（计算机软件与理论专业论文）基于vrml模型的协同装配系统研究.pdf

呛尔滨艘t 人学丁学硕l 学位论义 基于v r m l 模型的协同装配系统研究 摘要 目前的协同设计系统大部分都要求设计者在同一个系统上进行每一个零件 的详细设计并进行装配，藤且采用c s 结构。这个系统的观显缺点是庞大复杂， 维护量大，对网络硬件和传输条件要求高，效率低下。为解决上述问题，本文 提出了基于b s 黎构的协同装配系统。本协同装配系统基于v r m l ( 即虚拟现实 建模语言) 模型，系统所需要的零件出分奄在不同地域的设计专家采用自己熟悉 的c a d 系统进行设计，设计好的c a d 模型再导入本文提出的系统中进行装配。 首先本文设计了嗣步移动搜索算法。由于不同的c a d 造型导入到v r m l 系统盛会丢失参数信息，比如旋转模型会丢失轴线信息，为恢复旋转模型的轴 线信息提出了该算法。该算法适合任何不规则的旋转模型。在该算法的基础上， 又提出了v r m l 模型的装配算法。该算法分三个部分，分别是对零件之间的三 种不同装配关系包括两相对、面致和轴线一致进行了分析。这些算法从根本 上解决了以v r m l 模型为基础进行协嗣装配研究的关键问题，并且执行速度快、 效率高。 其次设计了基于v r m l 模型的协同装配系统模型，该系统采用b s 架构， 引入传统m v c 网络设计结构思路。既结合了v r m l 的交互功能和事件体系优 点和m v c 结构在网络中的优势又深入研究了目前带奄v r m l 插件浏览器在实 现本系统中的不足。并在之基础上进行v r m l 扩充和优化，使之能够满足协同 装配要求。 最螽在前面算法和系统模型的研究基础上实现了c a s v r m l 系统，嚣基于 v r m l 的协同装配系统。该系统实现了协同装配的基本功能，能够对简单的模 型实现协同装配操作。并且对本文提出的同步移动搜索算法和协同装配算法进 行了分析验证，分捱了迭代步长对迭代次数和迭代误差的影响，并对v r m l 文 件在网络中的传输效率进行了分析。该系统的提出是对传统协同设计系统的重 大改进，简化了系统复杂性，使工作效率得到提高。 关键词同步移动搜索算法；协同装配系统；虚拟现实建模语言 哈尔演州1 - 人。学l # 坝l 学化论义 r e s e a r c ho fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yb a s e do nv r m l m o d e l a b s t r a c t a tp r e s e n tt h em a j o r i t yo ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e md e s i g n e r sr e q u i r ei n t h es a m es y s t e mi ne v e r yp a r to ft h ed e t a i l e dd e s i g na n da s s e m b l y 。a n du s eo fc | s s t r u c t u r e t h eo b v i o u sd r a w b a c ko ft h i s s y s t e m i s l a r g ea n dc o m p l e x ，a n d s a f e g u a r d i n gl a r g ea m o u n to fn e t w o r kh a r d w a r e a n dt r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n s r e q u i r i n gh i g h ，a n dl o we f f i c i e n c y t or e s o l v et h e s ei s s u e s ，t h i sp a p e rb a s e do nt h e b ss t r u c t u r eo ft h ec o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e m t h i sc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y s y s t e mb a s e do nv r m lm o d e l ，s y s t e mc o m p o n e n t sr e q u i r e db yt h eg e o g r a p h i c a l d i s t r i b u t i o ni nt h ed e s i g no fd i f f e r e n te x p e r t si nt h e i ro w nf a m i l i a rw i t ht h ec a d s y s t e md e s i g n ，g o o dd e s i g ni n t oac a d m o d e lt ot h es y s t e mp r o p o s e di n t h i sp a p e r f o ra s s e m b l y f i