虛擬現(xiàn)實數(shù)控機床教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)維護
文章來源：SouVR
作者：Frank
發(fā)布時間：2015年12月29日
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虛擬現(xiàn)實數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控培訓(xùn),，是數(shù)控培訓(xùn)技術(shù)發(fā)展的一個飛躍,，它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識,、技能的新型學(xué)習(xí)方式,。
利用虛擬數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng)建立起來的各種虛擬機床拆裝實訓(xùn)平臺等其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，并可根據(jù)需要隨時生成新的設(shè)備,。且教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新,，使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。從多方面證明了虛擬操作擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢,。
虛擬數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng)采用C++,、PHP、Javascript等主流語言程序開發(fā),，最后全部通過打包加密后再利用編譯程序進行系統(tǒng)優(yōu)化,，這樣大大加快了系統(tǒng)整體運行速度。在建模方面系統(tǒng)采取的是市場主流的 ISA 為建模工具,，其支持的數(shù)據(jù)庫為：大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,，如：SQL Server, Oracel，MySQL等,。本系統(tǒng)在運行過程中學(xué)員操作的3D動畫的動作是通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器端程序的,，而該系統(tǒng)中的 TCP/IP 協(xié)議采取的是UDP 用戶數(shù)據(jù)包模式，這樣就保證了數(shù)據(jù)不會輕易的丟失與延遲,。
在虛擬現(xiàn)實數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的前期,，需要采用3D掃描儀（三維掃描器）對機床、各種工具,、產(chǎn)品部件建立數(shù)字模型,，之后利用虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺對所建立的數(shù)字模型進行加工，并設(shè)計出可實現(xiàn)交互功能的軟件平臺,，最后結(jié)合各種3D交互設(shè)備及三維立體顯示環(huán)境,，搭建出具備沉浸感、交互性的虛擬現(xiàn)實數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng),。在此我們對系統(tǒng)開發(fā)中的主要部分即3D建模,、虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺,、3D交互設(shè)備、三維立體顯示環(huán)境進行簡單介紹,。
一,、3D建模
3D建模通俗來講就是利用三維制作軟硬件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型，3D掃描儀的誕生為3D建模帶來新的方法和手段,，3D掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的點云,，這些點可用來插補成物體的表面形狀,，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型,。目前，一些3D掃描儀還能夠取得表面顏色,，可進一步在重建的表面上粘貼,，亦即所謂的紋理映射。一般情況下用3D掃描儀所得到的3D模型還要在3D建模軟件中進行少許的加工,。
1,、3D掃描儀
3D掃描儀(3D scanner) 是一種科學(xué)儀器，用來偵測并分析現(xiàn)實世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色,、表面反照率等性質(zhì)）,。搜集到的數(shù)據(jù)常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創(chuàng)建實際物體的數(shù)字模型,。這些模型具有相當(dāng)廣泛的用途,，舉凡工業(yè)設(shè)計、瑕疵檢測,、逆向工程,、機器人導(dǎo)引、地貌測量,、醫(yī)學(xué)信息,、生物信息、刑事鑒定,、數(shù)字文物典藏,、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應(yīng)用,。
推薦產(chǎn)品：Polhemus FastScan 雙攝像頭3D激光掃描儀,、NDI VicraSCAN 3D激光掃描儀、Creaform Handyscan VIUscan 彩色3D激光掃描儀,、3D Camega PCP-300手持式三維掃描器,。
2、3D建模軟件
3D建模通俗來講就是通過三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型,。3D建模大概可分為:NURBS和多邊形網(wǎng)格,。 NURBS對要求精細、彈性與復(fù)雜的模型有較好的應(yīng)用，適合量化生產(chǎn)用途 ,。多邊形網(wǎng)格建模是靠拉面方式,，適合做效果圖與復(fù)雜場景動畫.綜合說來各有長處。
二,、虛擬現(xiàn)實軟件平臺
通過虛擬現(xiàn)實軟件平臺,，整套虛擬現(xiàn)實數(shù)控機床培訓(xùn)系統(tǒng)的各個硬件才可以發(fā)揮其獨有功能，保證了系統(tǒng)的正常運行,，虛擬現(xiàn)實軟件平臺是通過虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺設(shè)計的,，其中的各種功能可根據(jù)自己的需求自行設(shè)計、添加,。
推薦產(chǎn)品：Virtools™ 5.0--3D 可視化編程開發(fā)平臺,、Unity3D PRO 虛擬現(xiàn)實、跨平臺應(yīng)用程序開發(fā)引擎,、TechViz Virtual Workbench,。
三、3D交互設(shè)備
