数控车床编程入门基础范文

导语：如何才能写好一篇数控车床编程入门基础，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词： 数控车床编程教学 切入点 手工编程

数控车削加工是数控加工中应用最广泛、最基本的加工方法之一。它主要通过程序控制自动完成内外圆柱面、圆锥面、弧面、螺纹等工序的切削加工。数控车床编程是数控车削加工的基础和重要步骤，程序的优劣决定了零件加工质量的高低。根据零件的复杂程度，数控车床编程分为手工编程和自动编程，手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心经验都来自手工编程，掌握手工编程技术对掌握CAM软件的使用方法、正确使用数控设备、理解自动编程设计原理具有重要意义。本文以手工编程为例，探讨数控车床编程教学的切入点。

一、从狠抓普通车床技能训练切入，为数控车床编程教学打好基础。

对初学者来说，普通车床的操作更直接，感受更直观。第一学年，我们按1：1的比例安排普通车床加工工艺与普通车床操作技能训练课程，使学生全面、系统地了解、学习普通车床的结构、规格、性能；掌握刀具的分类、几何角度、刃磨方法；牢记切削用量的含义及选择原则；熟练掌握内外圆柱面、圆锥面、弧面、螺纹的加工方法及刀具的运动轨迹；根据零件图，会制定零件的加工工艺……另外，在普通车床加工中，若出现不正常现象，则可以采取措施，避免出现不良后果。通过系统学习，学生熟悉了车削加工的全过程，为数控车床编程教学打下了坚实的基础。

二、以“必需、够用”为原则切入，整合教学内容，提高教学效率。

没有门槛的中等职业教育，生源特点是：总体入学成绩下降，大多数学生初中阶段的文化基础差，接受能力、分析能力、思维能力偏低，惰性、厌学心理严重，一旦学习上遇到困难，就会因自卑而放弃。针对这些特点，我们在教学内容的组织、教学环节的设置上狠下工夫，本着“必须、够用”的原则，删繁就简，以就业为导向，从实际出发，因材施教，将每个知识点的教学重点放在“是什么”，“怎么用”上，引学生入门，助学生进步。

1.利用视觉冲击，激发学生的好奇心。

绝大多数学生没有接触过数控车床，不知道什么叫“数控”，对数控编程、数控加工有神秘感。在学习初，我们组织学生观看数控加工录像，安排学生去车间参观，将他们在普通车床上加工过的零件置于数控车床，重新编程加工，通过这种视觉冲击，激发他们的好奇心与求知欲。

2.从学生熟悉的内容切入。

在课堂上，展示学生在普通车床上加工的零件，要求学生对照图纸，回忆该零件的加工过程，制定该零件的加工工艺，告诉学生，将该零件的加工路线，包括每一个工步，如进刀、切削、退刀、回刀，用相应的指令代码及规定的指令格式写出来，这个过程就是编程。以这种方式引出数控编程的概念及数控编程的步骤，学生易于理解，乐于接受。

3.以“点”带“面”。

不同的数控系统，指令代码的含义、指令格式、编程方法不同，教学中，以应用较广泛的一种系统如FANUC系统为主，向学生讲清编程指令的含义、应用范围，当学生掌握该系统的编程方法，能应用该系统指令自如编写零件的加工程序后，再逐步向其他系统扩展，并作横向对比，这样，学生可掌握每个系统的编程特点，不易混淆。

4.重点讲解基础指令。

数控指令是程序构成的基本单元，也是数控车床操作的主要对象。数控车床加工的零件，不管形状多么复杂，刀具的运动轨迹可归纳为两类：一类是直线运动（G01），一类是弧线运动（G02/G03）。只要学生掌握了这三个指令的格式、参数代码的含义、应用特点、编程方法、编程注意事项，其他指令如G32、G90、G92、G71、G73、G76等学习起来就较为容易。因此，我们将数控编程教学重点放在这三个指令的教学上，循序渐进，引导学生理解指令的作用是什么，指令怎么用，达到学懂、会用的目的。

三、从数控加工仿真软件切入，实现“教、学、做”一体化教学。

数控编程有很强的操作性，要求有大量的实际操作辅助教学，增强学生的感性认识。学校购置的设备数量有限，每个学生上机操作的机会不多。因此，我们利用仿真软件实现每个学生上机操作的愿望。

仿真软件是在计算机上模拟仿真数控车床操作、工件加工、工件测量等动态数控加工全过程，使学生掌握数控车床的基本操作方法，感受机床的运行特性，为实际操作奠定坚实的基础。

1.“教、做”一体化。

仿真软件提供了与实际数控机床完全相同的操作面板、按键功能、屏幕显示。授课时，通过投影仪将仿真数控机床投影到大屏幕上，教师利用仿真软件边讲理论边演示，如回零、工作方式的选择、程序的编辑与修改、对刀、补偿设定、输入输出操作，使学生有身临其境的感觉，这样，把枯燥的理论知识落实在机床操作中，老师讲一段操作一下机床，学生看得逼真，理解得透彻，学习兴趣渐浓。

2.“学、做”一体化。

仿真软件实现了数控机床手工编程的过程模拟和加工过程的图形模拟。首先，学生可将自己编写的程序输入仿真车床，检验程序是否正确，刀具的运动轨迹是否合理，及时发现问题，不断调试加工程序，补偿超差尺寸，直观感受数控加工的过程与结果。其次，改变纸质作业的传统模式，要求课堂练习、课后作业均用仿真软件完成，最大限度地满足学生的动手欲望。

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关键词：数控技术；教学方法；数控编程与操作

中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2013）07-0274-02

随着科学技术的飞速发展，数控技术在机械制造领域日益普及与提高，各种类型的数控机床在生产中得到越来越广泛的应用。企业之间的竞争已由物质资源的竞争转化为人力资源的竞争，对人才培养的目标也从知识型向能力型的转变，创新意识和工程能力的培养也已经成为实习训练的核心。如何培养高技能人才的问题就摆在了中职院校的面前。

数控专业如何让学生真正学会和掌握加工的工艺知识和编程技巧就成为教师的一大难题。在我们的教学实践中，解决这些问题，需要针对数控加工工艺知识、数控编程以及实践环节，在教学中采用合理的课程体系作基础，靠系统的教学环节作保证，因而提高学生实习质量显得尤为重要，以下是我在数控实习教学中为提高教学质量进行的一些创新措施。

1.合理安排教学步骤，确保实习教学时间

实习课首先要保证学生的操作教学时间。以往采用的是讲练结合模式教学，是传统的大班教学模式，学生实习时间短，能真正学到的东西很少，再加上学生文化基础薄弱，自控能力差，实习设备较少，师资力量不足，实习教学效果可想而知。根据这些情况，我将班级分成几个小组，根据机床的数量及"差优搭配"原则分为4-5个小组。采取了融理论与实践于一体，循环往复，滚动式前进和螺旋式提高教学步骤，在教学过程中，形成了小模块、大模块反复进行运转过程。这种安排在不改变原有教学课时的同时使每位同学的有效实习时间大大增多，保证了同学们在实习期间掌握教学计划内容。

2.合理设计实习内容，把握教学的每一个环节

在教学实施过程中，按照以学生为主体，教师引导为辅的原则。我在实习的第一课先给学生介绍课程与生产的关系，让学生对课程产生兴趣，然后在进行几个环节：

2.1入门指导：先由教师用数控机床加工一件零件进行演示，让学生对数控加工过程有一个感性认知，进行入门指导。激发学生的学习兴趣，在进行完加工演示后进行理论知识讲授。

2.2新课讲授：是使学生掌握新知识和新技能，主要讲授数控机床的组成，手轮，工作原理代码，加工工艺和编程知识，教师要条理清晰，语言简洁，重点突出，让学生知道应掌握什么和怎样掌握。

2.3操作演示：这是实习教学的重要步骤，通过它学生可以具体、生动、直接地感受所学的知识，在教师的指导下，由学生进行自编程序，获得感性知识，加深对所学内容的印象，把理论知识和实际操作联系起来。在进行示范操作时要动作熟练、准确，重点部分应提醒学生指导问题所在，难点部分课边示范边讲解，分解动作与整体动作要很好地结合，充分调动学生的学习兴趣和积极性，引导学生提出问题，调动兴趣后再引导它们通过实习练习去解决问题。

2.4结束指导：是指教师根据学生在操作过程中对基本技能的掌握程度进行总的评估。在这一环节中要注意把学生的感性知识提升到理论性认识，帮助学生把实践经验进一步提高，形成技能。编写训练报告应特别注意引导学生认真总结在实习过程中积累的经验、观察的结果及操作的效果，启发学生找出规律，把握技巧，做出结论。

