（机械制造及其自动化专业论文）基于智能可视定制平台cvidraw的常用机构仿真动画的研究.pdf

基于智能可视定制平台c d r a w 的常用机构 仿真动画的研究 摘要 本论文结合校基金项目“基于) ( m l 的工业控制的w e b 发布研究”及广东省 自然科学基金项目“支持机械c a d 应用交互生成的可视定制对象方法”，以 c v i d r a w 软件平台、s v g 和j a v a s c r i p t 为基础，重点研究在c v i d r a w 平台上脚 本编辑器实现原理及支持s v g 的运动学仿真的生成技术。 本文绪论部分介绍了c v i d r a w 平台的产生背景、功能特点及应用前景，接 着介绍了计算机动画相关技术、下一代w e b 矢量图像标准s v g 。并详细介绍 c v i d r a w 平台内嵌的s v g 脚本编辑器的原理及实现技术，该脚本编辑器的实现， 为c v i d r a w 平台实现仿真运动学动画提供了编码平台。在深入研究s v g 脚本动 画的基础上，着重研究如何在c v i d r a w 平台上实现比较灵活复杂的运动学仿真。 包括用s v g 图形元素描述常用机构图形对象，通过脚本直接对s v gd o m 访问， 以便控制s v g 对象的各种属性，使对象按照预定的运动规律运动，以及为s v g 对象添加事件属性，来得到仿真过程的交互效果。该论文的研究，对拓展c v i d r a w 平台的应用空间、推广s v g 的应用具有一定的意义。 论文最后通过曲柄摇杆机构的实例代码例证了实现常用机构仿真及交互的 可行性。 关键词：c v i d r a w s v g d o m 脚本动画 t h er e s e a r c ho ns i m u l a t e da n i m a t i o no f u s u a lm a c h i n e b a s e do nc v i d r a w s o f t w a a b s t r a c t t h i sp a p e ra s s o c i a t e s 埘t 1 1af i l n di t e mo fh e f e iu n i v e r s 畸o f 1 t e c h n 0 1 0 妤“t 1 1 e r e s e a r c ho fw e bp u b l i s l l i n g b 8 s c do nx m l ， 肌dw i 也a 蹦o f g u a i l gd o n g p r o v i n c e “t l ev i s 喇c l i s t o m i z e do b j e c t 趿dm e m o d o fa l t c m a t i v eg e n e r a t i o nw h j c h s u p p o r t sm e c h n i c a lc a d8 p p l i c a t i o n a n di t 础le s p e c i a l l yd i g a u s s 也ep r i n c i p l e a n dr e a l i z a t i o no fs c r i p t 遍ge d i t o ra n d 出eg e n 啪t i o nt e c l l n o l o g yo fk i n e m a t i e s a n i m a t i o nb 够e d 叫s v g t h ei n 仃o d u c 廿o n p a r t s 啪m a r i z e st l l e o r i g i n a l ，n m c t i o l l a l c h a r a c t e 卜 r i s t i c s ，a p p i i c a d o np r o s p e c t0 fc v i d r a ws o 矗w a r e t h es e c o n dp a r ti n 仃o d u c e st h e t e c h n 0 1 0 9 i e sw t l i c ha r e r e l a t e dt oc o m p u 把f 蛆i m a t i o n ，也e 咖n d a 耐o ff o l l o w i n 2 v e c t o r 聊h i c so nw 翻 一s v g 舭dg i v e sad 涮l e di n n o d u c t i o na b o u tm ep r i n c i p l e a 工1 d1 e a l i z a t i o n 蛐l o g yo fs v g s c r i p t i i l ge 衄o rw h i c h i se i i l b e d d e di nc v i d r a w p l a t f o n ，t h er e a l i 髓t i o no f t h ee d i t o r ，p r o v i d 髂ac o d i n gp l a 仃0 蛐f o r i m p l e m e n t i o no fs 证m l 删】d n e 