r s to fa l lt h i sp a p e rp u tf o r w a r das y n c h r o n o u sm o v i n gs e a r c ha l g o r i t h m a s d i f f e r e n tc a d m o d e l i n gv r m li m p o r tt ob el o s ta f t e rt h es y s t e mp a r a m e t e r s ，s u c h a st h er o t a t i o na x i sm o d e li n f o r m a t i o nw i l lb el o s tf o rt h er e s u m p t i o no ft h ea x i so f r o t a t i o nm o d e li n f o r m a t i o nt ot h ea l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mi ss u i t a b l ef o ra n y i r r e g u l a rr o t a t i o nm o d e l i nt h ea l g o r i t h mo nt h eb a s i so fp r o p o s e dav r m lm o d e lo f a s s e m b l ya l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mi nt h r e ep a r t s ，w h i c hi sb e t w e e nt h r e ed i f f e r e n t p a r t sa s s e m b l yi n c l u d e ss u r f a c er e l a t i v et ot h ea x i so fc o n s i s t e n c ya n dc o n s i s t e n c y w e r ea n a l y z e d t h e s ea l g o r i t h m sf r o mt h ef u n d a m e n t a ls o l u t i o nt oav r m lm o d e l f o rc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yo nt h eb a s i so ft h ek e yi s s u e s ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f s p e e d ，a n dh i g he f f i c i e n c y s e c o n d l yd e s i g nc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e mw h i c hb a s e do nt h ev r m l m o d e l ，t h es y s t e mu s e sb ss t r u c t u r e ，t h ei n t r o d u c t i o no ft h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo f m v cn e t w o r kd e s i g ni d e a s v r m li sac o m b i n a t i o no ft h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o n a l i t y a n ds y s t e ma d v a n t a g e sa n de v e n t si nt h em v cs t r u c t u r ei nt h en e t w o r ke d g ea n d i n - d e p t hs t u d yo ft h ec u r r e n tb r o w s e rw i t hav r m lp l u g - i nt h er e a l i z a t i o no ft h e f a 尔派删1 人。 学顺卜学位论艾 s h o r t c o m i n g so ft h es y s t e m a n do nt h eb a s i so fv r m le x p a n s i o na n do p t i m i z a t i o n ， a n dt oe n a b l ei tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y f i n a l l yi nf r o n to ft h ea l g o r i t h ma n ds y s t e mm o d e lo nt h eb a s i so fas t u d yo n c a s - v r m l s y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h