基于VRML-JAVA的虛擬現(xiàn)實(shí)及其協(xié)同環(huán)境的開發(fā)_第1頁
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文檔簡介

1、.:.;基于VRML-JAVA 的虛擬現(xiàn)實(shí)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(xué)CIMS中心,南京虛擬現(xiàn)實(shí)&()*+, -.+,)/最初指運(yùn)用沉浸式技術(shù)在三維交互式可視化環(huán)境中提供真實(shí)體驗(yàn)。通常具有三個(gè)根本特征,即沉浸感.(,閱讀性+)和多感官的交互).(+)才干。由于這樣的系統(tǒng)造價(jià)高昂,操作復(fù)雜,尚無法在普通的任務(wù)環(huán)境中得到運(yùn)用。因此目前虛擬現(xiàn)實(shí)的含義有所拓寬,運(yùn)用半沉浸和非沉浸式技術(shù),經(jīng)過顯示器對三維物體進(jìn)展閱讀同樣可被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),從而在更大的范圍中普及和運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。各種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的中心通常都是帶有增強(qiáng)的功能和行為表現(xiàn)的三維計(jì)算機(jī)模型。&-&()*+, -.

2、+,)/ :., +*+.就是一種用于經(jīng)過;(,: ;:. ;.發(fā)布這種模型并允許用戶運(yùn)用帶有插件的普通閱讀器對三維物體進(jìn)展閱讀的國際規(guī)范。雖然它不具備沉浸感,但是由于其易于實(shí)現(xiàn)、適宜網(wǎng)絡(luò)傳輸,對建立基于;.的三維可視化交互式運(yùn)用提供了一種很好的處理方案。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高,作為;.技術(shù)主流的&-正日益拓寬其運(yùn)用領(lǐng)域。虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)中的一項(xiàng)重要運(yùn)用。傳統(tǒng)的裝配體設(shè)計(jì)采用自底向上的方式,需求將零件制造出來后進(jìn)展裝配,往往會呵斥裝配體各部件的干涉以及與設(shè)計(jì)目的不符等缺陷。如此反復(fù)導(dǎo)致設(shè)計(jì)本錢添加,開發(fā)周期延伸。虛擬裝配借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)展裝配仿真,

3、從而抑制傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)的缺陷。矯捷制造是為了應(yīng)對猛烈的市場競爭而提出的先進(jìn)制造方式,以多種方式實(shí)現(xiàn)競爭環(huán)境下的矯捷性,主要包括個(gè)性化需求滿足、快速反響性、低本錢、消費(fèi)系統(tǒng)的重組與資源的重用等。它強(qiáng)調(diào)各盟員企業(yè)之間的信息和資源共享。矯捷制造方式中的虛擬裝配有其本身特點(diǎn):企業(yè)聯(lián)盟動態(tài)構(gòu)成,各企業(yè)的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境不盡一樣,因此構(gòu)建的虛擬裝配系統(tǒng)需求不受軟硬件平臺和?環(huán)境的約束。同時(shí)出于設(shè)備造價(jià)和易操作性方面的思索,筆者提出建立?AA生成系統(tǒng),然后對其產(chǎn)生的裝配工藝在普通任務(wù)站上經(jīng)過開放式三維技術(shù)仿真裝配設(shè)計(jì)過程,以此作為虛擬裝配的一種簡化方式,將這種方式稱為可視化裝配。&-作為一種開放的國際規(guī)范,可以用

4、其構(gòu)建一個(gè)一致的三維交互式平臺,并可與同樣具有平臺無關(guān)性的B+言語相結(jié)合以滿足復(fù)雜運(yùn)用系統(tǒng)的需求。但&-作為一種通用基于!#$%&! 的虛擬現(xiàn)實(shí)及其協(xié)同環(huán)境的開發(fā)吳 波 周之平 張颯兵 吳介一東南大學(xué)?CD中心,南京!EFGHI+,:.)JKKLEG=$摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于制造業(yè)信息化有著重要意義。為建立開放技術(shù)規(guī)范之上的可視化裝配系統(tǒng),該文對基于&-IB&的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的運(yùn)用進(jìn)展了研討,提出一種新型的;.交互仿真構(gòu)造,復(fù)雜的運(yùn)算和仿真在效力器上進(jìn)展,從而實(shí)現(xiàn)效力器端裝配模型和客戶端顯示模型的分別。并在此根底之上提出協(xié)同環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)構(gòu)造。該模型不僅可用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可視化裝