御m c s 柚i m a d o no nc v i d r a wp l 怕咖t h e f o r e ，o n m eb a s i so f 咖d y i n gs v g s 咖p d n ga i l i m a l i o nt l i o r o u g h l y ，t l l i sp a p e re m p h a t i c a l l y s t u d i e si l o wt or e a l i 霉ef l e x i b l ea n dc o m p l i c a t e dl ( j n 既n 岖c sa i l i m a t i o no nc v ) r a w p l a t f o m ，w m c h i n c l u d e s 粥i n gs v g脚h i c e l e m e n t st 0d e s c r i b eu s 喇 m a c h i n e ，h a v i n ga o c e 鼹t os v gd o m 萍蛳c o i 虹o l g 也ea t 时b u t 铭o fs v go b j e c t ，a n d d r i v e st h eo b i e c ta c ta c c o f d m gt om es c h e d l l l e dn d e s ，a n da p p e n d i n gs v ge v e n t 咖i b u t e st og a i l la l t e n l a t i v ee 饪b c td u r i n gm ec o u r s eo fs i m m a 七e da n i m a t i o n t h e r e s e a r c ho fm i sp a p c r m a sac 洲ns i 霉1 i f i c a n c et ob f o a d t l l ea p p l i c a t i o ns p a c eo f c v i d r a wp l a t f o 衄锄ds p r e a d 也ea p p l i c a 廿o no f s v g t h el a s tp a r to ft 1 1 i sp a p e r 画v e sa ne x 锄p l ec o d i l l go fm ec r 龇1 1 【m c k e rt o i u s t r a t em ef e 嬲i b i i i t vo f t l l er t 蝴i 洲o no fs i m i l i a t i o n 卸da l 胁d 吐o n k e y w o r d s ：c v i d r a wp l a t f o r m ，s v qd o m ，s d p t ，a n i m a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 力争彬 言嘲 撇 会胀z 奶钥摇 信肥2 粥叙摇 貅杜跋棼岔把p 姒凯梭 图卜1 图卜2 图2 1 图3 一l 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 一l l 图5 1 2 图5 一1 3 圈5 1 4 图5 一1 5 图5 1 6 图5 一1 7 插图清单 变量化图形及其变形5 c v i d r a w 平台的应用6 j p e g 的编码和解码过程】3 d o m 结构树2 6 s v g 的主要对象2 9 编辑器类关系图3 l 编辑器内代码中的关键字显示3 3 关键字着色匹配过程简要流程图3 4 a s c i i 编码到u t f 一8 编码的转换3 5 u t f 一8 编码的解码过程3 6 铰链四杆机构3 9 不同基本型式的四杆机构4 0 曲柄摇杆机构的转化4 1 曲柄滑块机构4 l 具有两个滑块的四秆机构和正弦机构4 2 偏心轮机构4 2 选用不同构件为机架的四杆机构4 3 两种图形对象对应关系图4 4 s v g 脚本中常用的对象属性、方法及事件属性4 5 t a r g e t 属性语法图4 6 c u r r e n t t a r g e t 属性语法图4 6 g e t e l 鲫e n t b y i d 方法语法图4 7 g e t a t t r i b u t e 方法语法图4 7 s e t a t t r i b u t e 方法语法图4 8 曲柄摇杆机构运动筒图4 8 曲柄摇杆机构初始运动简图船 曲柄摇杆机构运动仿真效果图”5 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金魍王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 辄f签字日期例；r 月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阏。