虚拟现实技术在自动变速器3D仿真的应用毕业设计论文

南京林业大学本科毕业设计（论文）题 目：虚拟现实技术在自动变速器3D仿真的应用 学 院： 汽车与交通工程学院 专 业： 交通运输（汽车运用）学 号： 080302215 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 二O一二 年 五 月 二十九 日摘 要变速器作为汽车动力传动系统的重要部件，对动力性能、驾驶舒适性和油耗，都具有重要的作用，先进的变速器可以令发动机更好地演绎其优良的动力性能，并能够实现车辆动力性与经济性的完美结合。01N汽车自动变速器兼具燃油经济性、乘坐舒适性和驾驶乐趣于一体，开创了全新变速箱技术的一个新时代，DSG双离合变速器代表了汽车技术未来的发展方向。随着计算机虚拟现实技术的快速发展,三维虚拟实验设备在实验教学领域的应用将带来全面而深刻的变革。本课题拟研制并完成一套“汽车01N自动变速器虚拟实验设备”，建立01N自动变速器三维数字化模型，利用虚拟现实技术，构建3D虚拟仿真的交互环境，并用面向对象的方法，真正实现01N汽车自动变速器的行为交互和3D虚拟仿真。关键词：DSG变速器，虚拟现实技术，行为交互，虚拟仿真AbstractTransmission as an important vehicle power train components, on the dynamic performance, driving comfort and fuel consumption, have an important role in the transmission of advanced engine can make a better interpretation of its excellent dynamic performance, and to achieve power and economy of the vehicle the perfect combination. 01N automatic transmission, a collection of the existing manual, automatic, automated manual transmission in one of the advantages, both fuel economy, ride comfort and driving pleasure in one, creating a new transmission technology, a new era, 01N transmission technology represents the future direction of automotive one. With computer technology, the rapid development of virtual reality, three-dimensional virtual laboratory equipment applications in the field of experimental teaching will bring comprehensive and profound changes. The project intends to develop and complete a double-clutch 01N automatic transmission vehicle virtual test equipment, the establishment of dual-clutch 01N automatic transmission three-dimensional digital model, using virtual reality technology to build interactive virtual simulated environment, and object-oriented approach, the real 01N transmission to achieve a virtual simulation . Key words: DSG transmission，Virtual Reality，Interactive behavior，Virtual Simulation目 录第1章 绪论61. 1研究背景6111虚拟现实概述6112虚拟现实的研究现状61. 2本课题研究内容91.3本课题研究的意义9第2章 01N型自动变速器结构和原理2.1 01N变速器简介2.2 01N变速器组成2.3 01N变速器工作原理2.3.1离合器的工作原理2.3.2 制动器工作原理2.3.4 01N型自动变速器各个挡位动力传递路线第3章 系统开发工具3.1.