ev r m l c o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e m t h es y s t e mh a st h eb a s i cf u n c t i o n so fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y ，as i m p l em o d e lc a n a c h i e v es y n e r g i e sa s s e m b l yo p e r a t i o n s i nt h i sp a p e r , a n dt h es y n c h r o n i z a t i o no f m o b i l es e a r c ha l g o r i t h ma n dc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yv e r i f i c a t i o na l g o r i t h ma n a l y s i s ， a n a l y s i so fi t e r a t i v es t e po nt h en u m b e ro fi t e r a t i o n sa n di t e r a t i v ee r r o r s ，a n dv r m l f i l ei nt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d o ft h es y s t e mt ot h e t r a d i t i o n a lc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e mas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t ，w h i c hs i m p l i f i e s t h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ，t oi n c r e a s ew o r ke f f i c i e n c y k e y w o r d ss y n c h r o n o u sm o v i n gs e a r c ha l g o r i t h m ，c o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e m ， v i r t u a lr e a l i t ym o d e l l a n g u a g e 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于v r m l 模型的协同装配 系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：克套车 日期： 砌占年岁月岁日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于v r m l 模型的协同装配系统研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密酣。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：蔻参阜 同期：办孵年；月 乡日 导师签名：蒯同期： 删 年 多 月 3日 哈尔滨理t 大学丁学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 基于网络协同装配系统设计研究的背景 机械制造业是一个国家国民经济的支柱，对发展经济、社会以及文化诸多 方面有着十分巨大的和深刻的影响。传统制造业往往注重规模效益，特别是在 大规模生产下，新产品的开发也大都局限于对已有产品进行局部的改进设计。 这时，由于设计人员及工人已对产品及装配工艺比较熟悉，还是可以较顺利的 完成设计、试生产、装配验证最终成为批生产的整个开发过程。但是，自二十 世纪9 0 年代以来，随着全球市场竞争的口益激烈，市场对制造企业提出了更高 的t q c s e f 要求，即要求制造企业以最短的产品开发时间( t i m e ) 、最优的产品 质量( q u a l i t y ) 、最低的成本和价位( c o s 0 、最优的服务( s e r v i c e ) 、最清洁的环境 ( e n v i r o n m e n t ) 和快速的市场适应性( f l e x i b i l i t y ) ，加快产品的开发速度已成为竞争 的重要手段之一。在工业产品开发过程中，有关产品的结构、功能、操作性能、 生产工艺、装配性能甚至维护性能等许多问题都要在开发过程的前期得到解决。 通常，人们借助理论分析、c a d 系统和各种比例的实物模型，也可以参考先前 产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题，但是由于产品开发涉及的 方方面面过于复杂，人们很难在开发的早期阶段就能解决所有的这些问题，人 们不得不反复进行样机试生产。