本人授权金 g b i ：t 去堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 常饮 签字日期：2 时l 一年妨印日 学位论文作者毕业后去向： j l _ 作单位； 通讯地址： 导师签名： 签字日期肝n 矽日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先要衷心感谢我尊敬的导师杜晓荣教授i 在近三年 研究生学习期间，杜老师言传身教。从课题方向、技术路线、直至研究细节， 在各方面都给予了详细的指导和帮助。学生所取得的每一点进步无不包含着老 师的心血，这一切学生当永志不忘。杜老师严谨求实、温厚和蔼，令学生景仰； 杜老师深厚的学术功底、敏锐的学术洞察力、严谨的治学作风和精益求精的工 作精神，给学生留下了深刻的印象。在杜老师的悉心指导下，我对科研工作有 了更进一步的认识并深受启发。 感谢合肥工业大学c i 惦研究所王治森教授和韩江教授在我攻读硕士学位 期间，给予我学业上的指导和关心，以及c i m s 所其他老师给予我的各方面的关 心和支持。 此外，在课题研究过程中，承蒙合肥工业大学计算机学院的欧阳一呜老师 提供了大量宝贵资料和给予的热情关怀。没有他的帮助，课题就不会有如此迅 速的进展。 感谢吴正伟、王宗思、余道洋、唐长平、方兴、陆荣锋、胡朝斌、曹斌等 同学给予我的帮助和支持。 感谢合肥工业大学研究生部及机械与汽车工程学院的老师和领导对我的帮 助和支持。 课题的研究与论文的撰写也得到了家人的大力支持与理解，在此向他们表 示感谢。 作者：曹哲术 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 图形系统技术经过3 0 多年的发展，在支持底层设计的支撑软件方面逐渐趋 于成熟，已逐渐渗透到机械设计、制造的各个环节。随着新世纪的开始和互连 网技术的发展，敏捷制造生产模式将成为二十一世纪制造业的主要生产模式 “。 传统的图形应用软件开发方法显现出编程工作量大、周期长，开发出的系统功 能有限且不易扩展等不足，迫切需要寻求新的思路和方法以及个性化、多样化 的图形应用软件。c i m s 技术的发展促使现代企业的生产逐步向网络化、分布式、 自动化的方向发展。随着企业信息化的普及，以及越来越多的企业通过内部 i n t r a n e t 网进行信息集成和共享，基于网络的产品设计要求高层产品模型与平 台无关，能方便地在i n t e r n e t 上显示和交换，进而支持异地设计及制造。在这 种情况下，新的可视定制思想及智能可视定制平台c v i d r a w ( i n t e l l i g e n t v is u a lc u s t o m iz e dd r a w i n g ) 便应运而生。 本章首先综述智能可视定制平台c v i d r 趼的产生背景、特点及应用，其中 介绍该平台的绘图编辑模块、动画设置模块和脚本编辑模块，并引出脚本编辑 陕块在整个系统中的作用，阐述了本论文的主要内容和意义。 【1 智能可视定制平台c v i d r 蹦产生的背景f 2 】 【1 _ 1 软件开发方法发展阶段简介【3 】 随着计算机技术的发展，一方面，新主机、连接计算机的新设各的快速出 现或升级，以及随之出现的新操作系统、新程序设计语言、新应用功能( 图形、 图像、多媒体的模式利用和信息处理) 、新通讯方式( i n t e r n e t 、局域网、广域 网等) 、新理论( 面向对象编程、第四代语言等) ，使软件系统生存周期大为缩 短；另一方面，计算机快速升级，新功能的出现、新设备的采用，需要对原有 软件进行系统改造等等。为了适应各种需要，软件研究人员利用软件工程的基 本原理不断探索新的软件开发方法。 传统的生命周期开发方法强调使用生命周期方法学和各种结构分析及结构 设计技术。按照传统的生命周期开发方法学开发软件，就要从时间角度对软件 开发和维护的复杂问题进行分解，把软件生命的漫长周期依次划分为若干个阶 段，每个阶段有相对独立的任务，然后逐步完成每个阶段的任务，各个阶段的工 作按自顶向下，从抽象到具体的顺序进行。传统的生命周期开发方法过去和现在 都是使用广泛的软件开发方法。它首先用结构化分析( s a ) 对软件进行需求分析， 然后用结构化设计( s d ) 方法进行总体设计，最后是结构化编程( s p ) 。这一方法不 仅开发步骤明确，s a 、s d 、s p 相辅相成，一气呵成，而且给出了两类典型的软件结 构( 变换型和事务型) ，便于参照，在一定程度上解决了人员协作问题，降低软件 开发的难度，保证软件质量，提高软件可维护性，使软件开发的成功率得到提高， 从而深受软件开发人员的青睐。但是，它面临以下的问题，如开发效率不高、 可维护性差、软件复用程度很低，往往不能真正满足用户需要。 快速原型的软件开发方法打破自顶向下的开发模式，是目前比较流行的开 发方法。随着计算机软硬件的发展，硬件速度不断提高，软件平台和软件开发 工具种类和功能不断增多和增强，快速原型的软件开发方法得以实现。它的基 本思想是：首先建立一个能反映用户主要需求的原型系统，然后让用户在计算 机上运行、试用这个原型系统，通过实践，了解未来系统的概貌，并根据用户 使用原型系统后提出的修改意见，快速修改原型系统，根据用户对第二个原型 系统提出的意见，再次快速修改原型系统，如此经过对原型系统的反复试用和 改进，最终建立起完全符合用户需要的系统。