仿真系统的体系结构3.1.1仿真系统的体系结构3.2系统开发工具简介以及作用3.21三维模型建模平台 CATIA3.2.2模型的格式转换平台 3DVIA Composer3.2.3三维模型的渲染以及分坐标平台3D Max3.2.4虚拟交互平台 Virtools3.2.5 辅助工具 Photoshop CS4 3.3 模型从CATIA到Virtools之间的关键技术3.3.1格式问题3.3.2模型的渲染3.3.2分坐标3.3.3模型导入Virtools的初步设置和对象建立第4章 自动变速器虚拟装配平台开发4.1 虚拟交换环境4.1.1 灯光设置4.1.2摄像机的设定4.2 2D帧的设置4.2.1 2D帧的BB设计4.3动作BB的设置4.3.1旋转BB4.3.2 暂停4.3.3 返回IC4.4 整体界面第5章 总结和展望5.1总结51.1操作BB的技巧5.12模型以及界面的分组 5.1.3 IC的设置5.1.4 命名技巧5.2展望致谢3参考文献4 第1章 绪论1.1 研究背景1.1.1 虚拟现实概述“虚拟现实”(Virtual Reality VR)是人们想象力的发展，是一种以沉浸性、交互性及构想性为主要特征的计算机系统，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式创建和体验虚拟世界，用户可以融入这个二维虚拟世界并目睹与场景中的对象进行交互，使用户感到作为主角存在虚拟环境之中;虚拟现实的实现需要硬件和软件两方面的支持，硬件方面主要包括数据手套、二维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成系统等等，软件方面的选择则很多，其中法国达索公司的virtools开发平台是目前较为流行的一种，virtools以完全的可视化模式建构互动体验，其开放架构支持多种3D文件格式的读取，使实现3D技术的应用变得更加多元化，更加广泛。虚拟环境是虚拟现实技术的具体体现，是一种基于计算机图形学的实时、动态的二维环境，利用最新的计算机技术，使人身临其境、有特性化的数字化多维信息空间;理想的虚拟环境可以说是现实世界的真实再现，是生动形象的，用户难以分辨真假、全身心地投入到由计算机所创建的虚拟环境中;利用虚拟环境我们可以对实际工作过程和工作环境进行计算机预演，比如虚拟消防演示;也可以是我们时间、空间和体力、能力所不能达到的环境的模拟，比如虚拟事故的展示，这样就利于我们对这些环境进行生动形象地研究;同时，还可以替代耗资巨大的现实环境以节约时间、空间，降低成本，比如军事模拟;总而言之，人们可以在虚拟环境中和虚拟环境中的物体进行自然地交互，有亲临现场的感受和体验，所以，可以说虚拟现实是基于现实，同时又可超越现实。1.1.2虚拟现实的研究现状 虚拟现实技术是一门集人工智能、计算机图形技术、计算机仿真技术、传感与测量技术等为一体的实用技术，是由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。国外研究现状VR技术的发源地在美国，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。虚拟现实技术具有“沉浸感”、“交互性”与“实时性”，逐渐渗透到虚拟城市规划、名胜古迹虚拟旅游、大型工程漫游、虚拟房地产推销、VR虚拟现实教育娱乐等多个领域，汽车领域是其应用的最广最深的行业之一。美国将虚拟现实技术广泛应用于军事模拟训练方面7。美国国防部的DRRPA研究的Simnet被称为近战战术训练器，可以集成世界各地的模拟舱，连接各种各样不同性质的车辆模拟器，所有的参与者可以进入同一个合成的环境中，即使相隔很远的驾驶员也可以进行实时交互。这类虚拟训练即节省了实车训练的燃油，又避免了环境污染。许多模拟器视景采取计算机成像系统（CGS)，运动系统都可以模拟六个自由度的运动情况，为用户提供逼真的模拟驾驶环境。 美国国家交通安全协会研发的国家先进汽车驾驶模拟器(NADS)，可以为驾驶员提供9个自由度的空间位置或触觉方面的汽车运动体验。也给驾驶员360度的视景感受和声音感受，并且，在驾驶员模拟操作过程中随时可以得到汽车在虚拟的公路环境中行驶的各种性能参数以及驾驶员自身的各种生理参数。 目前，法国PSA Peugeot Citroen研发中心利用Virtools制作3D / VR大型展示，在CAVE系统中，提供融入式车体展示与模拟汽车驾驶操控，呈现沉浸式虚拟实境的仿真体验。 国内研究现状我国VR技术起步较晚，在驾驶仿真系统方面的研究经历了一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程9。近年来，国家高技术研究发展计划、国家自学科学基金会等都把VR列入了研究项目。90年代，随着计算机技术和图形、图像技术的发展，汽车驾驶仿真系统走进国内，主要用于附合我国驾使员培训教学和通用技术课程的现代化教学设备，目前多所知名大学都在这方面作了大量贡献。中视典数字科技是中国较早从事数字汽车三维可视化、数字气车虚拟驾驶、以及六自由度运动平台整合的软硬件一体化的专业研发公司。