jīng)歷輝煌、沉寂之后，以三維技術(shù)的形式再次吸引了大家的眼球。
傳統(tǒng)水墨動(dòng)畫曾因難度大、耗時(shí)耗力而難以為繼，三維水墨技術(shù)將水墨動(dòng)畫的難度一再降低，但水墨動(dòng)畫并沒(méi)有普及，而水墨效果的模擬已經(jīng)成為制約水墨三維動(dòng)畫發(fā)展的攔路虎。
水墨風(fēng)格效果仿真的處理方式主要為兩類：一類是基于物理原理的模擬，另一類是基于圖像特征提取的模擬，以及再現(xiàn)。第1類方法的特點(diǎn)是繪制，以原畫繪制為主體，水墨效果以位圖為材質(zhì)基本元素，效果好，但缺點(diǎn)是非常耗時(shí)。第2類方法的特點(diǎn)是更加快速，但繪制效果不如前者逼真，且開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大。
從制作動(dòng)畫的角度考慮：使用第1類方法需要大量原畫人員，且只能進(jìn)行離線渲染；使用第2類方法渲染速度快，適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)游戲及動(dòng)畫領(lǐng)域。
如何更好的擁有渲染速度快及技術(shù)難度低一點(diǎn)的水墨效果設(shè)計(jì)方法，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。
1 MAXScript腳本開(kāi)發(fā)技術(shù)
3ds Max作為國(guó)內(nèi)用戶最多的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件，大受用戶歡迎，然而其三維腳本插件技術(shù)卻鮮為人知。近幾年各高校動(dòng)漫專業(yè)遍地開(kāi)花，動(dòng)漫學(xué)習(xí)者人數(shù)每年逐次增加，而知道或者聽(tīng)說(shuō)過(guò)MAXScript的卻寥寥無(wú)幾。對(duì)于熟悉3ds Max的人來(lái)說(shuō)，腳本絕對(duì)可以帶給大家全新的理念。
1.1 藝術(shù)設(shè)計(jì)群體腳本開(kāi)發(fā)技術(shù)分析
一部動(dòng)畫片是否“好”，不在于其所使用的是什么技術(shù)，技術(shù)故事畫面和情節(jié)能否打動(dòng)人才最關(guān)鍵。真正好的動(dòng)畫片，靠的是故事本身的感染力和情感訴求與觀眾產(chǎn)生共鳴。作為其表達(dá)情感的一種方式，如何更好地利用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)為展現(xiàn)畫面感染力服務(wù)，是設(shè)計(jì)者最關(guān)注的。動(dòng)畫藝術(shù)設(shè)計(jì)者可以沒(méi)有很好的“高深”技術(shù)編程能力，但一定需要具備發(fā)現(xiàn)美、展現(xiàn)美的能力。因此，藝術(shù)設(shè)計(jì)者往往會(huì)將更多的精力用于后者的培養(yǎng)，應(yīng)用編程技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)作品的能力則一般較低。
而三維動(dòng)畫或?yàn)榱诉_(dá)到更真實(shí)更具美感的效果，或?yàn)榱烁焖俣行У耐瓿赡骋惶匦В枰喙δ軓?qiáng)大的應(yīng)用軟件或插件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
然而CG設(shè)計(jì)行業(yè)的現(xiàn)狀是，插件設(shè)計(jì)者與一線的藝術(shù)作品設(shè)計(jì)者交集較少。尤其國(guó)內(nèi)，插件開(kāi)發(fā)者一般從事圖形學(xué)和三維重建等的研究，而作品設(shè)計(jì)者一般是藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)人才[1]。如何將藝術(shù)創(chuàng)作和需求的插件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，使基于插件開(kāi)發(fā)的群體更好地把握所需特效的精髓，是需要解決的一大問(wèn)題。
1.2 MAXScript腳本特征分析
MAXScript腳本語(yǔ)言最大的優(yōu)勢(shì)——易學(xué)易用。MAXScript非常適合沒(méi)有編程基礎(chǔ)的大眾用戶特別是藝術(shù)設(shè)計(jì)類用戶學(xué)習(xí)。因?yàn)樗恼Z(yǔ)法格式和規(guī)則非常少。MAXScript腳本語(yǔ)言除了能把腳本做成工具欄的按鈕以外，還可以通過(guò)命令行窗口將用戶在3ds max用戶界面中的操作轉(zhuǎn)化為MAXScript腳本。
腳本語(yǔ)言必須具備的特點(diǎn)——功能強(qiáng)大。MAXScript語(yǔ)言具備一般程序語(yǔ)言的普遍特點(diǎn)，而且?guī)缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)所有3ds max界面下的交互操作。MAXScript完全基于OpenGL以及VC核心制作，功能強(qiáng)大。如果能好好利用MAXScript，完全可以在3ds max里實(shí)現(xiàn)許多MAYA等工具的優(yōu)勢(shì)功能。
與國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的三維動(dòng)畫軟件3ds max——融合最好。MAXScript是3ds max內(nèi)置腳本語(yǔ)言，是3ds max軟件最好的表達(dá)式和插件編寫工具。MAXscript很好地融入到了3ds max用戶界面中，可以將腳本集成為程序面板、卷展欄、浮動(dòng)窗口或者工具欄中的一個(gè)按鈕，也可以用來(lái)擴(kuò)展或替代對(duì)象、修改器、材質(zhì)、貼圖、渲染效果和大氣效果的默認(rèn)設(shè)置界面。
1.3 MAXScript腳本開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用
3ds max中的插件又稱作外掛濾鏡（Plug_in），3ds max允許用戶對(duì)軟件功能進(jìn)行重新卡發(fā)，對(duì)軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展和完善。因此，3ds max中已有的外掛濾鏡，大部分可以重新被擴(kuò)展，或重新定義——在MAXScript腳本語(yǔ)言中這種能力被稱為“規(guī)劃移植”[2]。
MAXScript并不能對(duì)所有的插件進(jìn)行新對(duì)象的擴(kuò)展，部分插件類型限制只能對(duì)已有的插件進(jìn)行功能性擴(kuò)展，如本插件中需要用到的貼圖插件。還有個(gè)別插件類型暫時(shí)還被限制擴(kuò)展。在編寫MAXScript插件時(shí)必須指定對(duì)應(yīng)的插件類型，才能調(diào)用該插件類型的相關(guān)屬性。
MAXScript腳本文件大致可分為3種類型：程序型腳本（.ms）、插件型腳本（.ms或.dlx）和宏腳本（.mcr）。
根據(jù)類型的不同，文件名和所使用的方式也有所不同。3ds max軟件本身提供了很多腳本范例，都可以直接使用，有些非常優(yōu)秀。另外，國(guó)外的一些腳本網(wǎng)站也提供了大量的免費(fèi)或收費(fèi)腳本。
3ds max腳本擴(kuò)展名為*.ms，可以使用記事本來(lái)編輯腳本另保存為*.ms，3ds max內(nèi)置有一腳本編輯器，通常使用這種方式來(lái)編寫腳本。
MAXScript腳本語(yǔ)言因其語(yǔ)法格式和規(guī)則非常少，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，適合沒(méi)有編輯基礎(chǔ)的用戶。國(guó)外有不少免費(fèi)學(xué)習(xí)網(wǎng)站，同時(shí)還有不少優(yōu)秀的免費(fèi)插件開(kāi)源，對(duì)于學(xué)習(xí)MAXScript腳本語(yǔ)言有較大的幫助。
2 基于MAXScript的水墨效果仿真
水墨筆觸的特點(diǎn)遵循了中國(guó)特色藝術(shù)特點(diǎn)，所謂“大音希聲，大象無(wú)形”，描述的是一種和自然融為一體的境界[3]。水墨筆觸就是一種墨水與宣紙融為一體，墨的濃淡、宣紙不同位置對(duì)墨水的吸收自然呈現(xiàn)，仿佛自然存在于宣紙上，沒(méi)有刻畫痕跡的特殊筆觸，對(duì)水墨筆觸的模擬難度是可想而知的。
ChineseMaterials水墨材質(zhì)插件是對(duì)水墨暈染[4]與勾線效果[3]的仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)MAXScript腳本語(yǔ)言對(duì)3ds Max的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)插件進(jìn)行擴(kuò)展，得到本插件。插件功能模塊如圖1。插件功能結(jié)構(gòu)表如表2。
由于兩部分功能是獨(dú)立存在的，所以，對(duì)造型的筆觸描述可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行部分效果的模擬，如有些造型不需要勾線效果，只注重內(nèi)部墨水的自然暈開(kāi)，就可以只應(yīng)用“暈染效果”功能直接設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)材質(zhì)。
3 仿真效果算法設(shè)計(jì)
ChinesePainter插件主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)水墨筆觸的模擬，通過(guò)材質(zhì)實(shí)現(xiàn)模塊的“勾線效果”、“暈染效果”、“合成效果”、“彩墨效果”四個(gè)子模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水墨效果和彩墨效果的模擬。
3.1 “暈染效果”效果仿真
水墨材質(zhì)插件ChinesePainter 的“暈染效果”模塊是本插件的核心部分。主要用來(lái)調(diào)制水墨材質(zhì)的內(nèi)部墨水暈開(kāi)的效果。具體設(shè)計(jì)算法如下：
Step1 設(shè)置材質(zhì)的不透明度貼圖為衰減貼圖。通過(guò)設(shè)置衰減貼圖的顏色、類型、衰減方向并調(diào)整混合曲線，得到衰減效果。
Step2 設(shè)置衰減貼圖1為漸變坡度貼圖。通過(guò)指定漸變坡度貼圖參數(shù)的標(biāo)志1、2、3及漸變類型、噪波相關(guān)參數(shù)，得到漸變效果。
3.2 “勾線效果”效果仿真
“勾線效果”模塊主要用來(lái)模擬外部輪廓線。水墨動(dòng)畫中也有不描繪外部輪廓的造型，所以“勾線效果”模塊為可選項(xiàng)。
本程序段的編寫具體對(duì)材質(zhì)進(jìn)行的設(shè)置與“暈染效果”類似，不同之處在于參數(shù)值的變化。
3.3 “合成效果”效果仿真
“合成效果”部分主要實(shí)現(xiàn)“勾線效果”和“暈染效果”兩種效果的混合效果，用戶需要先設(shè)置“勾線效果”和“暈染效果”兩種材質(zhì)，通過(guò)“合成效果”按鈕指定合成材質(zhì)的基礎(chǔ)材質(zhì)為“勾線效果”材質(zhì)，再指定材質(zhì)1為“暈染效果”材質(zhì)，即可實(shí)現(xiàn)兩者的合成效果。
當(dāng)然，在不同的用戶需求下，合成效果的使用情況會(huì)有所不同，對(duì)于不同動(dòng)畫造型，可能出現(xiàn)部分使用合成效果，部分只取勾線效果或暈染效果一種效果的情況。因此，合成功能當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況使用。