按照快速原型的软件开发方法来 丌发软件，有如下几个特点：开发过程高度迭代、开发人员与用户联系紧密以 及需要先进的开发工具支持等。 近十几年来，新的软件开发方法层出不穷，而绝大部分的新方法是以面向 对象技术为核心发展的，也可以说是面向对象的软件开发方法1 4 】。面向对象这 - 概念来源于程序设计，但它现在显然不仅仅局限于程序设计方面，而已经发 展成为软件开发领域的一种方法论，一种新的信息技术，并且逐渐赢得厂商设 计人员和用户的青睐，成为目前软件开发领域的主流技术。它提出了一种崭新 的软件开发模式。这种开发模式的特性有以下几点：( 1 ) 类和封装性：实现数 据抽象和信息隐蔽，给出了对象类型和参数化，通过生成实例后组装成系统， 提供了实现复用的手段。( 2 ) 继承性：在类的设计过程中，子类与父类之间存 在一定的约定，即子类可以继承父类的属性和方法，同时又可以有自己独立的 属性和方法。这充分体现了子类与父类之间的默契与和谐，增强了软件的可复 用性。( 3 ) 多态性：指同一消息被不同的对象接受后解释为不同含义的功能。 它与类的继承性密切相关。利用多态性，用户可以通过发送统一的消息，并由 各个接收者来完成不同的细节。多态性是通过动态联编实现的，它是软件复用 性的有力支柱之一。面向对象技术给出了软件系统的体系结构，引入了软件复 用的思维方法。近年来引起了越来越多的人关注，提出了多种对象模型和语言， 设计了各种基础类型库，使得面向对象设计逐步成熟。 1 1 2 软件复用技术睁1 软件复用也称软件重用，指将已有的软件成分用于构造新的软件系统。可 以被复用的软件成分一般称作可复用构件，无论对可复用构件原封不动地使用 还是作适当的修改后再使用，只要是用来构造新软件，则都可称作复用。软件 复用不仅仅是对程序的复用，它还包括对软件生产过程中任何活动所产生的制 成品的复用，如项目计划、可行性报告、需求定义、分析模型、设计模型、详 2 细说明、源程序、测试用例等等。如果是在个系统中多次使用一个相同的软 件成分，则不称作复用，而称作共享：对一个软件进行修改，使它运行于新的 软硬件平台也不称作复用，而称作软件移值。 目前及近期的未来最有可能产生显著效益的复用是对软件生命周期中些 主要开发阶段的软件制品的复用，按从低到高的抽象程度，可以划分为如下的 复用级别：代码的复用、设计的复用、分析的复用、测试信息的复用。 软件复用在面向对象的方法学中得到了很好的应用。面向对象方法学中类 的属性和方法被予类的对象和方法所继承就是这些属性和方法在子类中的复 用。 总之，软件复用技术是改进软件质量、降低软件开发和维护的成本、提高 软件生产率的种技术，它对于提高软件的适应能力、可移植性以及对软件的 标准化建设都将起到重要作用。 l 。1 。3 图形软件的可视化开发【6 】 随着图形系统在工业界的广泛应用以及现代设计问题的复杂化、智能化， 伴随计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制 造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究进一步深入，人们不再 仅满足于用计算机取代人进行手工绘图。而在应用图形系统的过程中要求更加 严格，不仅要求系统本身功能强大，同时更希望易学易用，并能够以直观的可 视化方式操作系统。可视化操作模式已经成为图形系统发展必不可少的一个重 要组成部分。一些大型图形软件如a u t o d e s k 公司的a u t o c a d ，虽然其功能强大， 但在用户级的操作和使用模式上可视化交互功能较弱，所以二次开发应用速度 较慢；而在其他比较流行的图形软件系统中，如微软公司的m i c r o s o f tv i s i o ， s m a r t d r a w c o m 公司韵s m a r t d r 鲫，都提供了种强大的可视化图形编辑和操作 模式，用户可以方便快捷地完成绘图。 可视化开发是9 0 年代软件界最大的两个热点之一。随着图形用户界面的兴 起，用户界面在软件系统中所占的比例也越来越大，有的甚至高达6 0 7 0 。 产生这一问题的原因是图形界面元素的生成很不方便。为此w i n d o w s 提供了应 用编程接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gr n t e r f a c e ) ，它包含了6 0 0 多个函 数，极大地方便了图形用户界面的开发。但是在这批函数中，大量的函数参数 和使用数量更多的有关常量，使基于毗n d 甜sa p i 的开发变得相当困难。为此 m j c r o s o f tv c + + 推出了l l f c ，它将a p i 的备部分用对象类进行封装。提供了大量 预定义的类。并为这些定义了许多成员函数。利用子类对父类的继承性，以及 实例对类函数的引用，应用程序的开发可以省却大量类的定义，省却大量成员 函数的定义或只需作少量修改以定义子类。v c + + m f c 还提供了许多标准界面的 缺省处理，大大溅少了应用程序开发的工作量。