虚拟现实技术在实际应用中分为增强现实又称混合现实系统、分布式虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统和桌面虚拟现实系统。从上面可以看出国外比较重视前三个方面及硬件的研发，随着生成的视景数据越多越复杂，对硬件性能的要求也就越高，市场上汽车驾驶模拟器的价格一般都很高，低端的用户无法承担这高昂的费用。作者到成都几家比较正规的培训中心的虚拟驾驶室亲自体验了一下，除了像极品飞车一样体验驾驶感觉外，大都没有摆脱赛车游戏模式的束缚，计算机实时生成三维图像或多或少地存在着汽车视景与操纵动作脱节、滞后，虚拟与仿真的矛盾造成“沉浸感”、“交互性”与“实时性”不强等缺点。国内在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。但与发达国家相比还有很大的一段距离，开发技术含量相对较低，己经研制出来的汽车模拟系统很多从单方面作研究，缺乏知识连贯性,驾驶员无法对自己的驾驶以及硬件使用状况作出正确的评估，给实车培训纠错或以后的驾驶生涯造成一定的影响。北京航空航天大学是我国最早进行虚拟现实研究的单位之一，在虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、虚拟现实中的视觉接口方面等方面取得了很好的进展，实现了分布式虚拟环境的网络设计，不仅可以提供实时的二维动态数据库、虚拟现实的演示环境、用于飞行员培训的虚拟现实系统，还可以提供虚拟现实应用系统的开发平台等;哈尔滨工业大学的研究人员成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术;浙江大学的国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境的实时漫游系统，研制出了一种在虚拟环境中新的快速漫游算法以及一种递进网格的快速生成算法;清华大学在虚拟现实和临场感方面进行了研究;西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码的新方案，获得了较高的压缩比、信噪比和解压速度;对于虚拟现实的研究，我国已经完成了两个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法和合成软件处理，完成了虚拟现实图像处理与演示系统的多媒体平台及有关的音频资料库，并且制作了一些相关的体视动画光盘。当前，国内专注于虚拟现实与仿真技术的软硬件开发与推广，已经具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案及相关服务，具体的产品有:虚拟现实编辑器VRP-Builder、数字城市仿真平台fvRP-Digieity、二维网络平台VRPIE、工业仿真平台WRP-Indusim、二维仿真系统开发包VRP-SDK，能满足不同领域、不同层次的用户对虚拟现实的需求，在2002年和2007年国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为2008年奥运虚拟现实提供了重要的技术支持。1.2本课题研究内容在虚拟现实环境中，用户应该能够以一种自然的方式与虚拟环境实现交互，包括感知环境并且干预环境，从而使用户有置身于真实环境中的真实感和沉浸感。近些年来，虚拟现实技术己经成为信息领域研究及开发应用的热点方向，在航空汽车中同样能体现出虚拟现实技术的重要作用，尤其是在虚拟模拟、车辆制造等方面有着非常广泛的应用。 本文重点研究基于CATIA、3VIA Compser、3D Max和Virtools的汽车自动变速器仿真系统的基本实现方法，创建了具有交互性的虚拟现实模拟。首先利用CATIA建立自动变速器的简化模型并导出格式为3DXML模型文件。再导入3VIA Compser里将格式转换为3dmas。在导入3D Max里，做渲染、分坐标第2章 01N型自动变速器结构和原理2.1 01N变速器简介 该变速器具有模糊逻辑换挡功能，变扭器的工作方式有液压式和机械式两种。89年以前的换挡曲线只有一条a线。89年以后出现了S*P按钮，换挡曲线增加到两条，有a、b两条换挡曲线。01N自动变速箱共有248个换挡点，来适应不同人士的换挡习惯。 换挡的操作及对应得操作关系：P挡：驻车锁止挡。挂入及挂出必须按下换挡手柄上的锁止按钮，另外换出前点火开关必须接通并踩下制动踏板。R挡：倒车挡。汽车在停止状态，发送机在怠速或熄火时才能挂入倒挡。N挡：空挡。在车速低于5km/h或停车，发动机怠速或熄火，并且点火开关接通，若要换挡杆从N挡换出，则必须踩下制动踏板并按下换挡杆上的按钮。挡大于5km/h时，在N挡上的换挡杆的锁止会自动解除。当车速低于5km/h时，换挡杆在N挡的换挡时间大约1秒，则换挡杆锁止。D挡：持续前进挡。根据发动机的负载和车速自动换入四个前进挡中的某一挡。