數控車床編程入門基礎范文

導語：如何才能寫好一篇數控車床編程入門基礎，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞： 數控車床編程教學 切入點 手工編程

數控車削加工是數控加工中應用最廣泛、最基本的加工方法之一。它主要通過程序控制自動完成內外圓柱面、圓錐面、弧面、螺紋等工序的切削加工。數控車床編程是數控車削加工的基礎和重要步驟，程序的優劣決定了零件加工質量的高低。根據零件的復雜程度，數控車床編程分為手工編程和自動編程，手工編程是自動編程的基礎，自動編程中許多核心經驗都來自手工編程，掌握手工編程技術對掌握CAM軟件的使用方法、正確使用數控設備、理解自動編程設計原理具有重要意義。本文以手工編程為例，探討數控車床編程教學的切入點。

一、從狠抓普通車床技能訓練切入，為數控車床編程教學打好基礎。

對初學者來說，普通車床的操作更直接，感受更直觀。第一學年，我們按1：1的比例安排普通車床加工工藝與普通車床操作技能訓練課程，使學生全面、系統地了解、學習普通車床的結構、規格、性能；掌握刀具的分類、幾何角度、刃磨方法；牢記切削用量的含義及選擇原則；熟練掌握內外圓柱面、圓錐面、弧面、螺紋的加工方法及刀具的運動軌跡；根據零件圖，會制定零件的加工工藝……另外，在普通車床加工中，若出現不正常現象，則可以采取措施，避免出現不良后果。通過系統學習，學生熟悉了車削加工的全過程，為數控車床編程教學打下了堅實的基礎。

二、以“必需、夠用”為原則切入，整合教學內容，提高教學效率。

沒有門檻的中等職業教育，生源特點是：總體入學成績下降，大多數學生初中階段的文化基礎差，接受能力、分析能力、思維能力偏低，惰性、厭學心理嚴重，一旦學習上遇到困難，就會因自卑而放棄。針對這些特點，我們在教學內容的組織、教學環節的設置上狠下工夫，本著“必須、夠用”的原則，刪繁就簡，以就業為導向，從實際出發，因材施教，將每個知識點的教學重點放在“是什么”，“怎么用”上，引學生入門，助學生進步。

1.利用視覺沖擊，激發學生的好奇心。

絕大多數學生沒有接觸過數控車床，不知道什么叫“數控”，對數控編程、數控加工有神秘感。在學習初，我們組織學生觀看數控加工錄像，安排學生去車間參觀，將他們在普通車床上加工過的零件置于數控車床，重新編程加工，通過這種視覺沖擊，激發他們的好奇心與求知欲。

2.從學生熟悉的內容切入。

在課堂上，展示學生在普通車床上加工的零件，要求學生對照圖紙，回憶該零件的加工過程，制定該零件的加工工藝，告訴學生，將該零件的加工路線，包括每一個工步，如進刀、切削、退刀、回刀，用相應的指令代碼及規定的指令格式寫出來，這個過程就是編程。以這種方式引出數控編程的概念及數控編程的步驟，學生易于理解，樂于接受。

3.以“點”帶“面”。

不同的數控系統，指令代碼的含義、指令格式、編程方法不同，教學中，以應用較廣泛的一種系統如FANUC系統為主，向學生講清編程指令的含義、應用范圍，當學生掌握該系統的編程方法，能應用該系統指令自如編寫零件的加工程序后，再逐步向其他系統擴展，并作橫向對比，這樣，學生可掌握每個系統的編程特點，不易混淆。

4.重點講解基礎指令。

數控指令是程序構成的基本單元，也是數控車床操作的主要對象。數控車床加工的零件，不管形狀多么復雜，刀具的運動軌跡可歸納為兩類：一類是直線運動（G01），一類是弧線運動（G02/G03）。只要學生掌握了這三個指令的格式、參數代碼的含義、應用特點、編程方法、編程注意事項，其他指令如G32、G90、G92、G71、G73、G76等學習起來就較為容易。因此，我們將數控編程教學重點放在這三個指令的教學上，循序漸進，引導學生理解指令的作用是什么，指令怎么用，達到學懂、會用的目的。

三、從數控加工仿真軟件切入，實現“教、學、做”一體化教學。

數控編程有很強的操作性，要求有大量的實際操作輔助教學，增強學生的感性認識。學校購置的設備數量有限，每個學生上機操作的機會不多。因此，我們利用仿真軟件實現每個學生上機操作的愿望。

仿真軟件是在計算機上模擬仿真數控車床操作、工件加工、工件測量等動態數控加工全過程，使學生掌握數控車床的基本操作方法，感受機床的運行特性，為實際操作奠定堅實的基礎。

1.“教、做”一體化。

仿真軟件提供了與實際數控機床完全相同的操作面板、按鍵功能、屏幕顯示。授課時，通過投影儀將仿真數控機床投影到大屏幕上，教師利用仿真軟件邊講理論邊演示，如回零、工作方式的選擇、程序的編輯與修改、對刀、補償設定、輸入輸出操作，使學生有身臨其境的感覺，這樣，把枯燥的理論知識落實在機床操作中，老師講一段操作一下機床，學生看得逼真，理解得透徹，學習興趣漸濃。

2.“學、做”一體化。

仿真軟件實現了數控機床手工編程的過程模擬和加工過程的圖形模擬。首先，學生可將自己編寫的程序輸入仿真車床，檢驗程序是否正確，刀具的運動軌跡是否合理，及時發現問題，不斷調試加工程序，補償超差尺寸，直觀感受數控加工的過程與結果。其次，改變紙質作業的傳統模式，要求課堂練習、課后作業均用仿真軟件完成，最大限度地滿足學生的動手欲望。

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關鍵詞：數控技術；教學方法；數控編程與操作

中圖分類號：G718文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2013）07-0274-02

隨著科學技術的飛速發展，數控技術在機械制造領域日益普及與提高，各種類型的數控機床在生產中得到越來越廣泛的應用。企業之間的競爭已由物質資源的競爭轉化為人力資源的競爭，對人才培養的目標也從知識型向能力型的轉變，創新意識和工程能力的培養也已經成為實習訓練的核心。如何培養高技能人才的問題就擺在了中職院校的面前。

數控專業如何讓學生真正學會和掌握加工的工藝知識和編程技巧就成為教師的一大難題。在我們的教學實踐中，解決這些問題，需要針對數控加工工藝知識、數控編程以及實踐環節，在教學中采用合理的課程體系作基礎，靠系統的教學環節作保證，因而提高學生實習質量顯得尤為重要，以下是我在數控實習教學中為提高教學質量進行的一些創新措施。

1.合理安排教學步驟，確保實習教學時間

實習課首先要保證學生的操作教學時間。以往采用的是講練結合模式教學，是傳統的大班教學模式，學生實習時間短，能真正學到的東西很少，再加上學生文化基礎薄弱，自控能力差，實習設備較少，師資力量不足，實習教學效果可想而知。根據這些情況，我將班級分成幾個小組，根據機床的數量及"差優搭配"原則分為4-5個小組。采取了融理論與實踐于一體，循環往復，滾動式前進和螺旋式提高教學步驟，在教學過程中，形成了小模塊、大模塊反復進行運轉過程。這種安排在不改變原有教學課時的同時使每位同學的有效實習時間大大增多，保證了同學們在實習期間掌握教學計劃內容。

2.合理設計實習內容，把握教學的每一個環節

在教學實施過程中，按照以學生為主體，教師引導為輔的原則。我在實習的第一課先給學生介紹課程與生產的關系，讓學生對課程產生興趣，然后在進行幾個環節：

2.1入門指導：先由教師用數控機床加工一件零件進行演示，讓學生對數控加工過程有一個感性認知，進行入門指導。激發學生的學習興趣，在進行完加工演示后進行理論知識講授。

2.2新課講授：是使學生掌握新知識和新技能，主要講授數控機床的組成，手輪，工作原理代碼，加工工藝和編程知識，教師要條理清晰，語言簡潔，重點突出，讓學生知道應掌握什么和怎樣掌握。

2.3操作演示：這是實習教學的重要步驟，通過它學生可以具體、生動、直接地感受所學的知識，在教師的指導下，由學生進行自編程序，獲得感性知識，加深對所學內容的印象，把理論知識和實際操作聯系起來。在進行示范操作時要動作熟練、準確，重點部分應提醒學生指導問題所在，難點部分課邊示范邊講解，分解動作與整體動作要很好地結合，充分調動學生的學習興趣和積極性，引導學生提出問題，調動興趣后再引導它們通過實習練習去解決問題。

2.4結束指導：是指教師根據學生在操作過程中對基本技能的掌握程度進行總的評估。在這一環節中要注意把學生的感性知識提升到理論性認識，幫助學生把實踐經驗進一步提高，形成技能。編寫訓練報告應特別注意引導學生認真總結在實習過程中積累的經驗、觀察的結果及操作的效果，啟發學生找出規律，把握技巧，做出結論。

3.教學方法與手段的改革

教學內容是圍繞工作任務展開，教學過程模擬工作過程，化難為易，化繁為簡，化深為淺，并將其融合于實踐教學中，將理論知識掌握和操作能力培養同時進行，促使學生因操作需要產生學習理論知識的動機，有利于提高學生學習的興趣和主動性，較好地解決了理論教學和實踐教學脫節的問題，減少了理論課與實操課之間的知識重復。教學中可以充分利用現代教學技術手段，通過授課課件、動畫、錄像等，多視角呈現，形象地展現走刀路線，加工過程等，使得教學直觀，易于學生理解和掌握，調動學生學習的興趣，提高聽課的效率和積極性。

4.充分利用數控模擬軟件

數控實習課是一門實踐性很強的課程，可學校的數控機床數量有限，因而改善和提高數控實習的實習環境，使學生能學練結合，就成為數控教學的一個難題。

數控仿真加工系統可以實現數控機床零件加工的全過程。因此我就選定了一種能在計算機上進行手工編程和自動編程、并能動態模擬加工軌跡、與數控車床有良好接口的數控模擬軟件。數控模擬軟件，可以逼真的仿真加工現場：機床型號和系統都可以按要求設置，可以仿真與現場同樣的屏幕配置和功能，實時地解釋NC代碼并生成機床進給指令；提供與真實的CNC機床類似的操作面板；提供視圖放大、縮小功能的設置；幫助功能（碰撞、過載）；使用對話框可以方便的進行刀具和功能的設置；可以同時顯示刀具與偏移路徑；NC校驗功能；代碼向導功能；幫助功能……所有這一切都使數控實習學習更加容易很好地解決了數控機床數量不足的問題。