担要掌握它们，对非专业人员 来说仍是一个沉重的负担。为此人们利用w i n d o w sa p i 或基于v c + + m f c 开发了 一批可视开发工具，如c + + b u i l d e r 及v c + + 7 o 的f o r m ，用户只要对属性进行 设置，而无需关心该界面的类的构造。 可视化开发目前成功地应用在应用软件的界面开发中，通过操作界面元素。 诸如菜单、按钮、对话框、编辑框、单选框、复选框、列表框和滚动条等，由 可视开发工具自动生成应用软件框架。这类应用软件的工作方式是事件驱动， 对每一事件，由系统产生相应的消息，再传递给相应的消息响应函数，用户只 要关心该响应函数即可。 1 1 4 智能可视定制平台c y i d r 鲫的产生 随着c a d 支撑软件的应用日益普及，其应用软件开发也日益受到关注。利 用商品化c a d 系统进行应用系统的研究和开发，主要存在以下问题：( 1 ) 应用系 统的开发一般是针对某一具体应用领域来建模和编程。最终也只能用于这一专 用领域。系统交付使用后，用户很难对功能进行扩展，应用领域稍有变化和扩 展，应用系统便不能适应；( 2 ) 应用软件开发周期长，功能的扩展及维护需要再 次编程，很难满足快速变化的应用要求；( 3 ) 软件开发人员既要有一定的专业知 识，又要有一定的编程能力。 为了提高软件生产率，使软件开发面向用户，目前的软件定制环境集成了 直接操作的可视技术，如v c + + 、d e l p h i 、j a v a 中的界面及程序框架；工业控制 组态及数据库应用等。由于产品设计过程各种约束的多态性，目前还没有成熟 的c a d 应用可视定制工具问世。随着面向对象技术、组件技术日趋成熟。人工 智能技术的快速发展，给c a d 应用可视定制带来了机遇。c a d 应用的可视定制是 最新的c a d 应用软件设计开发方法，其核心是在一组工具支持下，摆脱繁重的 编程工作，由最终用户人机交互生成特征原型、零件原型、装配原型、用户接 口以及设计过程的约束知识，从而快速定制出不同的c a d 应用。 传统图形应用的开发是在现有平台上用编码模式完成，这种二次开发造成 应用软件开发周期长、用户不易维护和滩以扩展等一些共性问题。为了解决这 一难题，顺应软件开发发展潮流，以可视定制对象方法及技术为基础的c v i d r a w 智能可视定制平台应运而生，同时这一技术代表着未来软件开发向柔性化、个 性化及智能化发展的新方向。c v i d r a w 智能可视定制平台是以杜晓荣教授为首的 研发团队共同开发，目前软件已经成型。c v i d r a w ，是i n t e l l i g e n tv i s u a l c u s t 。m i z e dd r a w i n g 的缩写及重排形式，其字面意思是“智能可视定制绘图”。 c v i d r a w 智能可视定制技术是为开发人员提供各种类型平台的定制方法及 技术，它采用的是一种可视化的二次开发，比编码二次开发更简单，更人性化， 这是c v i d r a w 的最主要特色及创新工作。 c v i d r a w 软件，目前是基于舭n d 渊s 平台，运用面向对象技术和智能技术， 4 支持o l e c o m 标准，可广泛应用于监控界面定制、教学动画制作以及多领域的 图形应用。 l 。2 智能可视定制平台c v i d r a 再的功能特点及应用 1 2 1c v i d r 鲫的主要功能特点 c v i d r a w 为我们提供了强大的功能服务。使用c 、，i d r a w 智能可视定铷平台， 不仅可以书写出内容丰富的文档，在原有图形的基础上快速定制出满意的图形， 而l 日可以将图形、文字和声音结合起来，使所定制画面具有绚丽的色彩和栩栩 的动感，并可将其发布到1 v l v w 上通过i n t e r n e t 队p l o r e 浏览。说简单一点， c v i d r a w 是一个集图形、文字、声音和视频为一体的、功能强大的多媒体制作和 发布平台。它的主要特点如下： 流行的图形交互界面融合w 0 r d 、a u t 0 c a d 及v i s i o 等软件的界面及操作方 式。整个界面清新简洁，朴实无华，赏心悦目； 强大的绘图功能在“所见即所得”的方式下可绘制出各种图形，导航及智 能图形的引入，使绘制复杂图形更加简单、方便； 强大的w e b 映像文件导出功能c v i d r 趼可以导入g i f 、j p e g 、b m p 、p n g 等 多种格式的图片，同样可以导出多种格式的圈片如b m p 、t i f f ，还有广泛应用 于网络传输的g i f 、j p e g 、p n g 图片格式。你不但可以将整个绘图页面保存为h t m l 文档，而且可以将选定的多个区域保存为h t m l 文档。而且你可以将你当前绘制 的整个页面保存为一个b m p 、t i f f 、g i f 、j p e g 、p n g 格式的图片。另外，如果 在c v i d r a w 中绘制的是动画页面，那么你同样可以将其存储为w e b 动画。