（机械制造及其自动化专业论文）同时异地协同设计网络平台的实现.pdf

同时异地协同设计网络平台的实现 摘要 计算机支持的协同设计是c a d 技术发展的一个重要方向。在协同设计中， 各设计人员利用各自的设计工具进行产品开发，利用网络平台，设计人员能够实 时交流，保证设计过程中产品信息模型之间的合理性和一致性，达到加速产品开 发的目的。 在四种不同的协同形式中，实现同时异地协同设计的技术难度最大；在不同 的协同设计对象中，实现面向三维实体模型的协同设计难度最大。本文采用虚拟 现实建模语言和j a v a 技术，实现了三维实体模型在网络中传输和协同浏览；通 过j a v a a p p l e t 技术，将电子白板工具嵌套至网页中去，协同设计者可以利用 电子白板召开网络会议，对设计方案展开实时讨论，对二维图纸及技术文本进行 协同浏览和交互式批注；结合j s p 技术和网络数据库技术搭建了协同设计平台， 实现了设计者之间的信息共享、产品信息管理等功能，初步实现了同时异地协同 设计功能。 关键词：协同设计，虚拟现实建模语言，电子白板，交互式操作，实时性 i m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n o u s - m u l t i a d d r e s sc o l l a b o r a t i v e d e s i g no nn e t w o r kp l a t f o r m a b s t r a c t c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni s a l l i m p o r t a n tt e n d e n c yi nt h e d e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g y i nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n , t h ed e s i g n e r su s et h e i ro w n d e s i g nt o o l sf o rp r o d u c td e v e l o p m e n t , u s en e t w o r kp l a t f o r mt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o n r e a l - t i m e l y , t ok e 印t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nr a t i o n a la n dc o n s i s t e n td u r i n gt h ep r o c e s s o fd e s i g na n da c c e l e r a t et h ep r o d u c td e v e l o p m e n t i na l lf o u rc o l l a b o r a t i v ed e s i g nf o r m s t h ei m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n o u sa n d m u l t i a d d r e s sc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sm o s td i f f f i c u l t c o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t l l t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l si sm o r ed i f f i c u l tr e a l i z e dt h a nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w i t hs o m eo t h e r ss u c ha st e x tf i l e s a d o p t i n gv i r t u a lr e a l i t ym o d e l m gl a n g u a g e ( v r m l ) a n dj a v at e c h n o l o g y , t h et r a n s m i t t i n ga n dc o l l a b o r a t i v eb r o w s i n gi nn e t w o r ko ft h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l sw e r er e a l i z e di nt h i s t h e s i s b ym e a n so f ) 斟ka p p l e tt e c h n o