我就充分利用數控仿真模擬這一特點，結合多媒體廣播給學生演示加工過程，然后利用練習模式進行強化訓練，把書本中抽象、籠統的理論變為形象、具體、針對實物的感官印象，使學生在動手的過程中不知不覺的提高了對書本相關知識要點的理解力，激發了學生的學習興趣和積極性，從而較快的提高成績，增強自信心，變學生被動學習為主動學習。在進行數控機床基本操作訓練時，我還利用仿真軟件讓學生通過教學網絡觀看教師的操作過程并進行練習，保證每個同學有充足的時間既可以自主學習，避免了初學者直接上機床進行操作可能出現的撞壞車刀、損壞工件與機床、浪費材料等現象，又有效地解決了機床臺套數不足的難點。

5.實操練習

前面所做的工作大多都是在計算機上進行的模擬操作，學生很難和實際的加工聯系起來。在老師的指導下，在數控機床上進行工件的加工時必不可少的，練習要貼近實際，鼓勵學生加工出合格的工件，培養學生的動手能力，豐富了專業理論的知識。讓學生到車間進行數控生產技能的實習，可以展示學生的能力，主動爭取社會的認可，擴大學生的就業通道。

在數控實習教學中會遇到各種各樣的困難，這就需要我們克服困難，充分利用現有資源，創造條件，把數控操作實習開展好。只要學生的技術水平得到提高，實習效率也就必然提高。只有進行課程改革，才能克服以前老套教學中的問題，才能創造更好的學習環境培養出高技能的人才。

參考文獻

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關鍵詞：數控加工 數控仿真軟件

數控仿真軟件是一款在計算機設備內完成數控操作加工仿真的現代化專業性軟件，能同時展開刀具軌跡與機床運動的仿真。數控仿真軟件通過三維顯示與虛擬現實技術，使數控加工整個流程的模擬達到相當逼真的程度，進而檢驗加工環節里可能存在的不足。利用微型計算機的數控加工實驗教學系統，可為學生知識的學習提供更真實的數控機床操作編程加工環境，可降低實際上機操作時因誤操作而帶來的機床與工件毀壞幾率，進而提升課堂教學質量與學生實際工作能力。

一、數控仿真軟件在數控加工技術教學中的作用

第一，通過數控仿真軟件能夠彌補設備與師資缺乏，增強學生動手實踐能力，對學生技能操作熟練程度的提升更有利。利用仿真軟件展開模擬操作，可為學生提供更多的實習機會，縮短新授知識轉變為技能的周期。如一個班級中約有30個人，3臺機床，平均每臺機床約10個人，每次實習時間約3小時，而每個人的實際操作時間僅有18分鐘，在如此短暫時間內，很難達到預期的效果。若我們利用每所學校均有的微機室，將3小時換作與實際機床基本相同的仿真操作的話，可保證所有學生均有足夠時間來動手，提升操作熟練程度，為下一步實際操作做足準備。

第二，提供了多類機床與多類系統。現今數控機床的種類與系統廠家相當多，教學時可結合需要選擇對應機床與系統完成對學生的授課，增強了學生對不同數控系統與不同數控機床的適應能力。

第三，通過數控仿真軟件可更好結合理論學習，實現同步教學。若通過仿真軟件一邊演示一邊教學，借助車刀與工件運動來顯示指令軌跡，學生更易理解，還可親手操作以加深認識，理論與實踐相互融合，增強了教學質量。

二、數控加工技術課程的數控仿真軟件教學要點

1.引導學生正確選用數控加工仿真系統，提高教學質量

數控仿真軟件可通過計算機把所編制程序，在二維圖或三維圖的基礎上通過動態方式把整個數控加工過程更生動地展現出來。現今有影響力、有代表性的數控仿真軟件包括上海宇龍、斯沃仿真、南京宇航等。但具體選擇哪種仿真軟件，還應綜合分析仿真系統里操作面與實訓教學機床的匹配性，保證仿真系統里所用到的數控系統應與教材教學選擇的數控系統或機床相符，并考慮數控仿真系統功能是否滿足教學要求與仿真軟件及CAD/CAM軟件配套性，如通過CAD/CAM軟件后置處理所生成的程序可否調入仿真系統進件虛擬加工，在仿真軟件運行驗證符合要求的程序可否在真實機床里加工等。筆者學校在實際操作中選用了上海宇龍數控仿真軟件，軟件基本可兼容目前國內已有的大部分數控系統，如FANUC、SIEMENS、廣州數控等。仿真軟件完全模擬真實的數控機床操作，能清晰仿真整個數控加工環節。學生在學習過程中能夠更快速地了解數控機床編程與操作技能。

2.科學應用仿真軟件，增強學生學習興趣

過去在黑板上講授不同按鍵名稱、作用與操作方法，實質上是一件費力不討好的事，學習者感覺枯燥，教師也乏味。但若將數控仿真軟件用于數控加工技術課程中，學生所編程序能夠直接在計算機數控加工仿真軟件中進行模擬加工演示。由于機床操作面板的使用及零件加工過程均與實際加工情況類似，學生可從任意角度了解、掌握數控機床加工過程，毛坯加工變作成品的過程真實形象，更利于知識點的掌握。利用數控仿真軟件，基于學生學習中遇到的各種困難及問題給予講解、引導、示范操作，可以克服所有的學習困難，解決問題，增強學生學習興趣。此外，數控仿真軟件再先進，終究不是真實的，數控系統種類多，統一數控系統應用于不同廠家生產的數控機床上，實際操作中也存在諸多差異，研發人員無法全面掌握這些具體細節，仿真軟件產品會出現一些與真實機床不同的感覺。教師還應為學生清楚講述軟件與實際機床不符之處，并結合機床真實情況為學生展開針對性教學，以免讓學生出現誤解，不利于將來機床編程與實操。

3.合理安排教學內容，循序漸進掌握數控知識

數控加工技術課程教學中應合理安排教學內容，在教學前將知識點給予有效安排，大致分作三個模塊，即基礎模式、提高模塊與拓展模塊。首先，基礎模塊重點講述訓練中常用到的FANUC數控系統相關數控車床、數控加工中心編程方法、操作及應用知識，該模塊屬于教學基礎，也屬于教學的重點，要求學生務必熟練掌握，并能做到知識的靈活運用;其次，提高模塊重點講述并訓練SIEMENS數控系統相關三種機床編程與操作，增強學生在不同數控系統下進行不同數控機床編程的操作能力與理解能力;最后，拓展模塊重點講述國產數控系統里的華中數控系統與廣州數控系統里的數控車床編程及操作技巧，拓寬學生知識面，增強學生對不同操作系統、不同操作面板的編程及實踐操作能力。唯有如此，學生方可更牢固地掌握各種數控加工知識，步入社會后能盡快適應崗位工作要求，提高工作能力。

4.仿真軟件學習與機床實際操作訓練同時進行

數控仿真軟件不僅可用于數控加工技術課程教學中，還可作為數控操作技能訓練輔助工具。教師應擺正數控仿真系統在教學中的位置，不可讓學生養成一味依賴數控仿真軟件的習慣，而忽視了機床實際操作練習的重要性。教師需結合課程總共的學習時間，科學分配仿真軟件學習與機床實際操作訓練二者的時間比例，充分認識到數控仿真軟件的應用優勢主要體現在入門基礎訓練上，而學生實踐操作技能的提升關鍵還是要通過大量的機床實際操作訓練。學校需合理制訂教學計劃，在數控仿真軟件課程學習前，就先組織學生到附近工廠實習，讓學生對各類加工方法有更深的感性認識。同時，數控機床課程與數控加工工藝課程也應安排在數控仿真軟件學習訓練前，讓學生掌握更多機床操作方法、加工方法與切削用量選擇方法，更利于學生理解與掌握數控仿真各環節要點，進而讓數控仿真軟件真正在數控加工技術課程中發揮作用，達到“砍柴不誤磨刀功”之效。

總之，數控仿真軟件將逐漸變成我國數控教學中的主要手段，不但能夠解決占用過多實驗設備時間的問題，還可提升學生對數控加工的認識，還可為學生提供檢驗自行編寫程序正確性的有效手段。不過，把數控仿真軟件應用于數控加工教學里也有諸多不足，在應用過程中還應不斷改進與完善，使其更好為數控教學服務，提高教學質量，為社會培育出一批批實踐能力強的新型數控人才。

參考文獻：

[1]叢娟，叢樹林.基于數控仿真軟件的數控加工工藝與編程課程改革[J].遼寧高職學報，2011（3）.

[2]王芊.有效提高學生實踐能力的途徑――仿真軟件在數控技術專業教學中的應用[J].包頭職業技術學院學報，2009（1）.

