輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土石壩對自然條件有廣泛的適應(yīng)性，它對地基的要求比混凝土壩底，適應(yīng)變形能力強，同時土石壩可以就地取材，可以充分利用樞紐建筑物基礎(chǔ)開挖料筑壩，但是由于土石壩基礎(chǔ)資料多、設(shè)計內(nèi)容繁多，除包括常規(guī)的樞紐布置與壩型選擇、壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計、壩基處理、壩體與壩基、岸坡與其他建筑物的連接、壩的計算與分析等。
[0003]土石壩設(shè)計是一個非常龐大的工程，它的基礎(chǔ)資料多、設(shè)計內(nèi)容繁多，除包括常規(guī)的樞紐布置與壩型選擇、壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計、壩基處理、壩體與壩基、岸坡與其他建筑物的連接、壩的計算與分析等，完成一套針對于虛擬教學(xué)的系統(tǒng)不僅需要扎實的水利方面的理論作為鋪墊，同時還需要良好的數(shù)學(xué)、物理以及編程方面的能力，所有土石壩教學(xué)往往是一個難點。
[0004]傳統(tǒng)的教學(xué)觀念主要是“傳道、授業(yè)、解惑”，這種教學(xué)方法是以教為主，學(xué)生始終處于被動的學(xué)習(xí)環(huán)境中，現(xiàn)代化的教學(xué)方法要求改變傳統(tǒng)的課堂講授式為啟發(fā)引導(dǎo)式，賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)到教學(xué)中，逼真的虛擬環(huán)境可提供良好的人機(jī)交互功能。
[0005]目前基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，它的實際應(yīng)用在理工科的教學(xué)中比較廣泛，隨著各個行業(yè)的要求越來越高，像建筑、機(jī)械、物理、化學(xué)等學(xué)科都開始利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)行業(yè)的突破，比如同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院的虛擬現(xiàn)實實驗室，采用比較高端的設(shè)備，像建筑景觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的仿真，中國科技大學(xué)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物理實驗方面，有著豐富的經(jīng)驗，他們已經(jīng)形成了比較成熟的產(chǎn)品:基于本地的大學(xué)物理仿真實驗軟件，大學(xué)物理虛擬實驗遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，相對于這些學(xué)科，應(yīng)用于水利學(xué)科的虛擬教學(xué)平臺則很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的在于提供輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法，改善了土石壩教學(xué)與演示系統(tǒng)對水利課程教學(xué)的弊端。
[0007]其解決的技術(shù)方案是，包括以下步驟:
步驟一:對土石壩原型基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分成土石壩構(gòu)件；
步驟二:對土石壩構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化成細(xì)化部件；
步驟三:細(xì)化部件進(jìn)行參數(shù)化，建立細(xì)化部件數(shù)據(jù)庫；
步驟四:利用CATIA對土石壩建立三維模型，并將所述三維模型轉(zhuǎn)換為3DXML格式文件，同時將所述三維模型的參數(shù)信息保存為BOM信息表；
步驟五:利用AD0.NET技術(shù)將3DXML信息與虛擬教學(xué)和演示平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互； 步驟六:對3DXML Player瀏覽器二次開發(fā)，使虛擬教學(xué)模型進(jìn)行交互演示。
[0008]本發(fā)明利用土石壩教學(xué)與演示系統(tǒng)改善了水利課程教學(xué)的弊端，能使學(xué)生身臨其境感受土石壩，以便更好地體驗、接受和學(xué)習(xí)土石壩設(shè)計技術(shù)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，能夠給學(xué)生一個真實的、直觀的感受，提高學(xué)習(xí)成果。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的土石壩虛擬教學(xué)與演示系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖。
[0010]圖2為本發(fā)明的土石壩虛擬教學(xué)與演示系統(tǒng)框圖。
[0011 ] 圖3為本發(fā)明的3DXML Player瀏覽器具體二次開發(fā)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]現(xiàn)結(jié)合圖1至圖3所示，本發(fā)明輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法，包括以下步驟:
步驟一:對土石壩原型基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分成土石壩構(gòu)件；
步驟二:對土石壩構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化成細(xì)化部件；
步驟三:細(xì)化部件進(jìn)行參數(shù)化，建立細(xì)化部件數(shù)據(jù)庫；
步驟四:利用CATIA對土石壩建立三維模型，并將所述三維模型轉(zhuǎn)換為3DXML格式文件，同時將所述三維模型的參數(shù)信息保存為Β0Μ信息表；
步驟五:利用AD0.NET技術(shù)將3DXML信息與虛擬教學(xué)和演示平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互； 步驟六:對3DXML Player瀏覽器二次開發(fā)，使虛擬教學(xué)模型進(jìn)行交互演示。
[0014]所述利用CATIA對土石壩建立三維模型的步驟為:
步驟一:利用土石壩整體工程和土石壩原型構(gòu)件構(gòu)造，根據(jù)CATIA骨架設(shè)計方法，建立土石壩工程整體骨架模型和斷面構(gòu)件骨架模型；
步驟二:通過CATIA建立土石壩構(gòu)件模板庫，將構(gòu)件模板按照斷面構(gòu)件骨架模型提供的骨架要素進(jìn)行裝配設(shè)計，形成土石壩某段三維模型；
步驟三:按照整體骨架模型進(jìn)行裝配，形成土石壩的三維模型。
[0015]本發(fā)明中，所述細(xì)化部件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基礎(chǔ)，在SQLSever中，所有的數(shù)據(jù)存儲在表中，表是數(shù)據(jù)庫所有數(shù)據(jù)存儲對象，表是列的集合，它包含了多條記錄，每個記錄包含若干字段，字段描述事物的特征和屬性，多個表就組成了數(shù)據(jù)庫，輕量級三維仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)存儲土石壩所有模型的所有類型參數(shù)，類型參數(shù)包括壩高、壩長、頂部寬度和填筑方量，輕量級三維仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)建立了 75個數(shù)據(jù)表，記錄數(shù)目530多條。
[0016]土石壩的三種壩型的基本信息用均質(zhì)壩、心墻壩、斜墻壩數(shù)據(jù)，所述基本信息包括壩型名稱、壩型代碼、壩頂類型、壩頂代碼、壩身類型、壩身代碼、護(hù)坡類型、護(hù)坡代碼、防滲體類型、防滲體代碼、排水體類型和排水體代碼。
[0017]土石壩基本構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息用壩頂、壩身、護(hù)坡、防滲體和排水體數(shù)據(jù)表，所述土石壩基本構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息包括防浪墻類型、防浪墻代碼、壩頂路面類型、壩頂路面代碼、壩頂路面墊層類型、壩頂路面墊層代碼、上游護(hù)坡類型和上游護(hù)坡墊層類型。
[0018]通過對土石壩原型基本構(gòu)件劃分，對土石壩構(gòu)件細(xì)化，建立細(xì)化部件數(shù)據(jù)表，包括50個細(xì)化部件的數(shù)據(jù)表、各個細(xì)化部件的各種類型的參數(shù)、幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、裝配參數(shù)和材質(zhì)參數(shù)，細(xì)化部件的名稱、細(xì)化部件的代碼。
[0019]輕量級三維仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)采用AD0.NET作為系統(tǒng)集成的平臺，微軟AD0.NET平臺擁有獨立開發(fā)的架構(gòu)和強大的功能，并可以通過COM接口方便的調(diào)用3DXML Player類、DwgViewX 類和 DsoFramer 類。
[0020]本發(fā)明在設(shè)計時，分為3D教學(xué)模塊、課程設(shè)計模塊、工程實例模塊、管理系統(tǒng)和幫助模塊，因CATIA平臺只能提供三維模型的建模功能，但不能滿足系統(tǒng)對教學(xué)功能的要求和系統(tǒng)其它功能的實現(xiàn)，將CATIA中建立的三維模型轉(zhuǎn)換為3DXML格式文件，3DXML是一種基于XML的輕量化的3D數(shù)據(jù)格式，它體積更小，壓縮比高，能使用戶快速、簡單地獲得和共享精確的3D數(shù)據(jù)，同時達(dá)索公司開發(fā)提供了一種基于3DXML的瀏覽器3DXML Player,能夠進(jìn)行最為基本的顯示操作，并且提供了二次開發(fā)的接口，能夠讓客戶自主研發(fā)所需要的功能，如設(shè)置屬性、生成爆炸圖等。
[0021]所述3DXML Player瀏覽器不僅可以實現(xiàn)3DXML文件的讀取、操作，而且還提供了豐富的數(shù)據(jù)接口用于二次開發(fā)，通過C#中WebBrower將3DXML Player嵌入到程序中，根據(jù)3DXML Player提供的3DViewer和3DViewer Extens1n兩個腳本，可以實現(xiàn)瀏覽器的基本功能，還能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，實現(xiàn)部件窗口、爆炸圖以及全景瀏覽窗口功能。