特别是有关产品的装配、操作和维护的问题往 往只会在产品开发的后期或在最终产品试制作过程中、甚至在投入使用一段时 间后才暴露出来，这样会造成极大的浪费，甚至会威胁企业的生存。对于这样 的问题通常都是靠设计人员的知识和经验尽可能地加以避免。为了解决这样的 问题，有时就不得不返回到设计阶段作必要的设计变更，这样的产品开发过程 既效率低、耗时，且费用很高。 为减少设计与制造所需的时间与成本，提高设计与制造的效率与质量，新 的设计技术应运而生。另一方面，随着虚拟现实技术的不断成熟为协同装配提 供了极大的可能，若能解决虚拟环境的难点问题和关键技术，使之应用到工业 设计和制造中，将为装配设计效率提高和成本降低产生重大影响。 1 1 1 国内外对协同装配的研究及应用 1 1 1 1 国内的研究现状在国内，协同装配的研究起步较晚，而且由于协同装 配技术所需硬件价格昂贵，大多数研究机构都是在进行理论探索与研究。近年 哈尔滨理t 大学t 学顾r i i 学位论文 来国内各高校以及科研院所，也在积极进行有关协同装配方面的课题与项目研 发工作，并取得了大量的研究成果。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室是国内最早开展协同装配研究的机构 之一，他们目前的研究在国内处于领先地位：万华根、高曙明、彭群生在基于 虚拟现实的c a d 方法研究( 1 1 中，提出通过“用户引导的拆卸”进行拆卸过程仿 真，得到零部件的拆卸顺序和拆卸路径，从而确定产品的装配序列。在此基础 上，实验室在四面投影虚拟环境c a v e 中，开发了完全沉浸式虚拟装配原型系 统i v a s 。在i v a s 中，装配规划人员可以通过直接三维操作选择零部件并进行 拆卸规划，系统通过实时碰撞检测机制自动保证拆卸过程的有效性。刘振宇、 谭建荣提出了基于语义识别的装配运动引导技术【2 1 。该技术通过语义识别捕捉协 同装配过程中用户的交互意图，进行装配零部件的运动引导与精确定位。从装 配语义元的空间位置属性匹配、空间方向属性匹配、类型属性匹配与参数匹配4 个方面进行装配语义的识别，从装配语义的角度识别装配意图，将协同装配系 统对装配关系的识别从几何体素层次提高到装配任务层次。 此外，华中科技大学的曹朋斌等在文献【3 】中提出虚拟拆卸时装配约束的动态 管理技术。该技术采用在虚拟拆卸过程中直接删除装配约束的方法来维护装配 约束。管强等在文献中提出虚拟环境下面向装配的设计系统。提出一个虚拟环 境面向装配的设计系统v i r d f a ( v i r t u a ld e s i g nf o ra s s e m b l y ) 的体系结构。描述 了虚拟人工拆卸的过程，并且构建了可装配性评价体系，提出了定量的装配效 率模型和装配复杂度指标模型，并从装配成本的角度评价产品的装配性优劣。 中国科学院的田丰等在文献中提出了一个面向虚拟装配的三维交互平台【4 】。 该平台采用了虚拟现实技术中常用“工具隐喻”，用户可以在虚拟装配环境中漫 游，并且与虚拟对象进行交互，在文中作者定义了装配领域中常用的三维交互 原语实现了交互原语的捕捉、解释和处理。同时封装了三维图形构造、零件问 的约束和碰撞检测功能。 另外，清华大学、北京航空航天大学等院校也在协同装配领域开展了一些 环境和力觉方面的研究工作，并取得了一定的成果。清华大学精密仪器系张林 筵博士的装配仿真做了很多工作【5 】，提出了装拆运动的表示及变换以及装配路 经有效性检查的递进算法，将装配仿真作为d f a 的重要手段，通过装配过程可 视化与干涉检查工具，在产品设计阶段进行了数字化与装配，验证与改进产品 的装配工艺，并在商用c a d 软件p r o e n g i n e e r 的基础上用c 与p r o d e v e l o p 进 行了系统实现。北京航空航天大学吴威、隋爱娜等采用力位置混合控制的方法， 将力和位置的控制模型分别转换为约束模型和自由移动模型 6 1 ，并通过具有力反 哈尔演耻t 人学t 学顺i 。学位论义 馈的数据手套使操作者在协同装配过程中感受到力反馈，从而实现协同装配过 程中力觉临场感。 1 1 1 2 国外的研究现状国外对协同装配的研究起步较早，而且在理论上国外 的研究也较丰富，涉及的面较广，包括协同装配环境中人机交互、虚拟拆卸的 推理框架和基于网络的协同虚拟样机技术等很多技术与理论。 华盛顿州立大学开发研制了一个名为“虚拟装配设计环境”( v a d e ) 的虚拟 装配设计系统1 7 1 ，将c a d 系统与沉浸式的虚拟环境紧密结合，允许对系统进行 计划、评估和修改。美国波音7 7 7 飞机是世界上首架以三维无纸化方式设计出 的飞机，它所包含的3 0 0 万个零件利用虚拟原型机技术设计，能使设计师、工 程师穿行于这个虚拟飞机中，可以随意调出其中的一个零件，审视并修改飞机 的各项设计。波音7 7 7 飞机的虚拟原型机获得了设计和生产的巨大成功。这是 近年来引起科技界，企业界瞩目的一次重大突破。 德国b m w 公司建立了v i r t u a lp r o c e s sw e e k 体系，利用虚拟技术对汽车装 配流程的合理性加以测试。 