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协同设计中三维信息的发布 摘要 随着设计活动日益向国际化方向发展，企业的合作伙伴甚至同一企业的各个 部门往往在地域上非常分散，这给设计过程中设计人员间的交流造成了障碍。三 维模型是设计人员之间交流的一个重要载体。由于采用v r m l 发布图形会丢失设 计信息，本文提出用v r m l + x m l 对本地三维图形信息进行发布。主要研究内容如 下： 浏览器中动态加载发布的图形，实现浏览器中的三维图形的协同浏览。 用x m l 表示设计过程中的设计信息。 基于子任务级进行任务划分，绑定子任务和描述该子任务的s c h e m a ，实现不 同来源设计信息的集成。 最后，本文给出了一个基于w e b 的协同设计系统原型。 关键词：协同设计，v r m l ，x m l ，信息集成，信息发布 3 di n f o r m a t i o n p u b l i s h i n g i nc s c w a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o no ft h ed e s i g na c t i v i t y ，a c o m p a n y sd i v i s i o n sa n dp a r t n e r sa r eo f t e nl o c a t e da r o u n dt h ew o r l d t h i sm a k e s i t d i f f i c u l tf o rt h ed e s i g n e rt os h a r ei n f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s s o f d e s i g n t h e 3 dm o d e l i sa n i m p o r t a n tm e d i af o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed e s i g n e r s b e c a u s es o m e d e s i g ni n f o r m a t i o n i sl o s t u s i n gv r m l t op u b l i s ht h e3 dg r a p h i c s ，t h i st h e s i s p r o p o s e sam e t h o d ，i nw h i c h v r m la n dx m la l eu s e dt o g e t h e rt op u b l i s ht h e3 d g r a p h i c s t h r e ea s p e c t sa r es t u d i e d ，a s f o l l o w e d ： d y n a m i c a l l yl o a d i n g t h e3 dg r a p h i c si nt h ei e s ot h e g r a p h i c s c a l lb e c o l l a b o r a t i v e l yb r o w s e d u s i n g x m lt op r e s e n tt h ed e s i g ni n f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so f c s c w t h et a s ki sd e c o m p o s e dt os e v e r a ls u b t a s k s t h ed e s i g ni n f o r m a t i o no fd i f f e r e n t s o u r c e si si n t e g r a t e db y b i n d i n g t h es u b t a s kw i t hi t ss c h e m a f i n a l l y ，a np r o t o t y p es y s t e mo f w e b - b a s e d c s c wi sg i v e n k e y w o r d s ：c s c w ，v r m l ，x m l ，i n f o r m a t i o n i n t e g r a t e d ，i n f o r m a t i o np u b l i s h 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f 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弓 过的研究成果，也不包含为获得盒8 9 二! = 些厶堂 或其他教育机构的学仿或证 而侵 j l j 过的材料。与我同一i ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均己任论文中作了明确的| 兑明 并表示谢意。 