5、配,也適宜于其他領(lǐng)域基于;.的科學(xué)可視化。關(guān)鍵詞&- B&裝配 可視化 協(xié)同;.文章編號E!IM=EI!#%IE=GI=文獻(xiàn)標(biāo)識碼中圖分類號NA=FE$F!#$%&! ()*+, !-./) +)-/ ), +.)/- *+ !-*)-)/-: ( ; ;-= ;)-= : &-+-?CD ?.).(,D*)O.+) P.()/,Q+R !EFG*/.)?/:&()*+, -.+,)/ ).O,/ .(/ K()+) ) ?K*).( C).(+).: +*S+)*( D/).$N :.,K )O.*+, +.,/ /). +.: K. ).O,/,)O. &-IB& *,+) /). S(

6、;. *+,T+) .U.*).: )O.,.) :. +: K,.U K*)+) +: *,+) )O. .(.( :.$NO*,)O. *+,T+) :., +: )O. +.,/:., +(. :)(*).:$V+.: )O ).O,/,)O. K+K.( ( S(W+(: + /). S*(+) S( K.(+)$NO+(O).)*(. ) ,/ + . *.: *+, +.,/ /). *) +, *)+,. S( *+,T+) )O.( (.+(O +(.+$+A.,*:&-,B&,.,/,&*+,T+),?K.(+),;.基金工程:江蘇省自然科學(xué)基金資助工程編號:VX!E!#作者

7、簡介:吳波EF%GI,男,碩士研討生,主要研討方向是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 和虛擬現(xiàn)實(shí)。周之平EF%GI,男,博士研討生,主要研討方向是計(jì)算!#$%計(jì)算機(jī)工程與運(yùn)用備智能,無法在各事件間建立復(fù)雜的聯(lián)絡(luò),為了擴(kuò)展&()的交互才干和處置才干需求程序文語的介入,&()規(guī)范本身沒有指定編程言語,但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,*+,+是最具魅力的言語,它和&()的結(jié)合顯得相當(dāng)自然,當(dāng)前的主流&()閱讀器也都對*+,+編程提供了支持。圖! &() 事件模型在&()中運(yùn)用*+,+有兩種方式,即經(jīng)過內(nèi)部-./節(jié)點(diǎn)和外部編程接口。內(nèi)部-./節(jié)點(diǎn)-./節(jié)點(diǎn)的)域可以包含一段*+,+-./程序或者是鏈接的一個(gè)*& .+。當(dāng):/;.)-時(shí)可以

8、將-./節(jié)點(diǎn)了解為事件通路上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn),它接納事件輸入對其處置后產(chǎn)惹事件輸出,這條事件通路仍由?指定。當(dāng):/;.=為?時(shí)程序可以獲得其他節(jié)點(diǎn)的援用,并直接對其域進(jìn)展賦值,而不用服從?指定的事件通路。!外部編程接口;/A+ =BC/AD A;/E+.;-./節(jié)點(diǎn)從&()場景內(nèi)部提供了與*+,+的銜接,而定義了與外部F?()頁面中的;通訊的接口。它的基本思想是將*+,+ +;與&()置于同一G;H頁面,在*+,+;中建立H/CI;/對象以標(biāo)識一個(gè)獨(dú)一的&()場景,并由此獲得對&()場景中已定義節(jié)點(diǎn)的援用,它經(jīng)過直接指定援用節(jié)點(diǎn)的域值而到達(dá)動態(tài)效果。這樣,*+,+ +;即可控制&()場景,也能進(jìn)

9、展與F?()等其他媒體的交互以及網(wǎng)絡(luò)控制,從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。作為&()規(guī)范的擴(kuò)展曾經(jīng)提交-,有望在未來正式成為國際規(guī)范的一部分??傊芏喙δ芗瓤山?jīng)過-./節(jié)點(diǎn)也可利用實(shí)現(xiàn),普通來說對于單一的&()事件實(shí)現(xiàn)交互及運(yùn)算功能可選擇內(nèi)部的-./,假設(shè)需集成多種媒體,并進(jìn)展復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制,那么更宜于運(yùn)用,自然其編程也要復(fù)雜一些。在該文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中需求進(jìn)展大量與效力器的通訊,同時(shí)有比較復(fù)雜的用戶界面控制,為此采用作為與&()的交互手段。$J 協(xié)同環(huán)境的實(shí)現(xiàn)A;/A;的開展使得協(xié)同任務(wù)技術(shù)的研討也開場轉(zhuǎn)移到了A;/A;上來?;贏;/A;的協(xié)同運(yùn)用研討同時(shí)也使協(xié)同環(huán)境得到了宏大的開展。目前在A

