基于VRML_JAVA的虛擬現(xiàn)實及其協(xié)同環(huán)境的開發(fā)_吳波(共20頁)

1、基于(jy)VRML-JAVA 的虛擬現(xiàn)實及其協(xié)同環(huán)境(hunjng)的開發(fā)吳 波 周之平 張颯兵 吳介一（東南大學CIMS中心(zhngxn)，南京210096）虛擬現(xiàn)實（&()*+, -.+,)/）最初指應用沉浸式技術在三維交互式可視化環(huán)境中提供真實體驗。通常具有三個基本特征，即沉浸感（00.(123），瀏覽性（3+45+)23）和多感官的交互（36).(+7)23）能力。由于這樣的系統(tǒng)造價高昂，操作復雜，尚無法在普通的工作環(huán)境中得到應用。因此目前虛擬現(xiàn)實的含義有所拓寬，使用半沉浸和非沉浸式技術，通過顯示器對三維物體進行瀏覽同樣可被稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，從而在更大的范圍中普及和應用虛擬現(xiàn)實技術

2、。各種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心通常都是帶有增強的功能和行為表現(xiàn)的三維計算機模型。&-89（&()*+, -.6+,)/ 82:.,35 9+35*+5.）就是一種用于通過;2(,: ;:. ;.發(fā)布這種模型并允許用戶使用帶有插件的普通瀏覽器對三維物體進行瀏覽的國際標準。雖然它不具備沉浸感，但是由于其易于實現(xiàn)、適合網(wǎng)絡傳輸，對建立基于;.的三維可視化交互式應用提供了一種很好的解決方案。隨著網(wǎng)絡帶寬和計算機硬件性能的不斷提高，作為;.技術主流的&-89正日益(ry)拓寬(tu kun)其應用領域。虛擬(xn)裝配是虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)中的一項重要應用。傳統(tǒng)的裝配體設計采用自底向上的方式，需要將零件制造出

3、來后進行裝配，往往會造成裝配體各部件的干涉以及與設計目標不符等缺陷。如此反復導致設計成本增加，開發(fā)周期延長。虛擬裝配借助虛擬現(xiàn)實技術可以在設計階段進行裝配仿真，從而克服傳統(tǒng)裝配設計的缺陷。敏捷制造是為了應對激烈的市場競爭而提出的先進制造模式，以多種形式實現(xiàn)競爭環(huán)境下的敏捷性，主要包括個性化需求滿足、快速反應性、低成本、生產(chǎn)系統(tǒng)的重組與資源的重用等。它強調(diào)各盟員企業(yè)之間的信息和資源共享。敏捷制造模式中的虛擬裝配有其自身特點：企業(yè)聯(lián)盟動態(tài)形成，各企業(yè)的設計開發(fā)環(huán)境不盡相同，因此構建的虛擬裝配系統(tǒng)需要不受軟硬件平臺和?環(huán)境的約束。同時出于設備造價和易操作性方面的考慮，筆者提出建立?AA生成系統(tǒng)，然后

4、對其產(chǎn)生的裝配工藝在普通工作站上通過開放式三維技術仿真裝配設計過程，以此作為虛擬裝配的一種簡化形式，將這種方式稱為可視化裝配。&-89作為一種開放的國際標準，可以用其構建一個統(tǒng)一的三維交互式平臺，并可與同樣具有平臺無關性的B+4+語言相結合以滿足復雜應用系統(tǒng)的需求。但&-89作為一種通用基于!#$%&! 的虛擬現(xiàn)實及其協(xié)同環(huán)境的開發(fā)吳 波 周之平 張颯兵 吳介一（東南大學?C8D中心，南京!EFG）HI0+,：437.3)JKKLEG=$720摘 要 虛擬現(xiàn)實技術對于制造業(yè)信息化有著重要意義。為建立開放技術標準之上的可視化裝配系統(tǒng)(xtng)，該文對基于&-89IB&的虛擬現(xiàn)實技術(jsh)在