3.教学方法与手段的改革

教学内容是围绕工作任务展开，教学过程模拟工作过程，化难为易，化繁为简，化深为浅，并将其融合于实践教学中，将理论知识掌握和操作能力培养同时进行，促使学生因操作需要产生学习理论知识的动机，有利于提高学生学习的兴趣和主动性，较好地解决了理论教学和实践教学脱节的问题，减少了理论课与实操课之间的知识重复。教学中可以充分利用现代教学技术手段，通过授课课件、动画、录像等，多视角呈现，形象地展现走刀路线，加工过程等，使得教学直观，易于学生理解和掌握，调动学生学习的兴趣，提高听课的效率和积极性。

4.充分利用数控模拟软件

数控实习课是一门实践性很强的课程，可学校的数控机床数量有限，因而改善和提高数控实习的实习环境，使学生能学练结合，就成为数控教学的一个难题。

数控仿真加工系统可以实现数控机床零件加工的全过程。因此我就选定了一种能在计算机上进行手工编程和自动编程、并能动态模拟加工轨迹、与数控车床有良好接口的数控模拟软件。数控模拟软件，可以逼真的仿真加工现场：机床型号和系统都可以按要求设置，可以仿真与现场同样的屏幕配置和功能，实时地解释NC代码并生成机床进给指令；提供与真实的CNC机床类似的操作面板；提供视图放大、缩小功能的设置；帮助功能（碰撞、过载）；使用对话框可以方便的进行刀具和功能的设置；可以同时显示刀具与偏移路径；NC校验功能；代码向导功能；帮助功能……所有这一切都使数控实习学习更加容易很好地解决了数控机床数量不足的问题。

我就充分利用数控仿真模拟这一特点，结合多媒体广播给学生演示加工过程，然后利用练习模式进行强化训练，把书本中抽象、笼统的理论变为形象、具体、针对实物的感官印象，使学生在动手的过程中不知不觉的提高了对书本相关知识要点的理解力，激发了学生的学习兴趣和积极性，从而较快的提高成绩，增强自信心，变学生被动学习为主动学习。在进行数控机床基本操作训练时，我还利用仿真软件让学生通过教学网络观看教师的操作过程并进行练习，保证每个同学有充足的时间既可以自主学习，避免了初学者直接上机床进行操作可能出现的撞坏车刀、损坏工件与机床、浪费材料等现象，又有效地解决了机床台套数不足的难点。

5.实操练习

前面所做的工作大多都是在计算机上进行的模拟操作，学生很难和实际的加工联系起来。在老师的指导下，在数控机床上进行工件的加工时必不可少的，练习要贴近实际，鼓励学生加工出合格的工件，培养学生的动手能力，丰富了专业理论的知识。让学生到车间进行数控生产技能的实习，可以展示学生的能力，主动争取社会的认可，扩大学生的就业通道。

在数控实习教学中会遇到各种各样的困难，这就需要我们克服困难，充分利用现有资源，创造条件，把数控操作实习开展好。只要学生的技术水平得到提高，实习效率也就必然提高。只有进行课程改革，才能克服以前老套教学中的问题，才能创造更好的学习环境培养出高技能的人才。

参考文献

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关键词：数控加工 数控仿真软件

数控仿真软件是一款在计算机设备内完成数控操作加工仿真的现代化专业性软件，能同时展开刀具轨迹与机床运动的仿真。数控仿真软件通过三维显示与虚拟现实技术，使数控加工整个流程的模拟达到相当逼真的程度，进而检验加工环节里可能存在的不足。利用微型计算机的数控加工实验教学系统，可为学生知识的学习提供更真实的数控机床操作编程加工环境，可降低实际上机操作时因误操作而带来的机床与工件毁坏几率，进而提升课堂教学质量与学生实际工作能力。

一、数控仿真软件在数控加工技术教学中的作用

第一，通过数控仿真软件能够弥补设备与师资缺乏，增强学生动手实践能力，对学生技能操作熟练程度的提升更有利。利用仿真软件展开模拟操作，可为学生提供更多的实习机会，缩短新授知识转变为技能的周期。如一个班级中约有30个人，3台机床，平均每台机床约10个人，每次实习时间约3小时，而每个人的实际操作时间仅有18分钟，在如此短暂时间内，很难达到预期的效果。若我们利用每所学校均有的微机室，将3小时换作与实际机床基本相同的仿真操作的话，可保证所有学生均有足够时间来动手，提升操作熟练程度，为下一步实际操作做足准备。

第二，提供了多类机床与多类系统。现今数控机床的种类与系统厂家相当多，教学时可结合需要选择对应机床与系统完成对学生的授课，增强了学生对不同数控系统与不同数控机床的适应能力。

第三，通过数控仿真软件可更好结合理论学习，实现同步教学。若通过仿真软件一边演示一边教学，借助车刀与工件运动来显示指令轨迹，学生更易理解，还可亲手操作以加深认识，理论与实践相互融合，增强了教学质量。

二、数控加工技术课程的数控仿真软件教学要点

1.引导学生正确选用数控加工仿真系统，提高教学质量

数控仿真软件可通过计算机把所编制程序，在二维图或三维图的基础上通过动态方式把整个数控加工过程更生动地展现出来。现今有影响力、有代表性的数控仿真软件包括上海宇龙、斯沃仿真、南京宇航等。但具体选择哪种仿真软件，还应综合分析仿真系统里操作面与实训教学机床的匹配性，保证仿真系统里所用到的数控系统应与教材教学选择的数控系统或机床相符，并考虑数控仿真系统功能是否满足教学要求与仿真软件及CAD/CAM软件配套性，如通过CAD/CAM软件后置处理所生成的程序可否调入仿真系统进件虚拟加工，在仿真软件运行验证符合要求的程序可否在真实机床里加工等。笔者学校在实际操作中选用了上海宇龙数控仿真软件，软件基本可兼容目前国内已有的大部分数控系统，如FANUC、SIEMENS、广州数控等。仿真软件完全模拟真实的数控机床操作，能清晰仿真整个数控加工环节。学生在学习过程中能够更快速地了解数控机床编程与操作技能。

2.科学应用仿真软件，增强学生学习兴趣

过去在黑板上讲授不同按键名称、作用与操作方法，实质上是一件费力不讨好的事，学习者感觉枯燥，教师也乏味。但若将数控仿真软件用于数控加工技术课程中，学生所编程序能够直接在计算机数控加工仿真软件中进行模拟加工演示。由于机床操作面板的使用及零件加工过程均与实际加工情况类似，学生可从任意角度了解、掌握数控机床加工过程，毛坯加工变作成品的过程真实形象，更利于知识点的掌握。利用数控仿真软件，基于学生学习中遇到的各种困难及问题给予讲解、引导、示范操作，可以克服所有的学习困难，解决问题，增强学生学习兴趣。此外，数控仿真软件再先进，终究不是真实的，数控系统种类多，统一数控系统应用于不同厂家生产的数控机床上，实际操作中也存在诸多差异，研发人员无法全面掌握这些具体细节，仿真软件产品会出现一些与真实机床不同的感觉。教师还应为学生清楚讲述软件与实际机床不符之处，并结合机床真实情况为学生展开针对性教学，以免让学生出现误解，不利于将来机床编程与实操。

3.合理安排教学内容，循序渐进掌握数控知识

数控加工技术课程教学中应合理安排教学内容，在教学前将知识点给予有效安排，大致分作三个模块，即基础模式、提高模块与拓展模块。首先，基础模块重点讲述训练中常用到的FANUC数控系统相关数控车床、数控加工中心编程方法、操作及应用知识，该模块属于教学基础，也属于教学的重点，要求学生务必熟练掌握，并能做到知识的灵活运用;其次，提高模块重点讲述并训练SIEMENS数控系统相关三种机床编程与操作，增强学生在不同数控系统下进行不同数控机床编程的操作能力与理解能力;最后，拓展模块重点讲述国产数控系统里的华中数控系统与广州数控系统里的数控车床编程及操作技巧，拓宽学生知识面，增强学生对不同操作系统、不同操作面板的编程及实践操作能力。唯有如此，学生方可更牢固地掌握各种数控加工知识，步入社会后能尽快适应岗位工作要求，提高工作能力。

4.仿真软件学习与机床实际操作训练同时进行

数控仿真软件不仅可用于数控加工技术课程教学中，还可作为数控操作技能训练辅助工具。教师应摆正数控仿真系统在教学中的位置，不可让学生养成一味依赖数控仿真软件的习惯，而忽视了机床实际操作练习的重要性。教师需结合课程总共的学习时间，科学分配仿真软件学习与机床实际操作训练二者的时间比例，充分认识到数控仿真软件的应用优势主要体现在入门基础训练上，而学生实践操作技能的提升关键还是要通过大量的机床实际操作训练。学校需合理制订教学计划，在数控仿真软件课程学习前，就先组织学生到附近工厂实习，让学生对各类加工方法有更深的感性认识。同时，数控机床课程与数控加工工艺课程也应安排在数控仿真软件学习训练前，让学生掌握更多机床操作方法、加工方法与切削用量选择方法，更利于学生理解与掌握数控仿真各环节要点，进而让数控仿真软件真正在数控加工技术课程中发挥作用，达到“砍柴不误磨刀功”之效。

总之，数控仿真软件将逐渐变成我国数控教学中的主要手段，不但能够解决占用过多实验设备时间的问题，还可提升学生对数控加工的认识，还可为学生提供检验自行编写程序正确性的有效手段。不过，把数控仿真软件应用于数控加工教学里也有诸多不足，在应用过程中还应不断改进与完善，使其更好为数控教学服务，提高教学质量，为社会培育出一批批实践能力强的新型数控人才。

参考文献：

[1]丛娟，丛树林.基于数控仿真软件的数控加工工艺与编程课程改革[J].辽宁高职学报，2011（3）.