3.4 “彩墨效果”仿真
“彩墨效果”部分主要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)彩色對(duì)象的設(shè)置需求，如水墨荷花中的荷花等，自然界的許多動(dòng)植物都可以調(diào)制彩墨效果。
Step1設(shè)置材質(zhì)的不透明度貼圖為衰減貼圖。設(shè)置衰減貼圖的color1、color2和curve曲線，并指定衰減貼圖的map1為漸變坡度貼圖，實(shí)現(xiàn)衰減效果。
Step2 設(shè)置漸變坡度的漸變參數(shù)，如：flag1、2、3的位置和顏色，并設(shè)置漸變類型和對(duì)應(yīng)噪波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)漸變效果。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文使用上述方法，利用MAXScript設(shè)計(jì)了Chinese painter水墨材質(zhì)插件，對(duì)多個(gè)靜態(tài)造型進(jìn)行測(cè)試，均達(dá)到較真實(shí)仿真水墨效果。為了驗(yàn)證將其應(yīng)用于動(dòng)畫、游戲及其他數(shù)字娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的可行性，而進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)畫的制作。本文使用3ds max設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單茶壺模型，對(duì)茶壺模型分別進(jìn)行了三種水墨效果的渲染。并制作了一部水墨效果動(dòng)畫短片，對(duì)其中的花朵應(yīng)用彩墨效果進(jìn)行了渲染，渲染窗口大小為800*600（pixel），模型水墨效果仿真如圖4，其中圖4（a）為暈染效果仿真，圖4（b）為勾線效果仿真、圖4（c）為合成效果仿真，圖4（d）為彩墨效果仿真。
5 結(jié)束語(yǔ)
水墨動(dòng)畫作為極具中國(guó)特色的動(dòng)畫形式，在經(jīng)過(guò)三維技術(shù)重構(gòu)以后，以全新的形式再次吸引世界的眼球，然而三維水墨技術(shù)的開(kāi)發(fā)難度大，本文提出一種基于MAXScript腳本的水墨材質(zhì)設(shè)計(jì)方法，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，并開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)插件，可以快速自動(dòng)生成默認(rèn)的水墨效果，同時(shí)提供自定義模塊，供廣大藝術(shù)設(shè)計(jì)工作者參考使用。
參考文獻(xiàn)：
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論文摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在動(dòng)畫當(dāng)中起著不可或缺的作用，它推動(dòng)了動(dòng)漫領(lǐng)域的發(fā)展，如今，“動(dòng)漫”已經(jīng)不僅僅是一種藝術(shù)現(xiàn)象，它更是一種影響日常生活的方式。計(jì)算機(jī)和藝術(shù)的完美結(jié)合沖擊著我們的生活，不久一切不可能都將變成可能。
“動(dòng)漫”是動(dòng)畫與漫畫的合稱，是造型藝術(shù)的一門分支，以其活潑生動(dòng)、個(gè)性鮮明獨(dú)特的藝術(shù)表現(xiàn)力在各個(gè)時(shí)期和地區(qū)都倍受青睞。近幾年來(lái)，“動(dòng)漫”已經(jīng)從平面媒體和電視媒體擴(kuò)展到游戲機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、玩具等眾多的領(lǐng)域，“動(dòng)漫”已成為全球新興的重要產(chǎn)業(yè)。
一、“動(dòng)漫”的發(fā)展概況
“上世紀(jì)中期，日本動(dòng)漫宗師手冢治蟲，最早把電影分鏡頭語(yǔ)言融入到漫畫構(gòu)圖之中，他還把自己的漫畫改編成了動(dòng)畫作品，產(chǎn)品大獲成功。自此日本動(dòng)漫界紛紛效仿，形成了一股龐大的“動(dòng)漫”綜合創(chuàng)作浪潮。80年代，這種全新的動(dòng)、漫畫結(jié)合的形式傳入了中國(guó)，深受青少年觀眾和讀者的喜愛(ài)，也掀起了一股“動(dòng)漫”狂潮。
動(dòng)漫，是將孤立的卡通藝術(shù)形象，通過(guò)制作將無(wú)生命的東西賦予人類的動(dòng)作和情感。包括策劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到傳播，再到相關(guān)衍生產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，形成一個(gè)完整循環(huán)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，逐步實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的二維和三維漫畫，極大的豐富了視聽(tīng)語(yǔ)言和創(chuàng)作藝術(shù)空間，延伸了觀賞、體驗(yàn)等娛樂(lè)功能。
從全球來(lái)看，動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，其中日本作為動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的第一大國(guó)，有著強(qiáng)大的市場(chǎng)占有率，而在美國(guó)，網(wǎng)絡(luò)游戲成為動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的主力軍，作為全美最大的娛樂(lè)業(yè)，其產(chǎn)值業(yè)已連續(xù)四年超過(guò)好萊塢電影業(yè)；同樣，在韓國(guó)無(wú)論是數(shù)字音樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)游戲還是電影、電視或手機(jī)游戲，相關(guān)產(chǎn)品在東南亞的各個(gè)國(guó)家風(fēng)靡一時(shí)，特別是在信息娛樂(lè)領(lǐng)域，通過(guò)寬帶、3G技術(shù)和休閑娛樂(lè)內(nèi)容相結(jié)合，韓國(guó)在娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上實(shí)際已經(jīng)領(lǐng)先于很多信息產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家。由三維動(dòng)畫、Flash動(dòng)畫、全息動(dòng)畫等嶄新的動(dòng)漫形式形成的動(dòng)漫文化已經(jīng)在不同國(guó)家與地區(qū)形成主流的文化形式。近些年來(lái)，仿真技術(shù)進(jìn)步顯著，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為計(jì)算機(jī)和藝術(shù)領(lǐng)域的新寵。這些先進(jìn)的技術(shù)必將引領(lǐng)“動(dòng)漫”進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，是一種以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。它的交互性、沉浸感特性使它與一般的三維計(jì)算機(jī)圖形截然不同：它利用了多種計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人的感覺(jué)器官功能，創(chuàng)建了一種適人化的多維空間，強(qiáng)調(diào)的是一種身臨其境的感覺(jué)，采用的是人與人之間自然的交互方式。它模擬的方式為使用者創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)時(shí)反映對(duì)象變化與相互作用的三維圖形世界，在視、聽(tīng)、觸摸等感知行為的逼真體驗(yàn)中，使參與者可以獲得直接參與和探索虛擬對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般由專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成，軟件分為建模軟件和實(shí)時(shí)仿真軟件兩大類，常用的建模軟件有3DS MAX、MAYA等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中任何復(fù)雜虛擬環(huán)境的創(chuàng)建都需要使用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)三維圖形學(xué)和三維仿真技術(shù)。所以掌握這些技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合，主要的技術(shù)包括以下幾種：
動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是核心技術(shù)，建立虛擬環(huán)境來(lái)獲取實(shí)際三維環(huán)境的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)建立虛擬環(huán)境模型。
實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、足夠的刷新頻率和清晰度，并開(kāi)發(fā)寬視場(chǎng)立體顯示技術(shù)。由于虛擬物體要有具體三維結(jié)構(gòu)的顯示，其中要有視差提供的深度信息，所以圖像顯示要具有足夠大的視場(chǎng)。
傳感器技術(shù)，尤其是觸覺(jué)（力覺(jué)）、嗅覺(jué)等傳感器技術(shù)。要讓用戶在虛擬的環(huán)境下直接操作虛擬物體，并感受到與在真實(shí)環(huán)境下一樣的感覺(jué)，真正達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。
交互技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)性特征就是交互性，其最終目的就是對(duì)時(shí)空環(huán)境的現(xiàn)實(shí)構(gòu)想。虛擬物體與用戶間的交互是三維的用戶，是交互作用的主體。用戶能感覺(jué)到自己在虛擬環(huán)境中對(duì)物體的控制，交互是多感知的，用戶可以使用與現(xiàn)實(shí)生活不同的方式與虛擬物體交互。
三、使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的漫游動(dòng)畫
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，它實(shí)現(xiàn)了可全方位、完全由用戶自由控制的逼真的、純?nèi)S的場(chǎng)景。
虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具。它以視覺(jué)形式深刻地反映了設(shè)計(jì)者的思想，虛擬現(xiàn)實(shí)可以把這種構(gòu)思變成看得見(jiàn)的環(huán)境。在設(shè)計(jì)階段的檢查必不可少，多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，檢查設(shè)計(jì)有無(wú)缺陷，例如，整個(gè)城區(qū)的布局、整個(gè)社區(qū)協(xié)調(diào)與否、單個(gè)建筑物的風(fēng)格、植被的分布情況，還包括室內(nèi)的裝修風(fēng)格、家具的款式以及擺放位置等。利用相應(yīng)的虛擬手段可以讓設(shè)計(jì)師和用戶在接近真實(shí)的環(huán)境中，提前體驗(yàn)最終的三維效果。在設(shè)計(jì)比較時(shí)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)季節(jié)切換相應(yīng)的場(chǎng)景，或根據(jù)一天中的不同時(shí)間，顯示明暗程度不同的視覺(jué)效果，也可以點(diǎn)擊某一建筑，來(lái)觀看它的建造過(guò)程，甚至可以將其與不同階段的建筑、景觀或裝飾的預(yù)算數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。
環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)對(duì)各種空間環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)造進(jìn)一步地為人服務(wù)，設(shè)計(jì)者始終需要把人對(duì)環(huán)境的要求，包括物質(zhì)使用和精神兩方面，放在設(shè)計(jì)的首位。
四、結(jié)束語(yǔ)
動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)是文化和科技相結(jié)合的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，是21世紀(jì)最有希望的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。我國(guó)早已有相關(guān)的人員在圖形技術(shù)上進(jìn)行了努力的學(xué)習(xí)和鉆研。現(xiàn)在己經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是在一些特殊效果的程序開(kāi)發(fā)方面取得的成績(jī)較少。隨著互聯(lián)網(wǎng)與3G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，動(dòng)漫藝術(shù)作品的傳播渠道和受眾面將會(huì)越來(lái)越廣，雖然目前我國(guó)的動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)影響力不夠大，但是相信有著五千年歷史積累的豐富文化底蘊(yùn)的中國(guó)，會(huì)用本土文化的魅力打開(kāi)世界動(dòng)漫的大門，走進(jìn)世界動(dòng)漫游戲產(chǎn)業(yè)的大舞臺(tái)。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：探究性；三維虛擬實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）02-0055-04
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)
1.認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論
認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論把學(xué)習(xí)看作對(duì)信息進(jìn)行主動(dòng)選擇和理解的過(guò)程，認(rèn)為人的認(rèn)知過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)信息加工過(guò)程，知識(shí)不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認(rèn)知主體內(nèi)部心理過(guò)程相互作用的結(jié)果。采用三維虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，認(rèn)知對(duì)象從傳統(tǒng)的與現(xiàn)實(shí)世界打交道，變成與虛擬世界進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生了一種新的認(rèn)知方式。因此設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須從學(xué)生的認(rèn)知心理出發(fā)，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情境的了解，使學(xué)習(xí)者新舊知識(shí)之間的同化能順利完成，最終促進(jìn)自己的認(rèn)知發(fā)展。
2.情境學(xué)習(xí)理論
情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，特定的知識(shí)應(yīng)該在特定的情境中去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)是一個(gè)社會(huì)性過(guò)程，知識(shí)在這個(gè)過(guò)程中由學(xué)習(xí)者與周圍環(huán)境相互作用共同構(gòu)建。情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者應(yīng)經(jīng)歷社會(huì)真實(shí)情境，通過(guò)實(shí)際活動(dòng)使其在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)知識(shí)、技能和策略，對(duì)知識(shí)做合理的解釋并能靈活運(yùn)用知識(shí)。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需要的各種情境，為學(xué)生主動(dòng)探究提供環(huán)境支撐。
3.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論
建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過(guò)程，學(xué)習(xí)者以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)與外界的相互作用來(lái)建構(gòu)新的理解，學(xué)習(xí)者知識(shí)的獲得是個(gè)體與外部環(huán)境交互的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須提供靈活的交互方式，同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供豐富的資源和工具，方便學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的探究活動(dòng)，有效建構(gòu)自己的知識(shí)。
中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.設(shè)計(jì)原則
直觀性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加學(xué)生者親身體驗(yàn)的經(jīng)歷。由于操作步驟復(fù)雜、觀測(cè)過(guò)程漫長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴等原因而無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)要逼真模擬，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象和微觀的就要突破時(shí)空限制轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不能及時(shí)控制的要設(shè)計(jì)關(guān)鍵現(xiàn)象模擬情境，使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，便于觀察物理現(xiàn)象，更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理。
交互性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供更多交互的環(huán)節(jié)和實(shí)時(shí)的反饋，方便學(xué)習(xí)者選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，按照自己的學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)方式進(jìn)行主動(dòng)探究。
開(kāi)放性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)資源和工具，使學(xué)習(xí)者能夠按照自己的興趣自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、演示實(shí)驗(yàn)效果，并提供及時(shí)的反饋。
趣味性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供能夠激發(fā)好奇心和求知欲的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象，能夠吸引學(xué)生的注意力，給學(xué)習(xí)者悅?cè)さ捏w驗(yàn)，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣。
2.設(shè)計(jì)過(guò)程
（1）實(shí)驗(yàn)類型和主題的設(shè)計(jì)
按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為：聲音類、光學(xué)類、電路類、電磁類、理學(xué)類、能量類。本研究從眾多實(shí)驗(yàn)中選擇了部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)仿真，具體包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易觀察的實(shí)驗(yàn)、真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易控制的實(shí)驗(yàn)兩類。
（2）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)共包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)提示、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)四個(gè)模塊。其中，實(shí)驗(yàn)介紹包括儀器介紹和內(nèi)容介紹。儀器介紹闡述虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的關(guān)鍵儀器的功能、使用方法等。內(nèi)容介紹闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等；實(shí)驗(yàn)操作是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心部分，通過(guò)分析該階段學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)交互式的用戶界面和探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟，在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)提示是指對(duì)實(shí)驗(yàn)中容易出錯(cuò)的地方為學(xué)生提供必要的幫助；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)