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【關鍵詞】數控加工；一體化

自改革開放以來，高科技時代帶來工業技術的飛速發展，致使職業學校不能及時、快速地向社會輸送出適應產業結構調整、社會經濟迅速發展的技術型技能人才，繼而阻礙了企業、經濟和社會的可持續發展。這就迫使職業教育必須在教育思維、教學理念和教學方式上，須脫離傳統的教學模式，并進行全方位地、深入地進行教學改革，核心就是如何實施一體化教學，快速培養出社會需要的合格的技能人才。

既然傳統的教學模式已不能適應實現職業學校人才培養目標的需求，因此，構建一個“以就業為導向，以職業為本位”的符合職業教育目標要求的教學體系顯得尤為重要。這種教學體系就是一體化教學體系。通過一體化教學，可以達到以下幾個轉變：教學從“知識的傳遞”向“知識的處理和轉換”轉變，教師從“單一型”向“行為引導型”轉變；學生由“被動接受的模仿型”向“主動實踐、手腦并用的創新型”轉變；教學組織形式由“固定教室、集體授課”向“室內外專業教室、實習車間”轉變；教學手段由“口授、黑板”向“多媒體、網絡化、現代化教育技術”轉變，從而以“一體化”的教學模式體現職業教育的實踐性、開放性、實用性。而要達到這樣的目標，就必須構建新的專業課程體系，即以能力為本位，以職業實踐為主線，以項目課程為主體，構建綜合模塊化的課程體系。

一體化教學，簡而言之，就是教師能夠把專業理論與生產實訓有機地結合起來，高效率地教會學生；而學生在通過一體化課堂的學習后，能夠對這個行業領域的技能知識熟練地運用，并解決相關問題。

相較過去的教學模式，一體化教學模式，要求我們從根本上必須做出兩個方面的改變：教學硬件與教學軟件。教學的硬件主要包括：教學場地，教學設施、設備，教學軟件等所具備的必備條件；教學的軟件主要是：教師所具備的專業實力，具體包括專業知識量的多少、關聯知識的輻射面、行業領域的了解程度、教學的方式方法等。

對于教學軟件的提升，我們可以通過幾個有效的可行方法：1、有計劃地安排教師參加培訓操作實踐，提高有關教師理論和實踐操作水平。2、根據數控實訓一體化教學內容，安排具有不同特長的教師對實訓項目進行重點突破。3、要求教師積極參與實踐，要求學生完成的課題教師必須先完成，同時創造條件，鼓勵教師參加各類技能競賽，以賽促練，以交流促進教師職業技能水平的提高。

在教學的過程中，我們需要做到的是，真正的實現課堂連接車間，體現職業價值。

教學內容是數控加工實訓一體化項目的核心內容。根據國家高技能人才培養計劃和中等職業學校專業教學計劃等文件，結合學校現有實訓條件，我們確定了數控編程與工藝、數控仿真、上機操作、CAD/CAM四個子項目。數控編程與工藝是數控車床實習的理論基礎知識，為學生進一步學習和提高職業發展潛力提供理論知識保障，該子項目的教學貫穿于數控車床實訓整個過程，由淺入深，并與數控仿真、上機操作子項目相結合；數控仿真是解決實習工位不足的重要手段，也是實習教學安排中進行緩沖調節，鼓勵學生自我學習，使一體化教學順利進行的重要保證；上機操作是保證學生具備職業能力的根本途徑；CAD/CAM子項目是保證學生適應未來市場需要，可增加學生對新知識、新工藝、新方法的了解和掌握，提高學生對先進制造技術發展趨勢的適應能力。

數控加工一體化實習訓練，按中、高級職業資格考核要求，將實習階段分為三期：（1）初期按課表授課。主要是入門任務，使學生逐步熟悉實習的各個子項目內容，為主動學習和自我學習打下必備知識基礎。（2）中期授課內容適當靈活把握。當實訓進行到一定階段后，為體現以學生為本的思想，讓所有學生都有實訓工位，各取所需，調動學生學習的主觀能動性，教學上逐步打破原有課表的約束，根據學生整體接受情況，對各子項目的授課時間進行靈活把握，使編程、仿真、上機操作等訓練內容保持同步、相互協調。（3）實習后期授課內容更加靈活。教師授課主要以布置子項目中課題和檢查、督促、輔導作為主要工作內容，學生根據個人的實際接受情況分別安排時間完成編程、仿真、上機操作、CAD/CAM等課題內容，充分體現以學生為主體的思想，使學生、教師和教學設備三者之間能做到有機互動，一方面增強學生的主動學習意識，學會安排時間、學會學習、學會解決問題、學會同學之間的協調合作，另一方面教師可以有更多時間對不同學生進行個別輔導，因材施教，讓每個學生都有進步。

在整個的教學階段中，我們在一個專業的仿真軟件教室，完成理論知識的傳授與補充、所有作業的初級訓練；其次，每個學生在完成自己這個學習任務的同時，對所有的問題進行總結，結合自己的生活，個性化的創造設計一個任務。教師在這個階段的過程中，通過講述生活故事、講授專業知識、播放影像資料、探討交流等方式，完成對學生學習興趣的培養，專業的基礎知識介紹，軟件的介紹、使用，協助學生完成學習任務。完成初級訓練之后，需要及時進行學習任務的實踐訓練，將一個個線條狀、虛幻的物件，在自己的努力跟老師的指導下，變成真實的有價值的產品或者是工藝品。學生在這個階段中，根據每個學生的特點，3-4人分為一個小組，20人左右為一個班，在初級訓練的基礎上，對前面的知識進行鞏固，創新，完成所有作業的訓練。

由于在實習教學中，實習內容是以項目課程課題作為教學單元，各項目課程課題在實習的中后期教學中具有很強的綜合性和很大的靈活性，教師有時間和精力在教學中考慮學生點和面的問題，充分體現因材施教原則。一方面，其中必然會出現學習進度快、成績優異者，可以增加訓練內容或增加訓練難度，讓學有余力的學生能學到更多更深的知識，同時，這些學生可對一般學生起示范和榜樣作用，另一方面，對正常學習吃力的學生，教師可以個別輔導，或者將學生適當分組，采用學生之間以強帶弱的方式來達到訓練目標。

職業學校的課程改革和職業技能實訓一體化教學是教學改革的大勢所趨，是構建職業教育新課程體系的必由之路，是職業教育向社會輸送高質量技能型人才的必然選擇。數控加工一體化教學的構想和實踐，為其他職業技能訓練開展一體化教學積累了經驗，也為數控加工技術專業的全面課程改革打下了基礎。

參考文獻：

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關鍵詞：中職；數控；理實一體；企業需求；人才培養

中職專業技能的教學，既要為學生的職業發展提供必要的技能準備，又要為學生的個性發展提供良好的平臺，為學生以后的長足發展服務。因此，單純的技能教學已遠不能滿足社會的需求。職業規范、職業道德等無形的東西本身就滲透于常規技能教學中，再加之專業要求日趨復雜化，對學生的培養不能停留在傳統的教學模式上。如果教師一味按部就班地進行理論加實踐的教學，學生不但會故步自封，學習效果和接受能力大打折扣，而且在以后就業過程中也很難適應企業對于人才的需求。現在國家正在大力推進課程改革，這無疑是順應時代的需求，以發展的眼光看待教學，對此我十分支持。

一、采用理實―體化教學新方法

中等職業學校的學生大多在經歷了中考失利后，自信心不足，人生觀、價值觀模糊，對學習沒有興趣。大部分學生的認知特點是形象思維長于邏輯思維，實踐學習長于理論學習，動手能力長于動腦能力。在此前提下，如果沿襲傳統教學模式，勢必很難實現“以服務為宗旨，以就業為導向，以能力為本位”的職業教育教學目標。

理實一體化教學是職業教育的一種新方法，該教學方法打破了不是理論課就是實踐課的單純模式，讓學生邊做邊學，在學中做、在做中學，在做與學的過程中培養獨立思考、單獨解決問題的能力，實現車間就是課堂、課堂就在車間。教師在布置一個任務后，要求學生以學習小組為單位，小組成員共同完成任務。教師在布置任務時，根據學生學習掌握程度，適當放入關于相關學科的問題，學生在做任務的同時，不斷地解決問題，在解決問題的同時，不斷地掌握相關學科的知識。當學生在做任務的過程中遇到解決不了的問題時，教師負責授業解惑。如此學做并趨、理實共進，學習效果就顯而易見。

當然，就現在中職辦學條件而言，要想做到在校期間都實現理實一體化教學，那是不切實際的。而學生在校期間一味地進行理實一體化學習，那也無異于無本之木、無源之水。兩廂而言，矛盾似乎就解決了。在專業學科當中的“機械制圖…‘公差與配合”“數控機械基礎”等理論性較強的課程，還可采用傳統的課堂教學模式。這些知識作為專業的入門知識，讓學生對自己所學的專業有了一定的了解，也為學生以后的學習打下了基礎。而像“數控加工工藝”“數控編程與操作”等課程既有比較抽象的理論知識，又要求學生能操作數控機床，具備一定的加工能力。這樣的課程就非常適合理實一體化教學。

理實一體化教學的具體實施為：首先教師將班級的學生按層次分為若干個小組。（視學校的實訓機床分小組）然后給小組布置課題，教師先對課題進行工藝分析，然后提出加工要求，設定加工時間。教師給不同層次的小組布置不同的課題，然后由各小組獨立完成。學生在完成課題過程中遇到問題時，先由小組討論解決，解決不了的教師幫助解決。能保質保量完成任務的小組進入下一個難度增加的課題，不能完成的小組繼續該層次課題，直到加工合格為止。當遇到比較共性的而學生又無法解決的問題的時候，指導老師集合全部學生，對該問題進行細解答，然后重回課題中。另外，對實訓車間的布置也必須合理，車間邊上需設有理論教室，教室里必須配備相應數量的計算機。這樣既方便了理實學習的結合，增強了學習的機動性，又優化了資源配置，節省了學生往返教室與車間的時間。

二、堅持以企業需求為導向的教學

中等職業學校的任何一門學科的教學，最終都是為學生以后就業服務的。而傳統的數控教學，往往都是形而上學，沿襲一套既定的教學方法，以考取技能等級證書為主要培養目標，練來練去都是那么幾套圖紙，對學生掌握技術缺乏機動性和靈活性。在這樣的教學方法的指導下，很多學生到了工廠、企業工作后，很難適應企業的實際生產需求，又要重新學習企業的一整套加工流程和操作方法，從頭再來，在時間和資源上都是一種浪費。

堅持以企業需求為導向的教學，就是要摒棄傳統教學的弊端，揚長補短，使學校真正做到為企業服務，為社會輸送人才。我認為可從以下幾個方面人手：

（1）建立緊密的校企合作機制，打破常規的學校只為企業輸送人才的合作模式，使學校與企業之間互動，企業不定時派技術骨干到學校進行教學指導，學校也派出教師到企業學習。這樣學校與企業之間就搭建了橋梁，就可實現先進技術和工藝的共享。

（2）實施中期見習制度。學生在學校完成一定的課程之后，可以直接到企業的相關崗位頂崗實習。當然，中期見習只是一種適應性的見習，時間不宜過長，一般在15天到一個月為宜，一年可以組織一次，目的主要是讓學生了解企業的生產實際，為今后的校內學習尋找方向，也為畢業以后就業打下一定的工作基礎和心理基礎。