[0022]DwgViewX控件是AND提供的專門用于瀏覽DWG格式文件的一種控件，DwgViewX控件能夠優(yōu)化瀏覽AutoCAD的DWG文件格式，在不打開或者不安裝AutoCAD的情況下，即可對圖紙縮略圖進(jìn)行縮放、預(yù)覽、旋轉(zhuǎn)以及查看詳圖和打印操作，并且能夠嵌入到應(yīng)用程序當(dāng)中，通過安裝DwgViewX插件，然后再C#當(dāng)中對其進(jìn)行引用即可添加。
[0023]DsoFramer為Excel、Word、PPT等office程序提供嵌入到其他支持OLE技術(shù)的程序和系統(tǒng)中的一個基于C語言實現(xiàn)的開源的active X組件，首先安裝DsoFramer插件，然后在C#中添加引用，通過簡單的代碼即可實現(xiàn)PPT嵌入到程序中，實現(xiàn)PPT與模型之間的交互操作是根據(jù)PPT相應(yīng)頁碼中PPT的內(nèi)容切換相應(yīng)的模型。
[0024]本發(fā)明運用C#開發(fā)技術(shù)，以三維參數(shù)化的土石壩原型、二維CAD圖形和課程PPT為基礎(chǔ)，結(jié)合多種第三方插件，開發(fā)設(shè)計土石壩虛擬教學(xué)與演示系統(tǒng)，實現(xiàn)土石壩的虛擬教學(xué)、輔助課程設(shè)計和三維土石壩工程的場景演示等功能。
[0025]本發(fā)明利用土石壩教學(xué)與演示系統(tǒng)對水利課程教學(xué)的弊端有很大的提高，能使學(xué)生身臨其境感受土石壩，以便更好地體驗、接受和學(xué)習(xí)土石壩設(shè)計技術(shù)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，能夠給學(xué)生一個真實的、直觀的感受，提高學(xué)習(xí)成果。
【主權(quán)項】
1.輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:對土石壩原型基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分成土石壩構(gòu)件； 步驟二:對土石壩構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化成細(xì)化部件； 步驟三:細(xì)化部件進(jìn)行參數(shù)化，建立細(xì)化部件數(shù)據(jù)庫； 步驟四:利用CATIA對土石壩建立三維模型，并將所述三維模型轉(zhuǎn)換為3DXML格式文件，同時將所述三維模型的參數(shù)信息保存為BOM信息表； 步驟五:利用AD0.NET技術(shù)將3DXML信息與虛擬教學(xué)和演示平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互； 步驟六:對3DXML Player瀏覽器二次開發(fā)，使虛擬教學(xué)模型進(jìn)行交互演示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法，其特征在于，所述利用CATIA對土石壩建立三維模型的步驟為: 步驟一:利用土石壩整體工程和土石壩原型構(gòu)件構(gòu)造，根據(jù)CATIA骨架設(shè)計方法，建立土石壩工程整體骨架模型和斷面構(gòu)件骨架模型； 步驟二:通過CATIA建立土石壩構(gòu)件模板庫，將構(gòu)件模板按照斷面構(gòu)件骨架模型提供的骨架要素進(jìn)行裝配設(shè)計，形成土石壩某段三維模型； 步驟三:按照整體骨架模型進(jìn)行裝配，形成土石壩的三維模型。
【專利摘要】本發(fā)明提供輕量級三維仿真教學(xué)平臺構(gòu)建方法，改善了土石壩教學(xué)與演示系統(tǒng)對水利課程教學(xué)的弊端；其方案是，包括以下步驟：步驟一：對土石壩原型基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分成土石壩構(gòu)件；步驟二：對土石壩構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化成細(xì)化部件；步驟三：細(xì)化部件進(jìn)行參數(shù)化，建立細(xì)化部件數(shù)據(jù)庫；步驟四：利用CATIA對土石壩建立三維模型，并將所述三維模型轉(zhuǎn)換為3DXML格式文件，同時將所述三維模型的參數(shù)信息保存為BOM信息表；步驟五：利用ADO.NET技術(shù)將3DXML信息與虛擬教學(xué)和演示平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；步驟六：對3DXML？Player瀏覽器二次開發(fā)，使虛擬教學(xué)模型進(jìn)行交互演示。本發(fā)明利用土石壩教學(xué)與演示系統(tǒng)，改善了水利課程教學(xué)的弊端，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)習(xí)成果。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105335553
【申請?zhí)枴緾N201510635991
【發(fā)明人】楊海波, 王宗敏, 李健, 趙紅領(lǐng), 閆超德, 李云飛
【申請人】鄭州大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年9月30日