学位论文作者签名：石j 卒签字日j c | 】：幻年占月弱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒坦工业盔堂有关保留、使用学传论文的规定，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乖l 借阅。本人授权宣 墅：i ：些叁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、 缩印或扫描笛复制手段保存、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 趸囊、年 签字日期山司年6 月邵日 学位论文作者毕业斤去向 r ：作单位： 通讯地址： 导师签名 斗2 签字日期：。上；年月讦日 电话 邮编 致谢 感谢我的导师刘晓平教授三年对我的指导和关心，为我提供了良好的学习 环境。刘老师在学术上有着敏锐的观察力：生活上刘老师幽默风趣、无微不至； 工作上刘老师严格要求，希望我们做得更好。 感谢在科学岛上这段难忘的日子，这里老师和同学的勤奋深深记在我的心 中，这将激励着我今后努力工作，尤其是吴宜灿老师，他敏捷的思维、对待问 题独到的见解，给我留下了深刻的印象。吴老师早上经常第一个到办公室，他 现身教育了我：成绩需要通过努力的工作才能换来。 感谢机械与汽车学院的杜晓荣老师，杜老师和蔼可亲，在学习和工作上给 了我许多有益的建议。 感谢协同设计方面的前辈林宗楷研究员对本人研究工作的指导和建议。 感谢合肥工业大学5 0 8 工作室全体老师和同学们的帮助与支持，尤其是童 莉莉、陈雪源，他们对本课题作出了很大的投入，希望他们以后做得更好。 感谢我的女友张红莉给我生活上的照顾。 感谢过去的日子里所有帮助过我的老师和同学们。 感谢我的父母这么多年来默默劳作，为我所做的牺牲和支持。 感谢逝去的岁月里，所有的泪水和欢乐。明天，我将告别难忘的校园生活， 走上新的工作岗位。 石东华 2 0 0 3 6 i 0 第一章绪论 计算机支持的协同设计是c s c w ( 计算机支持的协同工作) 在产品开发过程 中的一个应用。众所周知，传统的产品设计是以图纸上手工设计为主，设计周 期长，质量不能保证，设计成本高。c a d 技术的出现和发展大大改变了这种情 况，产品设计有了质的飞跃。随着c a d 系统的广泛使用与c s c w 领域研究的 迅速发展，人们正在寻求将c a d 技术与c s c w 技术结合起来，以开发计算机 支持的协同设计系统。 1 1 协同设计概述 1 1 1 协同设计起源 2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家h e r m a n nh a k e n 提出了“协 同学”研究的概念。1 9 8 4 年m i t 的i r c r 地g r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 两位研 究员正式提出了c s c w 概念。起初对于c s c w 的含义、研究的范围和焦点并不 是很清楚，先后有不同的定义，这里我们把“计算机支持的协同工作”定义为： 地域分散的一个群体借助计算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任 务【1 1 。它包括协同工作系统的建设、群体工作方式研究和支持群体工作的相关 技术研究、应用系统的开发等部分。通过建立协同工作的环境，改善人们信息 交流的方式，消除和减少人们在时间和空间上相互分隔的障碍，节省工作人员 的时间和精力，提高群体工作的质量和效率，从而提高企业、机关、团体乃至 整个社会的整体效益和人类的生活质量，如共享文件系统提供的资源共享能力， 电子邮件和多媒体会议系统提供的人与人之间的通信支持功能，工作流和决策 系统的组织管理功能。c s c w 是一个多学科交叉的研究领域，不仅需要计算机 网络与通信技术、多媒体技术等计算机技术的支持，还需要社会学、心理学、 管理科学等领域学者共同协作。计算机协同工作将计算机技术、网络通信技术、 多媒体技术以及各种社会科学紧密地结合起来，向人们提供一种全新的工作环 境和交流方式。 从广义上讲，凡是以计算机及网络为技术支持手段的领域，涉及共享信息 和群体协同工作的应用都可归属于c s c w 的研究范围。目前，c s c w 的应用领 域有： “) 军事应用 ( 2 ) 工业应用 f 3 ) 协同计算机辅助设计 似医疗疲窝 ( 5 ) 远稷教育 ( 6 ) 合作科学研究 ( 7 ) 电予商务与离她、贸爨、金融豹应用 ( s ) 办公自动住( 0 a ) 秘管理倍息系统( m i s ) 瀚薪发袋 鳓电予姣务与各级竣府部门的协调和决繁支持 瓣籍，隧交互式图形系绫聋嚣分糖计算尧烹瓣c a d 系统，仅麓支跨攀个设诗 者的独立设计和人机交互，随着c s c w 的出珊和快速发展，c a d 不仅是一个设 计计算、图形处理和智熊推理工具，也是个支持群体问通讯和协作的“人人 交互”工吴。传统夔c a d 豢绞与支荣c s c w 系统煞送囊翔表1 1 掰零。 装1 ，i 两种c a d 系统的比较 黉绫c a d 系统支黪c s c w 戆c a d 系统 人机交互人。