欧阳曙光 许 杰 王 志 付乐乐 杨 超

1.武汉科技大学 湖北武汉 430081 2.湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室 湖北武汉 430081

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[1]。

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)[2]。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]、人体器官修复与重建[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AVI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AVI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AVI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AVI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AVI文件的大小。AVI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

目前，多媒体技术一般应满足三大特性，即集成性、实时性和交互性，其中，交互性又是多媒体技术的灵魂[16]。Authorware对于二维图形图像、数字电影、动画以及声音等多媒体信息是直接支持的，但一直以来，有一点是人们渴望却很难做到的，即在多媒体展示时能够实现三维模型的实时交互。

那么，如何在Authorware中实现焦炉三维模型的交互呢？经调试，SketchUp建模输出的.skp文件，经过相应的转换，可以成为Authorware三维展示控件Cult 3D ActiveX Player可调用的文件[17]。主要流程如图6所示。

关键步骤如下：

(1)c3d文件的制作。此过程是在3DS MAX中完成的。在系统中安装了“Cult3D exporter for 3ds max R6，R7 and R8”插件的前提下，将.skp文件导入3DS MAX，经适当调整后以.c3d格式文件导出。

(2).co文件的制作。将上述.c3d格式的文件导入Cult 3D Designer软件中，并进行相应的三维交互设计，如平移、缩放、360°旋转等，最后输出.co格式的文件。

(3)Authorware中.co文件的调用。下载并安装Cult 3D Player组件，在Authorware中通过插入Active X的方法，调用Cult 3D Player组件，从而实现演示系统中对三维焦炉模型的引用。

3.2 演示系统综合设计

Authorware的功能虽然强大，但对于大型演示系统设计步骤繁多，所以在制作演示系统时需从宏观入手，设计出系统的框架。首先，需将演示系统分成几个相对独立的部分；然后，逐级深入[18]。本三维演示系统设计流程图，如图7所示：

本多媒体演示系统的制作主要包括以下几个步骤：

(1)整理多媒体素材：主要是将SketchUp中导出的三维模型图片、移动旋转动画、生长动画以及三维模型交互进行整理与分类。

(2)制作演示系统登录界面：为了更加方便地对该三维演示系统进行管理与维护，在进入系统前需进行身份验证，对于新用户需要注册后才可以登录使用。演示系统主界面如图8所示。(3)演示系统主体内容设计：包括焦炉各部分结构的文字资料、三维图片展示、移动旋转动画以及三维实时交互，主要是通过在程序流程线上添加显示图标、交互图标、等待图标、组图标、擦除图标以及计算图标等实现，最后将各种素材导入相应的图标即可。动画播放部分的计算图标其控制语句见表1。

表1 动画播放计算图标控制语句

(4)运行调试与打包发行：在实际的设计过程中，为了确保演示系统按照既定的效果运行，程序的运行与调试贯穿于整个制作过程。调试成功后的系统就可以打包发行，以生成可以脱离Authorware环境独立运行的.exe文件(如图9所示)。

4 结束语

通过SketchUp，3DS MAX，Cult 3D和Authorware多媒体技术的有机结合，该演示系统用大量的三维图像和动画生动形象地展示了焦炉各大组成部分的内部结构和基本工作原理。该演示系统不仅界面友好、性能稳定，而且具有很好的交互性和可维护性。将该演示系统用于教学，有助于提高教学效率和学生的学习积极性。该演示系统的制作方法也可用于开发其他复杂设备的结构演示系统。

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