采用3D交互設(shè)備,，可以實現(xiàn)操作人員與虛擬環(huán)境實時交互,，可以對虛擬環(huán)境中的各種物體進行各種設(shè)定好的操作，常用的3D交互設(shè)備有位置追蹤器,、數(shù)據(jù)手套,、力反饋設(shè)備、3D鼠標(biāo)等,。下面分別介紹,。
1、位置追蹤器
位置追蹤器又稱位置跟蹤器,，是指作用于空間跟蹤與定位的裝置,，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔,、立體眼鏡,、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動,、旋轉(zhuǎn),，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活,、自如,、隨意,。產(chǎn)品有六個自由度和三個自由度之分，當(dāng)接收傳感器在空間移動時,，能夠精確地計算出其位置和方位,。該設(shè)備 消除了延遲帶來的問題，因為它提供了動態(tài)的,、實時的六自由度的測量位置(X, Y, 和 Z 笛卡爾坐標(biāo)) 和方位（俯仰角,、偏行角、滾動角）,，無論在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域,，還是在控制模擬器的投影機運動時，還是在生物醫(yī)學(xué)的研究中,，它是測量運動范圍和肢體旋轉(zhuǎn)的理想選擇,。它是快速,、精確,、而且容易使用。
數(shù)據(jù)手套是虛擬仿真中最常用的交互工具,。數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板,、力敏元件,、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號處理電路,；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線,，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料,，柔性電路板留一端在外,，以導(dǎo)線與外電路連接。把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實時地傳遞給虛擬環(huán)境,。
3,、力反饋設(shè)備
所謂力反饋（Force Feedback），本來是應(yīng)用于軍事上的一種虛擬現(xiàn)實技術(shù),，它利用機械表現(xiàn)出的反作用力,，將游戲數(shù)據(jù)通過力反饋設(shè)備表現(xiàn)出來,，可以讓用戶身臨其境地體驗游戲中的各種效果。 力反饋技術(shù)能將游戲中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成用戶可以感覺到的效果,，例如道路上的顛簸或者轉(zhuǎn)動方向盤感受到的反作用力,，這些效果都是力反饋控制芯片“播放”出來的，
4、3D鼠標(biāo)
3D鼠標(biāo)具備多自由度的傳感器,，多個導(dǎo)航設(shè)置鍵等可實現(xiàn)對虛擬立體空間內(nèi)的虛擬物體的操作,。
推薦產(chǎn)品：3D Connexion SpaceMouse 專業(yè)版、3DConnexion SpacePilot PRO,、3DConnexion 探索者 SpaceExplorer serial,、3DConnexion SpacePilot宇航者、3DConnexion 魔幻手 SpaceNavigator
四,、三維立體顯示環(huán)境
三維立體顯示環(huán)境有多通道立體顯示系統(tǒng),、桌面型立體顯示系統(tǒng)、頭戴式立體顯示系統(tǒng)三種類型,，不同類型使用于不同領(lǐng)域,，用戶可根據(jù)實際需求自行選擇，下面分別介紹,。
1,、多通道立體顯示系統(tǒng)
多通道立體顯示系統(tǒng)是指采用多組被動式或主動式立體投影機，結(jié)合邊緣融合技術(shù),，將影像投射在大型環(huán)形,、弧形、平板型投影幕或者CAVE上,，提供大尺寸,、高清晰度極具沖擊力的沉浸式立體顯示環(huán)境。
推薦：多通道環(huán)幕投影,、多通道平板投影,、沉浸式CAVE系統(tǒng)
2、桌面型立體顯示系統(tǒng)
桌面型立體顯示系統(tǒng)即3D立體顯示器,，3D立體顯示領(lǐng)域包含多種實現(xiàn)方式,，比如：全息技術(shù)、投影技術(shù),、眼鏡式技術(shù)以及無需眼鏡立體顯示技術(shù)（裸眼立體顯示技術(shù)）等,。目前具備市場化潛力的是眼鏡式立體顯示技術(shù)和裸眼立體顯示技術(shù)，這兩種技術(shù)都是基于平面立體成像的技術(shù),。裸眼立體顯示器的特點是無需借助任何輔助設(shè)備,、多視點,、高亮度、高清晰,、大縱深等,；眼鏡式立體顯示器的特點是需要借助眼鏡才可以觀看，立體效果強,。用戶可以根據(jù)自身情況選擇,。
3,、頭戴式立體顯示系統(tǒng)
頭戴式立體顯示系統(tǒng)（又叫數(shù)字頭盔、數(shù)據(jù)頭盔,、立體頭盔等）是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備,，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形圖像信號。使用方式為頭戴式,，輔以三個自由度的空間跟蹤定位器可進行虛擬現(xiàn)實輸出效果觀察,，同時觀察者可做空間上的自由移動，如,；自由行走、旋轉(zhuǎn)等,，沉浸感極強,，在虛擬現(xiàn)實硬件觀察設(shè)備中，頭盔顯示器的沉浸感優(yōu)于桌面型立體顯示系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實觀察效果,，遜于虛擬多通道立體顯示系統(tǒng)的觀察效果,，在投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，頭盔顯示器作為系統(tǒng)功能和設(shè)備的一種補充和輔助,。
頭戴式立體顯示系統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)設(shè)計和制造技術(shù)日趨完善,，不僅作為個人應(yīng)用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學(xué)系統(tǒng)做成全像大屏幕,。除了在現(xiàn)代先進軍事電子技術(shù)中得到普遍應(yīng)用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術(shù)中,，虛擬現(xiàn)實電子技術(shù)系統(tǒng)首先應(yīng)用了頭戴式立體顯示系統(tǒng),。
應(yīng)用領(lǐng)域：
適用于高校,、數(shù)控機床研究所,、數(shù)控機床生產(chǎn)廠家、數(shù)控機床培訓(xùn)等,。
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