人交互 设计信息化孤硒设计信息共享 竣计毒扶零专监考虑设诗麸多学秘考虑 设计周期长从产品整个蹋期出发，并行设计，周期缀 警然，这种蹙分斡嚣隈不怒穰翡显的，瑷脊的c a d 系统并不楚严格豹属 于哪类。 1 1 。2 秘弱浚诗分类 群体成员之间的协同工终按越闽划分有同步和异步两秘方式；瓷同步方式 下，群俸各成员在同一辩麓避荦亍瓣一任务静协作；在髯步方式下，群体器成员 在不同时间谶行同一任努的协作。按群体成员的地理分布，协同又分成同地协 同和弹地或远程协同。根据菇事数据的位置，协同设计结构可以分为集中式和 复囊l 式：集中式系统结稳楚据象鸯靛共享数瓣耀敖奁中心主税上维护帮簸灌， 而远程用户主机通过共事数据韵本地表示来焱蓉和操纵共享数据，程集中式结 魏中，筵辜数据与零墟袭示是分瓷豹，这缀烂穗薅瑷了接爱毒数攥穗分麓熬骧 则；簸制式怒每一个主机分别维护和处理共享数据的份完整拷贝，当个主 机的按亭数据发生改变时，所有的复制者都必须与之保持一致。 凌c s c w 系统孛，分蠢程不溺越点承攘不嚣予鞣务夔设诗豢之润交互遴缓 和协商要贯穿在整个设计道程中。一般地，我们可 ； l 投据各子任务帮子系统在 各个不嗣设计阶段褶互裁合静紧密程度，把携慰分成松散勰台、中度耦会霸紧 密藕舍 ( 1 ) 松散耦合协同设计模式 各子任务之间的耦合比较松散，松散耦合是协同设计的一种最基本的方式， 往往只要求设计者从一个软件程序中获取数据信息然后作为另一个软件程序的 输入，相互之间的交互较少或没有。 ( 2 1 中度耦合协同设计模式 各子任务之间有中等程度的耦合，在解决问题过程中各子任务之间要进行 信息交流，其耦合相对比较紧密。c a d 协同工具可自动管理各方之间信息的转 换和传输，在中度耦合协同设计系统中可用一个共享数据库作为各子任务间的 通信媒体，但需要解决好数据库访问的冲突问题。 ( 3 ) 紧密耦合协同设计模式 在这种模式中，一个设计任务是按层次结构划分成许多相互间关系密切的 子任务，它们在并行工程的环境中执行。层间是通过接口或代理( a g e n t s ) 进行交 互，各子任务之间不仅有频繁的信息交换，其结果也相互有影响。 1 2c s c w 研究现状 1 2 1c s c w 国外发展概况 国外已经有许多c a d 协同技术的研究和成功产品： ( i ) w e b s c o p e 已开发出完全基于j a v a 的c a d 实时协同产品，设计人员能 在标准浏览器上获得产品二维和三维信息。实现的功能有在线聊天、 2 d 文本和图像注释、3 d 注释、视图旋转、平移和放大等，但它缺乏 三维模型的编辑和修改功能1 2 】。 ( 2 ) s p a t i a l 提供软件组件和服务用于3 d 协同工作、建模和可视化。通过 把现有的软件程序集成到自己的3 d 组件中，就能使协同设计者得到 3 d 模型功能。s p a t i a l 的几何核心是a c i s ，它利用o p e n h s f 3 ds t r e a m 技术解决三维模型网络传输问题，并提供了简单的注释功能1 3 】。 ( 3 ) t e x a s 大学开发的s h a s t r a 是基于c s c w 的几何造型、模拟、查询及设 计原型系统。s h a s t r a 的目标是提供基础几何数据结构和算法，这些算 法支持分布式构造，提供模型属性查询、协同交互、基于冲突检测的 快速计算、用于动态模拟的可视化信息和实时场景显示 4 1 。 ( 4 ) i o w a 大学i n t e r n e t 实验室的k a n g 和g r a d y 提出一个基于w w w 的协同 设计系统总体结构c y b e r v i e w ，它采用v r m l 浏览器，实现分布设计 小组的协同浏览，缺点是该系统只能实现协同浏览，不能进行协同造 型等【5 1 。 ( 5 ) 德国f r a u r d a o f e r 计算机图形研究所( i g d ) 开发出共享三维视图软件 s h a r e d3 d v i e w e r ，其缺点是模型缺乏协同编辑和修改功能 “。c o w o r k 也是f r a u r & o f e r 开发的基于s t e p 标准的协同软件产品，主要用于中小 型金、监鬻络臻瓣凌诗，宅是密欢共髂瑟支持麴e s p r i t 诗麓中豹一部 分。虽然f r a u n h o f e r 协同产品缺乏造烈和编辑修改功能，但是它们已 子1 9 9 8 年l1 月与c o c r e a t e 公司台俘霞提i g d 产鼹艉够融合在 c o c r e a t e 软件中，在1 9 9 9 年它们发布了产品的篇四版本，现在诬在进 行的工传有：搬虚拟现实数据输入到o n e s p a c e 中，在数握转换中尽可 能保证数据的语义完整；装配体零件的交互和感知f 7 j 。 ( 6 ) 英国b r u n e l 大学交互设计研究中心研究开发的c o l l i d e 例，由欺享窗 口和a l i a s 插件缱成，融经能够支持协阏二维绘阁的工菇，如电子自袄 会议支持系统、多用户画板和多用户制图包等，现正在研究协同三维 筷羹环凌。氇 f j 罐篷了释“焚享平台”( s h a r e ds t a g e ) ，a l i a s 稻户在 平台上可以观察三维实体。