3挡：丘陵路段换挡。根据发动机负载和车速在1、2、3挡中自动切换。2挡：山路段换挡。根据发动机负载和车速在1、2挡中自动切换。1挡：陡峭山路挡位。必须按下换挡手柄上的按钮，方可换入1挡。在1挡时，巡航功能不能使用3。图2.1.1 01N换挡曲线2.2 01N变速器组成图2.2.1 01N结构 1 二四挡制动器 2 倒挡离合器 3 一至三挡离合器 4 三至四挡离合器 5 倒挡制动器 6 单向离合器 7锁止离合器有图可知01N自动变速箱主要由液力变矩器、油泵、二四挡制动器、倒挡离合器、一至三挡离合器、三至四挡离合器、倒挡制动器、单向离合器、行星齿轮组、差速器等组成。2.3 01N变速器工作原理2.3.1离合器的工作原理当离合器起作用时，液压油会压紧钢片和摩擦片，使他们之间产生摩擦力，由于钢片外部的突起齿牙正好卡在上级传动部件壳体的凹槽里。摩擦片内部的齿牙，正好卡在下级传动部件的凹槽里。这样，上级传动部件旋转时就会带动钢片旋转，钢片旋转就会带动摩擦片旋转，摩擦片旋转就会带动下级传动部件旋转。当离合器不起作用时候，没有液压油的压紧，钢片和摩擦片之间没有摩擦力，各自随上下级传动部件运动。从而离合器起到了离合的作用。图2.3.1 1、3挡离合器总成2.3.2 制动器工作原理当制动器起作用时，液压油会压紧钢片和摩擦片，使他们之间产生摩擦力，由于钢片外部的齿牙正好卡在变速器壳体的凹槽里。摩擦片内部的齿牙，正好卡在下级传动部件的凹槽里。这样，壳体就会限制钢片的旋转，钢片由于与摩擦片之间的摩擦力，使摩擦片也被固定。摩擦片固定，就会是下级传动部件固定。当该离合器不起作用时候，没有液压油的压紧，钢片和摩擦片之间没有摩擦力，钢片被壳体固定。而摩擦片会随下级传动部件运动。从而该制动器起到了制动器的作用。 图2.3.2 2、4制动器总成2.3.3 拉维娜齿轮组的工作原理（1）组成：小太阳轮、大太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮、行星架和齿圈。（2）当各个机构都不固定或互不固连时，齿轮机构不具备动力传递效能；当各个机构都固定或有两个或两个以上互固连时，齿轮机构具有动力传递效能，传动比为主动当量齿数与被动当量齿数的反比。图2.3.3 拉维娜式齿轮机构2.3.4 01N型自动变速器各个挡位动力传递路线图2.3.4 一挡齿轮组之间的关系图2.3.5 二挡齿轮组之间的关系图2.3.6 三挡齿轮组之间的关系图2.3.7 四挡齿轮组之间的关系图2.3.8 R挡齿轮组之间的关系01N型自动变速器各个挡位传动比、路线如下表： 一挡二挡三挡四挡R挡传动比2.5 ：11.5 ：11 ：10.75 ：12 ：1输入2000r/min2000r/min2000r/min2000r/min2000r/min输出800r/min1300r/min2000r/min2600r/min1000r/min固定行星架大太阳轮无大太阳轮行星架固连无无全部无无传递过程中起作用的机构离合器K1单向离合器F离合器K1制动器B2离合器K1离合器K2离合器K3制动器B2离合器K2制动器B1动力传递 路线泵轮涡轮涡轮轴离合器K1小太阳轮短行星齿轮长行星齿轮驱动齿圈 泵轮涡轮涡轮轴离合器K1小太阳轮短行星齿轮长行星齿轮围绕大太阳轮转动驱动齿圈。泵轮涡轮涡轮轴离合器K1和K3整个行星齿轮转动 泵轮涡轮涡轮轴离合器K3行星齿轮架长行星齿轮围绕大太阳轮转动驱动齿圈 泵轮涡轮涡轮轴离合器K2大太阳轮长行星齿轮反向驱动齿圈表2.3.1 各挡位明细表第3章 系统开发工具3.1.仿真系统的体系结构3.1.1仿真系统的体系结构 仿真系统一般是由建模、渲染、交互等部分组成。建模一般用到的软件有CATIA等机械建模软件，3D Max、Maya等动画设计软件。渲染所用的软件，一般有建模软件自身的渲染，又或者在3D Max、Maya等动画设计软件渲染。又或者在Virtools这样交互的具有渲染的软件，交互软件有 Virtools等。 一般而言，一个应该包括虚拟现实软件开发平台、虚拟现实显示系统、虚拟现实交互系统、虚拟现实集成控制系统四大部分，如图3.1.1所示。图3.1.1 功能完整的虚拟现实系统 虚拟现实集成控制系统控制着其它三个系统，共同组成了一个有机有序的整体。虚拟现实软件开发平台进行三维视景影像内容的制作，并且和虚拟现实集成控制系统进行后台连接，在虚拟现实显示系统上显示沉浸式的影像，然后体验者利用虚拟现实硬件交互系统与显示系统内的仿真景象进行虚拟互动，比如进行机械的模拟拆装、虚拟旅游、产品的安装、虚拟操作演示等。如果涉及虚拟现实技术内容的开发，就得选择国外技术成熟并且接口比较方便的虚拟现实开发平台。3.2系统开发工具简介以及作用3.2.1三维模型建模平台 CATIA(1) CATIA简介 CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。（2）CATIA建模的一般过程草图设计零件设计装配设计1草图设计要画出零件的基本二维俯视图或剖视图的外部轮廓，并确定其几何尺寸、定位尺寸。