（3）成立校企科技研發小組。一般企業里的技術工人往往缺少豐富的理論知識，而學校里的教師往往缺少實踐經驗。要解決這一矛盾，實現新技術新方法的突破，最有效的辦法就是成立校企科研小組。科研小組由校方和企業各派數名骨干組成，也可安排幾名學生參加，專門針對企業的生產實際中的技術難題進行技術攻關。在攻關中實現技術的提升和數控加工水平的突破，以點帶面，促進整體教學水平的提升。

三、合理配置教師資源，強化專業教師之問的研討

現今的中職學校，理論教學和實踐教學一般都是分開的，這也造就了數控教師隊伍有了理論教師和實訓指導教師之分。而這一現狀，造成了學生理論學習和實踐學習的嚴重脫節。在教室里學到的理論知識到了車間大多數都派不上用場，或者學過的知識在實踐操作時根本發揮不出來。而在學習實踐操作中沒有理論知識作為指導，就像盲人走路，舉步維艱。

篇6

論文摘要：隨著虛擬現實技術的出現，城市規劃建設發生了革命性的變化。而虛擬現實建模語言VRML正是相應其產生的，人們可以根據自己的豐富的想象力模擬構造出任意模型，從而實現城市規劃的預見。當然，也可以從模型中發現缺點和不足，從而做進一步的改進和完善。本文正是基于這種技術和VRML開發工具實現了城市的仿真，能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可以從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，公眾的參與也能真正得以實現。

本文研究的主要是虛擬現實技術在城市規劃領域中的應用。意義在于針對現代城市建設的盛行，利用環境學、工程學、規劃設計等的綜合，將虛擬現實技術運用其中，實現對城市的仿真，更真實、鮮明、生動地展現城市面貌，便于對城市規劃的可行性研究，有利于城市的規劃，建設和完善。

Abstract ：The city planning and layout have been revolutionized by the advent of the virtual reality technology. And Virtual Reality Modeling Language happens to come into being going with it. People could construct any model according to his imagination， consequently the expectation of the city planning can be achieved. Certainly we could find out the error and insufficiency， so that we could modify and improve it. The article bases on this technology and VRML exploitation tool to implement city emulation. It can make government layout department， project developer， engineering person and public set eyes on layout result in spots and commutatively by applying VR technology， and make them grip the city’s conformation and understand the purpose of the designer， and the participation of the public could come true.

This paper is mainly about the application of the virtual reality technology to the city planning. The significance is that it can realize city emulation by applicating euthenics， engineering， layout and VR technology. Consequently we can show the more real， brilliance， dramatic city’s visage， so that it makes the feasibility research of the city planning more simple and it in favor of city planning， city’s construct and city’ perfect.

Keywords ：Virtual Reality；City planning；Modeling；Emulation

第一章 緒 論

1.1 什么是虛擬現實技術

虛擬現實是計算機模擬的三維環境，是一種可以創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。虛擬環境是由計算機生成的，它通過人的視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的感覺的視景仿真。它是一門涉及計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術。用戶可以通過計算機進入這個環境并能操縱系統中的對象并與之交互。

虛擬現實不是真的，也不是現實，它只是一個在桌面上可實時地做交互式三維圖形用戶界面的工具。就像窗口系統及鼠標驅動用戶界面一樣，虛擬現實可使計算機的運用更加有效、透明。根據設計者的構想，用戶可以沉浸到數據空間中，將用戶在一定時間內與現實環境相隔離，然后投入到可實時交互的虛擬環境中，并且駕馭其中的數據，使人有一種身臨其境的感覺。

虛擬現實是一門綜合技術，它以計算機技術為主，綜合利用計算機三維圖形技術、模擬技術、傳感技術、人機界面技術、顯示技術、伺服技術等，來生成一個逼真的三維視覺以及嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自身的功能和一些設備，對所產生的虛擬世界這一客體進行瀏覽和交互式考察[1]。

虛擬現實有三大特點：浸沉感、交互性和構想性。

浸沉感指的是人浸沉在虛擬環境中，具有和在真實環境中一樣的感覺；

交互性指在虛擬環境中體驗者不是被動地感受，而是可以通過自己的動作改變感受的內容；

構想性指虛擬的環境是人構想出來的，因而可以用以實現一定目標的用途。

1.2 虛擬現實技術的發展前景

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是近來計算機網絡世界的熱點之一，在社會生活的許多方面有著非常美好的發展前景，更是數字地球概念提出的依據和基礎技術。

虛擬現實的應用領域十分廣泛，主要在工程設計、計算機輔助設計（CAD）、數據可視化、飛行模擬、多媒體遠程教育、遠程醫療、藝術創作、游戲、娛樂等方面。 Web的出現更使虛擬現實技術引起人們普遍的關注。人們對它寄予厚望，希望利用這個技術使世界各地的人，可以在三維環境下交流。多個用戶可以進行基于文本的或是聲音技術的閑談，在網上建立一個真正的三維社區已不再只是夢想中的事[2]。

虛擬現實發展前景十分誘人，而與網絡通信特性的結合，更是人們所夢寐以求的。在某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項發展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用它，我們可以建立真正的遠程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學習、討論、游戲，就像在現實生活中一樣。使用網絡計算機及其相關的三維設備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。因為數字地球帶給我們的是一個絢麗多彩的三維的世界!

我們相信社會的發展和技術的創新使這一切在世界的任何地方都能做到，再不需等待可望而不可及的將來，或許就在十年以后，或許二十年以后。

1.3 國內外虛擬現實技術的研究概況

美國是VR技術的發源地。美國VR研究技術的水平基本上就代表國際VR發展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

在當前實用虛擬現實技術的研究與開發中日本是居于領先位置的國家之一，主要致力于建立大規模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實的游戲方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虛擬現實硬件是從美國進口的。

在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備（包括觸覺反饋）設計和應用研究方面，在歐洲英國是領先的。到1991年底，英國已有從事VR的六個主要中心，它們是WIndustries（工業集團公司），British Aerospace（英國航空公司），Dimension International，Division Ltd，Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要從事VR職產品銷售）[3]。

和一些發達國家相比，我國VR技術還有一定的差距，但已引起政府有關部門和科學家們的高度重視。根據我國的國情，制定了開展VR技術的研究，例如，九五規劃、國家自然科學基金會、國家高技術研究發展計劃等都把VR列入了研究項目。 在緊跟國際新技術的同時，國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。

北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出了部分硬件，并提出了有關算法及實現方法；實現了分布式虛擬環境網絡設計，建立了網上虛擬現實研究論壇，可以提供實時三維動態數據庫，提供虛擬現實演示環境，提供用行員訓練的虛擬現實系統，提供開發虛擬現實應用系統的開發平臺，并將要實現與有關單位的遠程連接[3]。

浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發出了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統，另外，他們還研制出了在虛擬環境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。

哈爾濱工業大學計算機系已輕成功地虛擬出了人的高級行為定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話時頭勢和手勢動作，話音和語調的向步等。

還有其他一些大學在虛擬現實發面取得了驕人成績，在這里就不再介紹了。總之，雖然我們和其他一些發達國家相比還存在差距，但我國的發展前景還是很光明的，需要大家的不懈努力。

1.4 本文研究的主要內容

本文主要是介紹了虛擬現實技術極其應用，及其相應的實現工具VRML語言。通過對城市的模擬設計，更深入的了解虛擬現實技術及掌握VRML語言的使用。

第一章主要講了虛擬現實技術的基礎知識、發展前景以及現今國內外的發展狀況。以便讓讀者對虛擬現實技術有一定的了解。

第二章主要講了虛擬現實技術的實現工具VRML語言的發展歷史，虛擬現實與VRML的聯系以及VRML的創作原理等，目的是使得讀者可以很快掌握VRML。

第三章是系統的概要設計，主要講了虛擬現實技術的應用和VRML的使用。通過介紹虛擬現實技術在城市規劃領域的應用，物理建模技術以及城市模型的概要設計，使得讀者對虛擬現實技術的了解更加深入和透徹。

第四章主要講了系統的詳細設計，主要是告訴讀者怎樣利用VRML語言實現模型的虛擬實現。通過本章的學習可以使讀者的運用VRML語言的能力大大增強。

第五章主要講了在系統的設計過程中遇到的問題及相應的解決方法。

第二章 VRML簡介

2.1 VRML的發展歷史

VRML使用場景圖數據結構來建立3D實境，這種數據結構是以SCI開發的Open Inventer 3D工具包為基礎的一種數據結構。VRML的場景圖是一種代表所有3D世界靜態特征的節點等級：幾何關系、材質、紋理、幾何轉換、光線、視點以及嵌套結構。幾乎所有的生產三維產品的廠商，無論是CAD、建模、動畫、虛擬現實，還是VRML，它們的結構核心都是場景圖。

1993年9月，Tong Parisi和Mark Pesce開發了第一個VRML瀏覽器，稱為Labyrinth，它是WWW上三維瀏覽器的原形。

1994年春，在日內瓦第一屆WWW大會上，由Tim Berners-Lee和Dave Raggett所組織的一個名為Bird_of_Feather (BOF)的小組提出了VRML這個名字，當時所代表的含義是Virtual Reality Makeup Language，但是后來為了反映三維世界的建立而改成了Virtual Reality Modeling Language，縮寫為VRML。在這次大會以后，一個www-vrml mail list的組織成立了，Silicon Graphics，Inc(SGI)的Gavin Ball通過選擇Open Inventor文件格式中的基本元素，增加必要的WWW特征，制定的方案經修訂，在1994年第二次WWW大會上公布為VRML1.0的初稿。

另一位SGI的原Open Inventor設計師Paul Strauss開始作一個VRML公共域的詞解程序，當時流行于業界的名字叫QvLib。這個程序的作用是把VRML的可讀文件格式轉換成瀏覽器可理解的格式。這個詞解程序于1995年1月公開。它可以安裝到各式各樣的平臺上，從此，各種瀏覽器私雨后春筍般興盛起來[4]。

1996年8月在SGI的 Moving Worlds提案基礎上形成VRML2.0。VRML2.0在VRML1.0的基礎上進行了很大的補充和完善。

VRML2.0的DIS就是以VRML2.0為基礎制定的，于1997年4月提交國際標準化組織ISO JYCI/SC24委員會審議，依照慣例命名為VRML97。

1998年12月在原VRML組織的基礎上成立了Web3D聯盟，致力于VRML NG標準的制定，并致力于制定X3D網絡三維標準。在X3D的旗幟下，VRML將結合Java3D和XML等技術，成為Internet上三維虛擬世界的主要標準。