c o l l i d e 支持动态数据交换，而不改变共享 a 餐数摇，麸鬻实瑗产麓模型瓣癸弱溺菠襄套谗；萁缺点是不支挣漭 同造型，缺少三维持续反馈机制，不能访问异构数据唧。 ( 7 c o c r e a t e 公司软锌产燕包括用予分毒式穆冠产熬开发魏o n e s p a c e ；瑁 于产品模型设计的实体设计( s o l i d d e s i g n e r ) ；用于二维设计的m e t 0 ， 它具衣蹬图积文档功能；粥子分森式产熬信息翻造程管理的 w o r k m a n g e r 。其产品几何核心是o p e nc a s c a d e ，因此模型可以实 现协同编辑和修改，并跳够支持大部分现存的c a d c a m 软件产晶n o 】， 它是哥前协同软件中最为成功的。 国断上对基于i n t e m e t 的计算机协周王作的威用也进行了初步研究，主要目 标是借驹子w e b 靛易予使用霰警台独立等待点将w e b 瀚开放往、c s c w 特点稻 c a d 强大的图形处理功能结台起来。在这类系统中，比较成熟的是由 g m d 一联德交瀚家信惑接术磷究中心。应焉蕊慧技术辚究搿) 戮究稳开发翡 b s c w 系统1 1 1 】，b s c w 的特点怒能在异构环境下提供简单的信息分布服务，现 在该系绞发毒tb s c w s h a r e d w o r k s p a c e 联务嚣。 在b s c w 的基础上，g m d - f i t 又研究和开发了c o o p w w w 1 2 ) 系统， c o o p w w w 系绞是对b s c w 系绞麴扩袋，其嚣瓠是提供鲤综食歇工其，袋人 们在w w w 上进行有效的协同工作，该项目得到欧洲联念委员会( c e u ) 的资助。 这类工住的重点是如何敬善w e b ，戳实现基予i n t e m e t 的c s c w 魔用。 国外对协同设计的研究已缀取得了很大的避展，部分研究成柒已经转化为 商品化软件。 1 2 2c s c w 国内发展概况 国内对于计算祝支持的协同工作的研究始于1 9 9 4 年，研究工作主要檗中在 理论方面，对于具体的协同设计的应用研究较少，至今还没有形成一个商品化 的协同设计与制造软件，主要工作在以下几个方面开展： f 1 ) 中国科学院计算技术研究所c a d 开放实验室对支持c s c w 的数据库管 理进行了研究”“。 ( 2 ) 清华大学史美林、杨光信在其论文中详细地讨论了一个实时协同设计支 撑系统原型c o d e s i g n 的设计与实现中的若干问题【l 。 ( 3 ) 西安交通大学设计出一个基于c s c w 的协同计算机辅助系统一 c o o p c a d ，此系统只是基于a u t o c a d 在二维模型上做了些工作“”。 ( 4 ) 浙江大学何发智用协作支持工具软件c o c a d t o o l a g e n t 改造商品化 c a d ( a u t o c a d ) 系统，提出了开发c s c d 系统的新思路和总体技术路 线，给出了通讯支持、协议、一致性维护、并发控制、协同感知、任务 和角色机制的有效实现方法“。 国内基于w e b 的协同设计主要应用在教学系统、学习系统和协同文本编辑 等方面，并对相关的支持工具和技术进行了论述。浙江大学提出了一个实时协 同编辑系统w r c e s ( w e b - b a s e dr e a l - t i m ec o o p e r a t i v ee d i ts y s t e m ) 。w r c e s 提供 了脑风暴方式下的一致性控制、修改痕迹的保留、多媒体同步交流等功能j 。 文献 1 8 】通过分析现有远程教学系统中协同学习的不足，提出一种新的交互式协 同学习模型，并且对其体系结构和功能进行了阐述。西北工业大学对协同几何 造型技术有较深入的研究，现在正研究以u g 二次开发为基础实现u g 环境下 的实时协同造型和浏览、查询和标注以及模型协同编辑等技术。这些系统大都 局限于同一种c a d 系统平台下。 尽管国内对基于c s c w 技术的协同研究已经多年，但研究重点只是在探讨 计算机支持的协同设计的可行性、协同设计中的设计问题、人员管理、合作与 冲突消除、信息共享和交流等，基本上还没有出现一个成熟的商品化软件。 1 2 3 现有c a d 系统对c s c w 的支持 传统的c a d 商品化软件也对网络功能进行了拓展，如a u t o d e s k 公司在原 有的a u t o c a d 软件中增加了许多网络功能，包括网上发布、现在开会和1 - d r o p 技术等，与i - d r o p 相关的协同设计网站为：h t t p ：w w w a p p o i n t l i n k c o m i d r o p a s p 。 ( 1 ) a u t o c a d 在网络协同设计中的图形发布 在众多的c a d 软件中，a u t o d e s k 公司开发的a u t o c a d 易于使用、功能完 善，受到了设计人员的普遍欢迎，由此a u t o c a d 的d w g 格式成为了二维工程 图事实上的一种标准。虽然d w g 文件可以放置到网上，但在网页中无法直接 浏览图样。