谈演示复杂设备三维结构交互式演示系统开发

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摘 要：以焦炉为例，介绍了一种复杂设备的三维结构交互式演示系统开发方法。应用SketchUp建立焦炉各组成部分的三维数字模型，并导出展示其内部结构的图片和动画。应用Authorware制作焦炉结构三维交互演示系统，该演示系统能用大量的三维图像和动画生动形象地展示焦炉各大组成部分的内部结构和基本工作原理。
关键词：焦炉 三维数字模型 SketchUp Authorware 三维交互
复杂设备的结构一直是教学的难点，为了便于全面、直观地观察复杂设备的内部结构和掌握其工作原理，传统的做法采用实物模型或二维剖面图来展示其内部结构。实物模型造价高，占用物理空间较大，不易搬运；二维剖面图直观性差，整体感不强。笔者以焦炉为例，介绍一种复杂设备的三维结构交互式演示系统开发方法。
焦炉是焦化厂日常生产的主体设施，其主要功能是将煤隔绝空气进行干馏，从而得到用于高炉炼铁、冲天炉熔铁和有色金属冶炼等生产所必需的焦炭，以及其他的一些荒煤气等化学产品。
焦炉属于大型工业炉，结构复杂，一般分成4个部分：蓄热室、斜道、炭化室和燃烧室、炉顶。各部分结构都比较复杂，尤其是斜道区中的布置有错综复杂的数千条用于煤气、空气或废气的通道（即所谓的斜道）。一座55孔JN60焦炉有56个燃烧室，每个燃烧室有32个立火道，每个立火道有2个独立的斜道与之相连，因此整个斜道区共有3 584个斜道，如果是复热式焦炉，则还布置有1 792个垂直砖煤气道[3]。
对于初步认识焦炉的学习者来说，仅凭课本上提供的几张二维平面结构图，很难系统、全面地掌握焦炉的内部结构及工作原理，教学及学习效率低。由于三维数字模型具有仿真度高、直观、便于携带、不占空间和成本低等特点，三维数字模型在文物复原与数字化保存[4-6]、修复与重建[7，8]、工程设计[9]和工程建设[10]等众多领域中已有一些成功应用先例。为此，笔者应用SketchUp软件建立了一组焦炉三维结构模型，并以Authorware为工具，开发了一套焦炉结构三维交互演示系统，主要用于焦炭结构及工作原理实验教学。
1 开发工具

1.1 SketchUp简介

SketchUp是@Last Software公司推出的一套三维设计软件，主要用于三维建模，并在建模技术、材质编辑、动画制作和后期处理等方面同样表现优异。SketchUp建模流程简单明了，建模速度快，是建筑建模最常用的方法。运用SketchUp可以制作出照片级的静态图像以及优秀的动画作品。此外，它可以方便地生成任何方向的剖面，并且可以形成供演示的剖面动画。SketchUp应用范围广阔，现已应用于建筑、水利、规划、园林、景观、室内以及工业设计等领域[11-13]。

1.2 Authorware简介

Authorware采用面向对象的设计思想，提供了直观的图标流程控制界面，通过调用图标来实现整个应用系统的制作。Authorware提供11种交互方式，支持Flash GIF和I格式动画，能将其他软件制作的文字、图形、图像、声音和数字电影等多种媒体信息直接利用图标导入，产品内容丰富、交互性强。程序流程简明，易学易用，让不具备高级编程能力的用户也能创作出高水平的多媒体作品。此外，Authorware还提供了丰富的函数、变量和脚本语句，对有经验的高级开发人员，可以通过简单的编程实现更为复杂的设计[14]。
2 基于SketchUp的三维焦炉建模和动画制作

2.1 焦炉斜道区的三维建模

斜道区是焦炉结构中最为复杂的一部分，其形状极其不规则，含有大量的曲面及凹槽。这也是本设计中三维建模的重点与难点，现以斜道区为例简要介绍其三维建模过程。
砌砖图：斜道区的建模是从下往上一层一层进行的，由于斜道区的砖层比较多，且每一层砖的砖型及尺寸有很大差异，这就要求在每一层砖的“砌筑”过程中需对不同砖型建立大量的三维模型单体。在SketchUp中即表现为大量的砖型组件。
斜道区的三维砌砖图如图1所示。

2.2 焦炉其他各部位的三维建模

焦炉其他各组成部分：蓄热室、燃烧室—炭化室、炉顶区，其结构相对于斜道区而言较为简单，没有不规则的曲面等特征，故在SketchUp中较为容易实现，利用基本的推拉及模型交错等相关命令就可以得到所需的模型。焦炉各部分结构模型如图2～图5所示。

2.3 三维焦炉动画制作

动画制作是该演示系统的重要组成部分。SketchUp自带动画制作功能，创建场景后可以设置出不同的视角，通过动画预览播放可自动生成平滑过渡的动画效果，制作简单，回避了含义晦涩的“关键帧”概念[4]。此外，SketchUp还可便捷地生成任意方向的剖面，形成可供演示的剖面动画。最后，动画可按I或Quicktime MOV格式的文件导出。
本三维演示系统的设计主要制作了焦炉各个组成部分的移动旋转展示、剖切展示、生长动画以及格子砖、箅子砖和炉柱等部件的结构展示，共计48个I动画。非常形象地展示了焦炉各组成部分之间的相对位置关系及其内部复杂的结构。
此外，在动画制作过程中还需协调动作的连贯性与I文件大小间的关系，在保证模型美观及结构表达清楚的前提下应尽量减小I文件的大小。I文件过大，不仅占用大量的磁盘空间，最重要的是：过大的动画将极大地消耗系统资源，给动画的导出带来不便[15]。为此，需要从两方面着手：第一，在给三维模型赋予材质时，应尽量避免选用对光线敏感、占用空间大的材质；第

二、应严格控制动画输出时间帧的设置，在本设计中均选用25帧/秒。

3 基于Authorware的多媒体演示系统设计

3.1 三维交互技术的实现源于：论文格式字体要求www.618jyw.com