基于Virtools的多电机组合驱动输送辊道的虚拟演示系统
摘要：虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个逼真的虚拟世界，让使用者如同身临其境一般，及时、无限制地观察三维空间内的事物。被公认为是21世纪重要的发展学科及影响人们生活的重要技术之一。虚拟演示系统是虚拟现实技术的一个重要应用，它能向观众展现一个有着真实感觉的产品。本设计利用Solidworks来为输送辊道建模，并将其导入到3ds max中进行渲染，最后在Virtools中进行虚拟演示系统的制作。本文着重介绍了Virtools的使用方法以及虚拟演示系统的制作流程，可以作为虚拟现实初学者的使用手册，具有一定的学术意义和教学意义。
关键字：虚拟现实；Virtools；建模；人机交互
Based on Virtools combination of multi-motor-driven roller conveyor virtual demonstration system
Abstract: The virtual reality technology is the use of computer simulation to produce a realistic virtual world, allowing users just like being in general, timely, unrestricted observation of three-dimensional space things.Is recognized as one of the important development disciplines and affect people\'s lives in the 21st century.Virtual Presentation System is an important application of virtual reality technology, can show a product has a real feeling to the audience.This design uses SolidWorks to model the conveyor roller, and import it into 3ds max rendering, and finally in Virtools virtual demonstration system produced.This paper introduces the Virtools use and virtual demonstration system of the production proce, can be used as virtual reality beginner user manual, and has a certain academic significance and teaching significance.
Key Words: Virtual Reality; Virtools; Modeling; Interaction
目录
1、绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1．1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1．2 研究背景及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1．3 国内外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1．4 本文研究内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
2、多电机组合驱动输送辊道„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2．1 概念„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2．2 特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
3、Virtools„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3．1 简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3．2 基本知识„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
4、模型导入„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4．1 说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4．1 导入到3ds max中„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4．2 导入到Virtools中„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
5、虚拟演示系统制作流程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 主要参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 外文资料翻译及原文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
1 绪论
1.1 前言