[2]王芊.有效提高学生实践能力的途径――仿真软件在数控技术专业教学中的应用[J].包头职业技术学院学报，2009（1）.

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【关键词】数控加工；一体化

自改革开放以来，高科技时代带来工业技术的飞速发展，致使职业学校不能及时、快速地向社会输送出适应产业结构调整、社会经济迅速发展的技术型技能人才，继而阻碍了企业、经济和社会的可持续发展。这就迫使职业教育必须在教育思维、教学理念和教学方式上，须脱离传统的教学模式，并进行全方位地、深入地进行教学改革，核心就是如何实施一体化教学，快速培养出社会需要的合格的技能人才。

既然传统的教学模式已不能适应实现职业学校人才培养目标的需求，因此，构建一个“以就业为导向，以职业为本位”的符合职业教育目标要求的教学体系显得尤为重要。这种教学体系就是一体化教学体系。通过一体化教学，可以达到以下几个转变：教学从“知识的传递”向“知识的处理和转换”转变，教师从“单一型”向“行为引导型”转变；学生由“被动接受的模仿型”向“主动实践、手脑并用的创新型”转变；教学组织形式由“固定教室、集体授课”向“室内外专业教室、实习车间”转变；教学手段由“口授、黑板”向“多媒体、网络化、现代化教育技术”转变，从而以“一体化”的教学模式体现职业教育的实践性、开放性、实用性。而要达到这样的目标，就必须构建新的专业课程体系，即以能力为本位，以职业实践为主线，以项目课程为主体，构建综合模块化的课程体系。

一体化教学，简而言之，就是教师能够把专业理论与生产实训有机地结合起来，高效率地教会学生；而学生在通过一体化课堂的学习后，能够对这个行业领域的技能知识熟练地运用，并解决相关问题。

相较过去的教学模式，一体化教学模式，要求我们从根本上必须做出两个方面的改变：教学硬件与教学软件。教学的硬件主要包括：教学场地，教学设施、设备，教学软件等所具备的必备条件；教学的软件主要是：教师所具备的专业实力，具体包括专业知识量的多少、关联知识的辐射面、行业领域的了解程度、教学的方式方法等。

对于教学软件的提升，我们可以通过几个有效的可行方法：1、有计划地安排教师参加培训操作实践，提高有关教师理论和实践操作水平。2、根据数控实训一体化教学内容，安排具有不同特长的教师对实训项目进行重点突破。3、要求教师积极参与实践，要求学生完成的课题教师必须先完成，同时创造条件，鼓励教师参加各类技能竞赛，以赛促练，以交流促进教师职业技能水平的提高。

在教学的过程中，我们需要做到的是，真正的实现课堂连接车间，体现职业价值。

教学内容是数控加工实训一体化项目的核心内容。根据国家高技能人才培养计划和中等职业学校专业教学计划等文件，结合学校现有实训条件，我们确定了数控编程与工艺、数控仿真、上机操作、CAD/CAM四个子项目。数控编程与工艺是数控车床实习的理论基础知识，为学生进一步学习和提高职业发展潜力提供理论知识保障，该子项目的教学贯穿于数控车床实训整个过程，由浅入深，并与数控仿真、上机操作子项目相结合；数控仿真是解决实习工位不足的重要手段，也是实习教学安排中进行缓冲调节，鼓励学生自我学习，使一体化教学顺利进行的重要保证；上机操作是保证学生具备职业能力的根本途径；CAD/CAM子项目是保证学生适应未来市场需要，可增加学生对新知识、新工艺、新方法的了解和掌握，提高学生对先进制造技术发展趋势的适应能力。

数控加工一体化实习训练，按中、高级职业资格考核要求，将实习阶段分为三期：（1）初期按课表授课。主要是入门任务，使学生逐步熟悉实习的各个子项目内容，为主动学习和自我学习打下必备知识基础。（2）中期授课内容适当灵活把握。当实训进行到一定阶段后，为体现以学生为本的思想，让所有学生都有实训工位，各取所需，调动学生学习的主观能动性，教学上逐步打破原有课表的约束，根据学生整体接受情况，对各子项目的授课时间进行灵活把握，使编程、仿真、上机操作等训练内容保持同步、相互协调。（3）实习后期授课内容更加灵活。教师授课主要以布置子项目中课题和检查、督促、辅导作为主要工作内容，学生根据个人的实际接受情况分别安排时间完成编程、仿真、上机操作、CAD/CAM等课题内容，充分体现以学生为主体的思想，使学生、教师和教学设备三者之间能做到有机互动，一方面增强学生的主动学习意识，学会安排时间、学会学习、学会解决问题、学会同学之间的协调合作，另一方面教师可以有更多时间对不同学生进行个别辅导，因材施教，让每个学生都有进步。

在整个的教学阶段中，我们在一个专业的仿真软件教室，完成理论知识的传授与补充、所有作业的初级训练；其次，每个学生在完成自己这个学习任务的同时，对所有的问题进行总结，结合自己的生活，个性化的创造设计一个任务。教师在这个阶段的过程中，通过讲述生活故事、讲授专业知识、播放影像资料、探讨交流等方式，完成对学生学习兴趣的培养，专业的基础知识介绍，软件的介绍、使用，协助学生完成学习任务。完成初级训练之后，需要及时进行学习任务的实践训练，将一个个线条状、虚幻的物件，在自己的努力跟老师的指导下，变成真实的有价值的产品或者是工艺品。学生在这个阶段中，根据每个学生的特点，3-4人分为一个小组，20人左右为一个班，在初级训练的基础上，对前面的知识进行巩固，创新，完成所有作业的训练。

由于在实习教学中，实习内容是以项目课程课题作为教学单元，各项目课程课题在实习的中后期教学中具有很强的综合性和很大的灵活性，教师有时间和精力在教学中考虑学生点和面的问题，充分体现因材施教原则。一方面，其中必然会出现学习进度快、成绩优异者，可以增加训练内容或增加训练难度，让学有余力的学生能学到更多更深的知识，同时，这些学生可对一般学生起示范和榜样作用，另一方面，对正常学习吃力的学生，教师可以个别辅导，或者将学生适当分组，采用学生之间以强带弱的方式来达到训练目标。

职业学校的课程改革和职业技能实训一体化教学是教学改革的大势所趋，是构建职业教育新课程体系的必由之路，是职业教育向社会输送高质量技能型人才的必然选择。数控加工一体化教学的构想和实践，为其他职业技能训练开展一体化教学积累了经验，也为数控加工技术专业的全面课程改革打下了基础。

参考文献：

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关键词：中职；数控；理实一体；企业需求；人才培养

中职专业技能的教学，既要为学生的职业发展提供必要的技能准备，又要为学生的个性发展提供良好的平台，为学生以后的长足发展服务。因此，单纯的技能教学已远不能满足社会的需求。职业规范、职业道德等无形的东西本身就渗透于常规技能教学中，再加之专业要求日趋复杂化，对学生的培养不能停留在传统的教学模式上。如果教师一味按部就班地进行理论加实践的教学，学生不但会故步自封，学习效果和接受能力大打折扣，而且在以后就业过程中也很难适应企业对于人才的需求。现在国家正在大力推进课程改革，这无疑是顺应时代的需求，以发展的眼光看待教学，对此我十分支持。

一、采用理实―体化教学新方法

中等职业学校的学生大多在经历了中考失利后，自信心不足，人生观、价值观模糊，对学习没有兴趣。大部分学生的认知特点是形象思维长于逻辑思维，实践学习长于理论学习，动手能力长于动脑能力。在此前提下，如果沿袭传统教学模式，势必很难实现“以服务为宗旨，以就业为导向，以能力为本位”的职业教育教学目标。

理实一体化教学是职业教育的一种新方法，该教学方法打破了不是理论课就是实践课的单纯模式，让学生边做边学，在学中做、在做中学，在做与学的过程中培养独立思考、单独解决问题的能力，实现车间就是课堂、课堂就在车间。教师在布置一个任务后，要求学生以学习小组为单位，小组成员共同完成任务。教师在布置任务时，根据学生学习掌握程度，适当放入关于相关学科的问题，学生在做任务的同时，不断地解决问题，在解决问题的同时，不断地掌握相关学科的知识。当学生在做任务的过程中遇到解决不了的问题时，教师负责授业解惑。如此学做并趋、理实共进，学习效果就显而易见。