l o g y , w h i t e b o a r dt o o lw a sp l u g g e di n t ot h ew e b s i t e ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n e r sc a l lu s et h e w h i t e b o a r dt ol a u n c hi n t e r a c tc o n f e r e n c e ，d i s c u s sd e s i g np r o g r m - ur e a l - t i m e l y , b r o w s e a n dl a b e lt w o d i m e n s i o n a l g r a p h i c s a n dt e c h n i c a lf i l e s c o l l a b o r a t i v e l y a n d i n t e r a e t i v e l y w i 廿lj s pt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kd a t a b a s e ac o l l a b o r a t i v ed e s i g n p l a t f o r mw a sb u i l tf o ri n f o r m a t i o ns h a r i n ga n dm a n a g e m e n td u r i n gc o l l a b o r a t i v e d e s i g n 1 1 1 es y n c h r o n o u s m u l t i a d d r e s sc o l l a b o r a t i v ed e s i g nh a sa c h i e v e do ns u c ha n e t w o r kp l a t f o r mp r e l i m i n a r i l y k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e w i l i t e b o a r d ， i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n ，r e a l t i m e 插图清单 图2 - 1s h a p e 节点层次图1 0 图2 2v r m l 场景图1 1 图2 - 3v r m l p a d 的工作界面1 3 图3 - 1i 0 流工作的流程图1 7 图3 2j a v a 中的v o 流衍生关系图1 7 图3 3 套接字使用流程图1 8 图4 - 1网络协同设计平台系统总体功能模块图2 0 图4 2 星形网络拓扑结构2 l 图4 3c s 模式应用2 2 图4 4b s 模式应用2 3 图4 5b s 三层结构模式的协同设计平台体系结构示意图2 4 图4 6电子白板功能结构示意图2 6 图4 - 7 电子白板工作界面3 2 图4 8m 浏览器设置图3 3 图4 9p r o e n g i n e e r 输出的v r m l 场景结构3 5 图4 1 0 三维c a d 浏览效果图3 8 图4 一1 1j a v aa p p l e t 借助e a i 访问v r m l 虚拟环境4 0 图4 1 2j a v a a p p l e t 动态控制v r m l 场景4 4 图4 1 3 协同浏览网络结构图4 5 图4 一1 4 系用的访问控制流程4 8 图4 1 5j a v a 输入输出类层次图4 8 图4 - 1 6 用户注册界面5 0 图4 - 1 7 设计协作网协同设计团队组建过程图5 0 表格清单 表2 - 1虚拟现实技术的比较8 表3 - 1 a p p l e t 程序与a p p l i c a t i o n 程序的区别1 6 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 金胆王些盘堂 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做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：笛 签字日期：弘四年f j 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些盔堂有关保留、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阅。本人授权金匿 王些太堂可咀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 签字日期： 筘7 年f ) 月f 和 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：9 年p 月箩日 电话 邮编 致谢 研究生阶段的学习生活即将结束，在导师吕新生教授的悉心指导下，我得以 顺利地完成硕士研究生毕业论文。