虚拟现实技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，及时、无限制地观察三维空间内的事物。它被应用到军事、医学、教育、科研等多个领域，被公认为是21世纪重要的发展学科及影响人们生活的重要技术之一。
虚拟现实技术具有三个主要特征：(1) 沉浸感，是指当实验者处于虚拟现实技术产生的三维环境中，有着在真实世界一样的身临其境的感觉。(2) 交互性，是指实验者即使处在虚拟现实技术所产生的虚拟环境中，也能像在真实客观世界中一样，进行多感知的交互。(3) 想象性，虚拟现实技术可以使实验者通过沉浸在虚拟环境中进行的交互活动，获取新的知识，并且通过深化概念和产生联想，使实验者得到感性和理性认识，从而得到启发人的创造性思维。
虚拟演示是一个集虚拟现实技术的“展馆”，一个运用了三维动画和虚拟现实技术的“展示器”，生动地展示了产品外观与产品内涵、结构的有机构建。基于虚拟现实技术的虚拟演示系统的开发能够获得更好的沉浸感和交互性，让用户全方位、多角度地对产品进行参观。但是也同时要求开发人员具有一定的逻辑思维能力和编程能力，开发难度有所增加。 1.2 研究背景及意义
传统的产品展示一般是通过电视、报纸、海报、展览会等形式，它们都会受到时间和空间的限制，它们只能在一定的时间和空间内进行，而且同时间所能获得的信息量是有限制的，如展览会一般都是在某个地点和某个时间段对有限的产品进行展示。虚拟演示则不受以上条件的限制，人们可以通过互联网随时、随地的对产品进行了解，甚至可以对产品的各个部件进行分析。
传统的产品展示是单向的，即产品是通过电视、海报、展览会等固定的形式向人们展示，人们没有办法与所展示的产品进行交互，即使是实物展示，也只能对有限的人进行，远远达不到效果。虚拟演示可以让很多人同时对某一个产品进行操作，还可以对产品的各个部件进行单独分析。在虚拟的环境中，人们可以充分发挥自身的想象力，根据自身的意愿行事而不会影响他人。这符合当今时代人们所追求的个性化和差异化。
对虚拟演示系统的研究符合当今时代的发展方向，可以预见，它将产生巨大的社会效益和经济效益。而且随着互联网的发展，这种趋势将变得越来越明显，并随着虚拟现实技术的发展而变得丰富多彩，最终改变社会，改变人们的生活方式。
1.3 国内外研究现状
虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：1963年以前：蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段；1963年～1972年：虚拟现实技术的萌芽阶段；1973年～1989年：虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段；1990年至今：虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。
美国是虚拟现实技术研究的发源地，第一个虚拟设备是在1962年由Morton Heiling设计的“全传感仿真器”，该仿真器仿真骑车穿越纽约市的过程，用户如同真实的车穿越纽约市，他们能感受到风、路面的颠簸、甚至是当经过饭店时闻到的食品香味。我国虚拟现实技术研究起步较晚，与国外发达国家还存在很大的差距。我国有关部门已经高度重视虚拟现实技术的研究，并将虚拟现实技术列入到九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等研究项目中。国内许多知名高校也积极投入到虚拟现实技术的研究领域中去。如北京航空航天大学计算机系是国内最早引进虚拟现实技术研究、最有权威的单位之一，并在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法。
虚拟现实技术在现实生活中的应用已经非常广泛，而且随着虚拟现实技术的不断发展，VR应用领域将会更加广泛和深入。近年来，为了满足应用领域的新需求，虚拟现实技术研究遵循“低成本、高性能”的原则，表现出一些新的发展趋势。如：动态环境建模技术；实时三维图形生成和显示技术；适人化、智能化人机交互设备的研制；大型网络分布式虚拟现实的研究与应用等。虚拟现实技术是一门新兴的科学技术，它与许多相关学科领域交叉、集成，应用领域非常广泛，应用前景也非常广阔。随着计算机技术飞速发展，虚拟现实技术将更为广泛地为人类的生产生活带来全新的面貌。 1.4 本文研究内容
本设计是与他人合作的项目，其中的产品设计与Solidworks建模是由他人完成的，本人负责参与产品设计环节以及完成产品的虚拟演示系统。因此本文着重研究了虚拟演示系统的开发流程，综合了常见几种的开发方法，希望能找到一种简单易行的虚拟演示系统开发方法。
2 多电机组合驱动输送辊道
2.1 概念
多电机组合驱动输送辊道装置是可以n台电机同时驱动，运行时可以调节电机的运行负载，能够环形输送物体的辊道。随着近年来工业的发展,对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高,辊道输送装置已经越来越得到了人们的认可。 多电机组合驱动输送辊道可广泛用于各种工业，工厂等场所，现在已经广泛应用于加工，制造，服务等各种行业。辊道主要由导板、卫板和若干个辊子，以及多个电动机及其传动轴和减速器组成。 2.2 特点
本辊道设计为多电机组合驱动，可以根据负载的大小来改变电机的数量，以达到节约能源的目的。
3 Virtools 3.1 简介
Virtools是法国达索公司发布的一款虚拟现实开发软件，它可以将现有的常用格式的文件整合在一起，如三维模型、二维图形或者音效、视频等。可以制作出许多不同用途的3D产品，如计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。它为各类使用者提供了从产品的初期设计、虚拟环境的仿真到3D互动操作的完整体验，从而使实时3D技术的应用变得更多元、更广泛。