此种 功能极大地方便了网页图片的制作，大大丰富了网页互动感； 强大的图形摔歹l l 和编辑功能c v i d r a w 平台为图形提供了强大的编排工具，如 布局工具条、精确调整工具条、操作工具条和阴影及三维工具条； 更好的与其它软件合作通过c o p y p a s t e 和拖放方式，可以与w o r d 、v i s i o 等主流软件进行合作： 独特的参变量化图形生成在图形交互界面下，通过简单的几个数学表达式， 就可以定制出一个复杂的变量化图形，同时约束图形按规则变形的控制点可以 定制，如图卜1 所示。 图卜1 变量化图形及其变形 具备功能强大的动画制作功能c v i d r 删除具备强大的图形制作以外，还可以 给定制的图形添加动画信息，包括移动运动动画、旋转运动动画、路径运动动 画、变形运动动画、遮照运动动画、缩放运动动画、填色渐变动画、线宽渐变 动厕、线色渐变动画、交替显示动画、声音动画等，还包括演示画面的进入动 画，如从不同的方向进入演示区、不同的拉幕动作、淡入淡出画面等。不同页 面可实现超链接，从而可以组成一个具有多个动画同步动作和互动效果的动画 页面： 可实现图形信息跨平台文档的共享作为文本格式，s v g 可以很好地跨平台 工作。而c v i d r a w 平台建立了s v g 导入导出模块，可实现图形信息跨平台文档 的共享； 功能灵活的脚本编程环境c v i d r a w 平台内置了j a v a s c r i p t 脚本编程环境 通过j a v a s c r i p t 提供的丰富的内置函数及命令，能容易地改交图形对象的行为 和属性而不必深入研究其本身结构。此功能极大地丰富扩展了c v i d r a w 软件平 台的应用范围。为c v i d r a w 平台制作复杂、灵活的动嘶提供了基础。 1 2 2c v i d r 踟平台的应用领域 c v i d r a w 是一个集图形、文字、声音和视频为一体、功能强大的多媒体制作 平台。除此之外，它还可用于工业控制领域、多媒体教学、过程模拟、休闲娱 乐、电子游戏、制作电子图书、为企业制作视频培训教材、w e b 版报刊动态图文 设计、w e b 广告设计等行业领域。最终用户在c v i d r 甜平台可定制的应用软件， 如图卜2 示。这些也是c v i d r 鲫平台今后逐步达到的目标。 藏穗阳应用定棚c 盛用定制c d 应用定倒 动西应用定辩应用平台定制 图卜2c v i d r w 平台的应用 1 3 课题的主要内容及意义 1 3 1 课题的主要内容 6 本论文结合校基金项目“基于x 虬的工业控制的w e b 发布研究”及省自然 科学基金项目“支持机械c a d 应用交互生成的可视定制对象方法”，以c v i d r a w 软件、s v g 和j a v a s c r i p t 为基础，重点研究支持基于c v i d r a w 平台的s v g 脚本 运动学动画生成技术。 论文首先综述了e v i d r a w 的产生、特点及应用，第二章介绍计算机动画相 关技术，包括传统手工动画简介、计算机动画的生成原理、计算机动画技术组 成、计算机动画的应用领域、w e b 上几种图像格式简介、新一代基于x m l 的w e b 动画格式s v g 的诞生。 第三章详细介绍x 虬s v g 扩展标记语言，包括它们的概念、产生背景、文 档对象模型、特点及应用领域等。 第四章详细介绍c v i d r a w 平台内嵌的s v g 脚本编辑器的原理及实现，利用 脚本语言开发复杂动画妁二次可视化开发环境，为论文实现常用机构机构仿真 运动学动画提供了编码平台。 第五章通过在前几章的基础上实现c v i d r a w 平台的常用机构仿真动画生成， 并详细介绍了实例代码的编码过程。 第六章对本论文进行总结，并迸一步提出展望。 1 3 2 研究该课题的意义 可视定制对象思想、方法及技术的提出，符合着未来软件开发向柔性化、 个性化及智能化发展的新方向。c v i d r a w 智能可视定制平台，是以可视定制对象 思想为指导，应用智能可视定制对象技术开发的新型c a d 平台，它一改传统的 二次编码开发方式，提供无需绽程的可视化二次开发环境，打破了传统软件开 发思想和开发模式。 s v g 是w 3 c 组织制定的新一代网络矢量图形标准，以其固有的特点( 基于 x m l 标准、高质量的图像、以文本形式存放、支持交互和动画、支持字符查找和 超链接等等) ，已成为网上动态图形的一种表现形式。智能可视定制平台c v i d r a w 是兼容于s v g 标准的共享模型，利用c v i d r a w 平台内嵌的s v g 脚本编辑环境内 的编程，我们实现了模拟常用机构运动的仿真动画，该项研究，对推动c v i d r a w 的应用。推广s v g 在国内的应用领域，如机械原理辅助教学、生产过程的模拟 以及将s v g 应用在工作流过程的可视化及跨平台应用等方面具有十分重要的意 义。 7 第二章计算机动画技术综述 所谓动画也就使。幅圈像“活”起来的过程。使用动厕可以清楚的表现出 一个事件的过程，或是展现一个活灵活现的画面。计算机介入动画制作后，可 以说在动画领域引起了一场革命1 8 】，这场革命表现在两个方面，一是速度的大 大加快；二是效果、风格的突破。