力求全约束。2 零件设计经过草图设计的草图，简单的通过拉伸、旋转、打孔等基础命令形成零件的大体轮廓。在经过各个BODY之间的摩尔运算（此步骤可以缺省），最终得到具体精确的零件。3 装配设计 要对每个建好的零件，通过装配约束进行装配，使之成为一个有机的整体，一个机械机构。（2）模型合理简化 为了以后虚拟交互方便，我们需要将自动变速器模型简化，这样既明了，也容易理解。简化模型如下图图3.1.1 简化模型3.2.2模型的格式转换平台 3DVIA Composer（1）3DVIA Composer的简介3DVIA Composer 使用 3D 模型中的信息，将设计更改以无缝方式直接更新到产品文挡中，从而创建精确和最新的印刷及交互材料。 利用 3DVIA Composer，非 CAD 用户可直接从 3D CAD 数据创建相关的 2D 和 3D 产品文挡。通过利用 3D 数据和其它工具，3DVIA Composer 可在文挡编制、销售、市场推广、客户服务、培训、支持和制造方面助用户一臂之力。 改进产品信息的同时还可节约时间和金钱。（2）利用3DVIA Composer将模型转换格式 从CATIA导出模型的格式为.3dxml格式，导入3DVIA Composer 在导出格式为.3ds。（3）格式转换的步骤将需打开的.3dxml格式的文件，拖拽于3DVIA Composer的界面中，即用3DVIA Composer打开.3dxml文件。如图所示。图 3.1.2 3DVIA Composer打开.3dxml文件.3dxml文件在3DVIA Composer中打开图 3.2.3 .3dxml文件在3DVIA Composer中打开模型导出选择另存为，选择.3ds格式，单击即可。图3.1.4 模型文件的导出 图 3.1.5 从CATIA导出的模型文件 图3.1.6 从3DVIA Composer导出的模型文件3.2.3三维模型的渲染以及分坐标平台3D Max（1）文件导入，导入时会出现如下图的菜单，选择然后图3.1.7 文件导入3D Max时的菜单选择这样选择，就可以默认模型的坐标原点与3D Max的操作坐标原重合，有利于以后的操作。选择并操作其中某个部件，如图选择。图 3.1.8 模型部件的选择与操作 在3D Max中，进行模型的渲染和坐标的分离。以便在以后的操作中，使模型有更逼真的效果。（2）文件的导出选择导出格式为.3DS。图3.1.9 模型文件的导出3.2.4虚拟交互平台 Virtools(1)Virtools简介 Virtools是由法国交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS公司所开发，是虚拟现实的一款开发软件，被广泛的运用于游戏开发、工业仿真、虚拟训练等方面，它提供了丰富的Building Blocks(互动行为模块，简称BB)，以实现对3D虚拟环境的交互编辑，运用它可以制作出许多不同用途的3D交互产品。（2） Virtools的特点 Virtools与其它三维交互软件的不同之处在于它不需要使用者编写代码，而是采用拖放的方式，将Building Blocks赋予适当的Object(对象)或者Character(角色)，并在Script(脚本)编辑区域对BB的先后顺序及连接关系进行编辑，从而形成一个完整的虚拟交互环境。Building Blocks是己经编写好并经过封装的能实现某项交互功能的程序代码，Building Blocks的结构如图3.1所示，是参数值，可以根据需要自行设置，也可以通过与其他BB的输出参数连接而获得;是参数输入;是参数输出，可将其数值传递给其他参数输图3.1.10 BB结构示意图入以供使用;是行为模块的入口，只有入口被激活时该模块的行为才能启动;是行为模块的出口，当该BB的行为执行完后程序从这里流出从而激活下一级BB。BB之间的连接形式如图2.4.10所示，实线表示行为连接，用于连接程序流程;虚线表示的是参数连接，主要负责数据的传递。图3.1.11 BB连接示意图 modifications(模型结构网格修改)、Narratives(叙事)、Optimizations(优化)、Particles(粒子)、Players(播放器)、Shaders(着色器)、Sounds(音频)、Video(视频)、Visuals(视觉特效)、VSL、 Web(网页)、World Environments(虚拟环境)，涵盖了运动控制、逻辑控制、摄像机控制、灯光控制、材质一纹理控制、输入设备控制、网络控制、视音频素材控制、界面设计等功能，只要将这些BB适当的组合、编辑就可以实现非常强大的交互功能。Virtools除了提供丰富的内置BB以外，还提供Physics Pack(物理属性)、VR Pack(虚拟现实)、AI Pack(人工智能)与Xbox Kit(游戏开发)等多元应用的可选扩展模块，这些模块都是编写、封装好的程序代码，可以直接调用实现某些功能，满足了低编程水平者的开发需要。