1.主要開(kāi)發(fā)工具的選擇
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的三維建模，以及提供探究活動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，用到的開(kāi)發(fā)工具主要包括三維建模工具3ds Max和虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具Unity 3D。
（1）3ds Max
3ds Max是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC的三維動(dòng)畫制作、編輯、播放與三維建模和渲染軟件。它具有易于使用、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是許多個(gè)人和公司用戶首選的三維建模與動(dòng)畫軟件。3ds Max被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、游戲開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、角色動(dòng)畫、工業(yè)設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)等諸多領(lǐng)域。
（2）Unity 3D
Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強(qiáng)大的3D跨平臺(tái)游戲引擎，包括圖形、光照、音頻、渲染、物理和網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持，目前已不僅僅局限于游戲開(kāi)發(fā)，而成為強(qiáng)大的綜合性虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，在虛擬漫游與實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)、人體數(shù)字化展示等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。
2.開(kāi)發(fā)流程
三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)步驟為：①三維虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)儀器的建模；②分析學(xué)生的心理和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)探究環(huán)節(jié)；③設(shè)計(jì)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的交互操作；④測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化；⑤虛擬實(shí)驗(yàn)。
3.探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)
（1）實(shí)例1：布朗運(yùn)動(dòng)
①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：布朗運(yùn)動(dòng)是由微觀分子間做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而形成的。在現(xiàn)實(shí)生活中，難于操作，不易觀察，只有借助顯微鏡才能觀察，使得學(xué)生缺乏創(chuàng)造力和空間想象力。而在三維虛擬實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模擬微觀分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)交互式的界面接口，使學(xué)生可以通過(guò)控制溫度變化或調(diào)整微觀分子大小，模擬微觀分子的運(yùn)動(dòng)變化情況，從而使實(shí)驗(yàn)者更好地理解布朗運(yùn)動(dòng)。
②虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包括實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)主界面如下頁(yè)圖1所示。
③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)提供了兩個(gè)觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來(lái)展示實(shí)驗(yàn)前的狀況；微觀角度用來(lái)展示微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀況，通過(guò)使用攝像機(jī)效果，使得觀察者能夠清晰地看到微觀世界中分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)操作界面如下頁(yè)圖2所示。
下面詳細(xì)介紹微觀角度下實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先，學(xué)生點(diǎn)擊微觀按鈕后，攝像機(jī)被激活顯示，同時(shí)向液體分子拉近，這時(shí)出現(xiàn)圖2所示的界面，屏幕下方出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)條用于控制條件，一種是溫度變化，一種是分子大小變化。這里用到了NGUI插件里的Tween Position動(dòng)畫。其次，液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)模擬是用Unity自帶的碰撞檢測(cè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)分子之間相互碰撞時(shí)，會(huì)觸發(fā)自身的碰撞檢測(cè)，從而受到一個(gè)反向作用力被反彈回去。當(dāng)多個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)就會(huì)變得毫無(wú)規(guī)律，從而形成了無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
（2）實(shí)例2：光的反射與折射
①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：光的反射與折射定律探究的是光從一種介質(zhì)照射到另一種介質(zhì)時(shí)發(fā)生傳播方向改變的光學(xué)現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實(shí)驗(yàn)操作細(xì)致，入射角、反射角、折射角的測(cè)量也很費(fèi)時(shí)，且不易控制。而在三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D可以很好地模擬光線的反射、折射現(xiàn)象，以及入射角、反射角、折射角之間的關(guān)系。
②虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。本實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。
③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)用來(lái)展示入射角變化時(shí)，反射角、折射角的變化情況，通過(guò)圓盤上的刻度標(biāo)定，能夠隨時(shí)讀出確切的值，實(shí)驗(yàn)者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4所示。
結(jié)束語(yǔ)
新技術(shù)、新媒體的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)教育教學(xué)改革具有推動(dòng)作用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)初中物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠有效改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生進(jìn)一步理解基本概念、掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理，提供了主動(dòng)探究的環(huán)境，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價(jià)值，對(duì)探索信息技術(shù)環(huán)境下中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法具有重要意義。
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摘要：本文簡(jiǎn)要的介紹了有關(guān)地理數(shù)據(jù)的可視化處理方法，主要介紹通過(guò)vrml實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化處理的方法，以及通過(guò)vrml實(shí)現(xiàn)虛擬地理實(shí)驗(yàn)室的主要途徑，介紹了幾款用于虛擬地理實(shí)驗(yàn)室建模工具軟件。
關(guān)鍵詞：vrml 地理模型 可視化
地理模型的建立，是一個(gè)從定性到定量的綜合集成過(guò)程，建立地理模型，不但需要基本地理知識(shí)和地理學(xué)有關(guān)理論的支撐，而且還需要借鑒和運(yùn)用其他相關(guān)學(xué)科的理論方法好技術(shù)，特別是數(shù)理方法和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。
本文主要從地理數(shù)據(jù)的可視化方面，從計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。目前，地理數(shù)據(jù)的可視化，建立三維模型的軟件眾多。在靜態(tài)效果制作方面比較著名的三維建模工具有Autodesk公司的AutoCAD、Discreet公司的3ds Max；在影視動(dòng)畫的制作方面有Alias公司的MAYA；在虛擬仿真方面有Silicon Graphics（sGI）公司的OpenGL、Multigen Paradigm公司的Multigen Creator；在GIS方面有名的軟件有ESRI公司的ArcScene，國(guó)內(nèi)武漢適普公司的IMAGIS、北京靈圖公司的VRMap；在上述各種類型的軟件中，要本著操作性好、適用性高、通用性強(qiáng)、功能性全等原則選擇一種最好的方式建立場(chǎng)景模型。由于本文重點(diǎn)在于建立一個(gè)可靠的三維場(chǎng)景、用于漫游瀏覽、進(jìn)而向?qū)崿F(xiàn)GIS功能轉(zhuǎn)化，因此，對(duì)建模軟件的選擇也應(yīng)基于上述幾點(diǎn)全面考慮。AutoCAD、3ds Max和MAYA雖然是效果制作和動(dòng)畫領(lǐng)域的主流，但模型過(guò)于復(fù)雜是它們用來(lái)直接實(shí)現(xiàn)虛擬漫游建模的瓶頸；OpenGL是三維圖形的標(biāo)準(zhǔn)，用作三維建模需要從底層開(kāi)發(fā)做起，工作量大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)是目前應(yīng)用上的最大障礙；ArcScene在三維模塊方面還不太成熟；IMAGIS和VILMap在國(guó)內(nèi)剛剛起步，建模功能還不夠完善，與主流建模工具存在不小差距，瀏覽大場(chǎng)景效率不高且實(shí)現(xiàn)的GIS功能也非常有限。