5、工程設計領域的應用進行了研究，提出一種新型的;.交互仿真結構，復雜的運算和仿真在服務器上進行，從而實現(xiàn)服務器端裝配模型和客戶端顯示模型的分離。并在此基礎之上提出協(xié)同環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)結構。該模型不僅可用于網(wǎng)絡環(huán)境下的可視化裝配，也適合于其他領域基于;.的科學可視化。關鍵詞&-89 B&裝配 可視化 協(xié)同;.文章編號E!IM=EI（!#）%IE=GI=文獻標識碼中圖分類號NA=FE$F!#$%&! ()*+, !-./0)1 +)1-/2 )3, 4556+.)/-53-3 *+7812 !-*0)1-9)/-53:0 (5 ;50 ;-6-3= ;)8-3= :0 &-+2-（?C8D ?.3).

6、(，D2*)O.+1) P34.(1)/，Q+3R35 !EFG）8*/.)?/：&()*+, -.+,)/ ).7O32,25/ 1 4.(/ 0K2()+3) )2 ?20K*).( C3).5(+).: 8+3*S+7)*(35 D/1).0$N2 :.4.,2K )O.41*+, +11.0,/ 1/1).0 +1.: 23 2K.3 ).7O32,25/，)O. &-89IB& 10*,+)23 1/1).0 S2( ;. 41*+,T+)23 1 .U.7*).: 23 )O.7,.3) 1:. +3: 720K,.U 720K*)+)23 +3: 10*,+)23 23 )O.

7、1.(4.( 1:.$NO*1，)O. 41*+,T+)23 02:., +3: )O. +11.0,/02:., +(. :1)(*).:$V+1.: 23 )O1 ).7O32,25/，)O. K+K.( (351 S2(W+(: + 1/1).0 723S5*(+)23 S2( 722K.(+)23$NO1+(7O).7)*(. 32) 23,/ 7+3 . *1.: 3 41*+, +11.0,/ 1/1).0 *) +,12 1 1*)+,. S2( 41*+,T+)23 3 2)O.( (.1.+(7O +(.+$+2A5.,*：&-89，B&，11.0,/，&1*+,T+)23，

8、?22K.(+)23，;.基金(jjn)項目：江蘇省自然科學基金資助項目（編號：VX!E!#）作者簡介：吳波（EF%GI），男，碩士(shush)研究生，主要研究方向是計算機網(wǎng)絡 701 和虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)。周之平（EF%GI），男，博士研究生，主要研究方向是計算!#$%計算機工程與應用備智能，無法在各事件間建立復雜的聯(lián)系，為了擴展&()的交互能力和處理能力需要程序語言的介入，&()標準本身沒有指定編程語言，但在網(wǎng)絡環(huán)境下，*+,+是最具魅力的語言，它和&()的結合顯得相當自然，當前的主流&()瀏覽器也都對*+,+編程提供(tgng)了支持。圖! &() 事件(shjin)模型

9、在&()中使用(shyng)*+,+有兩種方式，即通過內(nèi)部-./012節(jié)點和外部編程接口（345）。（6）內(nèi)部-./012節(jié)點-./012節(jié)點的7)域可以包含一段*+,+-./012程序或者是鏈接的一個*4&4 .8+99。當:0/;.24)-3時可以將-./012節(jié)點理解為事件通路上的一個智能節(jié)點，它接收事件輸入對其處理后產(chǎn)生事件輸出，這條事件通路仍由7?3指定。當:0/;.2=21=2為?73時程序(chngx)可以獲得其他節(jié)點的引用，并直接對其域進行(jnxng)賦值，而不必遵從7?3指定的事件(shjin)通路。（!）外部編程接口（32;/A+8 4=2BC/0AD 5A2;/E+.;