当前国内外计算机动画技术发展迅速，在制 作二维、三维动画中，定h 造出不少新方法、新技术，在不同程度上采用了计算 机辅助制作动画，以代替手工动画工艺，逐步实现电脑化。计算机动画是计算 机图形学和艺术相结合的产物，它给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺 术才能的新天地。目前。计算机动画已经广泛应用于影视特技制作、商业广告、 游戏、计算机辅助教育、生产过程及科研的模拟等领域。 2 1 传统手工动硒简介【7 】 传统的手工动画是用手工方式在赛璐珞片上绘制各幅图像。然后再通过连 续拍摄而得到的。一般而言，制作手绘动画是很辛苦的，即使有现代科技的辅 佐也是如此。标准的播放速度是每秒2 4 3 0 格l 嘲。这意味着栩栩如生的动作需 要每秒2 4 3 0 张赛璐珞。 在电影电视或计算机动画中，每一个静止画面称之为一筷，当一系列帧按 拍摄的速度进行播放的时候，就产生运动的效果。电影是按每秒钟2 4 帧的速度 进行拍摄和播放。电视因制式的不同而略有差别。我国和大部分欧亚地区使用 的p a l ( p h a s ea 1 t e r n a t el i n e ) 制式，该制式每秒的播放速度是2 5 帧在电视 中另一个常用的制式是n t s c ( n 8 t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o 咖i t t e e ) ， 也就是我们常说的n 制式。该制式主要用于美国和日本。播放速度是每秒钟3 0 i 帧。 从上面的讨论可以看出，按传统的方法制作动画肘。需要人工绘制各个静 止画面【引，然后用摄影机一次拍摄一帧，拍摄完后，按标准速度进行播放，模 拟出真实的运动效果。 2 2 计算机动画的生成原理l i 训 计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件 ! 【! 成一系列的景物画面。通过连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。计 舆机动画自问世到现在的3 0 余年间经历了三个阶段；初始阶段主要采用高级语 言进行编程，代表作为用f o r t r a n 语言制作的说明牛顿运动定律的动画片；第 二阶段采用专门用于动画制作的程序语言制作计算机动画；第三阶段是交互生 成阶段，形成了集编辑、调试于一体的计算机动画系统，如m s g e n 动画系统。 s 根掳例算机动画的生成原理，可将计算机动画分为传统的计算机动厕和先进的 计算机动画， 传统的计算机动画主要是沿用传统手绘动画片的制作原理，采用关键帧动 j 卿技术( 关键帧动画技术将在下一节介绍) 。计算机根据动画师设置的关键帧自 动生成并嵌入中间动画，同时着色、剪辑以及特殊效果等后续工作也借助计算 机束完成。动画师只需确定物体在变化过程中的大小、形状、位置、方向等特 性的关键属性，由计算机根据相邻两个关键帧的属性差值来自动计算并生成中 间的变化状态。在传统计算机动丽中，关键帧画面设置方式不同，中间动画的 生成方式也不同，于是相继出现了图像关键帧动碗、参数关键帧动画和程序动 而。 先进计算机动画是根据物理规律，特别是机械规律进行模拟而产生动画效 果。采用的模拟方式不同有不同的计算机动画方式，如表演动画、反转运动动 删、动态模拟动画、虚拟传感动画等。从产生的动画效果的视觉空间来看，计 算机动画不但可以产生二维平面效果，即二维计算机动画，还可以创作出三维 立体效果，即三维计算机动画。在计算机三维动画中，通过建造三维空问中的 儿伺体，并使之产生各种运动，大大加强了视觉效果的真实性。所以，计算机 动砸对动画师有着无穷的吸引力。 2 3 计算机动厕技术组成 2 3 1 关键帧动画【l l 】 关键帧的概念来源于传统的卡通片制作，在早期w 8 l td i s n e y 的制作室， 熟练的动画师设计卡通中的关键画面，也即所谓的关键帧，然后由一般的动画 师设计中间帧，在三维计算机动画中，中间帧的生成由计算机来完成，插值代 臀了设计中闯帧的动画师1 1 3 1 。所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数， 如位置、旋转角、纹理的参数等。关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用 最r 。泛的方法。另外一种动画设置方法是样条驱动动画。在这种方法中，用户 指定物体运动的轨迹样条，轨迹样条由用户交互给出。几乎所有的动画软件如 a l ia s 、s o f t i m a g e 、w a v e f r o n t 、t d i 、3 d s 等都提供这两种基本的动画设蜀方 法。 2 3 。2 变形物体动画1 一般的刚体动画，虽然也能给人带来眼花缭乱的视觉效果，但总是缺乏生 气，传统动画的一个显著特点是赋予每个角色以个性，并以形状变化来演染某 些夸张的效果。虽然传统动面的许多效果用三维动画还很难做到，但计算机动 厕的研究者们在形状变形方面已做了不少出色的工作，如迈克尔杰克逊的音 乐录音带“黑与自”这酋歌中1 3 个不同性别和种族的人相互渐变：电影终结 者2 中机械杀手t 一1 0 0 0 由液体变为金属人，由金属人变为影片中的其它角色。 