要使建立的場(chǎng)景能順利地完成驅(qū)動(dòng)漫游，高效的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵之一。除此之外，縮減多邊形面數(shù)也是實(shí)施仿真的必要環(huán)節(jié)。面數(shù)越少，意味著在實(shí)時(shí)的視景仿真中，計(jì)算機(jī)所要處理的信息量就越少，這將會(huì)有力地減輕計(jì)算機(jī)在仿真時(shí)計(jì)算的負(fù)擔(dān)，從而減少計(jì)算機(jī)渲染圖形所要的時(shí)間，提高幀率，有利于畫面的連續(xù)性。所以，并非所有的建模軟件都能夠很好地用于動(dòng)態(tài)仿真。
以3ds Max為例，它的模型數(shù)攝采用單層模型，是平面形式的，而非仿真漫游順序的樹狀索引格式，所以他用作仿真環(huán)境不能有效地組織各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，從而限制了實(shí)時(shí)繪制畫面的幀率。此外，3ds Max制作出來(lái)的一張效果圖模型往往存在幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)面，單是靜態(tài)渲染就已經(jīng)是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作了，況且它對(duì)硬件的要求也是非常的高，所以用它來(lái)建立實(shí)驗(yàn)室模型也不是最合適的。
通過(guò)上述對(duì)備主流建模軟件功能的分析與綜合比較，筆者認(rèn)為vrml能有效組織模型結(jié)果、減少模型數(shù)量，最適會(huì)用于地理實(shí)驗(yàn)室的建模工作。但是，考慮到場(chǎng)景中存在部分復(fù)雜物體，所以地理實(shí)驗(yàn)室以vrml軟件建模為主，同時(shí)用3ds Max等作為輔助工具，極大限度地提高建模效率。
VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言。是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場(chǎng)景建模語(yǔ)言，也具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性。是目前Internet上基于 WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語(yǔ)言。本質(zhì)上是一種面向web，面向?qū)ο蟮娜S造型語(yǔ)言，而且它是一種解釋性語(yǔ)言。VRML的對(duì)象稱為結(jié)點(diǎn)，子結(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物。結(jié)點(diǎn)可以通過(guò)實(shí)例得到復(fù)用，對(duì)它們賦以名字，進(jìn)行定義后，即可建立動(dòng)態(tài)的VR（虛擬世界）。
VRML中的動(dòng)畫是通過(guò)路由和事件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了使虛擬空間具有動(dòng)感，構(gòu)造指令可以包含綁定指令，綁定指令描述如何將節(jié)點(diǎn)綁定在一起。VRML綁定包括：綁定在一起的節(jié)點(diǎn)和在節(jié)點(diǎn)之間綁定的路由或者叫做路徑。綁定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之后，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)這樣的路徑傳送給第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息叫作事件。事件包含一個(gè)值。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)事件時(shí)，它將根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特征開(kāi)始動(dòng)畫或者其它事情。通過(guò)綁定多個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶可以創(chuàng)建許多路由，從而使空間更加具有動(dòng)感。
VRML中的自身交互可以做到什么程度
如果要使你的空間具有交互性，你可以給一個(gè)造型附帶一個(gè)傳感器，該傳感器使用一個(gè)定點(diǎn)設(shè)備來(lái)感知觀察者的動(dòng)作。當(dāng)觀察者點(diǎn)擊到一個(gè)附帶有傳感器的造型時(shí)，傳感器就輸出一個(gè)事件，這個(gè)事件就被路由到其它的節(jié)點(diǎn)來(lái)開(kāi)始一個(gè)動(dòng)畫。
TouchSensor是一種用來(lái)檢測(cè)觀察者的接觸和將事件輸出的傳感器。這些輸出描述了在何時(shí)、何地，觀察者接觸到了可感知的造型。CylinderSensor、PlaneSensor和SphereSensor節(jié)點(diǎn)也可用來(lái)檢測(cè)何時(shí)觀察者接觸到一個(gè)可感知的造型，并且提供了用來(lái)改變?cè)煨臀恢煤头较虻妮敵觥?/p>
在VRML中，你可以將一個(gè)傳感器附在一個(gè)造型上，用它來(lái)檢測(cè)觀察者的移動(dòng)、點(diǎn)擊和拖動(dòng)。當(dāng)觀察者與一個(gè)可感知的造型相互作用時(shí)，你就可以把傳感器的輸出連入一個(gè)線路中，從而引起造型的移動(dòng)和動(dòng)畫的播放。
感知觀察者接近常使用三種方法：感知觀察者的可視性、感知觀察者的接近性和通過(guò)碰撞檢測(cè)。
可見(jiàn)傳感器從觀察者的位置和方向來(lái)感知在空間中的一個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域是否可視。你可以通過(guò)這些傳感器來(lái)啟動(dòng)和停止動(dòng)畫或者控制其他的動(dòng)作，這些動(dòng)作僅當(dāng)一個(gè)可感知的區(qū)域可見(jiàn)時(shí)是必要的。通過(guò)給出中心和尺寸，你可以指定一個(gè)由VisibilitySensor節(jié)點(diǎn)感測(cè)的空間區(qū)域。
Abstract： In the field of house decoration human factor analysis is paid more and more attention， in which human fatigue analysis takes an important part. This paper focuses on the optimization of human factors in the house decoration process. The purpose is to find out the unreasonable factors in the process of house decoration process so as to improve the efficiency of house decoration and ensure the optimization of the layout design result.
P鍵詞：虛擬人；Jack；家裝設(shè)計(jì)；疲勞分析；布局優(yōu)化
Key words： virtual human；jack；house decoration；fatigue analysis；layout optimization
中圖分類號(hào)：TU238+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）05-0140-03
0 引言
當(dāng)今時(shí)代，家的概念不斷發(fā)展與更新，特別是作為居住的“家”，成為家庭成員生活的根本，家庭裝修的重要性越來(lái)越得到普遍重視，起居舒適、心理愉悅、活動(dòng)方便等成為評(píng)價(jià)家裝裝修成功與否的主要標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)客觀事實(shí)是，對(duì)多數(shù)人在家庭裝修過(guò)程中經(jīng)歷過(guò)不同程度的挫折，或發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后拆修返工，裝修成本突破預(yù)算；或接受由于考慮不周所形成的裝修缺陷，忍受給以后的生活帶來(lái)不便。如何能在裝修過(guò)程早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)修改成為一種需要。實(shí)際上基于仿真的方法在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域已經(jīng)有非常成熟和普遍的應(yīng)用，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了積極的促進(jìn)和保證作用。本文試圖將虛擬人疲勞分析技術(shù)引入家庭裝修活動(dòng)中，并借助商業(yè)軟件研究基于虛擬人活動(dòng)的裝修分析過(guò)程與方法。最后也將探索“以人為中心”的家庭裝修理念。
1 家裝設(shè)計(jì)布局對(duì)人體疲勞產(chǎn)生的影響因素分析
1.1 家裝設(shè)計(jì)布局中的人因?qū)W
家裝設(shè)計(jì)布局是指，根據(jù)家庭活動(dòng)基本需求，在給定的室內(nèi)空間場(chǎng)地內(nèi)，對(duì)多個(gè)設(shè)施的空間位置做適當(dāng)?shù)姆峙浒才藕妥钣行У慕M合，以期獲得最大的使用效益。所謂的設(shè)施包括占據(jù)空間的任何實(shí)體，如櫥柜、洗衣機(jī)、冰箱、抽油煙機(jī)、灶臺(tái)、操作臺(tái)、桌子、貨架等，當(dāng)然也包括人員本身。
優(yōu)化的家裝設(shè)計(jì)布局，是保證家庭資源有效利用，體現(xiàn)“以人為中心”的家居生活理念的最好體現(xiàn)，具體包括：
①提高效率。合理的家裝設(shè)施布局，可以簡(jiǎn)化家庭活動(dòng)的操作順序，減少疲勞動(dòng)作發(fā)生，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)活動(dòng)的均衡性。②提高安全。設(shè)施布局合理，可以避免室內(nèi)物體搬運(yùn)路線過(guò)長(zhǎng)、過(guò)復(fù)雜而引起的碰傷、刮傷、燙傷等現(xiàn)象，如高壓鍋與操作臺(tái)搬運(yùn)距離過(guò)遠(yuǎn)，不僅搬運(yùn)費(fèi)力而且極易燙傷人員。③改善環(huán)境。合理的家裝設(shè)施布局，使家庭生活更加舒心愜意，為家人提供健康、舒適、安全的生活環(huán)境，減少人員的勞動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)。
1.2 人體疲勞分析
