工程图学投影展开虚拟仿真系统的研究与实践.pdf
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1、第2 5 卷第5 期2023年1 0 月工程图学投影展开虚拟仿真系统的研究与实践辽宁工业大学学报(社会科学版)Journal of Liaoning University of Technology(Social Science Edition)Vol.25,No.50ct.2023D0I:10.15916/j.issn1674-327x.2023.05.028曾红,王元昊,高秀艳(辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州1 2 1 0 0 1)摘要:为满足工程图学投影原理的教学基本需求,本文基于3 DMax、A d o b e Me d ia En c o d e r 染器等软件制作开发了
2、一套投影展开虚拟仿真系统,系统主要包括正投影法的基本概念及特性仿真、点线面投影与展开仿真、立体投影及表面取点仿真、轴测图形成仿真、机件的常用表达方法仿真等模块。仿真动画内容全面形象,使单调抽象的投影展开的空间思维问题变得简单、直观。虚拟仿真系统在教学实践中实际运用效果良好,为工程图学的教学改革提供了参考。关键词:工程图学;正投影法;虚拟仿真实验中图分类号:G642.2国家中长期教育改革和发展规划纲要(2 0 1 0-2 0 2 0 年)指出:“信息技术对教育发展具有革命性的影响,教育信息化是新时代教育改革的发展趋势和必然要求。”1-2 工程图学课程是工科院校机类、近机类和非机类专业重要的技术基
3、础必修课,该课程主要研究应用正投影法绘制与阅读机械工程图样的原理和方法。点、线、面、体的正投影法的投影基本原理和空间三面投影体系的展开方法是教学中的难点和重点。由于大学一年级学生空间形体的思维能力较弱,教师的语言和静态图示难以形象地表达投影的基本原理和展开的基本方法,教学单调枯燥 3 。本文基于3 DMax、A d o b e Me d ia En c o d e r 煊染器等软件 4-5 ,针对正投影法中点线面的投影与展开、立体投影及表面取点、轴测图形成,以及机件的常用表达方法等内容建立了工程图学投影展开虚拟教学仿真系统,可动画展示物体正投影的基本原理,以及投影生成后投影面与投影的展开方法。
4、基于本系统开发的动画内容全面、形象,便于学生掌握投影和展开的基本原理,解决师生课前预习、课堂授课和课下复习过程中空间形象思维转换的困惑,可有效推动“互联网+”技术不断深入融合传统教学,丰富教学内容,寓知识性、趣味性、互动性于一体,促进学生和教师双向互动教学,提高教学质量 6-8 。收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 3基金项目:辽宁省教育厅一流课程建设项目(2 0 2 1 1 3 0 1 9 3);辽宁工业大学教学改革研究项目(2 0 2 0 7 3)作者简介:曾红(1 9 6 4-),女,广东连平人,教授。文献标识码:B文章编号:1 6 7 4-3 2 7 X(2023)05-0111-0
5、4计与实现(一)系统的基本组成本系统是用于工程图学教学过程中投影展开原理演示的仿真教学软件,主要包括投影法的概念及特性仿真、点线面投影与展开仿真、投影变换的原理与方法、立体及表面取点的投影与展开仿真、轴测图形成仿真、机件的常用表达方法仿真等投影展开原理的动画仿真模块。(二)虚拟仿真系统开发平台系统的开发采用了3 ds Max、A f t e r Ef f e c t、Adobe Media Encoder 染器、Illustrator、Su b s t a n c ePainter、V r a y 煊染器等软件,其中最必要的是3 dsMax、A fte r Effe c t 和Adobe Me
6、dia Encoder。在这些软件中,3 dsMax用于3 D动画制作;AfterEffect用于后期制作并添加提示语;AdobeMediaEncoder用于染和批量煊染输出视频;Illustrator是艺术类矢量软件,用于机械矢量二维图和数字媒体软件之间的衔接,将原机械二维图形导入数字艺术类软件;Substance Painter是全球高级三维材质设计软件,用于部分零件逼真的金属质感制作;Vray染器用于高质量的3 D动画顿序列输出 9-1 1。(三)虚拟仿真系统的开发步骤与方法1在课件动画的制作过程中,根据课件设计要求,在3 ds Max中进行场景建模、赋予材质、根据一、工程图学虚拟仿真系
7、统的设112教学要求拍动画。材质区分度鲜明,不同动画中相似内容材质(如投影线颜色等)尽可能统一 1 2-1 3 。2.对于投影面,需要严格体现机械原二维图,需要将Auto CAD中的二维矢量图导入 Illustrator转换成Adobe系列数字媒体软件可以兼容的格式,让这些含机械图的图片或二维动画成为投影面的材质贴图 1 4。3在大多数情况下,场景的主零件模型为纯色(如黄色带光泽)即可。一些情况下,模型需要逼真的金属质感,需要将模型在3 dsMax中划分UV,在UVW编辑器中加以调节,将带UV划分的模型导出成*.fbx(A u t o d e s k 三维交换格式)输入到Substance P
8、ainter中详细绘制材质,将导出的Vray辽宁工业大学学报(社会科学版)贴图输入回3 dsMax的材质编辑器,这样就可以获得具有金属质感的材质。4染输出顿序列之后,将帧序列和所有所需素材输入到AfterEffect,剪辑并添加提示语等文字,如有需求,也可以对文字制作简单动画。5.最后AfterEffect中的所有内容调整好后,预览整个合成、自检。由于AfterEffect属于前期制作软件,一般不是输出视频,而是顿序列,所以需要将合成导出到Adobe Media Encoder染器进行视频的最终煊染输出,主要输出设置根据“HD1080p预设”改编,为1 9 2 0 1 0 8 0,2 0 Mb
9、ps,取消音频,时间插值采用光流法算法。经历上述过程即可得到课件三维虚拟仿真动画。系统的基本组成如图1 所示。工程图学投影展开仿真实验系统第2 5 卷投影法概念与特性仿真中心投影法正投影法概念斜投影法概念正投影特性积聚性、类似性、显实性视图的概念三视图形成二、虚拟仿真系统案例介绍(一)虚拟仿真系统的基本仿真过程“工程图学投影展开虚拟仿真系统”采用1 0 8 0p分辨率、1 0 5 0 Mbps码率、H264解码、MP4格式,知识严谨,内容清晰,兼容性极强,是学生辅助学习工程图学课程的理想选择。首先,播放视频,视频会呈现最基本的1 3 个投影面和所研究的几何体。然后,需要注意不同动画(如投射线粗
10、细、投点、线、面投影与展开仿真点的三面投影般位置直线投影投影面的平行线(水平线、正平线、侧平线)投影投影面的垂直线(铅垂线、正垂线、侧垂线)投影般位置平面投影投影面的垂直面(铅垂面、正垂面、侧垂面)投影投影面的平行面(水平面、正平面、侧平面)投影图1 工程图学虚拟仿真系统的基本组成投影面上的视图及其辅助线的形成过程,帮助学生理解原理。多个视图形成完毕后,投影面逐渐展开为共面,视频中会保留视图和投影面上的文字,其他部分消失。最后,视角正视于展开后的投影面,保留相关的提示语。(二)典型仿真示例展示1.正投影的基本原理投影变换原理与方法仿真换面法基本概念点的一次变换变换V面、H面点的二次变换一般位置
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