10、;/A;上的協(xié)同運(yùn)用由于遭到A;/A;本身及其運(yùn)用開發(fā)技術(shù)和工具的影響,使得在A;/A;上開發(fā)協(xié)同運(yùn)用并不能隨心所欲。特別是目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬限制使開發(fā)的協(xié)同環(huán)境無論是在場景的構(gòu)造上還是在協(xié)作者的交互方法上都有很大的缺乏。該文提出一種基于A;/A;虛擬現(xiàn)實(shí)交互的協(xié)同運(yùn)用結(jié)構(gòu)。它是利用&()來搭建A;/A;上的虛擬任務(wù)空間,作為協(xié)作者的交互空間。&()搭建的A;/A;上的虛擬現(xiàn)實(shí)場景可以運(yùn)用戶產(chǎn)生身臨其境的覺得,利用&()的感應(yīng)結(jié)點(diǎn)接受用戶的輸入信息以及相應(yīng)的反響,來添加虛擬場景的交互性,虛擬現(xiàn)實(shí)的場景是完全符合人們感知心思的一個(gè)交互環(huán)境。協(xié)作者的一切活動都發(fā)生在這個(gè)虛擬的空間中,就象人們現(xiàn)實(shí)中生活

11、、任務(wù)、學(xué)習(xí)一樣,總歸離不開周圍的環(huán)境。不論是協(xié)作者與運(yùn)用系統(tǒng)之間的交互還是協(xié)作者之間的交互都經(jīng)過虛擬空間來進(jìn)展,包括實(shí)時(shí)的和非實(shí)時(shí)的。虛擬空間在其中起著中間代理的作用,它接納用戶發(fā)出的一切音訊,并做必要的處置和反響。發(fā)生一次最簡單的義務(wù)事件的音訊流如下:圖K!協(xié)作者提出事務(wù)懇求;效力器接受的懇求;#效力器根據(jù)懇求內(nèi)容做分類處置;$提出的對效力器的懇求,效力器直接產(chǎn)生呼應(yīng)并反響給;提出的對協(xié)作者L的懇求由效力器傳送給L;%L呼應(yīng)的懇求,產(chǎn)生相應(yīng)動作;&L再將的呼應(yīng)結(jié)果傳送給效力器;最后由效力器傳回,完成一次事務(wù)。建立協(xié)同環(huán)境將有利于各地任務(wù)人員的信息交流,對設(shè)計(jì)帶來很大的方便,促進(jìn)設(shè)計(jì)效率的提

12、高。構(gòu)建分布式協(xié)同任務(wù)環(huán)境的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)調(diào)效力器,用以維護(hù)各個(gè)虛擬場景,并在同一個(gè)場景中的客戶端之間傳送需求共享的信息數(shù)據(jù)。圖# 系統(tǒng)流程圖用戶之間的交流可以經(jīng)過一些簡單的文本或是對話框來下轉(zhuǎn)!K頁KM建模言語,并不是專為工程運(yùn)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的,為了順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨?,其模型與&(模型相比,在準(zhǔn)確性和信息量方面要相差很多,因此它在制造業(yè)中的運(yùn)用遭到了一定限制。該文對基于)*+,的可視化裝配系統(tǒng)進(jìn)展了研討,提出一種裝配模型與顯示模型分別的功能構(gòu)造,即以-./. .為架構(gòu),裝配模型與顯示模型互為鏡像,裝配模型在效力器端進(jìn)展仿真運(yùn)算,而三維顯示模型下載到客戶端供用戶閱讀。這樣可以充分發(fā)揚(yáng))*+,模

