CN105489102A - 一种三维交互式培训训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种三维交互式培训训练系统包括：三维模型数据库、出题模块、浏览模块、练习模块和考试模块；三维模型数据库存储三维模型数据；出题模块创建三维模型的零组件拆装任务，并记录三维模型拆装顺序，同时在创建任务过程中添加各工序必要的提示信息以及针对创建任务过程中正确与错误的操作，设置操作响应；浏览模块显示出题模块创建的任务的执行情况以及并从不同视角进行查看以及生成爆炸图和剖视图；考试模块从出题模块中调用任务，并进行任务完成；练习模块从出题模块中调用任务，进行练习。本发明能够帮助迅速掌握产品的拆卸和装配过程操作，显著地提高培训或训练效果。

Description

一种三维交互式培训训练系统

技术领域

本发明属于航天产品数字化设计与系统仿真领域，本发明涉及一种三维交互式培训训练系统。

背景技术

三维设计技术在产品设计阶段已经进行了广泛的应用，基于三维模型开展设计、虚拟装配、性能仿真、生产制作过程仿真等工作对于提升产品的质量具有重要的意义，三维模型已经成为了产品研制的输出结果和制造依据。

目前在产品的售后环节，对于三维模型的利用还不充分，多以二维图、文字、视频等的形式编制产品的使用说明书，存在着不够直观、不够生动的问题。为了使产品使用人员、维修人员、维护人员能够尽快熟悉产品的使用及维护保障等方面知识，仅通过文本图片等形式难以达到较好的效果。

发明内容

本发明的技术解决问题的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种面向服务保障的三维交互式培训训练系统，实现对三维模型产品的组成进行拆分或安装分析，并能够基于三维模型编制练习考试题目，帮助使用者快速熟悉产品的结构组成。

本发明的技术解决方案是：

一种三维交互式培训训练系统，包括三维模型数据库、出题模块、浏览模块、练习模块和考试模块；

三维模型数据库，存储三维模型数据，用于出题模块和浏览模块调用；

出题模块，创建三维模型的零组件拆装任务，并记录三维模型拆装顺序，用作练习或考试题目被练习模块和考试模块调用，同时在创建任务过程中添加各工序必要的提示信息以及针对创建任务过程中正确与错误的操作，设置操作响应，若正确继续创建下一步零组件拆装顺序，若错误则重新操作当前步骤；

浏览模块，用于显示出题模块创建的任务的执行情况以及调用三维数据库中的三维模型，并从不同视角进行查看以及生成爆炸图和剖视图；当练习模块和考试模块在执行出题模块创建的任务时，若三维模型零组件出现错误的操作，浏览模块，通过将正确零件高亮显示的方式来进行提示；

考试模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中；考试模块，根据调用的任务，完成拆装过程，若执行任务过程中，三维模型零组件位置操作错误，零组件将回到原位置进行重新操作；

练习模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中，同时练习模块调用出题模块创建任务过程中添加的各工序必要的提示信息；练习模块，在执行任务过程，若发生错误，提示信息会提示三维模型零组件正确的目标位置。

三维数据库中的三维模型采用三角面片形式，三维模型的表面根据三维模型的实际物体配置金属、复合材料表面材质。

出题模块的具体实现方式如下：

(1)出题模块，调用并打开三维模型数据库中存储的三维模型，；

(2)创建练习或考试任务；所述任务分为三维模型拆卸任务和装配任务；

(3)记录步骤(2)任务中三维模型的每一步拆装顺序；

若题目为三维模型的拆卸过程，则按照实际产品的拆卸过程，从培训训练系统的主视窗的产品模型上选择若干个零组件，拖放到零组件箱中，当模型拖拽到零组件箱中之后，出题模块记录被拆卸的零组件的原有装配位置；

若题目为产品的装配过程，则从零组件箱中选择作为基准的零组件，将其拖入到培训训练系统的主视窗中保存，然后按照安装工序要求，依次将其余零组件与基准组件进行安装，当各零组件接近安装位置时，会自动吸附到各自装配位置，完成安装。

步骤(3)中自动吸附到各自的装配位置的具体方式如下：

(3a)获取零组件目标装配位置包围盒和当前位置的包围盒；所述包围盒是一种体积大于零组件的遵循一定规则的简单几何体，用于近似代替零组件对象，即零组件的位置由包围盒来表示；

(3b)将两个包围盒的八个顶点投影到与屏幕视窗平齐的平面上，得到当前位置及零组件目标装配位置的包围盒顶点集投影的两个点集，同样通过包围盒算法得到两个点集在平面上的二维的包围盒；

(3c)计算二维包围盒的中心包围盒：取零组件当前位置和目标零组件装配位置二维包围盒的斜对角线的15/32处点和17/32处的点，将其作为中心包围盒上斜对角线的两个端点，得到中心包围盒；