大部分变形方法与物体的表示有密切的关系，如通过移动物体的顶点或控制顶 点来对物体进行变形。为了使变形方法能很好地结合到造型和动画系统中，近 1 0 年来，人们提出了许多与物体表示无关的变形方法。对于多边形表示的物体， 物体的变形司。通过移动其多边形顶点来达到。但是，多边形的顶点以某种内在 的连接关系相关联，不恰当的移动很容易导致三维走样问题，比如原来共面的 多边形变成了不共面的。参数曲面表示的物体可较好地克服上述问题，移动控 制顶点仅仅改变摹函数的系数，曲面仍然是光滑的，所以参数曲面表示的物体 可处理任意复杂的变形。与物体表示无关的另一种变形方法为自由变形方法 f f d 。f f d 并不直接移动物体顶点，而是通过移动控制顶点来使物体变形，因而 更容易控制物体的变形。 在计算机动画中，人体造型是一个颇为艰巨的问题。人的肌肉不仅形状复 杂，而且随人体的运动而变形，元球【1 4 】( m e t a b a l l ) 是解决这类问题的有效手 段。采用元球进行造型是由b l i n n 和n i s h i i i 】u r a 独立引入的，一个复杂的人体 只需要5 0 0 个左右的元球。元球是具有密度的特殊的球，一簇元球的密度为该 簇中所有元球密度之总和，对应的三维模型可表达为等密度面围绕的体。由于 元球的特殊密度分布，多个元球可融合成一个光滑的面。现在元球不再局限于 简单的球，椭球也可作为其基本元素，通过位置、朝向、大小和密度的巧妙控 制，可用元球生成许多复杂的形体，而这些形体又是采用传统造型方法很难做 到的。 2 3 3 过程动画” 过程动画指的是用一个过程去控制物体的动画，过程动画经常牵涉到物体 的变形，但与前丽所讨论的柔性物体的动画不一样。在柔性物体的动画中，物 体的形变是任意的，可由动画雨任意控制的；在过程动藏中，物体的形变则基 于定的数学模型或物理规律。r e e v e s 的粒子系统是过程动画的较早工作，他 于】9 8 3 年所发表的论文中成功地提出了一种模拟不规则模糊物体的景物生成系 统5 】，粒子系统目前已得到广泛应用，可以较好地模拟植被、泡沫和溅水；在 生物界，许多动物如鸟、鱼等以某种群体的方式运动。这种运动既有随机性， 又有一定的规律性。r e n 0 1 d s 提出的群体动画成功地解决了这一问题【l 。群体 的行为包含2 个对立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。他用3 条按优先 级递减的原则来控制群体的行为。 最近几年，布料动画成了人们感兴趣的研究课题。布料动域的个特殊应 用领域为时装设计，它将改变传统的服装设计过程，可让人们在衣服做好之前 羲到服装的式样和试穿后的形态。近几年，研究者们更多地用基于物理的方法 去模拟。基于弹性理论，t e r z o p o u l o s 等人提出了一种控制变形曲面运动的方法 l o ，并用柬模拟旗帜的飘动和地毯的坠落过程。c a r i g a n 等人扩展了 7 1 p o u lo s 的方法【1 8 】，很好地模拟了一个穿着衣服的演员的动画。 2 3 4 模拟骨骼运动 9 】 可以很方便地模拟人体的运动，只要将骨骼与物体连接在一起，然后设置 骨骼的动画即某节点的运动起始或终止状态，系统则自动计算各关节的运动轨 迹与状态，并且自动计算骨骼运动中带物体表面的各种形变。 2 3 5 光、光照模型、纹理的动耐9 1 动画软件对光源、光照模型、纹理的各种状态进行控制，如光源的颜色、 强度、光照范围等。光源的一些参数随时间而发生变化，物体表面呈现的反光、 透明度、折射等随时间而改变，也可使物体表面纹理的一切参数及各分量产生 动画，从而产生五彩缤纷变化无穷的虚幻世界。 2 3 6 基于物理模型的动域 基于物理模型的动画技术是8 0 年代后期发展起来的一种新技术，尽管该技 术比传统动画技术的复杂度要高很多。同时往往要求动画师拥有大量的物理背 景知识，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成 技术所无法比拟的。事实上，现实世界就是一个物理的世界，其中任何物体任 何过程( 化学等除外) 都具有各自相应的物理特性，这些特性都被各自相应的 物理原理所反映着，如果要在动凰中模拟它们，采用必要的物理原理是不可避 免的。基于物理模型的动画技术考虑了物体在真实世界中的属性，如它具有质 量、转动惯距、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理来自动产生物体的运动。 当场景中的物体受到外力作用时，牛顿力学中的标准力学方程可用来自动生成 物体在各个时间点的位置、方向及其形状。此时动画师不必关心物体运动过程 的细节，只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如质量、外 力等。 2 4 计算机动画的应用领域【悖，2 0 】 比起传统的手工动画，计算机动画技术在众多的领域都有着应用发展前景， 横跨影视娱乐和科学