当然，就现在中职办学条件而言，要想做到在校期间都实现理实一体化教学，那是不切实际的。而学生在校期间一味地进行理实一体化学习，那也无异于无本之木、无源之水。两厢而言，矛盾似乎就解决了。在专业学科当中的“机械制图…‘公差与配合”“数控机械基础”等理论性较强的课程，还可采用传统的课堂教学模式。这些知识作为专业的入门知识，让学生对自己所学的专业有了一定的了解，也为学生以后的学习打下了基础。而像“数控加工工艺”“数控编程与操作”等课程既有比较抽象的理论知识，又要求学生能操作数控机床，具备一定的加工能力。这样的课程就非常适合理实一体化教学。

理实一体化教学的具体实施为：首先教师将班级的学生按层次分为若干个小组。（视学校的实训机床分小组）然后给小组布置课题，教师先对课题进行工艺分析，然后提出加工要求，设定加工时间。教师给不同层次的小组布置不同的课题，然后由各小组独立完成。学生在完成课题过程中遇到问题时，先由小组讨论解决，解决不了的教师帮助解决。能保质保量完成任务的小组进入下一个难度增加的课题，不能完成的小组继续该层次课题，直到加工合格为止。当遇到比较共性的而学生又无法解决的问题的时候，指导老师集合全部学生，对该问题进行细解答，然后重回课题中。另外，对实训车间的布置也必须合理，车间边上需设有理论教室，教室里必须配备相应数量的计算机。这样既方便了理实学习的结合，增强了学习的机动性，又优化了资源配置，节省了学生往返教室与车间的时间。

二、坚持以企业需求为导向的教学

中等职业学校的任何一门学科的教学，最终都是为学生以后就业服务的。而传统的数控教学，往往都是形而上学，沿袭一套既定的教学方法，以考取技能等级证书为主要培养目标，练来练去都是那么几套图纸，对学生掌握技术缺乏机动性和灵活性。在这样的教学方法的指导下，很多学生到了工厂、企业工作后，很难适应企业的实际生产需求，又要重新学习企业的一整套加工流程和操作方法，从头再来，在时间和资源上都是一种浪费。

坚持以企业需求为导向的教学，就是要摒弃传统教学的弊端，扬长补短，使学校真正做到为企业服务，为社会输送人才。我认为可从以下几个方面人手：

（1）建立紧密的校企合作机制，打破常规的学校只为企业输送人才的合作模式，使学校与企业之间互动，企业不定时派技术骨干到学校进行教学指导，学校也派出教师到企业学习。这样学校与企业之间就搭建了桥梁，就可实现先进技术和工艺的共享。

（2）实施中期见习制度。学生在学校完成一定的课程之后，可以直接到企业的相关岗位顶岗实习。当然，中期见习只是一种适应性的见习，时间不宜过长，一般在15天到一个月为宜，一年可以组织一次，目的主要是让学生了解企业的生产实际，为今后的校内学习寻找方向，也为毕业以后就业打下一定的工作基础和心理基础。

（3）成立校企科技研发小组。一般企业里的技术工人往往缺少丰富的理论知识，而学校里的教师往往缺少实践经验。要解决这一矛盾，实现新技术新方法的突破，最有效的办法就是成立校企科研小组。科研小组由校方和企业各派数名骨干组成，也可安排几名学生参加，专门针对企业的生产实际中的技术难题进行技术攻关。在攻关中实现技术的提升和数控加工水平的突破，以点带面，促进整体教学水平的提升。

三、合理配置教师资源，强化专业教师之问的研讨

现今的中职学校，理论教学和实践教学一般都是分开的，这也造就了数控教师队伍有了理论教师和实训指导教师之分。而这一现状，造成了学生理论学习和实践学习的严重脱节。在教室里学到的理论知识到了车间大多数都派不上用场，或者学过的知识在实践操作时根本发挥不出来。而在学习实践操作中没有理论知识作为指导，就像盲人走路，举步维艰。

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论文摘要：随着虚拟现实技术的出现，城市规划建设发生了革命性的变化。而虚拟现实建模语言VRML正是相应其产生的，人们可以根据自己的丰富的想象力模拟构造出任意模型，从而实现城市规划的预见。当然，也可以从模型中发现缺点和不足，从而做进一步的改进和完善。本文正是基于这种技术和VRML开发工具实现了城市的仿真，能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可以从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，公众的参与也能真正得以实现。

本文研究的主要是虚拟现实技术在城市规划领域中的应用。意义在于针对现代城市建设的盛行，利用环境学、工程学、规划设计等的综合，将虚拟现实技术运用其中，实现对城市的仿真，更真实、鲜明、生动地展现城市面貌，便于对城市规划的可行性研究，有利于城市的规划，建设和完善。

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 绪 论

1.1 什么是虚拟现实技术

虚拟现实是计算机模拟的三维环境，是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，它通过人的视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的视景仿真。它是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。用户可以通过计算机进入这个环境并能操纵系统中的对象并与之交互。

虚拟现实不是真的，也不是现实，它只是一个在桌面上可实时地做交互式三维图形用户界面的工具。就像窗口系统及鼠标驱动用户界面一样，虚拟现实可使计算机的运用更加有效、透明。根据设计者的构想，用户可以沉浸到数据空间中，将用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的虚拟环境中，并且驾驭其中的数据，使人有一种身临其境的感觉。

虚拟现实是一门综合技术，它以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等，来生成一个逼真的三维视觉以及嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自身的功能和一些设备，对所产生的虚拟世界这一客体进行浏览和交互式考察[1]。

虚拟现实有三大特点：浸沉感、交互性和构想性。

浸沉感指的是人浸沉在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉；

交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受的内容；

构想性指虚拟的环境是人构想出来的，因而可以用以实现一定目标的用途。

1.2 虚拟现实技术的发展前景

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是近来计算机网络世界的热点之一，在社会生活的许多方面有着非常美好的发展前景，更是数字地球概念提出的依据和基础技术。

虚拟现实的应用领域十分广泛，主要在工程设计、计算机辅助设计（CAD）、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。 Web的出现更使虚拟现实技术引起人们普遍的关注。人们对它寄予厚望，希望利用这个技术使世界各地的人，可以在三维环境下交流。多个用户可以进行基于文本的或是声音技术的闲谈，在网上建立一个真正的三维社区已不再只是梦想中的事[2]。

虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。因为数字地球带给我们的是一个绚丽多彩的三维的世界!

我们相信社会的发展和技术的创新使这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将来，或许就在十年以后，或许二十年以后。

1.3 国内外虚拟现实技术的研究概况

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。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。

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。

在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension International，Division Ltd，Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要从事VR职产品销售）[3]。

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。 在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接[3]。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学计算机系已轻成功地虚拟出了人的高级行为定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的向步等。

还有其他一些大学在虚拟现实发面取得了骄人成绩，在这里就不再介绍了。总之，虽然我们和其他一些发达国家相比还存在差距，但我国的发展前景还是很光明的，需要大家的不懈努力。

1.4 本文研究的主要内容

本文主要是介绍了虚拟现实技术极其应用，及其相应的实现工具VRML语言。通过对城市的模拟设计，更深入的了解虚拟现实技术及掌握VRML语言的使用。

第一章主要讲了虚拟现实技术的基础知识、发展前景以及现今国内外的发展状况。以便让读者对虚拟现实技术有一定的了解。

第二章主要讲了虚拟现实技术的实现工具VRML语言的发展历史，虚拟现实与VRML的联系以及VRML的创作原理等，目的是使得读者可以很快掌握VRML。

第三章是系统的概要设计，主要讲了虚拟现实技术的应用和VRML的使用。通过介绍虚拟现实技术在城市规划领域的应用，物理建模技术以及城市模型的概要设计，使得读者对虚拟现实技术的了解更加深入和透彻。

第四章主要讲了系统的详细设计，主要是告诉读者怎样利用VRML语言实现模型的虚拟实现。通过本章的学习可以使读者的运用VRML语言的能力大大增强。

第五章主要讲了在系统的设计过程中遇到的问题及相应的解决方法。

第二章 VRML简介

2.1 VRML的发展历史

VRML使用场景图数据结构来建立3D实境，这种数据结构是以SCI开发的Open Inventer 3D工具包为基础的一种数据结构。VRML的场景图是一种代表所有3D世界静态特征的节点等级：几何关系、材质、纹理、几何转换、光线、视点以及嵌套结构。几乎所有的生产三维产品的厂商，无论是CAD、建模、动画、虚拟现实，还是VRML，它们的结构核心都是场景图。

1993年9月，Tong Parisi和Mark Pesce开发了第一个VRML浏览器，称为Labyrinth，它是WWW上三维浏览器的原形。

1994年春，在日内瓦第一届WWW大会上，由Tim Berners-Lee和Dave Raggett所组织的一个名为Bird_of_Feather (BOF)的小组提出了VRML这个名字，当时所代表的含义是Virtual Reality Makeup Language，但是后来为了反映三维世界的建立而改成了Virtual Reality Modeling Language，缩写为VRML。在这次大会以后，一个www-vrml mail list的组织成立了，Silicon Graphics，Inc(SGI)的Gavin Ball通过选择Open Inventor文件格式中的基本元素，增加必要的WWW特征，制定的方案经修订，在1994年第二次WWW大会上公布为VRML1.0的初稿。