吕老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识 以及丰富的实践经验使我受益匪浅。在攻读硕士学位期间，我所取得每一点进步 都离不开导师的指导和帮助。在这两年多的时间里，吕老师在学习和工作等诸多 方面给予我极大的帮助，值此论文完成之际，谨向我的导师表示最衷心的感谢和 崇高的敬意! 感谢张晔老师对我的帮助和指导，特别在做课题期间，对课题的研究提出了 相当宝贵的意见! 感谢c a d c a m 中心的陈科老师，王晓枫老师，曹文钢老师在研究生期间 给予我的指导和关怀! 感谢周志斌，李刚，冯敏亮，刘亚东，蔡振，石作维，韩燕等同学对我研究 工作的帮助! 感谢我的父母和家人，感谢他们这么多年对我的关怀和支持! 感谢他们为我 无私的奉献! 作者：张锦权 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 制造业信息化 第一章绪论 随着经济全球化、市场国际化、贸易和投资自由化以及现代科学技术的发展， 2 l 世纪制造企业的产品制造变成了一个非常复杂且信息量庞大的过程，包括产 品的设计、生产制造、资源供应、销售与服务、财务核算与控制和经营决策等主 要过程和活动。这些过程又可进一步分解为许多子过程和功能域，子过程还可以 逐级逐层细分为粒度更小的子过程，直至不能分解或满足需要为止。而且，全球 化的制造企业内部各组成部分之间、企业与外部实体之间时刻发生物质、能量、 信息和知识的交互。因此，制造系统中的组织、资源、信息、过程、控制和功能 结构具备非线性、时变性、突发性和不平衡性、分散发布性等许多复杂特征且包 括巨大的信息量。通过传统的运行模式、控制策略和制造系统来缩短企业新产 品的开发时间、提高产品质量、降低成本、改善服务，将很难实现。 为了经营管理好制造企业，长期以来，人们从不同的应用领域、不同的视角、 不同的侧面、不同的需求和不同的深度来认识制造企业、研究制造企业的信息化 问题，推出了各种各样的概念和应用系统，如产品设计方面的p d m 、c p c 、v m 、 r p 、d f x ，企业资源管理方面的e p r 、s c m 、c r m ，企业业务过程方面的b p r 、 w f m s ，以及并行工程c e 等，大大促进了制造业的发展进步。但是，这些研究和 应用系统也给制造企业信息化工程带来了一些问题。不同的研究和开发人员在对 制造企业进行分解、简化、抽象化、抽象过程中的出发点不同，目标不同，解决 方案不同，采用的技术不同，较少考虑于其他应用系统的协调和相互支持。而且， 相关制造企业的知识、约束和规则等封闭在应用软件内部( 如p d m 、e p r 软件) ， 而不是存储在知识库里，一旦这些知识、约束和规则发生较大的变化，应用软件 可能无法适应变化后的要求1 2 j 1 4 】。 要从根本上解决制造业企业面临的这些困境与挑战，制造业应该从信息化入 手，通过高新技术与传统产业的相结合，振兴传统的制造业，同时推动信息化产 业不断走向成熟。通过网络这种载体，不仅企业提高了自身快速反应的能力，同 时企业在市场机遇的作用下通过联合其它一些能够适应环境变化的企业组成动 念联盟( 或虚拟企业) ，发挥各自的核心优势，迅速开发新产品，敏捷地响应市 场需求，达到双赢的目标。随着计算机性能的提高和网络技术的发展，作为一个 新兴的研究方向，计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ， c s c w ) 正受到越来越多的重视，至今己成为发展最快的研究方向之一。 1 2 计算机支持的协同设计 以前完成一项工作可能只要个人或几个人就能胜任，随着社会的发展和科技 的进步，各种工作变得越来越复杂，现在与以前大不相同了，几乎每项工作的完 成都是许多人智慧的结晶。因而在计算机科学和网络通信技术日益成熟的当今信 息社会，人们工作的特点具有群体性、交互性、分布性和协作性。因此协同工作 在当今社会就变得日益重要，协同工作中目的在于如何提高整个工作的效率。计 算机支持的协同工作技术和系统的发展正是适应了上述特点应运而生的，因此被 认为是未来社会中广泛采用的协同工作技术。 作为计算机支持协同工作c s c w 的一个重要应用领域，计算机支持协同设 计是一种快速设计方法，是并行工程和敏捷制造的有机组成部分。它是以集成、 并行的方式设计产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) ，力求使产品开 发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理 的所有因素，包括质量、成本，进度计划和用户的要求。然而就某一具体机械产 品的设计而言，它涉及的范围是非常广泛的。机械设计的对象往往是一个复杂的 系统，需要多专业，多学科人员的参与。设计工程师的主要任务是根据市场和客 户的需求，运用自己的经验、知识、见解给出一个好的或较好的解答。