a u t o d e s k 公司开发了一种d w f 格式，它虽然也是一种矢量文件， 但与d w g 文件相比，d w f 有以下的特点： 比d w g 格式的文件尺寸小。与相同内容的d w g 文件相比，大小仅有 d w g 文件的1 8 ，很适于网上传输和浏览。 有良好的安全性。d w f 可以嵌入到a u t o c a d 之中，编辑时需要使用 第三方软件进行转换，从而保证了文件的版权。 d w f 不显示渲染效果。它是二维结构的文件，不能表示三维数据。 不支持直接浏览，要下载w h i p ! 插件。对于使用i e 的用户在安装 a u t o c a d 的同时会自动安装a c f i v e x 控件，用于支持d w f 文件的查看。 w h i p ! 插件的下载地址是h t t p ：w w w a u t o d e s k 。c o m w h i p 。 由此看来，d w f 格式是与其他设计人员共享2 d 图形信息的理想方式，对 三维图形信息发布的支持是本论文研究的主要内容。 a u t o c a d2 0 0 2 对协作设计环境支持如下： 使用向导和预定义模板所提供的先进的w 曲发布功能，把设计内容放 置到i n t r a n e t i n t e m e t 上。这些内容包括主题、新的模板和客户化性能， 集成了a u t o d e s k 公司的基于x m l 的i - d r o p 技术。 设计者可以从支持i - d r o p 技术的w e b 站点上抓取内容，并放置到图形 中。 i - d r o p 技术实现过程是这样的：发布图形时用一个x m l 文件进行配置，包 括网页上显示的j p g 图像和关联的d w g 图形等信息，然后在本地设计环境下， 登陆i - d r o p 站点，只要浏览器安装了支持i - d r o p 的插件，就可以拖动图形到本 地a u t o c a d 设计图形中。图1 1 是支持i - d r o p 的w 曲页面；图1 2 是该i - d r o p 样例对应的x m l 配置文件。浏览器的i - d r o p 插件对x m l 文件进行解析，支持 拖动操作。 t ，埘lv 吐s 1 0 i i - 1 0 。， ，茁h 驴n n 口- 。i j c h 聃：- ，i 血o _ ，c h 眠鞠l ， n mh i b - ；h “p “p r d x p 黧眷鎏i ! 然“”“。慧：? ：= ：翟：“r _ “i d l l ”0 p + ”。 op l o m a h i l i c d a t 虻i ，r c 。a a t a ，e l a n i r c l a i n “螂， 船g 嚣篙船“ “m ， n c l t p ：o r k t - 。c ri d d w 。 血蛐蝻“k 日l 晴t 曲t - 士i l e ，砧1 龃c 叫c h 蝴r h i r d r r ，) 世“! p ”t l i m“， i a 。 ，“c “- m 图1 - 1 支持i - d r o p 的网页 图1 - 2 i - d r o p 的x m l 配置文件 其他一些三维c a d 软件公司也逐步向基于b r o w s e s e r v e r 模式转型，如 s o l i d w o r k 和a l i b r e 等，在原有的三维实体造型系统的基础上，重新构建了支持 异地实时协同设计的c a d 系统【1 9 】【2 0 1 。 1 3 论文内容 1 3 1 解决的主要问题 协同设计中三维模型信息的发布是一个与基于w e b 的协同设计、协同浏览 和协同批注密切相关的问题。基于三维模型的协同交流在协同设计中尤为重要。 三维模型的浏览指为了满足设计的需要，设计、工艺、制造、销售等部门人员 甚至客户对三维模型进行观察和分析，以便及早发现设计中存在的问题，提出 改进意见，从而减少返工次数，加快产品的开发。三维模型的批注指设计人员 或其他人员从自己的知识背景出发，对模型提出建议，并将这些建议附加在模 型中，以方便设计人员参考。基于w e b 的协同浏览与批注指在网络环境下，设 计人员与其他人员就三维模型进行实时的交流，参与各方实时地将自己的批注 添加到模型上，与其他成员交换意见【2 ”。 现有的c a d 软件公司大都提供了浏览器支持三维模型的浏览。这些浏览器 的出现，大大方便了设计人员之间的交流，但也有如下不足： ( 1 ) 系统的开放性和可扩展性差，不同c a d 系统之间协作时数据集成问题 突出。 ( 2 ) 不支持实时协同浏览和批注。 采用v r m l 对现有c a d 平台下的设计结果进行发布，可以克服不同c a d 系统问的差异，通过j a v a 3 d 也可以实现实时的协同浏览，但原始c a d 图形转 化为v r m l 后，只保存了用于显示图形的三角面片的信息，丢失了其他的设 计信息，这是本文拟解决的主要问题之一。 1 3 2 课题来源 本文受安徽省自然基金项目( 0 1 0 4 2 2 0 1 ) ，国家自然基金项目共同资助 ( 6 0 2 7 3 0 4 4 ) 。 1 3 3 解决方法和技术路线 本文提出了一种基于w 曲和x m l 的异构c a d 系统间的协同设计框架，研 究了其中三维图形的信息发布，文中采用v r m l 和x m l 作为信息发布的载体， 实现了基于w e b 的协同浏览，重点研究了x m l 在协同设计中的特征表示、信 息集成和数据交换。 