10、）345-./012節(jié)點從&()場景內(nèi)部提供了與*+,+的連接，而345定義了與外部F?()頁面中的4118;2通信的接口。它的基本思想是將*+,+ +118;2與&()置于同一G;H頁面，在*+,+118;2中建立H/CI9;/對象以標識一個唯一的&()場景，并由此獲得對&()場景中已定義節(jié)點的引用，它通過直接指定引用節(jié)點的域值而達到動態(tài)效果。這樣，*+,+ +118;2即可控制&()場景(chng jng)，也能進行與F?()等其他媒體的交互(jioh)以及網(wǎng)絡控制，從而可以實現(xiàn)(shxin)復雜的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。345作為&()標準的擴充已經(jīng)提交5-，有望在將來正式成為國際標準的一部分?？?/p>

11、之，很多功能既可通過-./012節(jié)點也可利用345實現(xiàn)，一般來說對于單一的&()事件實現(xiàn)交互及運算功能可選擇內(nèi)部的-./012，若需集成多種媒體，并進行復雜網(wǎng)絡控制，則更宜于使用345，自然其編程也要復雜一些。在該文的系統(tǒng)實現(xiàn)中需要進行大量與服務器的通信，同時有比較復雜的用戶界面控制，為此采用345作為與&()的交互手段。6$J 協(xié)同環(huán)境的實現(xiàn)5A2;/A;2的發(fā)展使得協(xié)同工作技術的研究也開始轉移到了5A2;/A;2上來?；?A2;/A;2的協(xié)同應用研究同時也使協(xié)同環(huán)境得到了巨大的發(fā)展。目前在5A2;/A;2上的協(xié)同應用由于受到5A2;/A;2本身及其應用開發(fā)技術和工具的影響，使得在5A2;

12、/A;2上開發(fā)協(xié)同應用并不能隨心所欲。特別(tbi)是目前的網(wǎng)絡帶寬限制使開發(fā)的協(xié)同環(huán)境(hunjng)無論是在場景的構造上還是在協(xié)作者的交互方法(fngf)上都有很大的不足。該文提出一種基于5A2;/A;2虛擬現(xiàn)實交互的協(xié)同應用結構。它是利用&()來搭建5A2;/A;2上的虛擬工作空間，作為協(xié)作者的交互空間。&()搭建的5A2;/A;2上的虛擬現(xiàn)實場景可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，利用&()的感應結點接受用戶的輸入信息以及相應的反饋，來增加虛擬場景的交互性，虛擬現(xiàn)實的場景是完全符合人們感知心理的一個交互環(huán)境。協(xié)作者的所有活動都發(fā)生在這個虛擬的空間中，就象人們現(xiàn)實中生活、工作、學習一樣，總歸離

13、不開周圍的環(huán)境。不管是協(xié)作者與應用系統(tǒng)之間的交互還是協(xié)作者之間的交互都通過虛擬空間來進行，包括實時的和非實時的。虛擬空間在其中起著中間代理的作用，它接收用戶發(fā)出的所有消息，并做必要的處理和反饋。發(fā)生一次最簡單的任務事件的消息流如下：圖K!協(xié)作者4提出事務請求；服務器接受4的請求；#服務器根據(jù)請求內(nèi)容做分類處理；$4提出的對服務器的請求，服務器直接產(chǎn)生響應并反饋給4；4提出(t ch)的對協(xié)作者L的請求(qngqi)由服務器傳遞給L；%L響應(xingyng)4的請求，產(chǎn)生相應動作；&L再將4的響應結果傳遞給服務器；最后由服務器傳回4，完成一次事務。建立協(xié)同環(huán)境將有利于各地工作人員的信息交流，對

14、設計帶來很大的方便，促進設計效率的提高。構建分布式協(xié)同工作環(huán)境的關鍵在于實現(xiàn)一個協(xié)調(diào)服務器，用以維護各個虛擬場景，并在同一個場景中的客戶端之間傳遞需要共享的信息數(shù)據(jù)。圖# 系統(tǒng)流程圖用戶之間的交流可以通過一些簡單的文本或是對話框來（下轉!6K頁）6KM建模語言，并不是專為工程應用領域設計的，為了適應網(wǎng)絡傳輸?shù)男枰淠Ｐ团c&(模型相比，在精確性和信息量方面要相差很多，因此它在制造業(yè)中的應用受到了一定限制。該文對基于)*+,的可視化裝配系統(tǒng)進行了研究，提出一種裝配模型與顯示模型分離的功能結構，即以-./012. 3 42.52.為架構，裝配模型與顯示模型互為鏡像，裝配模型在服務器端進行仿真運算，