所以他们 的技术水平、知识背景、计算和认知水平等都会对设计的质量和水平产生巨大的 影响，因此整个在设计过程中需要得到工艺师、质量师、财务分析人员、生产计 划人员以及市场供应、市场管理人员各方面协同工作p 1 。对于一个好的产品设计 而言，设计师创造性地引入其他领域的设计意图和方法往往是机械设计得以成功 的关键所在，而计算机支持协同设计可以很好地帮助设计师来来获取在设计中需 要的其它的方面的知识和信息。 依赖于网络的计算机支持协同机械设计是制造业界在最近几年中研究的重 点课题之一，它涉及到计算机支持协同工作、并行工程、专家系统、网络技术、 仿真技术和c a d c a p p c a m 技术等。随着计算机科学和网络通信技术的发展， 计算机支持协同设计技术也处于不断的研究和发展之中，当然，它尚待解决的问 题仍然还有很多。 1 3 计算机支持的协同设计国内外研究现状 c s c w 的研究，最早始于二十世纪六十年代，并且诞生了世界上第一个实 验系统n l s a u g m e n t , 虽然该系统仅支持终端连接、电子邮件传递、文件共享 等基本功能，但系统设计者e n g l e b a r t 第一次提出并实现了超级文本( h y p e rt e x t l 概念。超级文本的内部含有文本、动画、图形、声音和视像等各种交叉调用的数 据类型，使得用户可以从文本中的一个题目跳转到另一个题目。到7 0 年代中期， 2 在美国s t a n f o r d a i l a b 建立了个支持视频、声音、文本、图形等多种媒体的c s c w 环境，并将其命名为电视会议( t e l ec o n f e r e n c e ) ，但由于巨大的存贮开销和极其昂 贵的通信媒体，以及通信速度的低下和数据压缩技术的落后，该系统的多媒体功 能十分薄弱。 到了8 0 年代，和c s c w 相关的计算机技术、网络技术、多媒体技术、数据 压缩与存取技术、通信技术、分布与并行处理技术等都有了长足的进步，同时由 于指导多媒体技术和c s c w 技术的人机交互( h c i ) 理论的逐渐成熟，大大地推动 了c s c w 技术的发展。1 9 8 4 年m i t 的i r e n eg r e i f 和d e c 公司的p a u lc a s l l m a n 两位研究员组织了个由来自不同领域的2 0 个科研工作者组成的工作组，共同 讨论和探索如何发挥技术在协同工作中的作用问题，并第一次正式提出了计算机 支持协同工作c s c w 的概念。它的提出和实现将从根本上改变人们传统的工作 方式和生活方式。c s c w 自从1 9 8 4 年i r e n e gr e i f 和p a u lc a s h m a n 两位研究员提 出以来，还没有一个公认的定义。b a n n o n 和s c h n i d t 在1 9 8 9 年提出的c s c w 定 义为：”c s c w 应致力于研究协同工作的本质和特征，并以此为基础来设计出具 有足够的计算机技术支持的协同工作的信息系统。也有学者认为c s c w 是“在 计算机技术支持的环境中，一个群体协同工作完成一项共同的任务”。就一般而 言，c s c w 是指某群体中的人们在计算机的协助下执行某项共同的任务，并为他 们提供一个共享环境的界面【”。无论定义形式如何，c s c w 主要包含以下几个要 点： ( 1 ) c s c w 与所谓的群体通信有关，但不包括所有的群体通信，而仅仅与以 计算机为基础的群体通信有关。 ( 2 ) 群体中的人们是为了执行某项共同的工作而临时形成的一个虚拟的组织 或虚拟的小组，任务完成后，这个群体就不复存在，当产生另外一个任务时则形 成另外一个群体。 ( 3 ) 在执行共同的任务时，涉及的是一个与共享的工作空间或共享的环境界 面有关的应用，即与专业应用有关，而与私人应用无关。 美国和欧洲等工业技术发达国家都对c s c w 的研究和应用给予了高度重视。 美国a c m 于1 9 8 6 年1 2 月在t e x a s 组织了一次国际性c s c w 学术会议集中了社 会学、人类学、计算机科学、办公自动化、决策系统研究学者，人员因素( h u m a n f a c t o r ) 学者和编制设计者等多方面的专家，研讨人类群体工作的特性及计算机 和网络通信技术对群体工作的可能支持。1 9 8 9 年欧洲学者们在伦敦召开了第一 届欧洲c s c w 国际会议e c s c w 8 9 ，以后这两个代表最高水平的国际会议每年在 北美和欧洲交替举行。美国波音公司也把c s c w 用在研制和生产波音飞机的过 程中并实现了全部网络化的无纸生产。不但在设计过程中，而且包括第一线的制 造过程都在计算机信息系统的统一管理下，实现各部门和工种之间的协同工作， 极大地提高了工作效率和产品质量。欧洲e u r o c o 0 p 项目也是为了开发能支持 分布式协同工作的系统。