目前全世界有超过270所大学使用Virtools, Virtools已经获得许多媒体技术学系学生的肯定和支持，越来越多的多媒体技术公司开始应用Virtools开发其产品。 3.2 基本知识
Virtools采用的是模块化编程方法，因此，使用者无需记住繁琐的命令，只需根据自己的需求将不同的BB程序模块拖入流程图即完成编程过程。下面对这一过程进行详细的介绍。 如图3.1所示，Virtools软件包含三个主要的窗口，它们分别具有不同的功能：a区域为3D Layout窗口，它能在实时3D的环境下展示正在进行的项目作品，并提供所有用来创造、圈选或操作3D组件所必须的工具及导览工具等；b区域为Building Block窗口，负责Virtools“行为模块（即BB模块）”的调整与编辑；c区域为Level View窗口和Schematic窗口，可以清楚的以树状图的形式来检视与编辑正在进行的项目作品，流程图也是在这里进行编辑的，可以说是Virtools软件中最重要的窗口了。
图3.1 Virtools窗口介绍
运用Virtools进行虚拟创作的基本流程如图3.2所示，其中制作流程图部分是整个创作过程中最重要也最复杂的部分，只有经常实践才能熟练掌握。
图3.2 虚拟创作流程
在下面的内容里将会有非常详细的制作步骤，因此在这里就不对具体步骤进行展开讲解了。
4 模型导入方法
4.1 说明
在机械设计领域，使用非常广泛的三维建模软件是Solidworks，它具有功能强大、易学易用、技术创新三个特点，使用它来进行机械建模，模型尺寸精确，装配效率高，因此本设计中采用Solidworks来进行模型创建。
但是，到目前为止，还没有一种简单的方法可以将Solidworks中的模型直接导入到Virtools中，因此在本设计中采用了一种比较常用的方法，即先将Solidworks中建好的模型导入到3ds max中，再将其导入到Virtools中，下面就这两个步骤分别进行说明。 4.2 模型导入3ds max 将模型由Solidworks导入到3ds max中一般有以下几种方法： a.将SolidWorks文件转换成.stl文件，这也是最常用的方法，此方法导入单个零件比较好，但如果导入装配体，则需将装配体保存为.stl文件后，把每个零件一一导入，比较繁琐。
b.将SolidWorks文件转换成.igs文件，.igs文件较小，但有时会出现个别面无法转换，或者是导入3ds max中出现多面和少面现象，特别是针对一些复杂曲面造型，转换误差更大。
c.将SolidWorks文件转换成.wrl文件，这种格式适用很多软件，而且可以将装配体中的多个零件同时导入3ds max中，方便快捷。
d.使用犀牛软件作为中介来将Solidworks生成的模型转成3ds max支持的格式，这种方法需要增加一个步骤来转换，加大了转换失败的概率，但是由于犀牛软件支持的三维格式非常多，因此可以将其作为一种备选方案。
本人比较推荐的方法是第一种和第三种，第一种适合于装配体中的零件比较少的情况，由于在导入过程中Solidworks会将所有的零件都转换为.stl格式，因此如果零件较多，那么生成的新文件会非常多，以本设计为例，单独一个辊道的装配模型就生成了400个左右的.stl文件，如果将这么多的零件都一一导入到3ds max中，不仅仅耗费大量的时间和精力，而且比较容易出错，效率很低，但是这种导入方法是最稳妥的方法，生成的模型不容易出错；第三种方法适用于任何情况，无论零件多少，Solidworks都会将所有的零件都组合在一个.wrl格式的文件中，只要将这一个文件导入3ds max就可以了，但是需要注意的是，在导入的过程中，由于占用了大量的资源，电脑可能会出现假死的现象，这时候最好不要强行关闭软件，而是要耐心等待转换完成，根据零件的数量，转换过程所用的时间会不尽相同。 4.3 模型导入Virtools 将模型由3ds max导入到Virtools中需要安装一个转换插件，这个插件的名称是“virtools max exporter”，在网上直接搜索就能找到，这个插件会安装在3ds max中，安装成功后可以在3ds max的导出命令窗口处发现支持Virtools的格式，如图4.1所示。
图4.1 3ds max导出窗口
在执行完导出命令后，会弹出图4.2所示的对话框，根据自己的需要勾选即可。需要注意的是：3ds max的版本最好是2009或者以前的版本，因为此插件没有说明支持2009以后的版本，而且在使用过程中，本人也分别使用了2010版和2009版来进行导入操作，发现2009版本的3ds max不容易出错，而2010版本中经常会出现导出失败或内存不足的错误情况，希望引起各位读者的注意。
图4.2 导出参数的设置窗口
5 虚拟演示系统制作流程
5.1 模型的导入
5.1.1 从Solidworks导入到3ds max 按照上文中所述的几种方法来进行格式转换，由于本设计中的模型零件较多，生成.stl格式并不适用，因此在本设计中采用的是第三种方法，即将模型保存为.wrl格式的文件，如下图5.1所示。
图5.1 在Solidworks中另存为,wrl格式
5.1.2 从3ds max导入到Virtools 按照上文中所述的方法进行导出操作，首先在3ds max中导入上一步中生成的“总装配体.wrl”文件，如图5.2所示；然后将其导出为.nmo格式文件。然而在此处出现了错误，如图5.3所示，根据错误提示以及与导师进行沟通后，决定将模型分成几个部分后分别进行导出导入操作，具体步骤与上文类似，在此不在进行赘述，最终导出的文件如图5.4所示，将这几个文件导入到Virtools中即完成了模型的导入操作，最终的效果图如图5.5所示。
图5.2 在3ds max中导入.wrl格式文件
图5.3 导出过程中的错误提示
图5.4 最后生成的.nmo格式文件
6 总结 致谢
主要参考文献
附录