（3）选择Virtools的理由 Virtools是一款非常优秀的三维交互开发软件，具有交互性强、移植性好、灵活易用等特点，本论文选择使用Virtools作为虚拟实验交互功能的主要开发工具，主要基于以下几个方面的考虑:(1) Virtools是一款功能强大又实用的可视化程序开发软件，在3D Layout窗口中可以直接看到制作好的效果，并能随时对制作好的交互行为进行测试，使用起来非常的方便。还提供了很多能实现某项交互功能的互动行为模块(Building Blocks)，利用这些预设好的互动行为模块，可以有效地对对象进行交互设计，而且在帮助文挡中对每个BB的功能和使用方法都进行详细的描述和说明，对该模块的具体功能、适用对象、参数的含义等进行详细的介绍，并且还提供了一个范例来说明其具体的使用效果，这使得用户在使用的过程中较容易理解其功能和使用方法。因此，virtools具有易学易用的特点。（2） Virtools提供了七百多个互动行为模块，涵盖了运动控制、逻辑控制、输入设备控制、网络控制、视音频素材控制、界面设计等功能，利用不同功能的行为模块进行组合，可以实现大多数的交互功能。除此之外，Virtools还提供Physics Pack(物理属性)、VR Pack(虚拟现实)、AI Pack(人工智能)与XboxKit(游戏开发)等多元应用的可选扩展模块，以实现更加强大的交互功能。Virtools具有VSL程序语言模块，可在软件接口直接撰写程序并编译，对于编程水平较高的使用者，还可以通过编写程序实现复杂的交互功能。Virtools强大的交互功能及较好的扩展性，完全能够满足虚拟实验开发的需要。(3) Virtools不仅可以将设计好的程序输出成单机运行的可执行文件，还可以输出成在网络上浏览的网页格式文件，这样可以非常方便的将虚拟实验发布到网络或嵌入到课程学习网站上，学习者只需要安装一个3D Life Player播放插件。实验教学中使用，也便于将其嵌套在网络学习平台中方便远程教育实验教学运用。（4）Virtools与其他的可用于虚拟实验开发的软件比较，如表2.4.1FlashJava 3DCult 3DVRMLVirtools交互动能较强强强强很强界面友好度很好一般很好很好很好开发软件的硬件要求无特殊要求无特殊要求高高高开发难易程度一般较高高较高高制作方式图形设计脚本语言Java 语言编程Java 语言编程VRM虚拟现实建模语言Building Blocks(行为模块) VSL语言播放工具Flash播放器直接播放器Cult 3D播放器VR播放器3D Life playe播放器实现效果二维交互二维交互 三位交互三位交互三位交互三位交互表3.1.1 Virtools与其他的可用于虚拟实验开发的软件比较根据上表，我们可以清楚了解到，Vitools与其他虚拟现实软件相比所存在的优点。3.2.5 辅助工具 Photoshop CS4 Photoshop是Adobe公司推出的一款功能强大、使用范围广的平面图像处理软件，目前，Photoshop是众多平面设计师进行平面设计和图形、图像处理的首选软件。在本系统中，大部分图形处理都是通过Photoshop CS完成的.3.3 模型从CATIA到Virtools之间的关键技术3.3.1格式问题格式问题意味着产品是否能被下一个文件打开或操作的关键所在。也可以说文件的格式，是文件的“身份证”。因此在任何操作过程中，时时刻刻要注意文件的格式。本课题模型，在CATIA里建立装配成功为：.CATProduct格式，导出为：.3dxml格式，这样只有简单的面，存在参数化的数据很少，容易在以后虚拟仿真时成功。再将.3dxml格式的文件导入3DVIA Composer，并导出为3D Max可导入的文件格式：.3ds。在3D Max导出时，应导出Virtools可导入的文件格式：.3DS. 具体流程如表2.5.1。CATIA3DVIA Composer3D MaxVirtools.CATProduct.3dxml.3ds.3DS.cmo表3.2.1 格式与软件的流程图3.3.2模型的渲染为了更好的区分，装配模型中的各个零件，并且比较真实的反映，模型材料的特性，也为以后美观的显示。我们需要对简化模型进行渲染，渲染所用的软件：3D Max。3D Max是一款功能强大的动画设计软件。其所携带的渲染功能极其强大。本课题主要用3D Max的渲染插件VR渲染器，来进行渲染。具体步骤如下：（1）选择同一材质（纹理）的零件。打开调质球编辑器（如图3.2.1），进行编辑。并选择Standard选项按钮。图3.2.1 调质球编辑器界面然后需选择VR材质，图3.2.2 图3.2.2调质球材质选择编辑器选择VR材质，双击。就可以进入VR材质编辑器。图3.2.3 VR材质编辑器调节漫反射系数以及颜色；每个物体都有漫反射，这也是反映实际物体在光照中，真是的表现。