2.2 VRML與虛擬現實技術

虛擬現實的英文名稱為Virtual Reality，簡稱VR，即利用計算機的高科技手段構造出一個虛擬的世界，使參與者獲得與現實一樣的感覺。虛擬現實是一個在當今國際上倍受矚目的課題。

當計算機技術尚未出現的時期，仿真只能在實物上進行，這一階段的仿真稱為模擬仿真。其特點是：由于仿真是在實物上進行，因而實時性強且精度較高，但是實施的難度和費用都較大。在計算機技術問世且被引入仿真領域的初期，仿真技術步入了半模擬半數字的階段。這時系統中的一些部分由計算機代替，另一部分則由實物充當，所以，在一定程度上仍然保留著實時性仿真的特點[5]。

80年代后期，仿真在諸多方面都發生了重大的轉變，仿真研究的對象已由連續轉向離散事件系統。仿真已由重視實驗轉向重視建模與結果分析。計算機已成為一種重要的仿真工具。計算機仿真是一門利用計算機模擬真實系統進行科學實驗的技術。

由于從強調并重視與人工智能結合轉向強調與圖形技術和對象技術結合，仿真系統的交互性大大加強。就應用領域方面而言，仿真已從研究制造對象的動力學、運動學特性及加工、裝配過程，擴大到研究制造系統的設計和運行，并進一步擴大到后勤供應、庫存管理、產品開發過程的組織、產品測試等，涉及到企業制造活動的各個方面。這些轉變明顯地說明，計算機仿真已經進入了一個嶄新的發展階段，它的重要性與特殊功能已越來越突出。虛擬現實促進了仿真技術的發展。虛擬現實是采用計算機仿真技術生成的一個逼真的、具有視、聽、觸、嗅、味等多種感知的虛擬環境，置身于該環境中的人們可以通過各種傳感交互設備與這一虛構的現實進行相互作用，達到彼此融為一體的程度。近年來隨著信息技術的發展，特別是高性能海量并行處理技術、可視化技術、分布處理技術、多媒體技術和虛擬現實技術的發展，使得建立人機一體化的、分布的、多維信息交互的仿真模型和仿真環境成為可能，仿真因此形成一些新的發展方向，如可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現實仿真等[5]。

2.3 VRML原理

1.VRML對三維虛擬世界的描述

VRML規定了3D應用中大多數常見的功能。

(1)建模能力，VRML定義了類型豐富的幾何、編組、定位等節點，建模能力較強。

基本幾何形體：Box、Sphere、Cone、Cylinder

構造幾何形體：IndexLineSet、IndexFaceSet、Extrusion、PiontSet、ElevationGrid

造型編組、造型定位、旋轉及縮放：Group、Transform

特殊造型：Billbord、Backgroud、Text

基本幾何形體節點只能作十分有限的幾種造型，用點、線、面索引節點及拉伸節點就可以構造任意復雜的實體形狀。特殊造型節點可用于場景中的文字、背景顏色等設置。造型編組可以用來描述裝配關系，其中Transform節點可以確定裝配位置、方向。

(2)真實感及渲染能力，通過提供豐富的相關節點的渲染，可以很精細地實現光照、著色、紋理貼圖、三維立體聲源。

光照：HeadLight、SpotLight、PointLight、DirectionLight

材質著色：Material、Appearance、Color、ColorInterpolator

紋理：ImageTexture、MoviceTexture、PixelTexture、TextureTransform

霧：Fog

明暗控制說明：Normal、NormalInterpolator

三維聲音：Sound

場景光照的設置直接影響觀察者的視覺效果，這幾種光照節點可以提供各種虛擬場景的光源。不同材質的物體色彩及反光效果不同，VRML的材質及著色節點的使用可以仿造如同真實物體給出的視覺效果。文理節點可以對實體表面粘貼圖片或進行像素點的設置以使實體具有同實物一樣的表面花紋。霧、明暗控制都對場景的光線反射有影響。聲音節點可以在場景中模擬出實際空間可能產生的各種聲響，如音樂、碰撞聲等[6]。

(3)觀察及交互手段，傳感器類型豐富，可以感知用戶交互。視點可以控制對三維世界的觀察方式。

傳感器：CylinderSensor、PlaneSensor、VisibilitySensor、ProxymitySensor、SphereSensor、TouchSensor

控制視點：ViewPoint、NavigationInfo

各種傳感器節點可以感知用戶鼠標的指針，TouchSensor節點在數控車床操作按紐功能的仿真中十分有用。視點控制可以預先提供給用戶一些更好的觀察角度。

(4)動畫，VRML提供了方便的動畫控制方式。

關鍵幀時間傳感器：TimeSensor

線性插值器及姿態調整：CoordinateInterpolator、OrientationInterpolator、ScalarInterpolator

這兩組節點的配合使用可以產生場景中的動畫效果，關鍵幀時間傳感器節點驅動線性插值器節點按時間順序給出關鍵值插值，這些插值就是關鍵震動畫時控制實置、狀態所需要的中間過渡值。

(5)細節等級管理及碰撞檢測：LOD、Collision

細節等級管理是對復雜實體的細節顯示加以控制，使該實體可在視點外或遠離視點時不顯示或粗略顯示。VRML自身提供的碰撞檢測是指觀察者在虛擬場景中的替身與實體的碰撞。

(6)超鏈接及嵌入：Anchor、Inline

這兩個節點使VRML可以由一個虛擬場景直接鏈接到另一個場景，或者將另一個場景中的實體嵌入自己的場景中。

2.VRML的執行模式

通過使用VRML的Script節點編程、與Java間事件訪問和建立場景圖內部消息通道能夠很方便的實現虛擬實體的交互和動畫功能。VRML場景圖可以接受兩種事件驅動：從路由語句傳過來的入事件及由外部程序接口寫入的直接事件。路由語句說明由場景傳出的每一條消息的傳遞路徑，也就是從一個節點的出事件域傳出的事件傳遞到一個節點的入事件域。場景中傳感器節點通常定義了觸發事件，它通過路由發送到場景圖的其他節點的入事件域。如傳感器節點的觸發事件直接傳遞到插補器節點產生關鍵值插值，也可以傳遞Script節點進行運算處理產生關鍵值插值。Script節點的處理過程就是JavaScript語法編寫腳本程序。Script節點還可以通過URL域引入Java程序到其他需要的節點，比如傳送給實體改變它的位置、形狀。由外部程序接口寫入的直接事件不需要路由圖傳遞，但其他執行過程都是一樣的。如果需要外部程序的響應，它應該能夠有讀取節點出事件域數據的接口[7]。

2.4 VRML的創作工具

創作VRML可以用你喜歡的文本編輯器，如Windows95下的NotePad，DOS下Edit等。當然，最后要獎文件保存為以 .wrl為后綴的文件。對于復雜的三維造型，如果VRML語句逐句寫出，那么其工作量是非常大的，有時也是無法完成的，幸運的是有很多大型的具有三維造型功能的軟件都開發了VRML文件的輸入輸出，人們可以利用這些造型工具直觀快速的創建一個三維空間，然后輸出為 .wrl后綴的文件。這樣對于復雜的三維造型VRML環境中顯示就不成問題了。

推薦讀者使用的VRML創作工具是VrmlPad，它是一種功能強大且簡單好用VRML開發設計專業軟件，其完全VRML97標準。VrmlPad可以對VRML文件進行瀏覽編輯，對資源文件進行有效的管理，并且提供了VRML文件的向導，可以幫助開發人員編寫和開發自己的VRML虛擬現實作品[8]。

第三章 系統的設計

3.1 虛擬現實技術在城市規劃領域的應用

3.1.1 概況

隨著全球知識經濟的興起，信息產業正以前所未有的速度蓬勃發展，上至政府、軍隊，下到各企事業單位都開始重視信息技術的創新研究和長遠發展，并已經或準備給予大量的投入。而作為信息技術發展重要驅動力的“虛擬現實”技術，也隨之成為人們關注的熱點之一。

由于城市規劃的關聯性和前瞻性要求較高，城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規劃到城市設計，在規劃的各個階段，通過對現狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實時景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），為改善人居生活環境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。規劃決策者、規劃設計者、城市建設管理者以及公眾，在城市規劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規劃最終成功的前提。VR技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用VR技術能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現。這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的[9]。

3.1.2 虛擬城市的有機組成

仿真的虛擬環境

類似于時下流行的三維動畫，同樣是通過強大的三維建模技術建立逼真的三維場景，對規劃項目進行真實的“再現”。但是VR技術建立的虛擬環境是由基于真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求，屬于科學仿真系統；而傳統動畫的三維場景則是由動畫制作人員根據資料或想象繪制而成，與真實的環境和數據有較大的差距，嚴格意義上來說屬于一種演示作品。

多方式、運動中感受城市空間

在虛擬現實系統中，可以全方位，多種樣式（步行、驅車、飛行、UFO等），完全由用戶自由控制在場景中漫游。VR技術與傳統的三維動畫最根本的區別就是：傳統動畫的觀察路徑都是預先設定好的，用戶只能按照事先設定的路徑瀏覽場景；而VR技術可以由用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，甚至還可以使用專用的頭盔把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的錯覺。這樣一來，很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發現，減少由于事先規劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。

實時多方案比較

運用虛擬現實系統，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變綠化密度，……所看即所得，只要修改系統中的參數即可，而不需要象傳統三維動畫那樣，每做一次修改都需要對場景進行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規劃設計意圖通過VR技術實時的反映出來，用戶可以做出很全面的對比，并且虛擬現實系統可以很快捷、方便的隨著方案的變化而作出調整，輔助用戶做出決定。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節省了大量的資金。

三維空間信息交流

虛擬現實系統的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口與GIS信息相結合，即所謂的VR-GIS，從而可以在實時的虛擬環境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型復雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理等需要。此外，虛擬現實系統還可以與網絡信息相結合，實現三維空間的遠程操作。

公眾參與與方案展示

對于公眾關心的大型規劃項目，在項目方案設計過程中，虛擬現實系統可以將現有的方案導出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。