另一位SGI的原Open Inventor设计师Paul Strauss开始作一个VRML公共域的词解程序，当时流行于业界的名字叫QvLib。这个程序的作用是把VRML的可读文件格式转换成浏览器可理解的格式。这个词解程序于1995年1月公开。它可以安装到各式各样的平台上，从此，各种浏览器私雨后春笋般兴盛起来[4]。

1996年8月在SGI的 Moving Worlds提案基础上形成VRML2.0。VRML2.0在VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。

VRML2.0的DIS就是以VRML2.0为基础制定的，于1997年4月提交国际标准化组织ISO JYCI/SC24委员会审议，依照惯例命名为VRML97。

1998年12月在原VRML组织的基础上成立了Web3D联盟，致力于VRML NG标准的制定，并致力于制定X3D网络三维标准。在X3D的旗帜下，VRML将结合Java3D和XML等技术，成为Internet上三维虚拟世界的主要标准。

2.2 VRML与虚拟现实技术

虚拟现实的英文名称为Virtual Reality，简称VR，即利用计算机的高科技手段构造出一个虚拟的世界，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实是一个在当今国际上倍受瞩目的课题。

当计算机技术尚未出现的时期，仿真只能在实物上进行，这一阶段的仿真称为模拟仿真。其特点是：由于仿真是在实物上进行，因而实时性强且精度较高，但是实施的难度和费用都较大。在计算机技术问世且被引入仿真领域的初期，仿真技术步入了半模拟半数字的阶段。这时系统中的一些部分由计算机代替，另一部分则由实物充当，所以，在一定程度上仍然保留着实时性仿真的特点[5]。

80年代后期，仿真在诸多方面都发生了重大的转变，仿真研究的对象已由连续转向离散事件系统。仿真已由重视实验转向重视建模与结果分析。计算机已成为一种重要的仿真工具。计算机仿真是一门利用计算机模拟真实系统进行科学实验的技术。

由于从强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合，仿真系统的交互性大大加强。就应用领域方面而言，仿真已从研究制造对象的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。这些转变明显地说明，计算机仿真已经进入了一个崭新的发展阶段，它的重要性与特殊功能已越来越突出。虚拟现实促进了仿真技术的发展。虚拟现实是采用计算机仿真技术生成的一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，置身于该环境中的人们可以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用，达到彼此融为一体的程度。近年来随着信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使得建立人机一体化的、分布的、多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，仿真因此形成一些新的发展方向，如可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等[5]。

2.3 VRML原理

1.VRML对三维虚拟世界的描述

VRML规定了3D应用中大多数常见的功能。

(1)建模能力，VRML定义了类型丰富的几何、编组、定位等节点，建模能力较强。

基本几何形体：Box、Sphere、Cone、Cylinder

构造几何形体：IndexLineSet、IndexFaceSet、Extrusion、PiontSet、ElevationGrid

造型编组、造型定位、旋转及缩放：Group、Transform

特殊造型：Billbord、Backgroud、Text

基本几何形体节点只能作十分有限的几种造型，用点、线、面索引节点及拉伸节点就可以构造任意复杂的实体形状。特殊造型节点可用于场景中的文字、背景颜色等设置。造型编组可以用来描述装配关系，其中Transform节点可以确定装配位置、方向。

(2)真实感及渲染能力，通过提供丰富的相关节点的渲染，可以很精细地实现光照、着色、纹理贴图、三维立体声源。

光照：HeadLight、SpotLight、PointLight、DirectionLight

材质着色：Material、Appearance、Color、ColorInterpolator

纹理：ImageTexture、MoviceTexture、PixelTexture、TextureTransform

雾：Fog

明暗控制说明：Normal、NormalInterpolator

三维声音：Sound

场景光照的设置直接影响观察者的视觉效果，这几种光照节点可以提供各种虚拟场景的光源。不同材质的物体色彩及反光效果不同，VRML的材质及着色节点的使用可以仿造如同真实物体给出的视觉效果。文理节点可以对实体表面粘贴图片或进行像素点的设置以使实体具有同实物一样的表面花纹。雾、明暗控制都对场景的光线反射有影响。声音节点可以在场景中模拟出实际空间可能产生的各种声响，如音乐、碰撞声等[6]。

(3)观察及交互手段，传感器类型丰富，可以感知用户交互。视点可以控制对三维世界的观察方式。

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

控制视点：ViewPoint、NavigationInfo

各种传感器节点可以感知用户鼠标的指针，TouchSensor节点在数控车床操作按纽功能的仿真中十分有用。视点控制可以预先提供给用户一些更好的观察角度。

(4)动画，VRML提供了方便的动画控制方式。

关键帧时间传感器：TimeSensor

线性插值器及姿态调整：CoordinateInterpolator、OrientationInterpolator、ScalarInterpolator

这两组节点的配合使用可以产生场景中的动画效果，关键帧时间传感器节点驱动线性插值器节点按时间顺序给出关键值插值，这些插值就是关键震动画时控制实置、状态所需要的中间过渡值。

(5)细节等级管理及碰撞检测：LOD、Collision

细节等级管理是对复杂实体的细节显示加以控制，使该实体可在视点外或远离视点时不显示或粗略显示。VRML自身提供的碰撞检测是指观察者在虚拟场景中的替身与实体的碰撞。

(6)超链接及嵌入：Anchor、Inline

这两个节点使VRML可以由一个虚拟场景直接链接到另一个场景，或者将另一个场景中的实体嵌入自己的场景中。

2.VRML的执行模式

通过使用VRML的Script节点编程、与Java间事件访问和建立场景图内部消息通道能够很方便的实现虚拟实体的交互和动画功能。VRML场景图可以接受两种事件驱动：从路由语句传过来的入事件及由外部程序接口写入的直接事件。路由语句说明由场景传出的每一条消息的传递路径，也就是从一个节点的出事件域传出的事件传递到一个节点的入事件域。场景中传感器节点通常定义了触发事件，它通过路由发送到场景图的其他节点的入事件域。如传感器节点的触发事件直接传递到插补器节点产生关键值插值，也可以传递Script节点进行运算处理产生关键值插值。Script节点的处理过程就是JavaScript语法编写脚本程序。Script节点还可以通过URL域引入Java程序到其他需要的节点，比如传送给实体改变它的位置、形状。由外部程序接口写入的直接事件不需要路由图传递，但其他执行过程都是一样的。如果需要外部程序的响应，它应该能够有读取节点出事件域数据的接口[7]。

2.4 VRML的创作工具

创作VRML可以用你喜欢的文本编辑器，如Windows95下的NotePad，DOS下Edit等。当然，最后要奖文件保存为以 .wrl为后缀的文件。对于复杂的三维造型，如果VRML语句逐句写出，那么其工作量是非常大的，有时也是无法完成的，幸运的是有很多大型的具有三维造型功能的软件都开发了VRML文件的输入输出，人们可以利用这些造型工具直观快速的创建一个三维空间，然后输出为 .wrl后缀的文件。这样对于复杂的三维造型VRML环境中显示就不成问题了。

推荐读者使用的VRML创作工具是VrmlPad，它是一种功能强大且简单好用VRML开发设计专业软件，其完全VRML97标准。VrmlPad可以对VRML文件进行浏览编辑，对资源文件进行有效的管理，并且提供了VRML文件的向导，可以帮助开发人员编写和开发自己的VRML虚拟现实作品[8]。

第三章 系统的设计

3.1 虚拟现实技术在城市规划领域的应用

3.1.1 概况

随着全球知识经济的兴起，信息产业正以前所未有的速度蓬勃发展，上至政府、军队，下到各企事业单位都开始重视信息技术的创新研究和长远发展，并已经或准备给予大量的投入。而作为信息技术发展重要驱动力的“虚拟现实”技术，也随之成为人们关注的热点之一。

由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。VR技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的[9]。

3.1.2 虚拟城市的有机组成

仿真的虚拟环境

类似于时下流行的三维动画，同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。但是VR技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统；而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，严格意义上来说属于一种演示作品。

多方式、运动中感受城市空间

在虚拟现实系统中，可以全方位，多种样式（步行、驱车、飞行、UFO等），完全由用户自由控制在场景中漫游。VR技术与传统的三维动画最根本的区别就是：传统动画的观察路径都是预先设定好的，用户只能按照事先设定的路径浏览场景；而VR技术可以由用户在三维场景中任意漫游，人机交互，甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。

实时多方案比较

运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，……所看即所得，只要修改系统中的参数即可，而不需要象传统三维动画那样，每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过VR技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比，并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户做出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。

三维空间信息交流

虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口与GIS信息相结合，即所谓的VR-GIS，从而可以在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。此外，虚拟现实系统还可以与网络信息相结合，实现三维空间的远程操作。