1 3 4 章节安排 第一章绪论介绍了协同设计国内外发展概况、三维信息发布在基于w e b 的 协同设计和协同浏览中的问题，同时提出了一种三维信息发布的方法；第二章 对原型系统中应用到的主要技术进行了介绍；第三章提出了基于w e b 和x m l 的原型系统结构；第四章和第五章分别对图形信息发布和附加设计信息发布进 行了阐述；第六章介绍了两个应用示例，分别把原型系统应用到冷冲模设计和 t o k a m a k 概念设计中；第七章对全文做出了总结并对未来的工作进行了展望。 第二章相关技术介绍 协同设计中信息发布涉及到的技术有：与三维信息发布相关的i n t e m e t 技 术、v r m l 、j a v a 3 d 、x m l ；与应用环境相关的t o m c a t 、j s p 、s e r v l e t 、a p p l e t ； 与网络通讯相关的s o c k e t 编程等。 2 1i n t e r n e t 与c s c w w w w 拥有良好的交互界面、可扩展性和平台无关等特性，提供了一个比 较理想的平台环境，例如w w w 可以作为用户接口环境，改善应用程序的用户 接口，因此可以利用w e b 技术构造基于w e b 的传统的c s c w 应用，其做法是 修改或扩展w w w 服务器、w w w 客户浏览器和h t t p 传输协议，以支持c s c w 系统，从而实现i n t e m e t 用户之间的协作。 当前，国际上已对基于i n t e m e t 的c s c w 应用进行了初步的研究，主要目 标是借助于w e b 的易于使用和平台独立的特点给人们提供一个协同工作的环 境。由于w w w 最初是为信息检索而设计的，功能比较简单，所以对高级应用 的支持存在不足之处，因此c s c d 重点是如何改善w e b 以实现c s c w 应用。 ( 1 ) 客户服务器体系结构 w w w 采用的是客户机，服务器的体系结构，如图2 - 1 所示。w e b 浏览器与 w e b 服务器之间的超文本文档服务使用 r r t p 协议。w e b 浏览器作为h t t p 客 户端，它向w e b 服务器发出m 1 p 请求，并接受 响应。w e b 服务器中保存着文档信息以及对其它 服务器上信息的超链接，它的h t t p 服务器接收客 户请求，返回相应的文档信息，必要时激活c g i 、 a s p 、j s p 脚本，动态生成网页，处理客户的请求。 这种集中式的通信模式对于信息浏览来说是 足够并且合理的，但是在对c s c w 的应用上却存 在不足。 c s c w 中有两种通信模式： 图2 - 1 客户佛务器体系结构 第一类是客户服务器结构，数据流主要在客户机和服务器之间进行。两个 浏览器需要相互通信时，可以通过服务端运行的程序进行信息转发，到达另一 个浏览器，这种模式转化为w e b 通信模式比较容易，如图2 2 所示。 图2 - 2c s c w 中客户明日务器通信模式图2 - 3 浏览器之间的通信 另一类是分布式的c s c w 应用，采用集中式通信模式就不能胜任了，比如 多媒体通信时所有数据都通过服务器，会加重服务器的负担，并且数据传送延 迟将显著增大。因此这种情况下必须建立浏览器之间的通信，建立不经过s e r v e r 的直接数据传输通路，提供对这种数据通路的监测和数据传输断连等控制，如 图2 - 3 所示。m i c r o s o i t 公司的n e t m e e t i n g 可以实现浏览器之间的直接交互。 ( 2 ) 超文本技术 w w w 所采用的超文本技术【捌，使用类似于人类思维中的“联想”记忆方 式，表示信息内部的关联性。具体而言，超文本是声、图、文的结合，比一般 的文本具有更强的信息综合表达能力。超文本是支持协同工作的自然工具，主 要体现在以下几个方面： 超文本是声、图、文等多种媒体类型的结合，它在用户之间提供丰富的通信 方式，有利于用户之间的交流。 利用超文本技术，可以实现文件的上传下载，提供文件共享的功能。 基于w e b 页面的邮件系统，聊天系统提供了异步或者同步的协同工作模式。 超文本采用h t t p 协议，可以穿透防火墙，从而协同系统的设计者不必过多 地考虑代理等技术。 ( 3 1 平台独立性 w w w 具有开放性，以及与操作系统平台相互独立的特点。w w w 不依赖 于任何厂商和平台，从高性能工作站到微机平台都有w e b 服务器和w e b 浏览器 软件。w w w 以w e b 作为应用程序与操作系统之间的中介，从而实现平台无关 性。在c s c w 应用中，参加协同工作的成员可能分散在各个地方，他们所使用 的物理网络和操作系统都可能不相同，利用w w w 的平台独立性，很容易解决 c s c w 应用在异构环境下的互操作问题。 ( 4 ) 控制和管理 现在的w w w 基本上没有控制和管理功能，这是和它当前提供的简单信息 访问功r 范( w e b 客户请求倍息，w e b 服务器提供信息) 有关。要想利用w w w 环 境进行多用户之间的协同工作，必须在w w w 中加入控制和管理功能。 