13、型的三維顯示、閱讀功能,并經(jīng)過仿真模型擴(kuò)充系統(tǒng)功能。多用戶的)*+,虛擬空間協(xié)同系統(tǒng)能使異地的多個(gè)用戶同時(shí)參與裝配任務(wù),共同生成一個(gè))*+,虛擬空間,也可以使多個(gè)用戶及時(shí)地交流信息,使得設(shè)計(jì)裝配更加有效。系統(tǒng)構(gòu)造和關(guān)鍵技術(shù)$研討背景如何加強(qiáng))*+,的(閱讀、交互才干并將其運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,國內(nèi)外已進(jìn)展了一定的研討。+:; :和-.?:. A=?BCD設(shè)計(jì)的-E)E*系統(tǒng),采用基于FG的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下家具的虛擬裝配;密歇根大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開展了一系列關(guān)于)*+,在制造業(yè)中運(yùn)用的研討工程C!D,如船體運(yùn)動仿真,船體制造仿真,虛擬制造中的機(jī)器人模型等等;筆者對)*+,的模型特點(diǎn)、交互控制

14、進(jìn)展了研討,提出了一種新型的運(yùn)用構(gòu)造,并對其在矯捷制造環(huán)境下的虛擬裝配中的運(yùn)用進(jìn)展了探求。東南大學(xué)機(jī)械工程系先前開展的裝配&HH和虛擬裝配技術(shù)研討CD中,采用寄生于&(環(huán)境的虛擬裝配系統(tǒng)對裝配&HH系統(tǒng)生成的裝配工藝進(jìn)展可視化裝配驗(yàn)證。但由于不能脫離&(環(huán)境,對于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)展虛擬裝配驗(yàn)證和裝配順序動畫演示的發(fā)布帶來了一定的困難,異地的用戶必需具備一樣的&(環(huán)境才干對虛擬裝配的過程進(jìn)展再現(xiàn),而這一點(diǎn)對于矯捷制造環(huán)境下的企業(yè)來說通常不能保證。因此筆者思索采用)*+,和A等完全基于FG的平臺無關(guān)技術(shù),這樣可在不同的硬件環(huán)境和軟件平臺上實(shí)現(xiàn)對裝配工藝的可視化驗(yàn)證,并且其結(jié)果可供管理、銷售等人員參考

15、,而不僅僅限于工程技術(shù)人員,從而拓寬了信息共享的范圍。文獻(xiàn)C,!D中采用的方法對實(shí)現(xiàn)以上目的均有缺乏,對此在這篇論文中提出一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于)*+,的虛擬裝配系統(tǒng)構(gòu)造,并對其中的&(環(huán)境下信息的提取和模型建立、)*+,和A的交互、碰撞檢測的實(shí)現(xiàn)、基于動態(tài)模型的網(wǎng)上動畫演示等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展了研討。$! 系統(tǒng)構(gòu)造圖 系統(tǒng)功能框圖該文采用三層-./. .構(gòu)造,圖顯示了系統(tǒng)的功能框圖。&(客戶端和裝配客戶端分別提供基于閱讀器的零件信息維護(hù)和可視化裝配的用戶界面。運(yùn)用層提供IJ效力以及仿真運(yùn)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(guān)信息。客戶層的三維顯示與運(yùn)用層的仿真運(yùn)算分別,不僅是加強(qiáng))*+,功能

16、的有效途徑,也有利于中心運(yùn)算模塊的升級維護(hù),提高系統(tǒng)的順應(yīng)性和擴(kuò)展性。$ &( 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(guān)以及適于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦裕枨髮⒉煌蝿?wù)環(huán)境,不同&(軟件產(chǎn)生的零部件信息和裝配信息導(dǎo)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)*+,模型和用于效力器端裝配仿真的裝配模型。&(模型具有非常準(zhǔn)確的描畫,包括用于制造或運(yùn)算的尺寸描畫和資料數(shù)據(jù),其外表往往由節(jié)點(diǎn)描畫面的外形,并經(jīng)過面的拼接實(shí)現(xiàn)任不測形的幾何體外觀。當(dāng)&(模型轉(zhuǎn)換為)*+,模型之后,將會喪失準(zhǔn)確性和詳細(xì)的裝配特征從而不利于裝配時(shí)對其進(jìn)展準(zhǔn)確控制,為了加強(qiáng))*+,環(huán)境下的控制和仿真功能,筆者考慮在效力

17、器端建立一個(gè)與客戶端)*+,模型互為鏡像的模型,客戶端發(fā)出的碰撞檢測和準(zhǔn)確控制等指令經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器端進(jìn)展運(yùn)算并將結(jié)果傳回,然后由A JJL經(jīng)過EM控制)*+,模型的運(yùn)動以反響仿真結(jié)果。同時(shí)這樣的實(shí)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(dāng)對效力器端的中心功能庫進(jìn)展更新時(shí)也不用對客戶端進(jìn)展改動,具有很好的擴(kuò)展性和靈敏性。實(shí)現(xiàn)&(環(huán)境下的信息提取有以下幾種能夠的途徑:直接利用&(軟件的)*+,導(dǎo)出功能目前主流的&(軟件如H./E,/L; EB都支持)*+,格式的輸出,可以很方便地將其導(dǎo)入)*+,裝配環(huán)境,但由于無法了解其轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié),因此無法控制轉(zhuǎn)換精度也較難建立對應(yīng)的鏡像