n s h y a m s u n d a r 和r a j i tg a d h 在文献中研究了基于网络的协同虚拟样机【8 】， 提出一种新的几何体表示方法一a r e p ( 装配体表示方法) ，a r e p 包含4 类信息， 分别是( 1 ) 有向图，表示装配体的层次关系、( 2 ) 关系图、( 3 ) 装配层次信息以及( 4 ) 与单个装配不件相关的信息。并且采用a r e p 方法实现了虚拟样机系统c p a d ， 该虚拟样机系统可以实现基于网络的协同装配设计。 s i d d i q u e 在文献【9 t 中提出了基于虚拟现实的系统用来研究零件的拆卸方法。 为了生成拆卸工艺，该系统首先将产品模型载入虚拟环境，并且自动计算每个 部件及连接件的局部拆卸方向。用户拆卸产品时，系统自动记录拆卸活动形成 产品的拆卸工序。同时系统还支持在虚拟装配环境中使用虚拟装配工具( 如扳 手、螺丝刀等) ，并且装配工具相对于虚拟手的定位和装配工具相对于连接件的 定位都可以半自动的实现。 1 2 研究意义 在目前的协同装配系统中大部分都是基于c s 架构，而c s 架构最大的缺 点是维护成本高维护量大，而且对客户端的硬件要求比较高。为了克服上述的 缺陷本文在研究协同装配中尝试采用b s 架构，客户端只需要有装v r m l 插件 的浏览器就可以进行操作。与传统协同设计不同的是零件的设计可以由分布在 不同地域的不同公司用不同的c a d 软件进行完成，不需要在成本高昂的协同设 哈尔演胖t 人学r 学顺i j 学位论文 计系统中完成。设计好的c a d 模型由于其设计环境不同、平台各异，为在装配 过程中能够在一个统一的平台上进行，就需要把这些c a d 模型导入到一个能够 跨平台运行的协同装配系统中。本文正是基于这种需求对基于v r m l 协同装配 系统进行了研究，并对其进行多方面论证试验，证明其可行。 该种系统的研究成功会使协同装配变得简单容易，并且效率很高，系统维 护成本也会大幅下降。在产品开发过程中，大部分的时间都在设计阶段，而设 计阶段的大部分时问都在装配调试、修改中进行，本文对装配系统的研究会大 幅提高协同装配效率，为各公司的有效协作提供了前提。 1 3 本论文工作及主要结构 由于在不同的c a d 造型系统开发出的模型在导入v r m l 环境中就会丢失其 参数信息，本文的主要工作就是恢复这些已经丢失的信息，比如旋转模型的轴 线信息，装配过程中最普遍的面相对、面一致和轴一致的装配所需要的装配算 法研究。本文的主要结构如下： 第一章：绪论。介绍本文的研究背景，国内外的研究现状和本文的研究意 义。 第二章：虚拟现实建模语言的分析。本章是本文的研究基础，这些虚拟现 实建模语言的特点是进行协同装配系统研究的一个前提。 第三章：基于网络的协同装配基础。该章节介绍了网络协同装配的基础知 识，是进行网络协同装配的基础，也是进行本文研究的基础。 第四章：v r m l 环境下的协同装配算法研究。本章是本文的研究重点，本 文提出了恢复旋转模型轴线信息的同步移动搜索算法和协同装配算法，并且对 面相对、面一致和轴一致等最常见情况分别进行了研究。 第五章：基于v r m l 网络环境协同装配设计。本章也是文章的重点内容， 为验证算法的有效性和基于v r m l 网络环境协同装配的可行性，设计了一个基 于b s 架构的协同装配系统。 第六章：基于v r m l 模型协同装配算法验证及总结。本章验证了上述第四 章算法的有效性及工作效率，并对全文进行了总结。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论义 第2 章虚拟现实建模语言的分析 用文本信息描述三维场景，在i n t e m e t 网上传输，在本地机上由v r m l 的 浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是v r m l 规范。正是基于 v r m l 的这种工作机制，才使其可能在网络应用中有很快的发展。当初v r m l 的设计者们考虑的也正是一文本描述的信息在网络上的传输比图形文件迅速， 所以他们避开在网络上直接传输图形文件而改用传输图形文件的文本描述信 息，把复杂的处理任务交给本地机从而减轻了网路的负荷。 2 1v r m l 特点 v r m l 技术在虚拟现实的实现上具有以下一些特剧1 0 1 ： 1 v r m l 描述的世界是一个逼真的世界，在计算机屏幕面前，用户仿佛置 身于一个现实世界，可以根据自己的喜好来浏览； 2 整个浏览过程由用户控制，而不是由计算机来控制，这样，用户可以有 充分的自由及发挥； 3 v r m l 世界是一个可交互的世界。v r m l 世界中的对象可以对其他对象 或用户产生的外部事件做出响应； 4 v r m l 提供的技术能够把三维、二维、文本和多媒体集成为统一的整体。 从而提供给用户丰富的内容； 5 v r m l 支持脚本语言( s c r i p t i n gl a n g u a g e ) ，可以产生一种全新的交互式应 用； 6 v r m l 支持外部编程接v i ( e a i ) ，v r m l 不仅制定了标准的e a i ，而且允 许浏览器厂商开发e a i ，这就意味着v r m l 可以不断的扩充功能； 7 v r m l 使用的是实时3 d 着色引擎。这一特性使虚拟现实中的建模与实 时访问更明确的得以分离，这也使得v r m l 不同于一般的三维建模和动画，一 般的三维动画系统是预先渲染，因而不能提供交互性。 