人體能量的產(chǎn)生和消耗稱為能量代謝能耗，它通過(guò)人體的氧耗量反映出來(lái)，單位為千卡（kcal），單位時(shí)間內(nèi)人體的代謝能耗稱為代謝能耗率，人體的勞動(dòng)強(qiáng)度是以作業(yè)過(guò)程中人體的能耗量、氧耗量、心率、排汗率或相對(duì)代謝率作為評(píng)判指標(biāo)，除此之外，人體在靜態(tài)情況下也需要消耗一定的能量，稱為姿勢(shì)代謝能耗。在室內(nèi)勞動(dòng)作業(yè)中，本文認(rèn)為人體的代謝能耗可以相應(yīng)地劃分為動(dòng)作代謝能耗和姿勢(shì)代謝能耗，其中動(dòng)作代謝能耗的計(jì)算需要提取作業(yè)仿真過(guò)程的各項(xiàng)動(dòng)作參數(shù)，姿勢(shì)代謝能耗的計(jì)算需要獲取作業(yè)仿真過(guò)程中人體各種姿勢(shì)的持續(xù)時(shí)間。
1.3 基于Jack的家庭裝修人體疲勞分析基本思路
目前，應(yīng)用于工程領(lǐng)域和娛樂(lè)領(lǐng)域的虛擬人軟件并不鮮見(jiàn)。考慮到家庭裝修人體疲勞分析的要求，研究中選擇Jack軟件作為支撐工具。Jack軟件是西門子公司的一款工業(yè)設(shè)計(jì)用途軟件，不僅含有歐洲人和亞洲人的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠支持虛擬人建模與運(yùn)動(dòng)仿真，還有人的疲勞程度、舒適度、力量等生理學(xué)參數(shù)，在社會(huì)生活、工業(yè)設(shè)計(jì)、體育與軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)Jack的特點(diǎn)，基于Jack的家庭裝修人體疲勞分析基本思路如圖1所示。
數(shù)據(jù)獲取是通過(guò)實(shí)地測(cè)量獲得論文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括房屋和裝修部件數(shù)據(jù)的測(cè)量、人體尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量以及室內(nèi)活動(dòng)數(shù)據(jù)提取等。使用三維建模軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，包括房屋結(jié)構(gòu)建模、裝修部件建模等，之后借助于Jack的三維模型導(dǎo)入模塊，將生成的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Jack平臺(tái)。然后在Jack平臺(tái)中定制一個(gè)身體尺寸結(jié)構(gòu)與家裝主人相一致的虛擬人模型，借助于Jack的仿真工具欄完成虛擬人室內(nèi)活動(dòng)建模和虛擬人室內(nèi)活動(dòng)仿真。最后使用Jack的工效學(xué)分析模塊仿真計(jì)算某項(xiàng)室內(nèi)活動(dòng)的人體疲勞數(shù)據(jù)，進(jìn)行原因分析并提出家裝設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見(jiàn)建議。
注意，三維建模、室內(nèi)活動(dòng)仿真、疲勞分析及反饋是一個(gè)連續(xù)反饋的循環(huán)結(jié)構(gòu)，直到設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的家裝設(shè)施布局為止。
2 操作臺(tái)作業(yè)的人因?qū)W分析與評(píng)估
論文 關(guān)鍵詞：水力機(jī)械 制造工藝 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
論文摘要：水力機(jī)械制造工藝是水力機(jī)械及工程專業(yè)方向?qū)W生的一門重要的專業(yè)必修課。由于該課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就具有十分重要的意義。水力機(jī)械制造工藝課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)了真實(shí)的零件結(jié)構(gòu)、零部件的裝配過(guò)程和典型零件的數(shù)控加 工過(guò)程，對(duì)改進(jìn)教學(xué)效果起到 了一定的作用。同時(shí)，本文提出了今后在課程建設(shè) 中完善的方向。對(duì)其它同類課程的教學(xué)具有一定的 參考 價(jià)值。
水力機(jī)械制造工藝是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)水力機(jī)械及工程方向?qū)W生的一門重要的專業(yè)必修課。根據(jù)該專業(yè)本科培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生具有寬廣的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)創(chuàng)新能力和適應(yīng)能力，能在流體機(jī)械及工程等部門從事開(kāi)發(fā)、研究、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、 現(xiàn)代 管理 、 科學(xué) 研究、教學(xué)等方面的工作。事實(shí)上，近三年該專業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)率均保持了較高水平，水力機(jī)械及工程專業(yè)方向的學(xué)生到專業(yè)對(duì)口部門的占到了 70％ 以上，而這些畢業(yè)生所從事的主要工作就是水力機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造。由此可以看出，學(xué)生如果能在在校期間掌握好流體機(jī)械特別是水力機(jī)械制造工藝的相關(guān)知識(shí)，將對(duì)他們今后的工作大有裨益，這將促進(jìn)他們將理論知識(shí) 和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合以增強(qiáng)他們工作崗位的適應(yīng)能力。wWw.133229.cOm
水力機(jī)械制造工藝是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)也相當(dāng)廣泛。根據(jù)教學(xué)大綱的安排，該門課程應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)完流體力學(xué)、工程材料、機(jī)械工程基礎(chǔ)、流體機(jī)械原理、流體機(jī)械結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等課程的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)。在教學(xué)過(guò)程中最好能夠在學(xué)習(xí)該門理論課程的同時(shí)到水力機(jī)械制造廠參觀實(shí)習(xí)，這將有助于學(xué)生建立起對(duì)加工設(shè)備、加工零件、加工環(huán)境的感性認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)效果。但是實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，沒(méi)有條件能夠達(dá)到這樣的要求。況且大中型的水輪機(jī)零部件尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造工藝涉及的問(wèn)題較多，即使是到專業(yè)的水力機(jī)械生產(chǎn)廠的加工現(xiàn)場(chǎng)也很難對(duì)其結(jié)構(gòu)和加工過(guò)程有全面深人的了解。因此，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，讓學(xué)生通過(guò)書本上的插圖對(duì)所學(xué)的對(duì)象，如零件、加工設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行了解，學(xué)生很難有深刻的認(rèn)識(shí) ，況且部分插圖書中沒(méi)有附上，結(jié)果制造工藝課程學(xué)完了，部分學(xué)生到了工廠還是會(huì)把車床誤認(rèn)為銑床，一些專業(yè)典型零件也看似很陌生，由此可見(jiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)手段取得的效果并不理想，學(xué)生并不能將課堂所學(xué)與實(shí)際有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。為此，我們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到水力機(jī)械制造工藝的教學(xué)中，將抽象的零件和加工過(guò)程形象化，以幫助學(xué)生直觀地觀察零件結(jié)構(gòu)，理清零部件的裝配關(guān)系，進(jìn)一步理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝的關(guān)系，并將加工過(guò)程中所涉及工裝夾具、機(jī)床、刀具等素材通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到教學(xué)課件中，從而縮短理論與實(shí)際的距離。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái) 發(fā)展 起來(lái)的新興技術(shù) ，在各個(gè)領(lǐng)域逐步得以開(kāi)發(fā)應(yīng)用。根據(jù)沉浸程度的不同，可將虛擬現(xiàn)實(shí)分為桌面式、大屏幕式、沉浸式和艙室仿真器四種類型…。其中桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是一種初級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)，它的沉浸度差，但最為簡(jiǎn)單，制作成本低，易于普及和實(shí)現(xiàn)。本課程教學(xué)中使用的仿真系統(tǒng)就是采用 vrml (virtuai realitymodeling language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言)開(kāi)發(fā)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，以配有高性能的圖形加速卡的 pc機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其性能能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最近十幾年得到了飛速的發(fā)展，由于其特有的仿真特性，如沉浸感、時(shí)實(shí)交互性、想象力和三維圖形等，它正在成為解決工程問(wèn)題 的一種重要方法，也是實(shí)現(xiàn) 計(jì)算 機(jī)輔助教學(xué) 的重要 手段。