3.1.3 虛擬現實技術對城市規劃的影響

1．城市規劃管理

信息技術對城市規劃管理的影響主要表現在辦公自動化方面，目前的辦公自動化方面，目前的辦公自動化主要是提高城市規劃管理部門內部的管理水平、質量和效率。隨著社會的信息化，通過因特網可以建立城市規劃管理部門與城市建設者之間的有效信息通信渠道，可以通過因特網實現網上報建，報建單位只要在本單位與因特網相連的計算機就可完成報建過程和提供所需的材料，規劃審批可以在因特網上完成。

規劃管理與規劃設計更緊密的結合，實現管理與設計的一體化，審批的結果可以電子數據的形式迅速的反饋給設計部門，而設計部門可盡快地將設計結果以電子數據的形式提交給管理部門，這些信息的傳輸可以通過因特網來完成。

通過因特網可以進行規劃評審，各地的專家可以在家里對規劃成果進行評審，規劃成果將利用虛擬現實技術展現專家所需的各種信息（如建筑物三維動態模型），通過網絡會議交流意見，專家甚至可以實時與規劃師交流，提出自己意見和設想，并可以較快地通過建立數字模型加以證實[10]。

2．城市規劃設計

城市規劃設計將更廣泛應用CAD和GIS技術，而計算機圖形輸入技術的改進和智能化，五筆輸入技術，使規劃設計師進行設計更為方便，而不影響靈感產生。

設計過程中所需的數據將數字化，使其獲取變得更加容易、更加方便，可以采用遙感圖像直接作為背景進行設計，而各種地下管線的資料由于數據庫的建立而更加方便的獲得。現在比較難以得到的人口空間分布、交通流量等信息由于相應信息系統建立而能很方便地獲得。

虛擬現實技術的發展與應用，使規劃設計成果的三維動態建模更加方便，設計成果更加形象和直觀。

在規劃設計和規劃審批中由于規劃成果的數字化，使得對各種規劃成果和方案的定量分析、模擬和預測成為可能，經濟可行性分析也更為方便，促進規劃決策的科學化。

通過因特網由分布在全球各地的規劃設計專家共同合作完成設計也將成為可能，這樣可以構建了一個不受規劃師的空間分布制約的虛擬設計事務所。

3．公眾參與

公眾可以通過因特網動態了解規劃設計方案和參與規劃審批，而且規劃方案與成果的表現形式由于采用虛擬現實技術和多媒體技術更為直觀和形象，使公眾能更好的理解規劃師的意圖，公眾通過因特網發表個人的意見，與規劃師、管理人員和其它有關人員進行直接對話，使公眾參與更加有效，促進決策過程的民主化。

4．城市規劃研究與教育

因特網構成了一個巨大的電子圖書館，各種城市規劃研究成果將以電子出版物的形式出現，城市規劃研究者將通過因特網查到各種城市規劃資料，并可通過電子郵件、BBS（電子公告欄）及其它一些網絡通信方式進行交流。

因特網同時也將成為一個龐大的遠程教育網，城市規劃專業的學生可以通過因特網利用多媒體技術學習城市規劃的理論與知識。

在信息時代，電子游戲也將成為一個很好的教育手段，城市規劃方面的游戲軟件將出現，可以對規劃設計與審批及城市建設過程進行模擬，使城市規劃學習及城市規劃的宣傳與教育通過玩電子游戲的過程來完成。

總之，信息時代的到來，使人類構造了一個與現實世界相對應的虛擬的信息世界，人們將生活在由原子組成的現實空間和由比特（BIT）構成的信息空間(CyberSpace)中，現實空間與信息空間的物理界面（Interface）是由計算機及網絡和數據庫構成的信息基礎設施，人們通過這一界面可跨越現實空間與一些時間的限制，了解現實世界的過去和現在，預測未來，進行思想交流。城市規劃將在信息空間中構造城市發展的藍圖，并通過建設者在現實世界中實現。

3.2 物理建模技術

3.2.1 人工的幾何建模方法

由構造VR的觀點看，幾何建模是構造VR的致命技術，它的限制可能妨礙VR的進展。VR研究將受益于共享的開放的建模環境，包括物理建模環境等。為了加深理解，需要回顧三維幾何模型怎樣獲取。下面回顧幾個VR工作所報告的模型獲取過程。VR的幾何建模一般通過基于PC或基于工作站的CAD工具獲取。在北卡大學漫游建筑的項目中，AutoCAD用于產生構成一座教堂幾何模型的12000個多邊形。討論的一個問題是"由為其它目的寫的CAD程序中取出要求的數據"。由AutoCAD產生的文件取出三維幾何并不困難，但問題是并非所有要求的數據都以VR要求的形式提供。特別是沒有提供有關建筑物實際物理的數據，用于實時漫游算法的劃分信息，以后由手工或專用程序加入。

VPL Reality Built for Two (RB2) 系統使用Macintosh Ⅱ，作為固體建模的設計站，用IRIS工作站作為繪制/顯示站。RB2是用于設計和實現實時VR的軟件開發平臺。在RB2下開發是快速的交互的，具有可實時編輯的屬性約束和交互。RB2的幾何建模功能利用了軟件模塊RB2 Swivel和數據流/實時動畫控制臺Body Electric。RB2在組織上有大量跟隨者，他們沒有足夠的資源開發自己的VR。RB2是交鑰匙系統，它的幾何物理文件格式是專有的。

在NPSNET項目中，初始的三維插圖集由SIMNET數據庫得到。這些模型知道的武器系統的三維外表比SIMNET少得多。結果，研究者開發了保存這些三維模型的開放格式，把物理模型增加到格式中，并改寫了系統，包含了面向對象的動畫能力。例如，NPSNET研究組正在利用MultiGen CAD工具開發無物理的模型，這用于SGI基于Performer的NPSNET-4系統。有物理的CAD系統已開始開發，但還很貴，只是專用的。許多VE應用要復制真實世界。不是用手建立模型，最好利用視覺或其它感覺自動獲取模型。自動獲取復雜環境模型(如工廠環境)當前還不現實，但這是合適的課題。同時，自動或接近自動獲取幾何模型，現在在某些情況是現實的。部分自動的交互式獲取在不久將是可行的。現在已有利用激光掃描建立實際物體三維外形的設備出售。

3.2.2 自動的幾何建模方法

三維掃描儀（3 Dimensional Scanner）又稱為三維數字化儀（3 Dimensional Digitizer）。它是當前使用的對實際物體三維建模的重要工具。它能快速方便的將真實世界的立體彩色信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了有效的手段。它與傳統的平面掃描儀、攝像機、圖形采集卡相比有很大不同。首先，其掃描對象不是平面圖案，而是立體的實物。其次，通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點的三維空間坐標，彩色掃描還可以獲得每個采樣點的色彩。某些掃描設備甚至可以獲得物體內部的結構數據。而攝像機只能拍攝物體的某一個側面，且會丟失大量的深度信息。第三，他輸出的不是二維圖像，而是包含物體表面每個采樣點的三維空間坐標和色彩的數字模型文件。這可以直接用于CAD或三維動畫。彩色掃描儀還可以輸出物體表面色彩紋理貼圖。

1．三維信息獲取技術

早期用于三維測量的是坐標測量機（CMM）。目前，CMM仍是工廠的標準立體測量裝備。它將一個探針裝在三自由度（或更多自由度）的伺服裝置上，驅動探針沿三個方向移動。當探針接觸物體表面時，測量其在三個方向的移動，就可知道物體表面這一點的三維坐標。控制探針在物體表面移動和觸碰，可以完成整個表面的三維測量。其優點是測量精度高。其缺點是價格昂貴，物體形狀復雜時的控制復雜，速度慢，無色彩信息。

機械測量臂借用了坐標測量機的接觸探針原理，把驅動伺服機構改為可精確定位的多關節隨動式機械臂，由人牽引裝有探針的機械臂在物體表面滑動掃描。利用機械臂關節上的角度傳感器的測量值，可以計算探針的三維坐標。因為人的牽引使其速度比坐標測量機快，而且結構簡單，成本低，靈活性好。但不如光學掃描儀快。也沒有彩色信息。FARO和Immersion公司提供這類產品。

借助雷達原理，發展了用激光或超聲波等媒介代替探針進行深度測量。這是激光或超聲波測距器。測距器向被測物體表面發出信號，依據信號的反射時間或相位變化，可以推算物體表面的空間位置，稱為"飛點法"或"圖像雷達"。不少公司開發了用于大尺度測距的產品（如用于戰場和工地）。小尺度測距的困難在于信號和時間的精確測量。Leica和Acuity推出了采用激光或紅外線的測距器。Senix公司推出了超聲波測距器。它受遮擋的影響較小。但要求測量精度高，掃描速度慢，而且受到物體表面反射特性的影響。

基于計算機視覺原理提出了多種三維信息獲取原理。這包括單目視覺法，立體視覺法，從輪廓恢復形狀法，從運動恢復形狀法，結構光法，編碼光法等。其中的結構光法，編碼光法成為目前多數三維掃描設備的基礎。這些方法可以分為被動式和主動式兩大類。被動式法的代表是立體視覺法。主動式法的代表是結構光法，編碼光法。光學掃描的裝置比較復雜，價格偏高，存在不可視區，也受到物體表面反射特性的影響[11]。

用于獲得物體內腔尺寸的方法之一是工業CT。它以高能X射線對零件內部進行分層掃描。它的缺點是精度不高，價格昂貴，且存在放射性危害。

美國CGI公司生產的自動斷層掃描儀（Automatic Cross Section Scanner， ACSS）可以克服這些缺點。但要求對被測物體進行破壞。

2．三維掃描系統的關鍵技術

在硬件和控制技術方面，掃描運動的伺服裝置要求精度高，運行平穩，可定位性好。用電子掃描代替機械掃描是當前的趨勢。各類傳感器要求精度高，分辨率高，噪聲小。

三維信息獲取技術方面，三維信息獲取的原理應綜合考慮精度，速度，易實現性，易使用性，成本，使用背景等。原理確定后，還要注意實施方案，采用巧妙的技術策略，提升產品的性能。還要研究計算模型和誤差模型，了解誤差的原因，誤差的傳遞，誤差的校正和消除。往往還要包括數據的預處理和后處理技術。