正如文本标记语言( h t m l ) 作为标准w e b 的核心基础那样，虚拟现实建模 语言己成为3 d w e b 的核心技术。经过几年的发展，v r m l 已成为一种描述因特 网上交互式多媒体的标准文件格式。 此外，v r m l 还具有一些适合网络的特性： 1 v r m l 文件的一个重要特性是能够通过内联式( h a l i n i n g ) $ t l 外联式 喻尔滨艘下人学丁学硕l j 学能论文 ( h y p c r l i n k ) 等包含关系把文件组织在一起。因此v r m l 可用于构建分布式虚拟 环境； 2 。v r m l 的访问方式是基予客户, i l l 务器模式的，其中服务器提供v r i v l l 文件及支持资源，例如三维模型( m o d e l i n g ) 、纹理( t e x t u r e ) 、视频( v i d e o ) 、音频 ( a u d i o ) 等，客户通过网络下载所需要的文件，并通过本地平台上的v r m l 浏览 器( b r o w s e r ) 交互式地访问该文件描述的虚拟境界。由于浏览器是本地平台提供 的，从而实现了与平台无关性； 3 v r m l 本身是文本文件，采用了“可执行代码技术 ，用a s c i i 文本格 式来攒述境界和链接。即v r m l 本身仅仅定义了在浏览器端应如何渲染的指令， 而不是渲染后的场景，使得v r m l 文件比其他格式的文件小的多。这样充分利 潮了测览器端机器的资源，进一步降低了数据量，在低带宽网络上也可实现文 件的传送； 4 v r m l 允许浏览器为了提高速度性能而降低图象或仿真质量，也可以 在硬件性能增强时提高场景质量。 总之，从目前的技术水平和未来的发展来看，v r m l 正逐渐构成了第二代 w e b 的核心，从国外来看，v r m l 在工程技术、电子商务、教育、交互式娱乐 等领域都有着广泛的应用。焉国内相应的研究应用较少。 2 2v r m l 的语言结构 在v r m l 中，虚拟境界用场景图( s c e n eg r a p h ) 描述i 弪】1 搭j ，场景图的基本单 元称为节点( n o d e s ) ，节点闽以“父子”关系形成层次性结构。节点之间可以通过 事件相互通讯，时间通过路由在场景图中传播。传感器( s e n s o r ) 节点能够检测用 户动作或时间推移，从而产生初始事件，构成交互性和动态行为的基础。利用 脚本( s c r i p t ) 节点可以翻定义行为。内插值生成器( i n t e r p o l a t o r ) 节点实际上是内置 脚本，提供基本动态行为的计算。内联( i n l i n e ) 节点提供了场景之间的链接能力。 原型( p r o t o t y p e ) 类似予程序设计中的函数或对象的封装机制，是种高于节点的 层次结构，为构建面向对象的虚拟境界提供了便利。 1 v r m l 文件是虚拟境界的文不描述，其扩展名为w r l 或w n l 。一个v r m l 文件主要包括四个主要成分：v r m l 文件头、原型、造型和脚本。 其中v r m l 文l 牛头是每一个v r m l 文件所必须的，以标识v r m l 文件。 v r m l 文件还可以包括下列成分：注释、节点域和域值、自定义的节点名、使用 的节点名。 哈尔滨理r 人学t 学硕1 j 学位论义 2 v r m l 中的节点是其最毖本的成分，不同节点的组合构成了虚拟世界 的场景图。v r m l 2 0 共定义了5 4 种节点类型，它们可分为以下七组： ( 1 ) 形状节点：定义几何形体； ( 2 ) 属性节点：定义图形绘制方法； f 3 ) 编组节点：将若干个节点组合成一个节点； ( 4 ) 传感节点：检测用户的行为，提供交互能力和动态行为； ( 5 ) 内插节点：为虚拟世界提供关键帧动画功能； ( 6 ) 脚本节点：使编程人员可以编写自定义的行为； ( 7 ) 其他节点：提供背景、雾化、光照、声音等环境效果，控制场景细节、用 户视点以及提供空闻细节等； 3 利用v r m l 的众多节点，可以设计出复杂的三维物体和虚拟场景。幂| 用形状节点可以生成逼真的三维模型，如b o x 节点、c o n e 节点、c y l i n d e r 节点、 s p h e r e 节点、p o i n t s e t 节点、i n d e x e d l i n e s e t 节点、i n d e x e d f a c e s e t 节点、 e l e v t i o n g r i d 节点、e x t r u s i o n 节点等：通过纹理、光照等属性节点使虚拟世界更 具有真实感，如m a t e r i a l 节点、i m a g e t e x t u r e 节点、p i x e l t e x t u r e 节点、 m o v i e t e x t u r e 节点、t e x t u r e t r a n s f o r i l l 节点、c o l o r 节点等，用于指定三维造型 的材质、纹理等特性；p o i n t l i g h t 节点、d i r e e t i o n a l l i g h t 节点、s p o t l i g h t 节点为 场景提供点光源、平行光源和聚光光源；通过传感节点、脚本节点和路由可以实 现虚拟世界的动画或交互，如s c r i p t 节点、p l a n e s e n s o r 节点、t i m e s e n s o r 节点 世 号芋。 