Структура системы виртуальной реальности для интерактивных учебных пособий

В.А. Ромакин,
н. с., к. т. н.,

А.В. Балабанов,

вед. инж., аспир.,

ИПУ РАН, insight.ru@gmail,com, fca07@mail.ru, г. Москва

Понятие интерактивного учебного пособия на основе средств виртуальной реальности (ИУП ВР) было введено ранее авторами настоящей работы. Под ИУП ВР подразумевается программное обеспечение, предназначенное для изучения устройства и принципа работы, а также технологий сборки, ремонта и технического обслуживания машин, механизмов и оборудования. Назначение и структура ИУП ВР подробно рассмотрены в [1].

Объектом исследования в настоящей работе является система виртуальной реальности ИУП ВР, функциональное назначение которой заключается в визуализации объемных геометрических моделей и различных операций, производимых с этими моделями (как было отмечено выше, в качестве таких операций могут выступать операции сборки, разборки, ремонта и технического обслуживания).

Структурная схема системы виртуальной реальности приведена на рисунке 1.

рис. 1. Структурная схема системы виртуальной реальности ИУП ВР

Система виртуальной реальности состоит из базы данных виртуальной реальности, блока виртуальной реальности, библиотеки объемных геометрических моделей и библиотеки вспомогательных файлов.

База данных виртуальной реальности (БД ВР) содержит информацию, необходимую для автоматизированного поиска и извлечения объемных геометрических моделей (ОГМ) из библиотеки и осуществления сборки ОГМ деталей и узлов в изделие. Структурная схема БД ВР представлена на рисунке 2.

рис. 2. Структурная схема БД ВР

Наименование модели отображается в перечне ОГМ под изображением соответствующей ОГМ. Файлы с изображениями ОГМ хранятся в библиотеке вспомогательных файлов в формате *jpg. Перечень ОГМ расположен в главном окне ИУП ВР. Каждое изображение в перечне ОГМ программно связано с идентификатором файла ОГМ. При наведении курсора на изображение ОГМ в перечне и двойном нажатии левой кнопки мыши, программа обращается к идентификатору файла соответствующей ОГМ. Далее, по идентификатору производится поиск и открытие файла ОГМ, после чего соответствующая ОГМ отображается на экране.

Открытие файла ОГМ, ее воспроизведение и отображение на экране осуществляется посредством блока виртуальной реальности (БВР), который представляет собой ряд программных модулей, выполняющих функции построения и преобразования ОГМ, математических расчетов, визуализации. Структурная схема БВР приведена на рисунке 3.

рис. 3. Структурная схема БВР

Начальные координаты позиционирования и ориентации ОГМ на экране задаются предварительно в БД ВР исходя из удобства решения стоящих перед пользователем задач. Описанные процедуры извлечения ОГМ из библиотеки с точки зрения пользователя ИУП ВР проиллюстрированы на рисунке 4.

рис. 4. Извлечение ОГМ из библиотеки

Файлы ОГМ хранятся в библиотеке ОГМ в формате *.wrl. Граф, изображенный на рисунке 5, показывает последовательность и средства преобразования данных, описывающих ОГМ, начиная от разработки ОГМ и заканчивая их отображением на экране.

Для представления ОГМ в ИУП ВР авторами настоящей работы был выбран формат *.wrl в силу своей универсальности с точки зрения его поддержки различными программами, а также, учитывая обстоятельство, что VRML 97 является международным стандартом формата файлов и известен как ISO/IEC 14772. Документация на VRML 97, содержащая исчерпывающую информацию по данному формату, находится в открытом доступе. Кроме того, формат *.wrl позволяет работать с цветом, текстурой, свойствами материала и производить геометрические преобразования ОГМ, что расширяет инструментарий для дальнейшего развития ИУП ВР.

При помощи модулей построения и преобразования ОГМ, входящих в состав БВР (см. Рис. 3), производится считывание координат и индексов вершин и нормалей из wrl-файлов ОГМ. При построении и преобразовании ОГМ, все необходимые вычисления производятся в модулях математических расчетов БВР. Далее, при помощи модулей построения и преобразования ОГМ, средствами OpenGL, используя полученные массивы вершин и нормалей, осуществляется воспроизведение ОГМ. Модули визуализации позволяют отобразить ОГМ на экране.

После того, как соответствующие детали были выведены на экран, над ними могут производиться различные операции, например, сопряжение (сборка). Параметры сопряжения деталей содержаться в БД ВР и представляют собой координаты точек сопряжения и направляющих векторов, расстояние перемещения деталей, а также типы и размеры сопрягаемых поверхностей (см. рис. 6).

рис. 5. Граф преобразований структур данных, описывающих ОГМ

рис. 6. Параметры сопряжения

Здесь необходимо кратко пояснить смысл параметров сопряжения. Контрольные точки – это точки, заданные для каждой из сопрягаемых деталей, которые необходимо сблизить при сборке путем перемещения деталей. После сближения деталей (а, следовательно, и их контрольных точек), БВР генерирует окно для подтверждения сопряжения (см. рис. 7).

рис. 7. Сближение деталей и генерация окна для подтверждения сопряжения

После того, как пользователь подтверждает сопряжение, одна из сопрягаемых деталей перемещается в направлении, которое указывает направляющий вектор на расстояние перемещения (см. рис. 8). Тип сопрягаемой поверхности (например, вал или отверстие) и ее размер необходимы для исключения двусмысленного толкования операций алгоритма сопряжения.

рис. 8. Сопряжение деталей

Литература

1. Ромакин В.А., Балабанов А.В. Использование средств виртуальной реальности при разработке интерактивных учебных пособий / Материалы IV Всероссийской школы–семинара молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии (ПУИТ’08)». — Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. — С. 12-15.