公众参与与方案展示

对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。

3.1.3 虚拟现实技术对城市规划的影响

1．城市规划管理

信息技术对城市规划管理的影响主要表现在办公自动化方面，目前的办公自动化方面，目前的办公自动化主要是提高城市规划管理部门内部的管理水平、质量和效率。随着社会的信息化，通过因特网可以建立城市规划管理部门与城市建设者之间的有效信息通信渠道，可以通过因特网实现网上报建，报建单位只要在本单位与因特网相连的计算机就可完成报建过程和提供所需的材料，规划审批可以在因特网上完成。

规划管理与规划设计更紧密的结合，实现管理与设计的一体化，审批的结果可以电子数据的形式迅速的反馈给设计部门，而设计部门可尽快地将设计结果以电子数据的形式提交给管理部门，这些信息的传输可以通过因特网来完成。

通过因特网可以进行规划评审，各地的专家可以在家里对规划成果进行评审，规划成果将利用虚拟现实技术展现专家所需的各种信息（如建筑物三维动态模型），通过网络会议交流意见，专家甚至可以实时与规划师交流，提出自己意见和设想，并可以较快地通过建立数字模型加以证实[10]。

2．城市规划设计

城市规划设计将更广泛应用CAD和GIS技术，而计算机图形输入技术的改进和智能化，五笔输入技术，使规划设计师进行设计更为方便，而不影响灵感产生。

设计过程中所需的数据将数字化，使其获取变得更加容易、更加方便，可以采用遥感图像直接作为背景进行设计，而各种地下管线的资料由于数据库的建立而更加方便的获得。现在比较难以得到的人口空间分布、交通流量等信息由于相应信息系统建立而能很方便地获得。

虚拟现实技术的发展与应用，使规划设计成果的三维动态建模更加方便，设计成果更加形象和直观。

在规划设计和规划审批中由于规划成果的数字化，使得对各种规划成果和方案的定量分析、模拟和预测成为可能，经济可行性分析也更为方便，促进规划决策的科学化。

通过因特网由分布在全球各地的规划设计专家共同合作完成设计也将成为可能，这样可以构建了一个不受规划师的空间分布制约的虚拟设计事务所。

3．公众参与

公众可以通过因特网动态了解规划设计方案和参与规划审批，而且规划方案与成果的表现形式由于采用虚拟现实技术和多媒体技术更为直观和形象，使公众能更好的理解规划师的意图，公众通过因特网发表个人的意见，与规划师、管理人员和其它有关人员进行直接对话，使公众参与更加有效，促进决策过程的民主化。

4．城市规划研究与教育

因特网构成了一个巨大的电子图书馆，各种城市规划研究成果将以电子出版物的形式出现，城市规划研究者将通过因特网查到各种城市规划资料，并可通过电子邮件、BBS（电子公告栏）及其它一些网络通信方式进行交流。

因特网同时也将成为一个庞大的远程教育网，城市规划专业的学生可以通过因特网利用多媒体技术学习城市规划的理论与知识。

在信息时代，电子游戏也将成为一个很好的教育手段，城市规划方面的游戏软件将出现，可以对规划设计与审批及城市建设过程进行模拟，使城市规划学习及城市规划的宣传与教育通过玩电子游戏的过程来完成。

总之，信息时代的到来，使人类构造了一个与现实世界相对应的虚拟的信息世界，人们将生活在由原子组成的现实空间和由比特（BIT）构成的信息空间(CyberSpace)中，现实空间与信息空间的物理界面（Interface）是由计算机及网络和数据库构成的信息基础设施，人们通过这一界面可跨越现实空间与一些时间的限制，了解现实世界的过去和现在，预测未来，进行思想交流。城市规划将在信息空间中构造城市发展的蓝图，并通过建设者在现实世界中实现。

3.2 物理建模技术

3.2.1 人工的几何建模方法

由构造VR的观点看，几何建模是构造VR的致命技术，它的限制可能妨碍VR的进展。VR研究将受益于共享的开放的建模环境，包括物理建模环境等。为了加深理解，需要回顾三维几何模型怎样获取。下面回顾几个VR工作所报告的模型获取过程。VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。在北卡大学漫游建筑的项目中，AutoCAD用于产生构成一座教堂几何模型的12000个多边形。讨论的一个问题是"由为其它目的写的CAD程序中取出要求的数据"。由AutoCAD产生的文件取出三维几何并不困难，但问题是并非所有要求的数据都以VR要求的形式提供。特别是没有提供有关建筑物实际物理的数据，用于实时漫游算法的划分信息，以后由手工或专用程序加入。

VPL Reality Built for Two (RB2) 系统使用Macintosh Ⅱ，作为固体建模的设计站，用IRIS工作站作为绘制/显示站。RB2是用于设计和实现实时VR的软件开发平台。在RB2下开发是快速的交互的，具有可实时编辑的属性约束和交互。RB2的几何建模功能利用了软件模块RB2 Swivel和数据流/实时动画控制台Body Electric。RB2在组织上有大量跟随者，他们没有足够的资源开发自己的VR。RB2是交钥匙系统，它的几何物理文件格式是专有的。

在NPSNET项目中，初始的三维插图集由SIMNET数据库得到。这些模型知道的武器系统的三维外表比SIMNET少得多。结果，研究者开发了保存这些三维模型的开放格式，把物理模型增加到格式中，并改写了系统，包含了面向对象的动画能力。例如，NPSNET研究组正在利用MultiGen CAD工具开发无物理的模型，这用于SGI基于Performer的NPSNET-4系统。有物理的CAD系统已开始开发，但还很贵，只是专用的。许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自动获取模型。自动获取复杂环境模型(如工厂环境)当前还不现实，但这是合适的课题。同时，自动或接近自动获取几何模型，现在在某些情况是现实的。部分自动的交互式获取在不久将是可行的。现在已有利用激光扫描建立实际物体三维外形的设备出售。

3.2.2 自动的几何建模方法

三维扫描仪（3 Dimensional Scanner）又称为三维数字化仪（3 Dimensional Digitizer）。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同。首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。第三，他输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。

1．三维信息获取技术

早期用于三维测量的是坐标测量机（CMM）。目前，CMM仍是工厂的标准立体测量装备。它将一个探针装在三自由度（或更多自由度）的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高。其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。

机械测量臂借用了坐标测量机的接触探针原理，把驱动伺服机构改为可精确定位的多关节随动式机械臂，由人牵引装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上的角度传感器的测量值，可以计算探针的三维坐标。因为人的牵引使其速度比坐标测量机快，而且结构简单，成本低，灵活性好。但不如光学扫描仪快。也没有彩色信息。FARO和Immersion公司提供这类产品。

借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。这是激光或超声波测距器。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为"飞点法"或"图像雷达"。不少公司开发了用于大尺度测距的产品（如用于战场和工地）。小尺度测距的困难在于信号和时间的精确测量。Leica和Acuity推出了采用激光或红外线的测距器。Senix公司推出了超声波测距器。它受遮挡的影响较小。但要求测量精度高，扫描速度慢，而且受到物体表面反射特性的影响。

基于计算机视觉原理提出了多种三维信息获取原理。这包括单目视觉法，立体视觉法，从轮廓恢复形状法，从运动恢复形状法，结构光法，编码光法等。其中的结构光法，编码光法成为目前多数三维扫描设备的基础。这些方法可以分为被动式和主动式两大类。被动式法的代表是立体视觉法。主动式法的代表是结构光法，编码光法。光学扫描的装置比较复杂，价格偏高，存在不可视区，也受到物体表面反射特性的影响[11]。

用于获得物体内腔尺寸的方法之一是工业CT。它以高能X射线对零件内部进行分层扫描。它的缺点是精度不高，价格昂贵，且存在放射性危害。

美国CGI公司生产的自动断层扫描仪（Automatic Cross Section Scanner， ACSS）可以克服这些缺点。但要求对被测物体进行破坏。

2．三维扫描系统的关键技术

在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。用电子扫描代替机械扫描是当前的趋势。各类传感器要求精度高，分辨率高，噪声小。

三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景等。原理确定后，还要注意实施方案，采用巧妙的技术策略，提升产品的性能。还要研究计算模型和误差模型，了解误差的原因，误差的传递，误差的校正和消除。往往还要包括数据的预处理和后处理技术。

色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定: 照明类型，物体表面的反射特性，眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。彩色是一种心理感觉。它与光源辐射能量的分布及观看者的视觉感受有关。目前的三维扫描仪一般得到的不是物体表面的材质和对入射光的反射特性，而是在某种照明条件下所呈现的色彩。

三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色彩。这些采样点的集合称为"点云"（Point Cloud）。必须用点，多边形，曲线，曲面等形式描述立体模型，即将"点云"构成"形"。同样的点集进行不同的连接，可能得到不同的三维模型。复杂表面的散乱点的构形是很困难的。还要将得到的三维模型显示出来，并对缺陷进行人工修改。还必须支持多种数据格式，将结果按指定的格式输出[12]。

