蔡海毅
摘 要
随着虚拟现实技术的快速发展，工业生产过程中的产品设计理念、生产方法发生翻天覆地的变化。越来越多的企业在钻掘机械设计中充分利用VRML虚拟现实技术，并取得显著成效，推动机械制造业又好又快发展。本文重点探讨VRML的虚拟现实技术在建筑用升降梯设计中的应用问题。
关键词
VRML;虚拟现实技术;建筑用升降梯;具体应用
中图分类号： TP391.9 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 01
新形势下，虚拟现实技术在机械设计领域得到了有效应用，且取得显著成效，社会各界也高度重视这一技术的应用。但是，由于我国虚拟现实技术起步晚，尚处于初级发展阶段，其中仍存在诸多问题亟待解决。接下来，谈谈基于VRML的虚拟现实技术的建筑用升降梯设计的几点思考。
1 虚拟现实技术相关概述
1.1 虚拟现实的内涵
虚拟现实，又名人工环境，简称“VR技术”，最早在20世纪80年代初，由美国拉尼尔提出。虚拟现实技术是一项高、精、尖的科技，集人工智能、显示技术、传感技术、计算机图形技术和仿真技术于一体的高技术模拟系统，虚拟现实技术的核心在于利用计算机营造一种“切身体验”的立体三维空间环境，具体来说，虚拟实现的概念涉及以下几点：第一，模拟环境。具体指计算机生成的双视点的、实时动态在嗅觉、触觉和听觉的立体逼真图像。但模拟环境既可以是基于某种特定现实的真实世界，也能是虚拟的世界。第二，自然技能。具体指人的眼睛、动作行为，通过计算机进行处理成和参与动作相适应的信息数据，并能够实时回应参与者的输入。第三，感知。具体指完美的虚拟现实技术应具备人所具有的所有感知，包括视觉、触觉、听觉、运动，甚至是味觉等所有感知。第四，传感设备，又称“三维交互设备”。一般包括三维鼠标、头盔数据手套等穿戴在人身上的装置，也包括地板压力传感器等實际存在的传感装置。
常规的虚拟现实系统构成要素包括计算机、输入设备、演示设备以及诸多软件系统等。虚拟现实技术的一大显著特征就是人机交互性。为确保人机之间能够有效、充分的交互信息，而设计输入设备、演示设备，从而有效识别人类的诸多输入命令，并作出反馈信息，进而提升仿真效果。不同的项目，可以基于实际情况，有针对性的选用跟踪器、三维立体声音生成装置、传感手套等工具。
1.2 VRML虚拟现实技术的各种特征
第一，沉浸感。又名“存在感”，具体来说就是参与者能够在虚拟环境中感知到的存在的真实程度，成熟的模拟环境通常能够到用户无法分辨真假的程度;第二，自主性。具体指虚拟环境中特殊物体根据实际世界物理运动规律动作的程度;第三，交互性。一般来说，交互性包括两大块，其一，操作人员基于虚拟环境获得的反馈程度，其二，针对虚拟环境中物体，参与者的可操作性程度;第四，多感知性。具体指不仅包括常规计算机技术剧本的视觉感知，还包括运动、触觉、听觉感知，甚至还有嗅觉、未决感知。成熟的虚拟现实技术具备人所具备的所有感知功能。
1.3 虚拟现实技术的现实意义
第一，场景渲染的实时性。众所周知，VRML虚拟技术的图形渲染是实时性的，这就使得虚拟环境中人机具备交互性。通常来说，VRML虚拟技术存在6个自由度，可利用视点变换的方法让用户漫游于虚拟环境中，也可以利用6个自由度来对虚拟场景进行有效观测，且VRML虚拟现实技术可以利用多种传感器节点、内插节点来有效提升其自身交互性。
第二，VRML是基于网络的虚拟现实技术。VRML虚拟技术作为一种三维立体图形、渲染图形描述性语言，通过该技术所产生的WRL文件也是用于记录虚拟场景的描述，而非真实存在的模型，如此一来，相比其他图形媒体，VRML的文件所占内存很小，网络传输十分便利。
第三，VRML是以客户服务器模式为基础的访问方式。VRML文件，视频、音频、图片等支持资源主要由服务期提供，用户利用客户端连接网络访问并下载自己需要的文件，然后利用本地VRML浏览器交互式访问文件中所描述的虚拟环境。因为浏览器是本地平台提供的，因此，让平台无关性得以实现。
2 VRML的虚拟现实技术在钻掘机械设计中的具体应用
（1）基于VRML虚拟现实技术的钻掘机械设计流程。
（2）下文基于上述论述，提出通过网络应用鼠标、显示器、键盘的基于VRML虚拟现实技术的钻掘机械设计流程。