在水力機(jī)械制造工藝課程教學(xué)中，為了真實(shí)地再現(xiàn)水力機(jī)械典型零部件的結(jié)構(gòu)，我們采用了功能強(qiáng)大的 cad／cam一體化軟件 unigraphics 進(jìn)行零件的三維建模，以 word的格式輸出，再利用 vrml對(duì)各零件的顯示顏色、材質(zhì)、光照等進(jìn)行渲染 ，這樣就可以利用安裝了 cortona插件的 ie瀏覽器進(jìn)行零件的瀏覽了，從而脫離了復(fù)雜的 ug軟件環(huán)境。在瀏覽器里可以通過(guò)插件上的控件對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、放大等操作，幫助學(xué)生全方位 的了解課程中所討論的對(duì)象，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。圖 1、2分別為水輪機(jī)座環(huán)和水輪機(jī)頂蓋的三維模型，在講解到此類典型環(huán)形類零件的加工時(shí)，就可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)放大等操作全方位地瀏覽三維模型，比較它們結(jié)構(gòu)上的異同，深入理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性，認(rèn)清關(guān)鍵加工部位，為擬訂高效合理的加工工藝方案奠定基礎(chǔ)。
水力機(jī)組裝配與一般的機(jī)械產(chǎn)品相比有其特殊性，即在制造廠僅能完成重要部件的預(yù)裝配，而整臺(tái)機(jī)組的裝配是在水電站完成的。對(duì)于大型電站，安裝周期較長(zhǎng)，水輪機(jī)的許多零部件被安裝在機(jī)坑里，對(duì)于在校學(xué)生來(lái)說(shuō)很難有機(jī)會(huì)全面地看清楚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件的空間位置關(guān)系。為此，我們采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合開(kāi)發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組檢修仿真系統(tǒng) ，幫助學(xué)生從不同的角度觀察各零部件的三維實(shí)體模型及零部件之間的空間位置關(guān)系、聯(lián)接關(guān)系等 (如圖 3所示)，了解水力機(jī)組安裝過(guò)程中零件的安裝先后順序和相關(guān)的技術(shù)要求，有利于學(xué)生了解和制定合理高效的裝配方案，將理論與實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。利用 java編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互功能。圖 4為水輪機(jī)水導(dǎo)軸承動(dòng)態(tài)仿真裝配過(guò)程截取圖，在進(jìn)入裝配場(chǎng)景后，點(diǎn)擊啟停按鈕，動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程即呈現(xiàn)在窗 口中，視圖左邊顯示的是水導(dǎo)軸承安裝步驟，這樣學(xué)生不用到水電站或制造廠裝配現(xiàn)場(chǎng)就能較直觀地學(xué)習(xí)水輪發(fā)電機(jī)組各部件的裝配工藝規(guī)范，有利于提高教學(xué)效果。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷 發(fā)展 ，水力機(jī)械的制造也沿著數(shù)字化的方向不斷發(fā)展 ，水力機(jī)械許多曲面類零件均采用數(shù)控方法加工。在實(shí)際教學(xué)中，我們采用專業(yè)的加工仿真軟件 vericut 逼真地再現(xiàn)了實(shí)際加工工件、加工機(jī)床和加工環(huán)境 ，對(duì)加工過(guò)程中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè) ，讓學(xué)生在課堂上就能對(duì)加工制造過(guò)程有全面的認(rèn)識(shí)。vedcut 采用了先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)數(shù)控加工過(guò)程的模擬達(dá)到了極其逼真的程度。特別是在葉片類曲面加工過(guò)程中，如何確定合理的加工參數(shù) (刀具形狀與尺寸 、刀具相對(duì)加工表面的姿態(tài)、走刀路線、主軸速度、切削深度和進(jìn)給速度等)以適應(yīng)加工過(guò)程中葉片曲面形狀的變化對(duì)提高加工精度變得非常重要，這些都可以通過(guò)加工仿真軟件在教學(xué)過(guò)程中形象生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生面前 (如圖5所示)。但是目前這部分的工作還處于起步階段，只能在課堂上做部分演示，有待進(jìn)一步完善。今后在條件允許的時(shí)候，可以在理論教學(xué)完成以后，讓學(xué)生自行建立零件 、機(jī)床的三維模型，模擬水力機(jī)械典型零件的加工 ，從而幫助學(xué)生將課堂中所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)踐。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)已延伸到許多領(lǐng)域，它的發(fā)展不僅僅依賴于相關(guān)軟硬件的發(fā)展，而是更多地取決于該技術(shù)為實(shí)際問(wèn)題提供低成本高效率的解決方案的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到水力機(jī)械制造工藝課程的教學(xué)中，逼真生動(dòng)地再現(xiàn)了真實(shí)的零件結(jié)構(gòu)、零部件的裝配過(guò)程和典型零件的數(shù)控加工過(guò)程，學(xué)生通過(guò)這些虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境就能夠從形象化的角度理解零件從設(shè)計(jì)、毛坯形式、安裝定位、加工、裝配、質(zhì)量檢查等各個(gè)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的學(xué) 習(xí)興趣 ，從而強(qiáng)化了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)提高教學(xué)效果起到了重要作用。
參考 文獻(xiàn) ：
[1]王桃，賴喜德，劉小兵，等．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)組檢修多媒體仿真系統(tǒng)[j]．兵工自動(dòng)化，2003，22(6)：19—20．
關(guān)鍵詞：現(xiàn)代信息技術(shù)；3S技術(shù)；輔助設(shè)計(jì)軟件；遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)；景觀仿真技術(shù)
當(dāng)今社會(huì)，人們非常依賴計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)處理過(guò)的信息。多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)正在成為當(dāng)代景觀設(shè)計(jì)不可或缺的部分，也是景觀設(shè)計(jì)變革的重要推動(dòng)力量。人們通過(guò)信息技術(shù)的使用以及從景觀的信息化表達(dá)中感受到景觀的高效、順暢等綜合印象。在現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用中，園林景觀建設(shè)與之相聯(lián)系，能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，有助于相關(guān)部門之間的交流合作，對(duì)推動(dòng)景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程發(fā)揮著重要的作用。
1 景觀設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的必要性
現(xiàn)代信息技術(shù)包含眾多內(nèi)容，主要有3S技術(shù)、輔助設(shè)計(jì)軟件、遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)、景觀仿真技術(shù)等，現(xiàn)階段，景觀設(shè)計(jì)建設(shè)是城市化發(fā)展的重要工程，能夠起到美化城市環(huán)境、減少城市污染等作用，因而在城市化發(fā)展中，加強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)建設(shè)是必不可少的環(huán)節(jié)，而國(guó)家對(duì)景觀設(shè)計(jì)建設(shè)也有著更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。在其建設(shè)過(guò)程中，有效融入現(xiàn)代信息技術(shù)，可以事先對(duì)景觀設(shè)計(jì)建立空間布局，更為直觀地呈現(xiàn)在人們面前。例如：在GPS技術(shù)、GIS技術(shù)的應(yīng)用中，不僅能夠廣泛收集景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的相關(guān)資料，而且能夠分析園林布局中各領(lǐng)域信息。
2 景觀設(shè)計(jì)中現(xiàn)代信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用
在景觀設(shè)計(jì)的建設(shè)中，現(xiàn)代信息技術(shù)既能虛擬地調(diào)整其空間布局，又有助于增強(qiáng)設(shè)計(jì)效果。基于現(xiàn)代信息技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)，能夠先通過(guò)仿真模型，直觀性地呈現(xiàn)其建設(shè)的整體效果，使相關(guān)設(shè)計(jì)者可以反復(fù)修復(fù)或調(diào)整景觀設(shè)計(jì)中的不合理之處，有助于為景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)創(chuàng)造良好的平臺(tái)，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)的實(shí)際建設(shè)效果發(fā)揮著積極的作用。
2.1 3S技術(shù)
3S技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的典型代表，廣泛應(yīng)用于風(fēng)景園林建設(shè)中，能夠促進(jìn)風(fēng)景園林建設(shè)。基于3S技術(shù)的空間信息系統(tǒng)集成技術(shù)的快速發(fā)展，可以改變傳統(tǒng)CAD制圖模式，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供重要的信息采集、處理、分析、模擬成像的技術(shù)。所謂的3S技術(shù)是指遙感技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)。在景觀設(shè)計(jì)中，能夠充分地應(yīng)用3S技術(shù)。由于景觀設(shè)計(jì)類型相對(duì)較多，其性質(zhì)存在明顯差異，涉獵范圍相對(duì)較為廣泛，如資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等。而在3S技術(shù)的支持下，景觀設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)通過(guò)該項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)整合相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并統(tǒng)一將數(shù)據(jù)信息上傳至專門的系統(tǒng)中，為后期城市發(fā)展中的景觀設(shè)計(jì)提供有利借鑒。例如：在園林綠地等地理空間的處理過(guò)程中，充分應(yīng)用3S技術(shù)，可以充分反映地理空間的實(shí)體數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)地理空間定位，為景觀設(shè)計(jì)者提供參考依據(jù)，彰顯其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，3S技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中有著一定程度的應(yīng)用，并具有積極作用。