反射系数以及颜色，反射系数为0.8，任何无题都有反射光的性质，只是表面光滑度不同，反射光的程度不同，越是光滑的物体，反射程度越高，反射系数就越小，反射斑越大。然后再编辑材质的双向反射的分布函数的各向异性（-1，1），大该取值为-6，该值表明，反射光斑的形状以及随编制球的曲面拉伸的变化程度。图3.2.4 编辑材质的双向反射的分布函数编辑器等调完所有系数时候，最终调质球的应该如下图2.6.5。图 3.2.5 调质球最终效果再将调质球拖拉至所选实体的零件上即可。最终渲染。点击渲染按钮，计算机会自动渲染。如图2.6.6。图 3.2.6 渲染编辑器3.3.2分坐标为何要分坐标？因为在模型建模时，系统默认的坐标只有装配坐标，即所有零件的坐标为一个，在以后在Virtools做交互的时候，要做动作时所用坐标皆以自己的的坐标为准，例如旋转，必须绕着自己的轴旋转，也就是说，做动作的零件，凡是不以总体坐标做动作的（例如：所有行星轮），就要分开有自己的坐标。而坐标远点应在其自身的中心。（1）分坐标的具体步骤选择需要条坐标的零件，在选择（层次）。就出现如下图3.2.7的选择菜单。图3.2.7 选择菜单选择仅影响轴。显示屏幕上就会显示粗大可调整的坐标轴，如图3.2.8图3.2.9 可调整轴的显示选择工具菜单栏，选择对齐选型，并选择对齐（或者快捷键：Alt+A），看到鼠标箭头改变，并单击该零件，就可弹出对齐窗口如图3.2.8所示。图3.2.10 对其当前选择选择轴点和中心。并如上图选择。就可以看到显示坐标在该物体中心。做好每个所需要反坐标轴的零件，并另存为.3DS格式。3.3.3模型导入Virtools的初步设置和对象建立（1）初设置为了使模型能更好的在Virtools里更好的操作，我们对Virtools的初步设定。步骤如下：打开Editor菜单，选择Varibles Manager进行初设定，选项如图3.2.11。图3.2.11 Virtools的初设定 (2)对象的建立 打开Virtools,点击Resources选项，选择Create New Data Resources选项，创建新资源。选择所要保存的路径，并输入文件名“自动变速器虚拟实验系统”，并选择保存可是.rec。点击保存。在所选路径所得文件夹内自动生成如下图所示的文件夹。图3.2.12 自动生成的文件 并将所需各种文件，放入各自对应的文件夹里。例如，为准备做界面和按钮的图片，放入Textures文件夹中。3D模型文件则放入3D Entities文件夹中。在Virtools中，选择Resources点击Import File，选择放入3D Entities文件夹中的3D模型文件。再选择打开。对象便建立了。第4章 自动变速器虚拟装配平台开发4.1 虚拟交换环境4.1.1 灯光设置 如若在3D Max中没有添加灯光，那么添加到Virtools中，看到模型为黑色的，这时我们应该添加灯光，灯光有不同的设置，例如点光源，面光源等。当然这些灯光也有其光源的坐标，因此在设置时要选择其类型以及光源坐标值。图4.1.1 未添加灯光的模型显示添加灯光时，点击灯光添加按钮，就可以在显示区域看到灯光光源的坐标轴。以及下面编辑区，可以看到灯光的编辑器。在Type（类型）后选择Directional，并调节起坐标，使模型在显示区可以看到模型在光照下的情况。图4.1.2 灯光编辑器图4.1.3 调好灯光后的显示效果4.1.2摄像机的设定Virtools自带的有5个固定的摄像机，但这5个固定摄像机因为固定，不满足我们摄像机可操作的要求，因此我们需要建立一个环绕摄像机，具体步骤如下（1）建立3D帧在城建面板中，选择创建3D帧的命令，创建一个新的三维帧，作为摄像机的参考对象。在点选Level Manager按钮中的Global目录，选择3D Objects目录，找到所需要承载的参考体。例如小太阳轮。然后打开小太阳轮的设置窗口，如图4.1.5。图4.1.4 创建三维帧图4.1.5 小太阳轮设置窗口记一下控制面板中World的X,Y,Z的坐标值。在将刚建好的三围帧的坐标值对应的与小太阳轮的改好即可。（2）设定摄像机在创建面板上选择城建摄像机按钮，创建一台新的摄像机，并在其脚本编辑面板上创建脚本，Mouse Waiter BB交换模块。以及其他其他的BB脚本模块。具体连接方式以及BB，如下图4.1.6。图4.1.6 摄像机设定脚本面板4.2 2D帧的设置 在本课题中，所有的图片，以及界面按钮，都必须“附着” 于二维帧（2D Frame setup）。因此，在设计图片和按钮之前必须先设计好其“附着”的二维帧。这里包括二维帧的坐标（起始位置）、大小等。二维帧显示如图4.1.7。图4.2.1 二维帧显示效果（1） 创建二维帧 首先创建二维帧，在创建面板上，点击二维帧创建按钮。就可得到如下图的二维帧编辑器。这里可以设计二维帧的坐标（如组图4.1.8（1）、长宽（4.1.8（2）、材质（4.1.8（3）、以及其所“附着”界面（4.1.8（4）。 （1） （2） （3） （4）组图4.2.2二维帧的设计数据图4.2.3二维帧设计器（2）创建二维帧材质要想图片“附着”于二维帧，必须经过中间途径材质，也就说图片附着于材质，材质附着于二维帧。那么首先我们要创建材质，在控制面板上有创建材质按钮（Material）。此时编辑区，就可以出现材质编辑器。如图4.1.10所示图4.2.4 材质编辑器在这里可以选择材质赋予的图片，以及图片赋予的情况。对于界面没有鼠标识别的特性（即鼠标滑动到图片上时，图片发生变化，例如明暗、颜色等，这样会使按钮有质感）。因此界面的材质就可以用一个材质，而对于按钮的二维帧，需要两个材质，这两个材质就需要相同的图片两个，而这两个图片所不同的就是其附着材质的方式不同。当鼠标不再按钮上时材质的设置如图4.1.11.而鼠标滑动在二维帧的图片材质设置如图4.1.12所示.图4.2.5 鼠标不再按钮上时材质的设置图4.2.6鼠标滑动在二维帧的图片材质设置 图4.2.7 鼠标不在（左）、在（右）按钮时显示效果而对不两种材质，在二维帧设置时，其所选择，是靠BB来控制的，其BB设计以及参数设计如下图4.1.14。图4.2.8 按钮BB设计以及参数设计（2） 赋予二维帧材质图片材质添加图片是，实现打开材料科中的Texure。里面存放的是事先处理好的图片，如图4.1.15，将图片拖到显示区，就可以打开图片编辑器。一种是普通图片，不需要设计其透明区域等，如图4.1.16所示。而一些播放界面需要设计其透明区域。如图4.1.17所示。方法是在图片右边右击鼠标键就会出现选择菜单。图4.2.9 材料库中所存放的实现处理好的图片图4.2.10 不需要特殊处理的图片设置图4.2.11 与需要设置透明区域的图片设置4.2.1 2D帧的BB设计（1）界面交换设计界面交换，也就是说当点击界面组上按钮时，就会激活另一个界面组，使其显示并激活其上的按钮。其BB以及BB的连接方式如图4.1.18所示。界面交换的BB设计以及BB连接方式 上图中渐变进入以及渐变推出的BB包中BB以及BB连接方式如下图4.1.19所示。解除/激活BB包中BB以及BB连接方式如下图4.1.20所示图4.2.12 渐变进入以及渐变推出的BB包中BB以及BB连接方式图4.2.13 解除/激活BB包中BB以及BB连接方式（2）图片调用以及画栅的设计 有些图片，再调用时候，图片不仅仅是作为一个界面，而作为一个画栅所调用的。首先先创建画栅。在创建面板上，选择创建画栅的按钮。并编辑画栅的编辑器如图4.1.21所示：图4.3.14 光栅编辑器4.3动作BB的设置4.3.1旋转BB 模型的运动，全靠BB来控制，当然这也包括旋转运动。这个旋转运动的BB需要靠按钮来触发，这就需要Send Message /Send Message to Group。这个BB。而模型运动首先要接受这个Message。其所需Swhitch Message的BB。于是运动控制按钮BB设置如图4.2.1所示；模型的BB设置如图4.2.2所示。图4.3.1 运动控制按钮BB设置以及连接方式4.3.2 运动模型的BB设计 上图中，行星齿轮BB等包，设置如图4.2.3所示。图4.3.3行星齿轮BB包Send Message /Send Message to Group BB的参数设置如图4.2.4所示图4.3.4 Send Message to Group BB参数设置Swhitch Message BB的参数设置如图4.3.5所示。图4.3.5 Swhitch Message BB的参数设置4.3.2 暂停在本课题中需要暂停，而暂停需要添加一个参数BB，用参数BB来控制运动。其所成对。参数BB（Identity）和判断BB（Test）设置分别如下图4.2.6和图4.2.7所示。当参数为1时，判断BB就会终端BB循环；而当参数为0时，判断BB就会通过循环，因此我们就用这对BB来控制暂停。 图4.3.6参数BB（Identity） 图4.3.7参数判断BB（Test）图4.2.8 参数BB的参数设置图4.3.9 判断BB参数设计4.3.3 返回IC在本课题中需要返回初始状态，而返回初始状态需要添加一个返回IC的BB（Rostore IC）来控制。而其的触发需要一个按钮的Send Message to Group的BB（前面已经介绍过）。而返回IC的BB以及器连接方式如图4.2.10所示，其没有参数，无需参数设置。图4.3.10 返回IC BB以及其连接方式4.4 整体界面主界面以及按钮如图4.4.1图4.4.1主界面以及按钮 基本结构界面以及按钮如图4.4.2图4.4.2 基本结构界面以及按钮 基本原理界面以及按钮如图4.4.3图4.4.3基本原理界面以及按钮动画播放界面以及按钮如图4.4.4图4.4.4 动画播放界面以及按钮第5章 总结和展望5.1总结5.1.1操作BB的技巧 （1）BB的创建，在BB面板上的空白处，按住Ctrl键，双击并输入所需BB的开头字母，即可选择所需BB。如图5.1.1所示。图5.1.1 快捷键创建BB这样只要知道BB快都几个字母，就可以能简便和快捷的方式创建BB