第一，结合具体的设计要求来构建模型是达到仿真控制的基础和前提。一般来说，虚拟现实建模方式主要有：首先，利用VB、VC++等诸多工具来建立模型;其次，利用SDK、WTK等虚拟现实软件来进行开发;另外，利用3DMAX、Solid Works等第三方软件来建立模型，接着以虚拟现实文件格式来进行导出。我们所说的第三方软件具备建模、工程分析、仿真对诸多功能，且最后能以虚拟现实文件格式进行导出，因此，为提升建模质量，我们选择通过第三方软件来开展建模工作。
第二，初步建好零件模型以后，我们再着手虚拟装配工作，在此过程中，我们需要干涉检查各个零部件，上述通过第三方软件建立的模型，通常都能够实现虚拟装配。如，利用Solid Works软件建立好全部零件模型以后，我们直接开展虚拟装配工作并进行干涉检查。
第三，在装配工作结束以后，我们就能利用建模软件的接口将整体装配体模型导进专门的工程分析仿真软件中去，并进行深入分析。通过ADAMS软件开展动力学、动力学仿真分析，通过ANSYS软件来开展有限元分析。
第四，如果所有仿真分析结果都能满足要求，那么就可以进入优化设计工作流程。针对整个系统、控制系统、液压系统和机械机构等，利用Matlab等软件来开展优化设计工作。
第五，在优化设计工作结束以后，我们就能将虚拟模型导进虚拟现实系统内，就虚拟现实系统来说，硬件设备只涉及键盘、鼠标与显示器等工具，因此，还需要通过Java、VC++、VB等软件与虚拟现实系统接口相结合来设计人机界面。
第六，结束虚拟现实系统设计以后，就能够利用计算机来直接和客户通信，客户只要在计算机上安装虚拟现实浏览器，就能够利用虚拟现实系统来观看并操作产品，并及时反馈信息，然后就能够结合用户反馈的信息来有针对性的调整、完善产品设计，一直到客户满意为止，结束以后再进入制造流程。
3 VRML技术开发实例
VRML的造型功能十分多样，一共有10个Geometry节点，通过Geometry节点、描述物体性质的Appearance节点能够建立不同形态的立体物品;通过View point节点与Light节点能够构建视点与光照;通过Audio Clip节点与Sound节点能够给三维立体世界添加音频。VRML能够提供各种各样的传感器与内插节点，进而不断提升其交互性。如，Position Interpolator、Orientation Interpolator、Plance Sensor等节点能够营造形象、生动的空间效果，script节点为VRML创造出更优质、更强大的空间控制。script节点通过Jav script语言来编写程序，进而有效增加VRML功能，换言之，工作人员利用script节点能够建立新的内插节点、新的传感节点，并实现对系统虚拟环境的有效驱动与控制，进而不断提升虚拟环境与用户的交互性。通常来说，可从以下几个方面来进行创建：第一，通过3D MAX建立虚拟场景和有关零件，具体来说，3D MAX能够优质、高效且迅速建立三维立体模型，还能添加动画、光效等辅助功能，还具备输出wrl格式的功能。第二，利用VRML Pad来编写自定义行为、修改虚拟场景和零部件。通过3D MAX输出的文件，尽管可以在网上发布，但因为场景内部交互行为较差、零部件不足等原因，因此还需要对已生成的wrl文件代码不断完善。工作人员可以利用VRML Pad编辑器来不断提升代码编写效率与水平。第三，通过IE+Cortona插件对漫游系统进行发布，VRML文件是代码形式，必须通过VRML浏览器进行解释，才能形成具有交互性的虚拟空间，在具体操作过程中，应尽可能选择操作便捷、渲染功能强的Cortona浏览器。
4 基于VRML虚拟现实技术的建筑用升降机设计实例
我们利用上述理论知识，基于VRML虚拟现实技术设计一建筑用升降机，并构建虚拟现实系统。具体流程为：第一，利用Solid Works2010软件来针对钻机模型的零件、装配体建立模型，并利用Solid Works自身的动力学、运动学软件来开展分析工作，然后利用ANSYS12.0软件来针对一些核心、关键零部件开展有限元分析工作，最终把整个模型导进虚拟现实系统。本文中涉及的虚拟现实系统是利用VB6.0与VRML来共同建立虚拟现实系统浏览器。
5 结束语
綜上所述，VRML虚拟现实技术是一门涉及诸多学科内容的价值高、发展潜力大的新型技术，在社会大生产的诸多领域得到广泛应用。但是，虚拟现实技术中的网络化、人机交互等在用升降梯涉及方面的应用非常少。从目前发展趋势来看，用升降梯的实现智能化、自动化发展已是大势所趋，虚拟现实技术的应用会给钻戒机械设计创造一场前所未有的发展变革。
参考文献
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