每个节点类型都有零个或多个域( f i e l d ) ，同类型的节点根据域值的不同所表 现出来的形态也不同。通过s c r i p t 节点或路由可以动态实时地改变某些节点域 的值，从纛改变整个或部分场景。 节点可以命名( o e f 语句) ，节点命名后可以用u s e 语句引用。编程人员可 以对任一节点命名，命名以后就可以通过直接引用该名称丽实现相同的造型和 功能，对原使节点的弓l 用又称为实例，原始节点的改变将弓| 起实铡的同一变化。 在v r m l 文件中对于具有相同属性的造型，利用实例来产生不但可以减少数据 量，加快虚拟环境的绘制速度，露且对于场景的组织调试也很方便。， 由于v r m l 具有可以正确表达几何尺寸、材质、动画、交互等信息的节点， 机械设计中的很多要素都可以用v r m l 的节点来进行表达，所以选用v r m l 来作为网络协同枫械设计的媒介是可以实现的。 哈尔滨理1 = 人学下学硕f j 学位论文 2 3v r m l 的场景层次结构 节点按照一定规则构成场景l 羽( s c e n e g r a p h ) 6 ，1 7 1 。场景图某些类节点按照一 定的层次体系组织起来，反映了境界的空间结构。另一类节点参与事件产生和 路由机制，形成路由 ( r o u t e g r a p h ) ，确定境界随时间的变化或用户的操作而动 态变化的方式。如图2 1 所示是v r m l 场景中的第一个层次，如图2 2 所示表 示了v r m l 的三维造型节点的层次关系。 2 4v r m l 的交互功能 2 4 1 触动检测器 在v r m l 中虚拟世界和用户之间的交互是通过一系列的检测器来实现的， 通过这些检测器结点，使浏览器感知用户的各种操作，比如开门等，这样用户 就可以和v r m l 虚拟世界中的三维对象进行直接交互。触动检测器是用来检测 用户的触动动作的，其中包括t o u c h s e n s o r 节点，p l a n e s e n s o r 节点，c y l i n d e r s e n s o r 节点和s p h e r e s e n s o r 节点。 下面主要阐述t o u c h s e n s o r t o u c h s e n s o r 节点创建了一个检测用户动作，并 将其转化后输出，以触发一个动画的检测器。它是用末测试用户触摸事件的检 测器。该节点可以为任何成组节点的子节点，并感知用户对该节点的动作。 其语法结构如下： t o u c h s e n s o r # e v e n t o u ts f b o o li s o v e r # e v e n t o u ts f v e c t 3 f h i t p o i n t _ c h a n g e d # e v e n t o u ts f v e c t 3fh i t n o r m a l c h a n g e d # e v e n t o u ts f v e c t 3 f h i t t e x c o o r d c h a n g e d # e v e n t o u ts f b o o li s a c f i v e # e v e n t o u ts f t i m et o u c h t i m e # e x p o s e d f i e l ds f b o o le n a b l e dt r u e ) i s o v e r 事件出口是用来当用户的鼠标位于被感应得三维对象上方的，将引 发i s o v e r 事件，且该事件值为t r u e 。反之，当鼠标不在被感应的三维对象上 方时，该事件值为f a l s e 。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 劂2 - 1v r m l 场景的第一层次 f i g 。2 - 1t h ef i r s tl e v e lo f v r m ls c e n e 图2 2v r m l 的造型节点层次 f i g 2 2t h el e v e lo fv r m l m o d e ln o d e 哈尔演理t 人学t 学颀 ：学位论文 h i t p o i n tc h a i l g e d 事件出口用来当用户在被感应得几何图形( 有i s o v e r 指定) 上点击鼠标时，发送该值。其值表示对象上点的坐标。 h i t n o r m a lc h a n g e d 事件出口用来当用户在被感应得几何图形( 有i s o v e r 指 定) 上点击鼠标时，发送该值。其值表示对象上点的表面法向量。 h i t t e x c o o r dc h a i l g e d 事件出口用于当用户位于被感应得几何图形( 有i s o v e r 指定) 上点击鼠标时，发生该值。其值表示对象上点的纹理坐标。