VRML虚拟现实技术和3Ds Max在化学实验中的应用

【摘 要】VRML虚拟现实技术和3Ds Max三维建模技术是现如今三维建模中运用的主要工具。本文以化学中常见的喷泉实验为例，阐述在高校化学实验室虚拟建模中，如何运用VRML和3Ds Max综合完成场景的建模及最终动画的实现。实验证明，该方法简单有效，对提高高校整体的教学质量能够起到一定的辅助作用。

【关键词】VRML 3Ds Max虚拟建模 虚拟化学实验室 实验教学

虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）是一种描述Internet上交互式3D多媒体的标准文件格式，是HTML的3D演示[1]。许多学者把虚拟现实技术与多媒体技术、3Ds Max三维建模技术、AUTO CA技术综合一起完成实验的设计、建模及仿真[2]。本文选择使用3Ds MAX与VRML综合进行三维虚拟建模。

一、虚拟化学试验室中的建模工具、方法及步骤

（一）建模工具

1.VrmlPad；2.3Ds Max 7。

（二）建模方法

基于网络的虚拟化学试验室建模体系的核心内容主要包括两个部分：三维数字化建模和实验交互化数字仿真。在数字实验室建模方面，我们有两种方法来实现：

1.一是运用ParallelGraphics公司开发的VRML语言编辑器VrmlPad、VRML播放器Cortona4.0或可视化开发工具Internet Space Builder本身提供的建模功能，直接编写源程序，并最终生成虚拟三维模型。

2.二是以现实中的化学实验装备为原型，3Ds Max为建模工具，创建出实验所需的三维虚拟模型，然后将该模型以.wrl的VRML文件格式export导出。通过修改VRML文件中的源程序，微调整三维空间中场景，并增加各种传感器和路由节点，以实现三维空间造型的动画功能。

（三）建模步骤[3]

1.利用3Ds Max工具构造模型2.将场景从3Ds Max中以.wrl格式导出，对VRML源程序反复调试修改，包括对造型的外观材质、颜色、坐标、透明度的调整，使其符合用户的实际需求。3.设置场景的动画。4.对场景进行反复修改、预览、优化，直到最终满足用户需求。

二、案例分析

下面以我们熟悉的高中化学实验喷泉实验为例，来进一步阐述如何利用VRML和3D Max创建虚拟化学实验室。

（一）喷泉实验的反应原理

气体在液体中溶解度很大，在短时间内产生足够的压强差（负压），打开活塞后，大气压将烧杯内的液体压入烧瓶中，在尖嘴导管口形成喷泉。在本例中，我们选择使用氨气NH3作为反应气体，烧杯中盛放酚酞溶液。氨气的溶解度为1：700，打开活塞，氨气接触到烧杯中的液体后，圆底烧瓶里面的压强会急剧降低，与外界产生压强差，促使烧杯中的酚酞试液通过尖嘴导管进入到圆底烧瓶中，氨气遇酚酞试液会变成红色，最终我们将会看到红色的喷泉产生。

（二）利用3Ds Max实现虚拟化学反应场景

喷泉实验所需要的装备很多不能利用软件中提到的标准几何体绘图。我们需要用3Ds Max来进行绘画，微调，并最终导出为.wrl格式，利用VrmlPad编辑器修改它的颜色，透明度等。

（三）利用VRML对场景进行微调整

依据用户的实际需求，利用VRML对场景包括对造型的外观、颜色和材质等各方面的调整。下面以喷泉实验中的铁架为例，我们可以设置它的材质节点Material中的漫反色、光反射强度、镜面反色和造型表面的亮度，使它的外观成为金属材质的效果

（四）场景进行动画处理

化学实验，常常需要对装置启动动作操作，如点亮酒精灯或挤压活塞等，以保证反应的顺利进行。在VRML虚拟现实语言中，提供了各种类型的时间传感器（TimeSensor）、位置插补器（PositionInterpolator）和颜色插补器（ColorInterpolator），以控制装置的启动时间，移动路径以及颜色循环变换。

1.设计场景中造型运动动画

代码传递步骤如下：（1）定义时间传感器，设置循环时间周期；（2）对造型添加位置插补器，并设置路径坐标（包括开始坐标和终点坐标）；（3）点击造型节点，触发事件的发生，系统将动作传递给时间传感器；（4）时间传感器向造型节点输出时间事件；（5）位置插补器计算新的位置坐标，并将其传递给对应的造型，造型开始按输出的路径坐标移动。

2.设计场景中造型颜色变化动画

（1）定义时间传感器，设置循环时间周期；（2）对造型添加颜色插补器，并设置造型的颜色变化前后RGB值；（3）点击造型节点，触发事件的发生，时间传感器向颜色插补器输出时间事件；（4）颜色插补器输出颜色变化值给对应的造型节点，造型开始按输出的RGB值变换颜色。

3.设计喷泉动画

在VRML提供的各种节点语言中，没有专门针对喷泉等粒子系统设置专门的节点，在几何体创建中，我们选择粒子系统下的超级喷射，通过调整喷射的基本参数，添加重心牵引力，使其整体具备喷泉的基本动画效果，同时我们还可以设置喷泉颜色变化值，通过控制帧的播放时间、频率，使喷泉在发生的同时，随着化学反应的同时进行，喷泉颜色会逐渐发生变化。

三、结束语

3Ds Max软件的主要功能是为用户提供简单、快捷的三维实体画图工具，并进行实时渲染。但是3Ds Max对于动画的渲染能力很低，像素不高，不能给用户视觉上的冲击。VRML软件主要用程序语言来建模，语法简单，适合简单模型的建模，但对于大型复杂的场景，则显得繁琐无章。用VrmlPad编辑器调试显示的动画显示效果比3Ds Max预览动画显示的效果要好得多。由于3Ds Max提供VRML文件的接口，两个软件之间可以相互交互，优劣相补，共同实现复杂的动画场景。

参考文献：

[1] 韩芬， 荣辉， 张同庄. 基于VRML的教学演示系统[J]. 微型机与应用， 2002， 21（4）： 52-54.

[2]阎伟. 3DS MAX与AutoCAD结合进行三维技术建模及动画制作方法[J]. 淮海工学院学报， 2000， 9（2）： 27-30.

[3] 翟旭峰， 朱杰杰， 潘志庚. 3ds MAX建模及其在虚拟现实中的应用[J]. 计算机仿真， 2004， 21（4）： 94-97.

作者简介：

王琼瑶（1987―），女，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向：系统优化、决策与控制，数据挖掘；

何友全（1964―），男，重庆人，博士，教授，硕士生导师，主要从事信息处理、数据挖掘方面的研究；

基金项目：

重庆市高等教育教学改革研究项目（0634167）