(3d)计算两个中心包围盒的干涉关系，若零组件当前位置与目标装配位置的二维中心包围盒发生干涉，则将零组件的当前位置直接置为目标装配位置，实现零组件自动吸附功能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明一种面向服务保障的三维交互式培训训练系统，实现对三维模型产品的组成进行拆分或安装分析，并能够基于三维模型编制练习考试题目，帮助使用者快速熟悉产品的结构组成，掌握产品的拆卸和装配过程操作，能够显著地提高培训或训练效果。

(2)本发明通过出题模块，在三维模型浏览的基础上增加了交互功能，使得使用者能够分步骤对三维模型进行交互操作，实现对实际产品拆卸过程和装配过程模拟，大幅度提高培训和训练的效率。

(3)本发明通过自动吸附功能，大大简化了产品三维模型装配时的操作，降低了操作难度，能够使使用者集中精力学习产品的结构组成和拆装步骤，而且本发明的自动吸附功能能够保证零组件安装准确，不受操作者主管因素影响。

附图说明

图1为本发明的系统组成图；

图2为本发明的中心包围盒干涉原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。

如图1所示，一种三维交互式培训训练系统包括：三维模型数据库、出题模块、浏览模块、练习模块和考试模块；

三维模型数据库，存储三维模型数据，用于出题模块和浏览模块调用；为了满足视觉的真实感和快速显示，三维数据库中的三维模型采用三角面片形式，三维模型的表面根据三维模型的实际物体配置金属、复合材料表面材质；

出题模块，创建三维模型的零组件拆装任务，并记录三维模型拆装顺序，用作练习或考试题目被练习模块和考试模块调用，同时在创建任务过程中添加各工序必要的提示信息以及针对创建任务过程中正确与错误的操作，设置操作响应，若正确继续创建下一步零组件拆装顺序，若错误则重新操作当前步骤；

出题模块具体实现方式如下：

(1)出题模块，调用并打开三维模型数据库中存储的三维模型；

(2)创建练习或考试任务；所述任务分为三维模型拆卸任务和装配任务；

(3)记录步骤(2)任务中三维模型的每一步拆装顺序；

若题目为三维模型的拆卸过程，则按照实际产品的拆卸过程，从培训训练系统的主视窗的产品模型上选择若干个零组件，拖放到零组件箱中，当模型拖拽到零组件箱中之后，出题模块记录被拆卸的零组件的原有装配位置；

若题目为产品的装配过程，则从零组件箱中选择作为基准的零组件，将其拖入到培训训练系统的主视窗中保存，然后按照安装工序要求，依次将其余零组件与基准组件进行安装，当各零组件接近安装位置时，会自动吸附到各自装配位置，完成安装；

自动吸附到各自的装配位置的具体方式如下：

(3a)获取零组件目标装配位置包围盒(装配完成后所在位置)和当前位置的包围盒；所述包围盒是一种体积大于零组件的遵循一定规则的简单几何体，用于近似代替零组件对象，即零组件的位置由包围盒来表示；包围盒主要用于确定目标几何体在空间的大致位置和外形大小；常用的包围盒有轴向包围盒(AlignedAxisBoundingBox，AABB)和方向包围盒(OrientedBoundingBox，OBB)等，如图2所示；

(3b)将两个包围盒的八个顶点投影到与屏幕视窗平齐的平面上，得到当前位置及零组件目标装配位置的包围盒顶点集投影的两个点集，同样通过包围盒算法得到两个点集在平面上的二维的包围盒；为了提高考试系统吸附的灵敏性，又不至于使考试过于简单，同时考虑到视窗的缩放功能和零组件的大小的差异。本系统取包围盒的二维中心包围盒来进一步进行计算；

(3c)计算二维包围盒的中心包围盒：取零组件当前位置和目标零组件装配位置二维包围盒的斜对角线的15/32处点和17/32处的点，将其作为中心包围盒上斜对角线的两个端点，得到中心包围盒；经实验验证，当中心包围盒的最小点为原包围盒的15/32处点，最大点为原包围盒的17/32处点时(最大点与最小点为二维中心包围盒的对角线的顶点)，自动吸附功能易操作且不影响考试难度；

(3d)计算两个中心包围盒的干涉关系，若零组件当前位置与目标装配位置的二维中心包围盒发生干涉，则将零组件的当前位置直接置为目标装配位置，实现零组件自动吸附功能；

浏览模块，用于显示出题模块创建的任务的执行情况以及调用三维数据库中的三维模型，并从不同视角进行查看以及生成爆炸图和剖视图；当练习模块和考试模块在执行出题模块创建的任务时，若三维模型零组件出现错误的操作，浏览模块，通过将正确零件高亮显示的方式来进行提示；

考试模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中；考试模块，根据调用的任务，完成拆装过程，若执行任务过程中，三维模型零组件位置操作错误，零组件将回到原位置进行重新操作；拆卸任务或装配操作执行完毕，考试模块拆装错误率及错误次数计算考试得分：拆装错误率的计算是按照错误的操作步骤除以总的操作步骤的得出，计算方式为：(1-拆装错误率)X100％；