2 2 v r m l v r m l ( v i r t u a lr e a l i i ym a r k u pl a n g u a g e ) 是网络三维( w e b3 d ) 技术的一种解 决方案，它是一种比较常用的网络三维技术，我们一般称它为“虚拟现实”。 和所有的w e b 技术一样，v r m l 的历史也不长，它是在1 9 9 4 年由g a v i nb e l l 和m a r kp e s c e 等专家提出来的。 为了实现在网络环境下协同浏览三维模型，需要解决在浏览器下三维模型 的显示问题，目前最常用的模型显示格式是v r m l 文件，它能够在装有v r m l 浏览插件的浏览器下浏览，但是其显示的三维模型缺乏交互功能和文本注释功 能，因此本论文运用j a v a 3 d a p i 技术把模型显示成三维实体模型，以便今后对 其能更好的操作。 ( i ) v r m l 的特点 v r m l 是一种3 d 交换格式，它定义了3 d 应用中的绝大多数常见概念，诸 如变换层级、光源、视点、几何、动画、雾、材质属性和纹理映射等，v r m l 的基本目标是确保能够成为种有效的3 d 文件交换格式。 v r m l 是h t m l 的3 d 模型，它把交互式三维能力带入w w w ，即v r m l 是一种可以发布3 d 网页的跨平台语言。事实上，三维模型提供了一种更自然的 体验方式，例如游戏、工程、科学可视化、教育和建筑，诸如此类的典型项目 仅靠基于网页的文本和图像是不够的，而需要增强交互性、动态效果连续感以 及用户的参与探索，这正是v r m l 的目标。 v 蹦l 提供的技术能够把二维、三维、文本和多媒体集成为统一的整体， 当把这些媒体类型和脚本描述语言( s c r i p t i n gl a n g u a g e ) 及因特网的功能结合在 一起时，就可能产生一种全新的交互式应用。 f 2 ) v r m l 的语言结构 个v r m l 文件主要由文件头、造型、原型和事件路由4 个部分组成，其 中文件头是必须的，造型是对场景中三维物体的建模，事件路由联系各个节点， 产生动画效果。v r m l 中节点有外形节点( s h a p e ) 、几何节点( g e o m e t r y ) 、外观节 点( a p p e a r a n c e ) 、组节点( g r o u p ) 、雾化节点( f o 曲、时间检测器( t i m e s e n s o r ) 、变换 节点( t r a n s f o r m ) 、切换节点( s w i t c h ) 、脚本节点( s c r i p t ) 、碰撞检测节点( c o l l i s i o n ) 和造型节点等。 j a v a 3 d 是s u n 公司1 9 9 8 年底随j a v a l 2 ( j a v a 2 ) 的推出而正式推出的，它是 j a v a 语言在三维图形领域的扩展，是一组a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应用编程接口) 田1 。利用它可以编写网页中的三维动画、三维计算机辅助设计、 辅助教学、游戏、分析仿真和模拟软件等。 j a v a 3 d 程序只能运行在j a v a 2 或更高的版本上，它可以运行在单独的应用 程序上，也可以作为小应用程序似p p l e t ) 运：_ 行在浏览器中。下面主要介绍j a v a 3 d 的场景图数据结构和j a v a 3 d 编程： ( 1 ) j a v a 3 d 的场景图数据结构 三维图形技术鼻祖是s g i 公司推出的o p e n o l 三维图形库，j a v a 3 d 是在 o p e n g l 基础上发展起来的，因而和o p e n g l 有相同的数据结构，也就是场景图。 j a v a 3 d 场景图d a g ( d i r e c t e d a e y c l i cg r a p h ) 具有方向的不对称性，类似于一棵大 树，上面有许多树权，但这些树权并不是左右对称的。j a v a 3 d 的场景图中有许 多线和线的交汇点，称作节点( n o d e ) ，不管什么节点，都是j a v a 3 d 类的实例， 线表示各对象之间的关系。j a v a 3 d 场景图中，最底层的节点是v i r t u a lu n i v e r s e ， 每一个场景图只能有一个v i r t u a lu n i v e r s e 。 在v i s u a lu n i v e r s e 上面，就是l o c a l e 节点，每个程序可以有一个或多个 l o c a l e ，但同时只能有一个l o c a l e 处于显示状态，就好象一个非常大的三维世 界，有很多个景点，但我们同时只能在一个景点进行观察，当然我们可以从一 个景点跳到另一个景点，不过绝大多数程序只有一个l o c a l e 。每一个l o c a l e 上 面拥有一个到多个b r a n c h o r o u p 节点。要想建立三维应用环境，必须建立所需 要的形体( s h a p e ) 、形体的外观( a p p e a r a n c e ) 及几何信息( g e o m e t r y ) ，再把它们摆 放在合适的位置，这些形体及其摆放位置都建立在b r a n c h o r o u p 节点之上，摆 放位置通过另一个节点t r a n s f o r m g r o u p 来设定。