2.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具與軟件
目前，在景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域已形成了從二維平面設(shè)計(jì)到三維效果、動(dòng)畫表現(xiàn)等較為完整的設(shè)計(jì)軟件體系，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行創(chuàng)作時(shí)可在電腦上從平面的方案草圖開(kāi)始，將自己的設(shè)計(jì)以三維空間進(jìn)行再現(xiàn)、復(fù)原、創(chuàng)造環(huán)境景觀，并將其作為設(shè)計(jì)深化、修正、發(fā)展的有效直觀工具；隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，三維建模技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，例如三維建模常見(jiàn)軟件AutoCAD、SketchUp、3D Studio Max等等，在景觀設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)中，可以使相關(guān)設(shè)計(jì)者利用三維造型軟件將初步設(shè)計(jì)輪廓加以制作和呈現(xiàn)，為參與者提供基礎(chǔ)框架。其次，分析空間分布關(guān)系、環(huán)境分布關(guān)系，能夠檢驗(yàn)景觀設(shè)計(jì)是否具有合理性。最后，在三維建模的作用下，能夠?qū)@林整體構(gòu)造進(jìn)行立體式的呈現(xiàn)，不僅能夠表達(dá)人的設(shè)計(jì)意圖，而且實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)和景觀設(shè)計(jì)的有機(jī)融合，有助于推動(dòng)景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程[3]。
使用最為廣泛的圖像處理軟件為Photoshop，而在風(fēng)景園林的設(shè)計(jì)中，該項(xiàng)處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，可以增強(qiáng)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的整體效果。但是，僅憑借Photoshop軟件的圖像處理，只能對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的補(bǔ)充潤(rùn)色，不能深入地改變圖像。因而，還需要利用渲染軟件，如Lumion、Vray等，能夠增強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)的逼真效果，給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊。基于此，能夠使設(shè)計(jì)人員細(xì)致描繪圖像，并加以修改不合理之處。總之使用圖像處理技術(shù)，可以對(duì)景觀設(shè)計(jì)空間布局中的圖像設(shè)置進(jìn)行有效處理，有利于凸顯景觀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)部分，可以滿足相關(guān)人員的實(shí)際需求。
2.3 遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)
在實(shí)際景觀設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)參與者有面對(duì)面的交流機(jī)會(huì)，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)者專門負(fù)責(zé)專職任務(wù)，與其它設(shè)計(jì)者之間的聯(lián)系相對(duì)較少，使溝通機(jī)會(huì)相對(duì)較少，不利于更好開(kāi)展景觀設(shè)計(jì)的協(xié)商工作。在遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)的作用下，設(shè)計(jì)者可以探討和分析景觀設(shè)計(jì)的相關(guān)事宜進(jìn)行，并及時(shí)解決景觀設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。在此過(guò)程中，協(xié)同工作技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，使遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)工作成為可能，不僅可以提升景觀設(shè)計(jì)的工作效率，而且能夠減輕設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)。由此可見(jiàn)，遠(yuǎn)程協(xié)同技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。
2.4 景觀仿真技術(shù)
由于景觀設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，因而需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行全面、科學(xué)的規(guī)劃和布局。傳統(tǒng)手工繪制設(shè)計(jì)圖中，雖然能夠呈現(xiàn)園林規(guī)劃與布局信息，但不能給予人們以直觀的三維展示，同時(shí)不利于修改。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，景觀仿真技術(shù)在風(fēng)景園林中有應(yīng)用。基于景觀仿真技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)，主要有靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真2種，可以使相關(guān)設(shè)計(jì)者利用軟件將初步設(shè)計(jì)輪廓加以制作和呈現(xiàn)，為參與者提供基礎(chǔ)框架。在景觀仿真技術(shù)的作用下，能夠立體式地呈現(xiàn)景觀設(shè)計(jì)整體構(gòu)造，不僅能夠表達(dá)人的設(shè)計(jì)意圖，而且實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)和景觀設(shè)計(jì)的有機(jī)融合，有助于推動(dòng)景觀設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程。與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間存在著較大的差異，一方面，可以為景觀設(shè)計(jì)參與者提供虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的景觀；另一方面，可以使景觀設(shè)計(jì)人員看到虛擬和真實(shí)相結(jié)合的景象。
3 現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)景觀設(shè)計(jì)的影響
隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，城市居民對(duì)景觀設(shè)計(jì)的個(gè)性化、審美等方面有著較高的要求。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)景觀設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。在現(xiàn)代信息技術(shù)的作用下，景觀設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人可以借助互聯(lián)網(wǎng)與社會(huì)公眾之間進(jìn)行互動(dòng)，有助于增強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)的有效性。在社會(huì)公眾的廣泛參與下，可以為景觀設(shè)計(jì)者提供諸多意見(jiàn)或建議的參考，同時(shí)增強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)的合理性。景觀設(shè)計(jì)與人類社會(huì)生活息息相關(guān)，其設(shè)計(jì)思想、方式等方面對(duì)景觀設(shè)計(jì)有著一定的影響。受現(xiàn)代社會(huì)思想觀念的影響，景觀設(shè)計(jì)者應(yīng)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)和景觀設(shè)計(jì)的有機(jī)融合，以推動(dòng)我國(guó)景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域的快速發(fā)展，滿足人類社會(huì)生活的基本需求和彰顯人類社會(huì)新的思想觀念社會(huì)價(jià)值觀。
4 結(jié)論
現(xiàn)代信息技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，能夠使景觀設(shè)計(jì)建設(shè)更加符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在現(xiàn)代信息技術(shù)的輔助下，景觀設(shè)計(jì)建設(shè)者能夠結(jié)合3S技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)、景觀仿真技術(shù)對(duì)景觀設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的空間布局，確保景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的有效性。在城市化發(fā)展進(jìn)程中，景觀設(shè)計(jì)建設(shè)是尤為重要的環(huán)節(jié)，既能滿足人們的實(shí)際需求，又能發(fā)揮其美化與凈化空氣的作用，而加快現(xiàn)代信息技術(shù)和景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的融合，積極影響我國(guó)園林建設(shè)發(fā)展進(jìn)程。
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