练习模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中，同时练习模块调用出题模块创建任务过程中添加的各工序必要的提示信息；练习模块，在执行任务过程，若发生错误，提示信息会提示三维模型零组件正确的目标位置，练习模块执行操作时，零组件采用高亮方式显示，零组件目标位置高亮显示零件的包围盒。例如本发明中的练习模块在某一实施例中的具体实现方式如下：

对于三维模型的拆卸练习：用户按任务步骤要求从本发明培训训练系统所实现软件的主视窗中选取正确的零组件，选中后该零组件高亮显示，按住鼠标左键不放将零组件拖入右侧面板的零组件箱，松开鼠标在零组件箱中显示该零组件。如果做出了错误的选择，则该零组件会自动回到主视窗中的原位置，并同时给出错误操作时的响应，直到用户正确的完成该步骤，。

对于模型的安装练习：用户按照任务步骤的要求，从零组件箱中选择正确的零组件。按住鼠标左键，将该零组件拖入到视窗中，系统应用自动吸附算法计算，当零组件被拖动到目标装配位置附近后，则自动吸附，如果用户松开鼠标左键后，零组件不在目标装配位置附近，则会自动返回零组件箱中，并同时做出错误操作时的响应，直到用户正确的完成该步骤。同样如果用户选择的不是当前步骤需要安装的零组件，则送开鼠标左键后，零组件会自动返回零组件箱中，并同时做出错误操作时的响应，直到用户正确的完成该步骤。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种三维交互式培训训练系统，其特征在于包括：三维模型数据库、出题模块、浏览模块、练习模块和考试模块；

三维模型数据库，存储三维模型数据，用于出题模块和浏览模块调用；

出题模块，创建三维模型的零组件拆装任务，并记录三维模型拆装顺序，用作练习或考试题目被练习模块和考试模块调用，同时在创建任务过程中添加各工序必要的提示信息以及针对创建任务过程中正确与错误的操作，设置操作响应，若正确继续创建下一步零组件拆装顺序，若错误则重新操作当前步骤；

浏览模块，用于显示出题模块创建的任务的执行情况以及调用三维数据库中的三维模型，并从不同视角进行查看以及生成爆炸图和剖视图；当练习模块和考试模块在执行出题模块创建的任务时，若三维模型零组件出现错误的操作，浏览模块，通过将正确零件高亮显示的方式来进行提示；

考试模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中；考试模块，根据调用的任务，完成拆装过程，若执行任务过程中，三维模型零组件位置操作错误，零组件将回到原位置进行重新操作；拆卸任务或装配操作执行完毕，考试模块拆装错误率及错误次数计算考试得分：拆装错误率的计算是按照错误的操作步骤除以总的操作步骤的得出，计算方式为：(1-拆装错误率)X100％；

练习模块，从出题模块中调用任务，并将解析后的任务信息显示在任务列表中，同时练习模块调用出题模块创建任务过程中添加的各工序必要的提示信息；练习模块，在执行任务过程，若发生错误，提示信息会提示三维模型零组件正确的目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种三维交互式培训训练系统，其特征在于：三维数据库中的三维模型采用三角面片形式，三维模型的表面根据三维模型的实际物体配置金属、复合材料表面材质。

3.根据权利要求1所述的一种三维交互式培训训练系统，其特征在于：所述出题模块的具体实现方式如下：

(1)出题模块，调用并打开三维模型数据库中存储的三维模型，；

(2)创建练习或考试任务；所述任务分为三维模型拆卸任务和装配任务；

(3)记录步骤(2)任务中三维模型的每一步拆装顺序；

若题目为三维模型的拆卸过程，则按照实际产品的拆卸过程，从培训训练系统的主视窗的产品模型上选择若干个零组件，拖放到零组件箱中，当模型拖拽到零组件箱中之后，出题模块记录被拆卸的零组件的原有装配位置；

若题目为产品的装配过程，则从零组件箱中选择作为基准的零组件，将其拖入到培训训练系统的主视窗中保存，然后按照安装工序要求，依次将其余零组件与基准组件进行安装，当各零组件接近安装位置时，会自动吸附到各自装配位置，完成安装。

4.根据权利要求3所述的一种三维交互式培训训练系统，其特征在于：所述步骤(3)中自动吸附到各自的装配位置的具体方式如下：

(3a)获取零组件目标装配位置包围盒和当前位置的包围盒；所述包围盒是一种体积大于零组件的遵循一定规则的简单几何体，用于近似代替零组件对象，即零组件的位置由包围盒来表示；

(3b)将两个包围盒的八个顶点投影到与屏幕视窗平齐的平面上，得到当前位置及零组件目标装配位置的包围盒顶点集投影的两个点集，同样通过包围盒算法得到两个点集在平面上的二维的包围盒；

(3c)计算二维包围盒的中心包围盒：取零组件当前位置和目标零组件装配位置二维包围盒的斜对角线的15/32处点和17/32处的点，将其作为中心包围盒上斜对角线的两个端点，得到中心包围盒；

(3d)计算两个中心包围盒的干涉关系，若零组件当前位置与目标装配位置的二维中心包围盒发生干涉，则将零组件的当前位置直接置为目标装配位置，实现零组件自动吸附功能。