另外，安放好三维形体之后， 还需要设定具体的观察位置，一般用v i e wp l a t f o r m 代替，它也是建立在 t r a n s f o r m g r o u p 节点之上的，如图2 - 4 所示。 g0 弹n 懈 _ _ 密哪 、l 三i 帅瓣 1 “1 n 、h f _ 一一， l ，。- - - - 1 - - - 一 乙一 把j a v a3 d 实体对象放置到一个场景图形数据结构中，该场景图利用树状结 构组织对象，指定了虚拟场景和渲染的方式。 j a v a 3 da p i 是具有三维图形渲染和声音渲染的系统接口。程序员可以很方 便地利用j a v a 3 da p i 在虚拟场景中产生和操作大到宇宙、小到原子的3 d 几何 实体，并对它们进行渲染。利用j a v a 线程，j a v a 3 d 可以并行渲染实体。j a v a 3 d a p i 在j a v a x m e d i a j 3 d 类包中定义了1 0 0 多个类，利用这些类可以构造出基本 三维实体以及场景，因此它们是j a v a 3 d 的核心类。在c o m s u n j 3 d u t i l s 类包中 2 定义了j a v a 3 d 的工具类，它主要的作用是协助核心类构造场景图，例如它能够 生成基本实体( 如块、球、锥体等) 。j a v a x v e c m a t h 类包定义了一些用于三维场 景科学计算的类。 j a v a 3 d 提供的a p i ，包含了所有需要的编写j a v a 三维多媒体应用程序的 基本类及方法。编程时只需调用所需要的类及方法，就可以快速地编写出复杂 的三维多媒体应用程序。根据其作用，j a v a 3 d 所提供的类主要有两种类型：n o d e 和n o d e c o m p o n e n t 。n o d e 类含有g r o u p 及l e a f 两个子类：g r o u p 类，用于将 形体等按一定的组合方式组合在一起，类似于v r m l 的组节点；l e a f 类( 如 l i g h t 、s o u n d 、b a c k g r o u n d 、s h a p e 3 d 、a p p e a r a n c e 、t e x t u r e 及其属性等，还有 v i e w p l a f f o r r n 、s e n s o r 、b e h a v i o r 、m o r p h 、l i n k 等1 类似于v r m l 的相应节点， 是j a v a 3 d 场景图的重要组成部分。n o d e c o m p o n e n t 类用于表示n o d e 的属性， 它并不是j a v a 3 d 场景图的组成部分，而是被j a v a 3 d 场景图所引用，如某一个 颜色可以被多个形体所引用，因此在数据结构上，j a v a 3 d 与v r m l 几乎一一对 应，都具有一定的造型能力和交互性。但在j a v a 3 d 核心类中没有基本形体类， 因而在程序中无法直接生成经常使用的一些基本形体，如b o x 、c o n e 、s p h e r e 等。解决方法是通过调用j a v a 3 d 提供的u t i l i t yt 具类，生成基本形体，主要有 b o x 、c o l o r c u b e 、s p h e r e 、c o n e 、c y l i n d e r 等。此外，s u n 公司还提供了一个 v r m l 9 7 j a r 开发包，可以在j a v a 3 d 中直接调用v r m l 图形。目前越来越多的 三维图形软件都可以输出v r m l 格式的图形文件，这样解决了j a v a 3 d 在复杂 三维场景建模中的不足，本文涉及到的主要是j a v a 3 d 的交互式编程。 2 4 x m l ( 1 ) x m l 简介 x m l 是一种公开的格式，是由“万维网联盟”于1 9 9 6 年开始研制的，该 联盟的“标准通用标记语言”( s g m l ) 的编辑委员会开发了这一技术。x m l 有 两个先驱，s g m l 和h t m l ，这两个语言都是非常成功的置标语言，但是它们 都在某些方面存在着与生俱来的缺陷。s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u p l a n g u a g e ) 的全称是标准通用置标语言，它为语法置标提供了异常强大的工具， 具有极好的扩展性，因此在分类和索引数据中非常有用，但是s g m l 非常复杂 并且价格昂贵，几个主要的浏览器厂商都拒绝支持s g m l ，使s g m l 在网上传 播遇到了很大的障碍。相反，超文本置标语言h t m l ( h y p e r t e x t m a r k u p l a n g u a g e l 免费、简单，在世界范围内得到了广泛的应用，它侧重于主页表现形式的描述， 大大丰富了主页的视觉、听觉效果，为推动w w w 的蓬勃发展、推动信息和知