基于虚拟现实技术的工程图学实验系统的研究与开发

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 虚拟实验的现状
• 1.2 工程图学虚拟实验的现状
• 1.2.1 国内发展现状
• 1.2.2 目前工程图学实验存在的问题
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 论文研究的目的和意义
• 2 工程图学虚拟实验规划设计
• 2.1 工程图学虚拟实验教学目的及实现手段
• 2.1.1 工程图学虚拟实验教学目的
• 2.1.2 工程图学虚拟实验实现手段
• 2.2 工程图学虚拟实验规划设计
• 2.2.1 虚拟实验项目总体规划设计
• 2.2.2 平面与立体截交实验设计
• 2.2.3 立体相贯实验设计
• 2.2.4 组合体构型设计实验设计
• 2.2.5 虚拟部件拆装实验设计
• 3 实验模型的建立
• 3.1 实验模型的分类及建立方法
• 3.2 基于计算机图形学技术的实验模型的建立
• 3.2.1 截交实验和相贯实验模型的建立
• 3.2.2 组合体构型设计实验模型的建立
• 3.3 基于三维建模软件方法的实验模型建模
• 4 系统实现关键技术
• 4.1 虚拟现实建模语言——VRML
• 4.1.1 VRML 简介
• 4.1.2 VRML 的工作原理
• 4.1.3 VRML 的特点
• 4.1.4 造型技术
• 4.1.5 视点的设置位置和方向
• 4.1.6 VRML 中的动画效果
• 4.1.7 VRML 中的交互技术
• 4.1.8 系统虚拟场景中的交互控制
• 4.2 Java Applet 技术
• 4.2.1 Java Applet 简介
• 4.2.2 Java Applet 的工作原理
• 4.2.3 Java Applet 的创建与调用
• 4.2.4 Java Applet 的生命周期
• 4.2.5 抽象窗口工作集（AWT）
• 4.2.6 系统中Java 界面的交互控制
• 4.3 VRML 与Java 通讯技术
• 4.3.1 Script 节点和 Java 脚本程序之间的数据通信
• 4.3.2 外部创作接口EAI
• 4.3.3 系统交互场景的实现
• 5 核心算法分析与程序实现
• 5.1 平面与立体相交算法分析与程序实现
• 5.1.1 通用的平面与柱体、锥体的相交检测算法
• 5.1.2 本文的平面与锥体、柱体的相交检测算法
• 5.1.3 平面与柱体、锥体相交检测算法程序实现
• 5.1.4 常用的平面与球面相交检测算法
• 5.1.5 本文的平面与球体相交检测算法
• 5.1.6 平面与球体相交检测算法程序实现
• 5.2 切割立体的视图表达的算法分析与程序实现
• 5.2.1 投影法表达视图
• 5.2.2 方程表达式算法
• 5.3 碰撞检测算法分析与程序实现
• 5.3.1 常用的碰撞检测算法
• 5.3.2 本文的碰撞检测算法
• 5.3.3 基本体组合过程中的碰撞检测算法与程序实现
• 5.3.4 虚拟部件拆装过程中的碰撞检测算法与程序实现
• 6 系统交互界面设计
• 6.1 平面与立体截交实验
• 6.2 立体与立体相贯实验
• 6.3 组合体构型设计实验
• 6.3.1 目标设计构型实验
• 6.3.2 读图构型实验
• 6.3.3 创意构型实验
• 6.4 虚拟部件拆装实验
• 6.4.1 拆卸顺序验证实验
• 6.4.2 装配顺序验证实验
• 总结与展望
• 1 全文总结
• 2 进一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表的论文目录
• 攻读硕士期间参加的科研工作