15、而三維顯示模型下載到客戶端供用戶瀏覽。這樣可以充分發(fā)揮)*+,模型的三維顯示(xinsh)、瀏覽功能，并通過仿真模型擴充系統(tǒng)(xtng)功能。多用戶的)*+,虛擬空間協(xié)同(xitng)系統(tǒng)能使異地的多個用戶同時參加裝配工作，共同生成一個)*+,虛擬空間，也可以使多個用戶及時地交流信息，使得設計裝配更加有效。6系統(tǒng)結構和關鍵技術6$6研究背景如何增強)*+,的7(瀏覽、交互能力并將其應用于工程設計領域，國內(nèi)外已進行了一定的研究。+89:;81 :和-2.?:8. A=?BC6D設計的-E)E*系統(tǒng)，采用基于F2G的技術實現(xiàn)了網(wǎng)絡環(huán)境下家具的虛擬裝配；密歇根大學的虛擬現(xiàn)實實驗室開展了一系列關于)*

16、+,在制造業(yè)中應用的研究項目C!D，如船體運動仿真，船體制造仿真，虛擬制造中的機器人模型等等；筆者對)*+,的模型特點、交互控制進行了研究，提出了一種新型的應用結構，并對其在敏捷制造環(huán)境下的虛擬裝配中的應用進行了探索。東南大學機械工程系先前開展的裝配&HH和虛擬裝配技術研究C7D中，采用寄生于&(環(huán)境(hunjng)的虛擬裝配(zhungpi)系統(tǒng)對裝配&HH系統(tǒng)生成的裝配工藝(gngy)進行可視化裝配驗證。但由于不能脫離&(環(huán)境，對于在網(wǎng)絡環(huán)境下進行虛擬裝配驗證和裝配順序動畫演示的發(fā)布帶來了一定的困難，異地的用戶必須具備相同的&(環(huán)境才能對虛擬裝配的過程進行再現(xiàn)，而這一點對于敏捷制造環(huán)境下的

17、企業(yè)來說通常不能保證。因此筆者考慮采用)*+,和A858等完全基于F2G的平臺無關技術，這樣可在不同的硬件環(huán)境和軟件平臺上實現(xiàn)對裝配工藝的可視化驗證，并且其結果可供管理、銷售等人員參考，而不僅僅限于工程技術人員，從而拓寬了信息共享的范圍。文獻C6，!D中采用的方法對實現(xiàn)以上目標均有不足，對此在這篇論文中提出一種網(wǎng)絡環(huán)境下基于)*+,的虛擬裝配系統(tǒng)結構，并對其中的&(環(huán)境下信息的提取和模型建立、)*+,和A858的交互、碰撞檢測的實現(xiàn)、基于動態(tài)模型的網(wǎng)上動畫演示等關鍵技術進行了研究。6$! 系統(tǒng)結構圖6 系統(tǒng)功能框圖該文采用三層-./012. 3 42.52.結構，圖6顯示(xinsh)了系統(tǒng)的

18、功能框圖(kungt)。&(客戶端和裝配(zhungpi)客戶端分別提供基于瀏覽器的零件信息維護和可視化裝配的用戶界面。應用層提供I99J服務以及仿真運算和數(shù)據(jù)庫操作。資源層的數(shù)據(jù)庫存儲零件模型和相關信息?？蛻魧拥娜S顯示與應用層的仿真運算分離，不僅是增強)*+,功能的有效途徑，也有利于核心運算模塊的升級維護，提高系統(tǒng)的適應性和擴展性。6$7 &( 環(huán)境下的信息提取以及模型的建立為使系統(tǒng)具備平臺無關以及適于網(wǎng)絡傳輸?shù)奶匦?，需要將不同工作環(huán)境，不同&(軟件產(chǎn)生的零部件信息和裝配信息導入為一種中性的格式，并由此產(chǎn)生用于客戶端三維顯示的)*+,模型和用于服務器端裝配仿真的裝配模型。&(模型具有非常精