定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。定标还可以校正装置的误差。对彩色扫描，还有色彩定标问题。

3.3 城市建模

本设计采用了人工几何建模方法建立城市模型的。这部分包括两部分，即总体建模和局部建模。

3.3.1 总体建模

总体建模初步构造了将要建立的城市模型的大体布局，包括主要的街道，建筑等，还有整体的天空地面的色彩。局部建模是在整体建模的基础之上对局部布景的详细设计，是个逐步细化的过程。

整体建模如下：用Background设置天空和地面的色彩。Background节点用于生成VRML的背景空间，背景采用了立方体空间的表现形式，在其外放置了一个地面球体，在地面球体之外是天空球体。立方体和球体在概念上都是无限大的，并包围着VRML世界，观察者可以看到立方体和球体的任意部分但永远不能接近它们。用Viewpoint节点定义了浏览者在虚拟环境中的游行方式。Viewpoint视点节点定义了处于局部坐标系中的一个指定位置，用户可以从该点来观察场景。在每一个新的观察点，浏览器获得的图象就像是使用一部虚拟的取景器在屏幕上播放一样。替身在虚拟空间中的移动，就使得取景器不断的调整起位置和朝向。在这里本人定义了aa视点，采用了飞行的非跳跃的漫游方式。为了是浏览者的感觉和现实世界一样，本人又在浏览者的头部安置了头灯，否则，展现在我们面前的将是一个个黑漆漆的模型。同时用WorldInfo定义了境界信息，在运行界面的标题栏可以看见该设计的名称，作者等等。WorldInfo节点用来声明一个空间的标题以及想提供的其他注解，它对VRML场景的创建并不产生影响。

运行效果如图3-1。

图3-1 背景图

上图只是一个非常非常粗略的框架，在此之上，用Transform节点创建了几栋楼房，有高有矮，和城市的比较接近，还有南北东西走向的街道。Transform节点是一个组节点。Transform节点包含一个子节点列表，这些子节点可以是Shape节点、Group节点或Transform节点。在Transform节点中的所有子节点将在Transform节点的坐标系原点处建立。该节点包括位置的确定、造型节点的旋转轴和方向、造型节点大小的缩放比例及缩放旋转轴，以及形体造型的构造等，它的功能比较强大，使用相对简单。Transform节点在放置场景中的对象并确定其方向时具有很大的灵活性。Transform节点也是一个形成VRML场景层次结构的基础节点。这里的楼房和街道就是用简单的形体造型节点Box构成的，只是在大小，位置，方向上做了相应的改变。为了是楼房看起来更逼真，又在上面嵌入了楼房的图片。

城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘，为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。这里也采用了城市规划的思想，哪里放置街道、哪里放置楼房等都需要缜密的考虑，要求布局合理，位置适当。

图3-2是设置后的运行效果。

图3-2 简单的楼房

很显然，城市里只有楼房和街道是不够的，一定要有树，那是反映一个称呼司绿化程度和建设特色的标志，而树则不是简单的立方体，但为了构造的简便，本人用圆柱体和球体来构造树，只要将球体在竖直方向上拉伸，在水平方向上压缩，然后将这个改造过的形体放在圆柱体上就形成了一棵树。当把树嵌入到城市模型中，景致就完全不一样了。这就是城市的整体构造。

在这里所用到的立方体Box、球体Sphere、圆柱体Cylinder都是简单形体造型节点，但是运用它们可以构造更复杂的对象，需要初学者灵活的掌握和运用它们。除了上面提到的简单造型节点之外还有圆锥体Cone。

图3-3是一棵树的造型。其实，它不仅仅是一棵树，更是一个希望，象征着人类对环境美好的憧憬和欣欣向荣景象的期待。

图3-3 树

图3-4 绿化的城市

图3-3-4是在嵌入了带有绿意的小树的城市的整体构造。虽然有点空旷，但是，地广人稀正是我们人类所向往的。现在世界人口的膨胀，土地资源的紧缺，已经上升到令人瞩目的日程。开拓一片沃土，合理利用土地资源是每一个建设者的最终目的和任务。而且我们也应该珍惜每一片土地。

3.3.2 局部建模

局部建模也称为细致建模，具体步骤如下。

一个城市只有楼房、街道和树是不够的，因此需要我们对粗略的城市进行细化。首先，先建立一个花坛，花坛也是有简单的造型构成的，包括立方体和球体，相互嵌套而成。花坛的颜色设置为浅绿色，错落有致。有树有花坛，当然也得有草了，所以，还要做一个草坪。为了不和花坛相冲突，草坪的颜色设置为深绿色，是一个大的扁平的立方体。街道上没有车也是不行的，但车的造型是比较复杂的，但是什么复杂的东西都可以简单化，本人用两个球体和两个圆柱体做成了一个小汽车。两个球体需要变形，而且上面的球体比下面的小。两个圆柱体作为车轮子，架在大的变形球体的下面，并在上面嵌入了车的图片，具体造型效果如图3-5。

图3-5 小车

草坪建好了，也要为其进行装饰，因此在上面放了凳子和一个供观赏的造型，凳子是由黄色的立方体做成的，供观赏的造型则是在浅灰色的圆锥体上架了一个球体，并在草坪的四角各放了一个半球。为了体现国民的保护环境意识，在草坪的边上有放置了一个圆柱形的垃圾箱。在此基础之上，为了体现虚拟现实世界的动感，草坪四角的半球及中间圆锥体上的球的颜色是自动变化的。颜色的不断变化是通过颜色插补器CorlorInterpolator和时间传感器TimeSensor来实现的。CorlorInterpolator节点是VRML提供的附加的插补器节点，利用它可以构造色彩的变化效果。CorlorInterpolator节点在它的key和keyValue域中使用一系列关键时刻值和色彩值。CorlorInterpolator节点通过在两个色彩值中内插，来计算一个中间的色彩值，此值被它value_changed域输出。TimeSensor节点可以像时钟一样标记时间的流逝，还附加有定时发送相关时刻信息的功能。同时它可以是一个定时开关，开始及结束一些过程。通常与插补器、传感器联合使用。TimeSensor节点能够作为任何组的子节点。

效果如图3-6和图3-7。从两副图中可以明显看出，除了图中的球体的颜色是不同的之外，其他的都是一样的。

图3-6 奇异的草地甲

图3-7 奇异的草地乙

虚拟现实，也就是模拟现实，使得呈现的景象和现实世界的一样逼真。在这了，本人将要设计的城市的四个游乐场所中的一个做了一点变化。那就是将里面的球体改成了立方体，这不是主要的，值得一提的是当替身与游乐场的距离在一定范围内时，中间的立方体会自动的旋转一定的角度。这种变化是如何实现的呢？其实很简单，这里使用了临近传感器ProximitySensor。临近传感器感知观察者进入并在一个空间的长方体区域中移动的时间。当观察者接近区域时，能使用这些传感器启动一个动画，当观察者离开时停止这个动画。ProximitySensor节点能够作为任何组的子节点。并且它可以感知观察者何时进入、退出和移动鱼当前坐标系内一个长方体区域。可以检测到观察点接近的信号，利用它可控制其他操作。

一个城市只有高楼没有平房也是不切实际的，本人又在城郊建立了几个平房区。每个平房也是由简单的几何造型节点Box构成的。而且，每个平房的门是可以用鼠标拉动一个角度的。房门转动是通过圆柱传感器CylinderSensor的实现的。CylinderSensor节点可以感知一个观察者的拖动动作，并且计算旋转轴和角度，且通过它的rotaion_changed域输出。将鼠标的动作转换成适于操作造型的输出。CylinderSensor节点可以是任何组节点的子节点，它可以感知观察者在组及子节点的任何造型上的动作。通过将传感器节点的输出路由到Transform节点来引起造型物体的旋转。平房区建完了，又在天边添加了几座山。山群是几个圆锥体组成的，只是远近和大小不同，颜色也做了调整，并在上面嵌入了山的图片。具体结果如图3-8。

图3-8 山与平房

一个城市没有人是不可能的，只是多少的问题。人的造型本人是用球体和立方体组成的，胳膊，腿，身体已经脖子是几个立方体，头部是一个球体，效果如图3-9。

图3-9 人

除了以上的各个造型外，在模型中还有一些电线杆，只是起到辅助的作用，也是为了使设计更加完美。

设计的最终结果如图3-10。

图3-10 美丽的城市

以上就是虚拟现实技术的应用，是基于VRML技术的，在整个设计和建模过程中，要求设计者有很好的逻辑构想思维方式，时刻以城市规划为理念，要从全局考虑，掌握逐步细化的能力。在这里要求大家要熟练掌握虚拟现实技术和VRML技术，理解城市规划的要领，能够灵活的运用VRML语言，达到举一反三的程度。