色彩信息獲取方面，物體的色彩由三個因素確定: 照明類型，物體表面的反射特性，眼睛按三條不同的光譜靈敏度曲線感知光線的能力。彩色是一種心理感覺。它與光源輻射能量的分布及觀看者的視覺感受有關。目前的三維掃描儀一般得到的不是物體表面的材質和對入射光的反射特性，而是在某種照明條件下所呈現的色彩。

三維構型，顯示及修改技術方面，掃描儀獲取的是物體表面離散采樣點的坐標和色彩。這些采樣點的集合稱為"點云"（Point Cloud）。必須用點，多邊形，曲線，曲面等形式描述立體模型，即將"點云"構成"形"。同樣的點集進行不同的連接，可能得到不同的三維模型。復雜表面的散亂點的構形是很困難的。還要將得到的三維模型顯示出來，并對缺陷進行人工修改。還必須支持多種數據格式，將結果按指定的格式輸出[12]。

定標技術方面，確定有關的裝置參數就是定標。它與計算模型和誤差模型有關。定標精度和可靠程度直接影響測量精度。定標還可以校正裝置的誤差。對彩色掃描，還有色彩定標問題。

3.3 城市建模

本設計采用了人工幾何建模方法建立城市模型的。這部分包括兩部分，即總體建模和局部建模。

3.3.1 總體建模

總體建模初步構造了將要建立的城市模型的大體布局，包括主要的街道，建筑等，還有整體的天空地面的色彩。局部建模是在整體建模的基礎之上對局部布景的詳細設計，是個逐步細化的過程。

整體建模如下：用Background設置天空和地面的色彩。Background節點用于生成VRML的背景空間，背景采用了立方體空間的表現形式，在其外放置了一個地面球體，在地面球體之外是天空球體。立方體和球體在概念上都是無限大的，并包圍著VRML世界，觀察者可以看到立方體和球體的任意部分但永遠不能接近它們。用Viewpoint節點定義了瀏覽者在虛擬環境中的游行方式。Viewpoint視點節點定義了處于局部坐標系中的一個指定位置，用戶可以從該點來觀察場景。在每一個新的觀察點，瀏覽器獲得的圖象就像是使用一部虛擬的取景器在屏幕上播放一樣。替身在虛擬空間中的移動，就使得取景器不斷的調整起位置和朝向。在這里本人定義了aa視點，采用了飛行的非跳躍的漫游方式。為了是瀏覽者的感覺和現實世界一樣，本人又在瀏覽者的頭部安置了頭燈，否則，展現在我們面前的將是一個個黑漆漆的模型。同時用WorldInfo定義了境界信息，在運行界面的標題欄可以看見該設計的名稱，作者等等。WorldInfo節點用來聲明一個空間的標題以及想提供的其他注解，它對VRML場景的創建并不產生影響。

運行效果如圖3-1。

圖3-1 背景圖

上圖只是一個非常非常粗略的框架，在此之上，用Transform節點創建了幾棟樓房，有高有矮，和城市的比較接近，還有南北東西走向的街道。Transform節點是一個組節點。Transform節點包含一個子節點列表，這些子節點可以是Shape節點、Group節點或Transform節點。在Transform節點中的所有子節點將在Transform節點的坐標系原點處建立。該節點包括位置的確定、造型節點的旋轉軸和方向、造型節點大小的縮放比例及縮放旋轉軸，以及形體造型的構造等，它的功能比較強大，使用相對簡單。Transform節點在放置場景中的對象并確定其方向時具有很大的靈活性。Transform節點也是一個形成VRML場景層次結構的基礎節點。這里的樓房和街道就是用簡單的形體造型節點Box構成的，只是在大小，位置，方向上做了相應的改變。為了是樓房看起來更逼真，又在上面嵌入了樓房的圖片。

城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規劃到城市設計，在規劃的各個階段，通過對現狀和未來的描繪，為改善人居生活環境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。這里也采用了城市規劃的思想，哪里放置街道、哪里放置樓房等都需要縝密的考慮，要求布局合理，位置適當。

圖3-2是設置后的運行效果。

圖3-2 簡單的樓房

很顯然，城市里只有樓房和街道是不夠的，一定要有樹，那是反映一個稱呼司綠化程度和建設特色的標志，而樹則不是簡單的立方體，但為了構造的簡便，本人用圓柱體和球體來構造樹，只要將球體在豎直方向上拉伸，在水平方向上壓縮，然后將這個改造過的形體放在圓柱體上就形成了一棵樹。當把樹嵌入到城市模型中，景致就完全不一樣了。這就是城市的整體構造。

在這里所用到的立方體Box、球體Sphere、圓柱體Cylinder都是簡單形體造型節點，但是運用它們可以構造更復雜的對象，需要初學者靈活的掌握和運用它們。除了上面提到的簡單造型節點之外還有圓錐體Cone。

圖3-3是一棵樹的造型。其實，它不僅僅是一棵樹，更是一個希望，象征著人類對環境美好的憧憬和欣欣向榮景象的期待。

圖3-3 樹

圖3-4 綠化的城市

圖3-3-4是在嵌入了帶有綠意的小樹的城市的整體構造。雖然有點空曠，但是，地廣人稀正是我們人類所向往的。現在世界人口的膨脹，土地資源的緊缺，已經上升到令人矚目的日程。開拓一片沃土，合理利用土地資源是每一個建設者的最終目的和任務。而且我們也應該珍惜每一片土地。

3.3.2 局部建模

局部建模也稱為細致建模，具體步驟如下。

一個城市只有樓房、街道和樹是不夠的，因此需要我們對粗略的城市進行細化。首先，先建立一個花壇，花壇也是有簡單的造型構成的，包括立方體和球體，相互嵌套而成。花壇的顏色設置為淺綠色，錯落有致。有樹有花壇，當然也得有草了，所以，還要做一個草坪。為了不和花壇相沖突，草坪的顏色設置為深綠色，是一個大的扁平的立方體。街道上沒有車也是不行的，但車的造型是比較復雜的，但是什么復雜的東西都可以簡單化，本人用兩個球體和兩個圓柱體做成了一個小汽車。兩個球體需要變形，而且上面的球體比下面的小。兩個圓柱體作為車輪子，架在大的變形球體的下面，并在上面嵌入了車的圖片，具體造型效果如圖3-5。

圖3-5 小車

草坪建好了，也要為其進行裝飾，因此在上面放了凳子和一個供觀賞的造型，凳子是由黃色的立方體做成的，供觀賞的造型則是在淺灰色的圓錐體上架了一個球體，并在草坪的四角各放了一個半球。為了體現國民的保護環境意識，在草坪的邊上有放置了一個圓柱形的垃圾箱。在此基礎之上，為了體現虛擬現實世界的動感，草坪四角的半球及中間圓錐體上的球的顏色是自動變化的。顏色的不斷變化是通過顏色插補器CorlorInterpolator和時間傳感器TimeSensor來實現的。CorlorInterpolator節點是VRML提供的附加的插補器節點，利用它可以構造色彩的變化效果。CorlorInterpolator節點在它的key和keyValue域中使用一系列關鍵時刻值和色彩值。CorlorInterpolator節點通過在兩個色彩值中內插，來計算一個中間的色彩值，此值被它value_changed域輸出。TimeSensor節點可以像時鐘一樣標記時間的流逝，還附加有定時發送相關時刻信息的功能。同時它可以是一個定時開關，開始及結束一些過程。通常與插補器、傳感器聯合使用。TimeSensor節點能夠作為任何組的子節點。

效果如圖3-6和圖3-7。從兩副圖中可以明顯看出，除了圖中的球體的顏色是不同的之外，其他的都是一樣的。

圖3-6 奇異的草地甲

圖3-7 奇異的草地乙

虛擬現實，也就是模擬現實，使得呈現的景象和現實世界的一樣逼真。在這了，本人將要設計的城市的四個游樂場所中的一個做了一點變化。那就是將里面的球體改成了立方體，這不是主要的，值得一提的是當替身與游樂場的距離在一定范圍內時，中間的立方體會自動的旋轉一定的角度。這種變化是如何實現的呢？其實很簡單，這里使用了臨近傳感器ProximitySensor。臨近傳感器感知觀察者進入并在一個空間的長方體區域中移動的時間。當觀察者接近區域時，能使用這些傳感器啟動一個動畫，當觀察者離開時停止這個動畫。ProximitySensor節點能夠作為任何組的子節點。并且它可以感知觀察者何時進入、退出和移動魚當前坐標系內一個長方體區域。可以檢測到觀察點接近的信號，利用它可控制其他操作。

一個城市只有高樓沒有平房也是不切實際的，本人又在城郊建立了幾個平房區。每個平房也是由簡單的幾何造型節點Box構成的。而且，每個平房的門是可以用鼠標拉動一個角度的。房門轉動是通過圓柱傳感器CylinderSensor的實現的。CylinderSensor節點可以感知一個觀察者的拖動動作，并且計算旋轉軸和角度，且通過它的rotaion_changed域輸出。將鼠標的動作轉換成適于操作造型的輸出。CylinderSensor節點可以是任何組節點的子節點，它可以感知觀察者在組及子節點的任何造型上的動作。通過將傳感器節點的輸出路由到Transform節點來引起造型物體的旋轉。平房區建完了，又在天邊添加了幾座山。山群是幾個圓錐體組成的，只是遠近和大小不同，顏色也做了調整，并在上面嵌入了山的圖片。具體結果如圖3-8。

圖3-8 山與平房

一個城市沒有人是不可能的，只是多少的問題。人的造型本人是用球體和立方體組成的，胳膊，腿，身體已經脖子是幾個立方體，頭部是一個球體，效果如圖3-9。

圖3-9 人

除了以上的各個造型外，在模型中還有一些電線桿，只是起到輔助的作用，也是為了使設計更加完美。

設計的最終結果如圖3-10。

圖3-10 美麗的城市

以上就是虛擬現實技術的應用，是基于VRML技術的，在整個設計和建模過程中，要求設計者有很好的邏輯構想思維方式，時刻以城市規劃為理念，要從全局考慮，掌握逐步細化的能力。在這里要求大家要熟練掌握虛擬現實技術和VRML技術，理解城市規劃的要領，能夠靈活的運用VRML語言，達到舉一反三的程度。