18、模型,在功能的擴(kuò)展上限制較大。!經(jīng)過產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范PEHPEH作為國際規(guī)范得到了廣泛的支持,對&(軟件導(dǎo)出的PEH文件進(jìn)展解析并由此得到)*+,模型和裝配模型是一種可行的方法。文獻(xiàn)C#D對此進(jìn)展了研討。經(jīng)過&(軟件的HM經(jīng)過&(軟件提供的運(yùn)用編程接口HM是一種更為安全的做法,由程序供應(yīng)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準(zhǔn)確性。HP&公司的(;/? +/Q=JCRD采用了這種方式將&(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到它本人的公用數(shù)據(jù)格式,同樣也可以經(jīng)過這種方式建立)*+,模型。但它需求對不同&(軟件開發(fā)不同的接口,實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。$# )*+, 和 A 的結(jié)合)*+,的節(jié)點(diǎn)中定義了事件作為

19、節(jié)點(diǎn)對外的接口,分為代表輸入接口的事件輸入?M?和代表輸出接口的事件輸出?S=。事件模型可由圖!闡明。節(jié)點(diǎn)間的事件通路由關(guān)鍵字*SKPE指定,當(dāng)事件源有事件發(fā)生,就可以經(jīng)過事件通路使相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化,到達(dá)動態(tài)的效果。但僅僅經(jīng)過這種簡單的事件模型還不能使)*+,具%計(jì)算機(jī)工程與運(yùn)用!#$%上接&(頁進(jìn)展,可以在)*+* ,-./中設(shè)置接受對話框和發(fā)送對話框。為了防止多個(gè)用戶同時(shí)對同一物體進(jìn)展操作而引起沖突,可以采用分級權(quán)限的方法來實(shí)現(xiàn),當(dāng)一個(gè)用戶對某一個(gè)物件要進(jìn)展操作時(shí),首先要向效力器發(fā)出一個(gè)懇求,效力器首先檢查該物件能否被操作,假設(shè)沒有被操作,就前往該用戶“可以對這物件操作的呼應(yīng),同時(shí)鎖定其

20、他用戶對該物件操作的權(quán)限;假設(shè)該物件在操作,那么前往該用戶“請等待的呼應(yīng)。一個(gè)用戶只需在一個(gè)物件解鎖以后才干對另一個(gè)物件申請鎖定的懇求。! 運(yùn)用實(shí)例系統(tǒng)基于)*+*技術(shù)構(gòu)建,用戶界面采用組件,出于實(shí)現(xiàn)的簡單性和通用性思索,經(jīng)過,-./+./通訊實(shí)現(xiàn)客戶端和效力器之間的位置傳送和結(jié)果前往?;?;!$的碰撞檢測模塊用:)*+* *+/ :/?*/對其進(jìn)展調(diào)用。目前基于“堆疊思緒的裝配驗(yàn)證方式曾經(jīng)完成,ABC模型直接由GKLM C*M*L,)K N/M*O$,; G M/ IG.O IO/ I/J:AK*.,LL/PJ.Q G? RKK/ M NS,ASBTU$::FG/OL ABC VV G?M

21、/ ?GKM LQP-GLKP G DM/ +K*. /*.Q PGO/. .*K*/,F(xiàn)*O/JG W/P*Q,&VVV!:&X&V!$N/ .*KLF/$I/JN*L/O AK*. B/*.Q ;/L *O C*K?*K ,-.*GLTU$::&L :/*G*. SKGG?/ G GP-K/,-.*GL *O :?GP*G D/MG.GQ M/ C*P/ :OKL/L,M-:E E +.$KPM$/OK E J/ E F*-/L E GP-! E I/JN*L/OAB$MP!&$顧建鈞$矯捷制造環(huán)境下裝配 ,FF 和虛擬裝配技術(shù)研討T;U$南京:東南大學(xué)機(jī)械工程系,!#$YP *PHK,Y

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