19、確的描述，包括用于制造或運算的尺寸描述和材料數(shù)據(jù)，其表面往往由2429節(jié)點描述面的形狀，并通過面的拼接實現(xiàn)任意形狀的幾何體外觀。當&(模型轉換為)*+,模型(mxng)之后，將會丟失精確性和具體的裝配(zhungpi)特征從而不利于裝配時對其進行精確控制(kngzh)，為了增強)*+,環(huán)境下的控制和仿真功能，筆者考慮在服務器端建立一個與客戶端)*+,模型互為鏡像的模型，客戶端發(fā)出的碰撞檢測和精確控制等指令通過網(wǎng)絡傳到服務器端進行運算并將結果傳回，然后由A858 JJL29通過EM控制)*+,模型的運動以反應仿真結果。同時這樣的實現(xiàn)方式可以降低對客戶端軟硬件環(huán)境的要求，不須額外安裝定制的軟件，當

20、對服務器端的核心功能庫進行更新時也不用對客戶端進行改動，具有很好的擴展性和靈活性。實現(xiàn)&(環(huán)境下的信息提取有以下幾種可能的途徑：（6）直接利用&(軟件的)*+,導出功能目前主流的&(軟件如H./E，4/L; EB2都支持)*+,格式的輸出，可以很方便地將其導入)*+,裝配環(huán)境，但由于無法了解其轉換細節(jié)，因此無法控制轉換精度也較難建立對應的鏡像模型，在功能的擴充上限制較大。（!）通過(tnggu)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉換標準4PEH4PEH作為國際標準(u j bio zhn)得到了廣泛的支持，對&(軟件(run jin)導出的4PEH文件進行解析并由此得到)*+,模型和裝配模型是一種可行的辦法。文獻C

21、#D對此進行了研究。（7）通過&(軟件的HM通過&(軟件提供的應用編程接口（HM）是一種更為安全的做法，由程序供應商提供的編程接口可以保證在各版本之間的一致性以及信息的精確性。HP&公司的(;5;1;/? +/Q=JCRD采用了這種方式將&(數(shù)據(jù)轉換到它自己的專用數(shù)據(jù)格式，同樣也可以通過這種方式建立)*+,模型。但它需要對不同&(軟件開發(fā)不同的接口，實現(xiàn)起來較為復雜。6$# )*+, 和 A858 的結合)*+,的節(jié)點中定義了事件作為節(jié)點對外的接口，分為代表輸入接口的事件輸入（252?9M?）和代表輸出接口(ji ku)的事件輸出（252?9S=9）。事件(shjin)模型可由圖!說明(shu

22、mng)。節(jié)點間的事件通路由關鍵字*SKPE指定，當事件源有事件發(fā)生，就可以通過事件通路使相應的節(jié)點發(fā)生變化，達到動態(tài)的效果。但僅僅通過這種簡單的事件模型還不能使)*+,具67%計算機工程與應用!#$%（上接&(頁）進行，可以在)*+* ,-./0中設置接受對話框和發(fā)送對話框。為了避免多個用戶同時對同一物體進行操作而引起沖突，可以采用分級權限的辦法來實現(xiàn)，當一個用戶對某一個物件要進行操作時，首先要向服務器發(fā)出一個請求，服務器首先檢查該物件是否被操作，若沒有被操作，就返回該用戶“可以對這物件操作”的響應，同時鎖定其他用戶對該物件操作的權限；若該物件在操作，則返回該用戶“請等待”的響應。一個用戶只