四章 系統的編碼實現

本設計是以虛擬現實技術為基礎，應用VRML語言實現的城市環境的模擬，下面是通過編碼而得到的一個城市模擬視圖圖4-1。

圖4-1 城市運行圖

在這里的核心技術是VRML語言。在第二章已經對VRML語言做了簡要的介紹，這里就不再贅述。

編碼實現的過程實際上是如何應用VRML語言的建模過程，編碼設計的核心也是VRML語言。在這里，對編碼的實現過程作一下簡要的介紹。在城市的模擬過程中，許多造型都是用簡單的造型節點構造的，用到的簡單造型節點有立方體Box，圓錐體Cone，球體Sphere和圓柱體Cylinder，盡管它們比較簡單，但是它們是基礎造型，不可缺少。下面，本人就從程序中取出一部分來闡述整個編碼實現過程。

Background節點是用來設置天空和地面的色彩的，skyColor中包含一系列三元顏色值，用來設置變化的顏色。skyAngle中包含一系列角度值，用來設置顏色變化的角度。GroundColor和groundAngle的功能和作用同skyGround和skyAngle大同小異。如：

Background{

skyColor [0.0 0.2 0.7，0.0 0.5 1.0，1.0 1.0 1.0]

skyAngle [1.309，1.571]

groundColor [0.1 0.0 0.0，0.4 0.25 0.2，0.6 0.6 0.6]

groundAngle [1.309，1.571]

}

DirectionalLight節點是用來設置平行光的照射方向的，其中的direction指定了一個三元值來設置方向，下面的例子中所設定的方向為光線沿著Y軸負方向照射。相當于光線是從頂部照射下來的。

DirectionalLight {

direction 0 -1 0

}

NavigationInfo節點是用來定義導航信息的，type域可以定義為飛行FLY，行走WALK等方式，speed域設置觀察著在場景中暢游的速度，單位為米每秒。Headlight域指明是否瀏覽器要將觀察者的頭燈打開。頭燈是一束指向用戶正在觀看方向的有向光。AvatarSize域指定一些距離參數，這些參數決定了在考慮碰撞檢測和視點隨地形起伏的用戶可移動范圍。該域的第一個只是碰撞被探測出以前用戶的位置與一個碰撞幾何體間允許的距離；第二個只是視點與地面間應保持的高度；第三個只是視點可以跨過得最高障礙物的高度。公共域avatarSize值描述了觀察者替身的大小特性。如：

NavigationInfo{

type "FLY"

speed 1.0

headlight FALSE

avatarSize [0.25，3.2，3.0]

}

Transform節點是一個組節點，該節點包括一個子節點的列表。這些子節點可以是Shape節點、其他Group節點或Transform節點。Translation用來指定造型的位置，children域是指定受該節點的變換影響的子節點。這個節點是整個程序設計中的基礎節點，幾乎每一個模型的建立都用到了Transform，因此，對Transform的靈活運用尤為重要。下面的例子使用Transform節點設置地面。

Transform {

translation 0 -24 0

children[

Shape{

appearance Appearance{

material Material {diffuseColor 0.4 0.25 0.2，}

}

geometry Box {size 400 48 400} } ] }

Viewpoint節點是視點定義節點，定義了處于局部坐標系中的一個指定位置，用戶可以從該點來觀察場景。Position用來設置視點的位置，它是一個三元值，jump域決定了視點的類型，即跳躍型的和飛跳躍型的。Orientation域是一個四元值，前三個值指定了視點的旋轉軸，第四個值說明了旋轉角度的正負。Description域的值指定了一個用于描述視點的文本串。下面是一個關于視點aa的例子。

DEF aa Viewpoint {

position

25 5 70

jump FALSE

orientation 0 1 0 0.4

description "aa"

}

在VRML編程中，Group節點也是一個很重要的節點。Group節點提供了最簡單的節點編組，可以包含任意數目的子節點，與一個沒有轉換域的Transform節點相當。該節點與Transform節點一樣，也有一個children域。它用來收集節點和創建不需要實施變幻的層次結構。似乎有了Transform節點，Group節點并沒有什么用處。但有時在對一個整體進行操作時，以Transform節點組織的整體相比Group節點組織的整體并不能顯示出優勢。如果在使用傳感器或插補器節點時，祖作為一個整體，可以使用DEF來給它定義一個名稱，并且在VRML文件中使用USE重復的引用。

一個組可以具有任意數目的成員，成為子節點。既可以是造型以可以是其他包含造型和組的足。包含子節點的組節點被稱為父節點。因為組節點可以其他的組，一個組的父節點可能是一個更高一級組的子節點。高級組的父節點可以是一個更高級組的子節點。從此上溯直到最高級父節點，稱為根節點。造型可以組織在一起來創建更大、更復雜的造型。由于Group節點和Transform節點很相似，在這里就不再舉例子了。

以上介紹的幾個節點是VRML語言的核心節點，整個程序的設計都是通過這些節點的不同設置和組合來實現的。除此之外，還有兩個重要的工具，這就是節點名定義DEF及引用USE，這是VRML世界提供給我們的兩個避免重復勞動的工具，節點命名是以關鍵字DEF加上所命名名稱在一起，置于節點類型定義之前開完成的。這兩個說明符可以放在任何允許節點的地方。USE語句并不是復制該節點，而是把該節點再次插入它所在的場景圖。節點名只在本文范圍內有效。

總之，系統的編碼實現就是利用VRML中的基本造型節點對已經涉及好的模型進行的模擬實現過程。在這個過程中，需要設計者能夠熟練的掌握和運用VRML語言，懂得融會變通，才能使預想創建的模型得以實現。

當然，VRML中還有很多更深一層次的部分，那需要有興趣的讀者繼續學習和探索，筆者在這里就不再過多描述了。

第五章 系統的測試與分析

5.1 系統的測試

隨著程序的逐步完成，系統的測試也開始了。系統的測試采用的單元測試法，即逐步測試的過程。將程序分成若干個程序模塊，單獨進行測試，觀察結果，與預期結果進行對比。當發現問題是逐步解決。然后，再將小的模塊漸進式的整合成幾個較大的模塊，重復上面的工作，最終形成整體的模塊，構成城市的整體建模。

5.2 測試中遇到的問題

在測試中遇到問題是在所難免的，本人也遇到了一些問題。

問題一：在程序的編碼過程中，無論定義的立方體的顏色是哪一種，顏色的顯示總是在頂部，其余部分為暗黑色。

問題二：在程序的編碼過程中，當對一個簡單的形體造型節點進行紋理貼圖時，運行提示，找不到貼圖文件。也就是說，紋理貼圖不成功。

問題三：在運行界面的標題欄添加境界信息時，為何只顯示其中的一部分，其余的沒有顯示。

問題四：程序中的許多節點的位置是一層一層嵌套的，因此就涉及到了如何才能進行正確的定位，本人總是在這個方面大費周章。希望可以找到一個好的方法來解決這個問題。

問題五：程序中的許多ROUTE與語句的使用總是和預想的存在差距。

當然還有很多更有難度的問題，由于本人能力有限，沒有進行深入的探究，希望有興趣的人繼續努力。

5.3 問題的解決方法

對于第一個問題，通過察看資料以及對其他程序的研究，本人認為，應該是光線的照射方向問題，只要將瀏覽者的頭燈打開應該就行了，經驗證結論成立。

對于第二個問題，本人經過細心研究，反復實驗，終于找到了答案。由于不同的VRML瀏覽器對圖片的識別也是不同的，有些瀏覽器只是別.jpg形式的圖片文件，有些瀏覽器只是別.gif形式的圖片文件，而有些是兼容的。因此，只要正確選擇瀏覽器及其相應的圖片格式，就可以實現貼圖紋理了。也許還有其他原因，由于本人能力有限，只發現了這些。

對于第三個問題，經過本人的細心研究發現，有些VRML瀏覽器提供特殊菜單選項來顯示虛擬空間的標題和注解，一些瀏覽器也把虛擬空間的標題定位于瀏覽器窗口的標題欄。可以在空間使用任意多的WorldInfo節點。但只有第一個WorldInfo會被瀏覽器顯示。因此，在使用WorldInfo節點時只要針對不同的瀏覽器采用相應的準則就不會出錯或不合心意了。

對于第四個問題，在VRML世界中，內層節點的定位可以說是獨立于外層節點的。一旦外層節點定義好了，就可以只考慮內層節點了。當然，怎樣才能找到正確的位置不是一件容易的事，它需要有好的空間立體思維能力和條理清晰的層次構想，也許需要多多練習，熟能生巧。

對于第五個問題，ROUTE的使用是一門技術，需要初學者多看一些相關的書籍和例子，掌握其中的要領和規律，還要多多練習。俗話說的好好記性不如爛筆頭，它需要大家多多的練習。

以上這些只是筆者個人的一點見解，由于知識有限，能力有限，可能看法有些淺薄，希望有興趣和愛好的讀者給與建議和指正。

結論

“虛擬現實技術的應用---基于VRML技術的城市之旅”的設計與實現，充分體現了虛擬現實技術在城市規劃建設中的作用，它能夠減輕設計人員勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量，節省投資。而VRML在實現城市規劃中更是起到了不可或缺的作用，它是一種編程工具，利用它可以實現任意模型的虛擬，虛擬現實技術的優勢也才得以實現，使得城市的設計布局合理、美觀，支出價有所值。

在該設計的過程中，本人充分體會到要想熟練地掌握運用VRML和虛擬現實技術，就必需扎實的學習VRML語言和虛擬現實技術的基礎知識。隨著科學技術的飛速發展，虛擬現實技術在各個領域都顯示了其特殊的作用。時代的發展也使得我們掌握虛擬現實技術成為一種時尚的潮流。

設計的過程就是一個發現問題---解決問題---發現問題---解決問題的循環反復過程，但是它讓學習的人逐步進步，就好像滾雪球一樣，一點一點，越滾越大。通過“虛擬現實技術的應用-----基于VRML技術的城市之旅”的設計與實現，本人在VRML語言的運用以及對虛擬現實技術的發展方面有了很深的了解，受益匪淺。當然遇到很多尚未解決的問題，希望感興趣的讀者能夠繼續研究。

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