纹理坐标功能 是v r m l 中很重要的一个功能。我们可以使用这一功能实现像h t m l 网页一样， 在一幅贴图上划分多个区域，然后将每个区域设置各自交互。 i s a c t i v e 事件出口用来当用户点击对象时，检测器被激活，该域值由f a l s e 变成t r u e ；反之当检测器失效时，该域值将由t r u e 变成f a l s e 。 t o u c h t i m e 事件出口用来当i s o v e r 为t r u e ，而i s a c t i v e 为f a l s e 时发送该 事件，所发送的值是系统当前时间。 e n a b l e d 域的值指定了是否激活该检测器。当该域值为t r u e 时，该检测器 允许被用户激活，并产生输出；而当该域值为f a l s e 时，用户无法激活该检测 器。该域值的缺省值t r u e 。 p l a n e s e n s o r 节点，c y l i n d e r s e n s o r 节点和s p h e r e s e n s o r 节点与t o u c h s e n s o r 有很多相似地方在这里就不做详细介绍，如果要了解详情请查阅相关书籍。 2 4 2 感知检测器 除了触动检测器外，能产生交互功能的节点还有感知检测器 1 8 , 1 9 , 2 0 】。与触动 检测器不同的是，感知检测器是感知用户与造型的接近程度。感知检测器包括 v i s i b i l i t y s e n s o r 节点，p r o x i m t i t 3 r s e n s o r 节点和c o l l i s i o n 节点。 下面只介绍v i s i b i l i t y s e n s o r 节点，v i s i b i l i t y s e n s o r 节点用来从观察者角度的 方向和位置感知一个长方形区域在当前的坐标系中何时才是可视的。该节点可 作为任意组节点的子节点。 其语法结构如下： v i s i b i l i t y s e n s o r # e x p o s e d f i e l ds f b o o le n a b l e dt r u e # e x p o s e d f i e l ds f v e c 3 f c e n t e r0 00 00 0 # e x p o s e d f i e l ds f v e c 3 f s i z e0 00 00 0 # e v e n t o u ts f b o o li s a c t i v e # e v e n t o u ts f b o o le n t e r t i m e 哈尔滨理t 人学t 学顾i j 学位论文 托v e n t o u ts f b o o le x i t t i m e ) c e n t e r 域的值指定了当前三维坐标系中的可感知区域的中心三维坐标。该 域值的缺省值为坐标原点。 s i z e 域的值指定了一个检测器长方形区域的尺寸，该域值的三个数值分别 表示长方体区域的宽度，高度和深度。该域值的缺省值为在原点的一个点区域。 2 5v r m l 的事件体系 v r m l 2 0 的交互性和动态能力是通过事件体系实现的【2 1 1 。我们知道，节点 是组成v r m l 场景的基本单元，它的状态由域和事件的取值来决定，域的取值 表达了节点的静态特征，事件则为节点提供了接收外界消息、以及向外界发送 消息的能力，从而可以描述节点的动态特征。 多数情况下，事件只是一个要求改变域值的请求，入事件请求节点改变自 己某个域的值，出事件请求其他节点改变其域值。节点通过事件入n ( e v e n t i n ) 接收事件，通过事件出口( e v e n t o u t ) 发出事件，一个节点的事件出口和另一节点 的事件入口之间用于传递事件的通路称为路( r o u t e t o ) ，通过路由联系起来的 节点称为事件体系。事件体系是场景图除层次体系之外的另一基本部分，通过 事件体系，事件可以引起其它节点的变化，从而形成复杂的动画或交互。事件 由事件值和时间戳组成。时问戳有两个作用。首先，它是描述事件机制按时间 的顺序流程的一种概念装置，虽然理想的时问模型能够按照事件产生的顺序来 处理，但实际上必然存在着处理延迟以及与外部设备的异步交互，通过时i 、日j 戳 可以确保得到确定结果。产生事件的最初原因是环境变化、用户交互或时问的 推移，传感器节点( s e n s e r ) 能够检测到这种变化并发出初始事件。v r m l 定义了 7 种传感器节点类型，包括4 种检测用户操纵指定点设备( 如鼠标器) 的动作传感 器、时间传感器和可见性传感器等。事件一旦发生，就按时问顺序或用户的输 入经过路由传递，目标节点处理事件后又可能产生其它事件。v r m l 定义的6 种插值节点( i n t e r p o l a t e r ) 是一类特殊的事件处理器，它们可以根据给定的关键帧 通过内插输出任意指定的时间片断，利用他们可以设计关键帧动画。此外，还 可利用脚本节点( s c r i p t ) 来产生或处理事件。s c r i p t 节点通过一组脚本描述语言 ( 如j a v a s c r i p t 和v r m l s c r i p t ) 编写的函数