23、有在一個物件解鎖以后才能對另一個物件申請鎖定的請求。! 應用實例系統(tǒng)基于)*+*技術構建，用戶界面采用12345組件，出于實現(xiàn)的簡單性和通用性考慮，通過,-./061/7+./0通信實現(xiàn)客戶端和服務器之間的位置傳遞和結果返回?；?89:;!$的碰撞檢測模塊用:（)*+* *03+/ :40/7?*/）對其進行(jnxng)調(diào)用。目前基于(jy)“堆疊”思路的裝配驗證方式已經(jīng)完成，ABC9模型直接由GKLM C*0M3*L，)K45 N/74M*7O$,; G4 0M/ IG7.O I3O/ I/J：A370K*.,LL/PJ.Q G? RK7430K7/ 230M NS,ASBTU$:4：F

24、7G/O345L ABC9 VV G?0M/ ?GK70M LQP-GL3KP G4 DM/ +370K*. 7/*.30Q PGO/.345 .*45K*5/，F(xiàn)*O/76JG74 W/7P*4Q，&VVV6!：&X&V!$N/3/7 .*KL6F/0/7$I/J6N*L/O A370K*. B/*.30Q 34 ;/L354 *4O C*4K?*0K76345 ,-.3*03G4LTU$:4：&L0 :40/74*03G4*. SK7GG4?/7/4/ G4 GP-K0/7,-.3*03G4L *4O :4?G7P*03G4 D/M4G.G5Q 34 0M/ C*7303P/ :4OKL0

25、73/L，M00-：E E 2226+7.$KP3M$/OK E J/3/7 E F*-/7L E GP-30! E I/JN*L/OAB$M0P!&6&$顧建鈞$敏捷(mnji)制造環(huán)境下裝配 ,FF 和虛擬裝配技術研究T;U$南京：東南大學(dxu)機械工程系，!#$Y3P *PHK5，Y3P Z/G45MG /0 *.$:40/74/06J*L/OG4K77/40 S4534/7345：,4 :40/7*03+/ ; 1QL0/P 230M C*7HK-TU$:4：F7G/O345L G? :S V(：,1CS &(0M GP-K0/7L 34 S4534/7345 G46?/7/4/：

26、;SDV( E 8 A, ;S NSBWS$, R*L0 *4O BGJKL0 W)Y :P-./P/40*03G4?G7 G.3L3G4 ;/0/03G4 G? G4+/ 8J/0L$M00-：E E 222$234$0K/$4. E L E00 E 534G E LG.3O E ，!6($*P/7G4$S4M*4345 W)Y：GP-K0345 P343PKP *4O -/4/07*03G4 O3L0*4/LJ/02/4 G4+/ -G.QM/O7*TU$:4：F7G :SSS :40 G4? G4 BGJG03L *4O,K0GP*03G4，&VV%：&!X&%求、功能、開發(fā)途徑和關鍵技

27、術等方面進行全面理解，完成對整個系統(tǒng)的分析、建模和構造。此外，B*03G4*.公司還針對整個軟件開發(fā)周期提供了一整套完整的解決方案。主要包括用于需求分析的B/_K3L30/F7G，用于變更管理的./*7K/L0，用于軟件配置管理的./*7*L/，用于生成(shn chn)軟件開發(fā)文檔的1G;,，用于軟件(run jin)調(diào)試的FK7/ 1/73/L，以及用于軟件(run jin)自動化測試的D/L0R*0G7Q。利用上述B*03G4*.公司所提供的多種工具，筆者按照統(tǒng)一軟件開發(fā)過程的思路，分析、設計并實現(xiàn)了基于通用微機的數(shù)字化雷達顯示系統(tǒng)，有效地完成了明確需求、細化分工、設計流程、分配資源、實施測試等開發(fā)過程。將軟件工程思想及,1S工具應用到數(shù)字化雷達顯示系統(tǒng)的設計開發(fā)中，有效縮短了研制時間，大大減少了重復性、盲目性的開發(fā)行為，提高了工作效率和對各種資源的利用率。需要注意的是，使用B*03G4*.公司提供的,1S工具時，發(fā)現(xiàn)它存在一些不足之處，例如，BGL/的代碼轉換工具，在管理A的W;:接口類時存在困難；1G;,所生成