四章 系统的编码实现

本设计是以虚拟现实技术为基础，应用VRML语言实现的城市环境的模拟，下面是通过编码而得到的一个城市模拟视图图4-1。

图4-1 城市运行图

在这里的核心技术是VRML语言。在第二章已经对VRML语言做了简要的介绍，这里就不再赘述。

编码实现的过程实际上是如何应用VRML语言的建模过程，编码设计的核心也是VRML语言。在这里，对编码的实现过程作一下简要的介绍。在城市的模拟过程中，许多造型都是用简单的造型节点构造的，用到的简单造型节点有立方体Box，圆锥体Cone，球体Sphere和圆柱体Cylinder，尽管它们比较简单，但是它们是基础造型，不可缺少。下面，本人就从程序中取出一部分来阐述整个编码实现过程。

Background节点是用来设置天空和地面的色彩的，skyColor中包含一系列三元颜色值，用来设置变化的颜色。skyAngle中包含一系列角度值，用来设置颜色变化的角度。GroundColor和groundAngle的功能和作用同skyGround和skyAngle大同小异。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节点是用来设置平行光的照射方向的，其中的direction指定了一个三元值来设置方向，下面的例子中所设定的方向为光线沿着Y轴负方向照射。相当于光线是从顶部照射下来的。

DirectionalLight {

direction 0 -1 0

}

NavigationInfo节点是用来定义导航信息的，type域可以定义为飞行FLY，行走WALK等方式，speed域设置观察着在场景中畅游的速度，单位为米每秒。Headlight域指明是否浏览器要将观察者的头灯打开。头灯是一束指向用户正在观看方向的有向光。AvatarSize域指定一些距离参数，这些参数决定了在考虑碰撞检测和视点随地形起伏的用户可移动范围。该域的第一个只是碰撞被探测出以前用户的位置与一个碰撞几何体间允许的距离；第二个只是视点与地面间应保持的高度；第三个只是视点可以跨过得最高障碍物的高度。公共域avatarSize值描述了观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节点是一个组节点，该节点包括一个子节点的列表。这些子节点可以是Shape节点、其他Group节点或Transform节点。Translation用来指定造型的位置，children域是指定受该节点的变换影响的子节点。这个节点是整个程序设计中的基础节点，几乎每一个模型的建立都用到了Transform，因此，对Transform的灵活运用尤为重要。下面的例子使用Transform节点设置地面。

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节点是视点定义节点，定义了处于局部坐标系中的一个指定位置，用户可以从该点来观察场景。Position用来设置视点的位置，它是一个三元值，jump域决定了视点的类型，即跳跃型的和飞跳跃型的。Orientation域是一个四元值，前三个值指定了视点的旋转轴，第四个值说明了旋转角度的正负。Description域的值指定了一个用于描述视点的文本串。下面是一个关于视点aa的例子。

DEF aa Viewpoint {

position

25 5 70

jump FALSE

orientation 0 1 0 0.4

description "aa"

}

在VRML编程中，Group节点也是一个很重要的节点。Group节点提供了最简单的节点编组，可以包含任意数目的子节点，与一个没有转换域的Transform节点相当。该节点与Transform节点一样，也有一个children域。它用来收集节点和创建不需要实施变幻的层次结构。似乎有了Transform节点，Group节点并没有什么用处。但有时在对一个整体进行操作时，以Transform节点组织的整体相比Group节点组织的整体并不能显示出优势。如果在使用传感器或插补器节点时，祖作为一个整体，可以使用DEF来给它定义一个名称，并且在VRML文件中使用USE重复的引用。

一个组可以具有任意数目的成员，成为子节点。既可以是造型以可以是其他包含造型和组的足。包含子节点的组节点被称为父节点。因为组节点可以其他的组，一个组的父节点可能是一个更高一级组的子节点。高级组的父节点可以是一个更高级组的子节点。从此上溯直到最高级父节点，称为根节点。造型可以组织在一起来创建更大、更复杂的造型。由于Group节点和Transform节点很相似，在这里就不再举例子了。

以上介绍的几个节点是VRML语言的核心节点，整个程序的设计都是通过这些节点的不同设置和组合来实现的。除此之外，还有两个重要的工具，这就是节点名定义DEF及引用USE，这是VRML世界提供给我们的两个避免重复劳动的工具，节点命名是以关键字DEF加上所命名名称在一起，置于节点类型定义之前开完成的。这两个说明符可以放在任何允许节点的地方。USE语句并不是复制该节点，而是把该节点再次插入它所在的场景图。节点名只在本文范围内有效。

总之，系统的编码实现就是利用VRML中的基本造型节点对已经涉及好的模型进行的模拟实现过程。在这个过程中，需要设计者能够熟练的掌握和运用VRML语言，懂得融会变通，才能使预想创建的模型得以实现。

当然，VRML中还有很多更深一层次的部分，那需要有兴趣的读者继续学习和探索，笔者在这里就不再过多描述了。

第五章 系统的测试与分析

5.1 系统的测试

随着程序的逐步完成，系统的测试也开始了。系统的测试采用的单元测试法，即逐步测试的过程。将程序分成若干个程序模块，单独进行测试，观察结果，与预期结果进行对比。当发现问题是逐步解决。然后，再将小的模块渐进式的整合成几个较大的模块，重复上面的工作，最终形成整体的模块，构成城市的整体建模。

5.2 测试中遇到的问题

在测试中遇到问题是在所难免的，本人也遇到了一些问题。

问题一：在程序的编码过程中，无论定义的立方体的颜色是哪一种，颜色的显示总是在顶部，其余部分为暗黑色。

问题二：在程序的编码过程中，当对一个简单的形体造型节点进行纹理贴图时，运行提示，找不到贴图文件。也就是说，纹理贴图不成功。

问题三：在运行界面的标题栏添加境界信息时，为何只显示其中的一部分，其余的没有显示。

问题四：程序中的许多节点的位置是一层一层嵌套的，因此就涉及到了如何才能进行正确的定位，本人总是在这个方面大费周章。希望可以找到一个好的方法来解决这个问题。

问题五：程序中的许多ROUTE与语句的使用总是和预想的存在差距。

当然还有很多更有难度的问题，由于本人能力有限，没有进行深入的探究，希望有兴趣的人继续努力。

5.3 问题的解决方法

对于第一个问题，通过察看资料以及对其他程序的研究，本人认为，应该是光线的照射方向问题，只要将浏览者的头灯打开应该就行了，经验证结论成立。

对于第二个问题，本人经过细心研究，反复实验，终于找到了答案。由于不同的VRML浏览器对图片的识别也是不同的，有些浏览器只是别.jpg形式的图片文件，有些浏览器只是别.gif形式的图片文件，而有些是兼容的。因此，只要正确选择浏览器及其相应的图片格式，就可以实现贴图纹理了。也许还有其他原因，由于本人能力有限，只发现了这些。

对于第三个问题，经过本人的细心研究发现，有些VRML浏览器提供特殊菜单选项来显示虚拟空间的标题和注解，一些浏览器也把虚拟空间的标题定位于浏览器窗口的标题栏。可以在空间使用任意多的WorldInfo节点。但只有第一个WorldInfo会被浏览器显示。因此，在使用WorldInfo节点时只要针对不同的浏览器采用相应的准则就不会出错或不合心意了。

对于第四个问题，在VRML世界中，内层节点的定位可以说是独立于外层节点的。一旦外层节点定义好了，就可以只考虑内层节点了。当然，怎样才能找到正确的位置不是一件容易的事，它需要有好的空间立体思维能力和条理清晰的层次构想，也许需要多多练习，熟能生巧。

对于第五个问题，ROUTE的使用是一门技术，需要初学者多看一些相关的书籍和例子，掌握其中的要领和规律，还要多多练习。俗话说的好好记性不如烂笔头，它需要大家多多的练习。

以上这些只是笔者个人的一点见解，由于知识有限，能力有限，可能看法有些浅薄，希望有兴趣和爱好的读者给与建议和指正。

结论

“虚拟现实技术的应用---基于VRML技术的城市之旅”的设计与实现，充分体现了虚拟现实技术在城市规划建设中的作用，它能够减轻设计人员劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。而VRML在实现城市规划中更是起到了不可或缺的作用，它是一种编程工具，利用它可以实现任意模型的虚拟，虚拟现实技术的优势也才得以实现，使得城市的设计布局合理、美观，支出价有所值。

在该设计的过程中，本人充分体会到要想熟练地掌握运用VRML和虚拟现实技术，就必需扎实的学习VRML语言和虚拟现实技术的基础知识。随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术在各个领域都显示了其特殊的作用。时代的发展也使得我们掌握虚拟现实技术成为一种时尚的潮流。

设计的过程就是一个发现问题---解决问题---发现问题---解决问题的循环反复过程，但是它让学习的人逐步进步，就好像滚雪球一样，一点一点，越滚越大。通过“虚拟现实技术的应用-----基于VRML技术的城市之旅”的设计与实现，本人在VRML语言的运用以及对虚拟现实技术的发展方面有了很深的了解，受益匪浅。当然遇到很多尚未解决的问题，希望感兴趣的读者能够继续研究。

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