目前，c s c w 方面的研究可以归纳成两大部分：一部分 是开发支持c s c w 的通用技术，其中包括建立e u r o c o o p 操作协调模型( 操作协 调工具包l e a c t ) ，以及把c s c w 技术用于协同设计的e u r oc o d e 计划；另一 部分是把c s c w 技术用于大型的工程项目，其中一个例子就是在g r e a tb e l t 桥梁 隧道工程中的应用，这是一个包括连接冰岛的l l a l s s k o v 到s p r o g 以及丹麦的哥 本哈根等地的铁路、桥梁和隧道工程。在这个工程的组织、设计、施工、质量管 理以及建成以后的运行和维护等方面都应用了c s c w 技术，从而使工作的质量 和效率都有了极大的提高【4 l 【“】。 国内在协同设计环境的开发与应用相对于欧美工业发达国家来说还落后一 步，国内一些重点高校和研究所在协同工作环境开发方面取得了许多研究成果， 但开发的系统大多知识原型系统和环境，至今在制造业领域还没有一个可以商业 化的产品的数字化协同和交互设计环境，仍不能满足制造企业产品的数字化协同 和交互的需要。 1 4 计算机支持的协同设计的特点及其核心问题 1 4 1 计算机支持的协同设计的特点 c s c w 是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，它包括群体工作方式研究和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，改善人们进行信息交流的方式，消除 或减少人们在时间和空间上相互分割的障碍，从而节省工作人员的时间和精力， 提高群体工作质量和效率。其实质和目的是利用多媒体计算机和通信技术建立一 个协同工作的环境，在此环境中人们可以相互合作，对同一产品进行共同开发、 对同一专题进行共同讨论或对同一数据进行协作处理等。因此，c s c w 的基础是 以数据、图像和音频信息为特征的多媒体通信，核心目标是支持多个用户的协作 工作。c s c w 需要从理论上和技术上研究和解决人们是如何进行群体合作以及应 提供什么样的技术手段帮助人们进行合作。c s c w 具体特性如下【1 0 1 ： ( 1 ) c s c w 以多媒体方式通信交互，具有较高的实时性： ( 2 ) c s c w 具有并发处理和控制功能，可实现设计者之间数据和信息的共享； ( 3 ) c s c w 具有良好的人一机接口和人一人接口，用户通过接口完成协同感 知，了解协同操作的具体流程。 1 4 2 计算机支持的协同设计的核心问题 协同设计的核心问题主要是设计的数据能够实时的传输给其他的设计者， 能够对设计的文件，作出及时的调整，因此信息的时空特征与协同通信群体成员 4 间协同工作必须相互交流信息，这就需要在成员间传输信息。传统的管理信息系 统中，设计者之间的信息通信主要是简单的数据通信。而在群体中，信息通信必 须考虑“协同”问题。 从协同双方主体的时空位置来说，协同可分为同地同时、同地异时、异地 异时、异地同时四种方式，这里的“时”指协同操作发生的时间，而“地”是指 协同发生时协同双方的终端位置，可以简单地理解为：一地就是指一台计算机终 端： ( 1 ) 同地同时方式指协同双方在同一时间且同一地点( 同一台计算机上) 进 行同一任务的合作方式，双方面对面地共同决策、共同编辑、共同设计，几乎不 需要计算机对协同进行支持。 f 2 ) 同地异时方式指在同一地点( 同一台计算机上) 但不同时间进行同一任 务的合作方式，即轮流作业，此时主要需要计算机通过版本管理对协同进行支持。 ( 3 ) 异地异时方式指在不同地点且不同时间进行同一任务的合作方式，需要 通过网络传输设计文档并解决版本管理问题。 ( 4 ) 异地同时方式指在不同地点但同一时间进行同一任务的合作方式，这种 方式实现起来比较困难，主要是因为同时异地协同设计需要有能够支持实时协作 的环境，此时计算机不仅仅是设计自动化的资源，同时也是协作的媒介。 在异地同时协同设计中，以图形文件为处理对象的协同设计又比以文本文件 作为处理对象的协同设计难以实现，主要因为由于图形协同设计需要实时的传输 图形数据，图形文件传输的数据量大，数据结构复杂，同时还要解决协同设计中 的设计者协同浏览，协同批注等问题。 本课题选择异地同时协同设计作为研究对象，解决设计者面向二、三维图形 文件协同设计的问题，由于版本管理已有成熟的软件实现方法，本文将不再涉及。 1 5 本课题的研究目的以及主要内容 随着计算机科学和网络通信技术的发展，我国大多数制造企业的各部门都配 备了电脑和建立了相应的局域网络，并且有很多单位也实现了局域网与国际互联 网的连接，但是却没有很好地发挥它们的作用。本文的研究目的是为企业之间实 施协同设计，提供交互式，可视化的网络设计平台，使各单位充分利用以往的成 功的设计经验，综合考虑产品设计过程中各方面的因素，降低设计成本，加速新 产品的设计过程，并利用现有的发达的网络资源，使得处于协同设计中的各单位 在同一平台上对产品实施浏览、设计与修改的行为，为新产品的开发提供优化决 策支持，因此开发的协同设计平台应该具有以下特点： ( 1 ) 设计过程并行化，有利于知识集成与产品创新。为了提高企业的创新能 力，减少设计的成本，缩短产品设计的周期，在产品设计过程中采用并行工程的 思想是必要的。该系统可以实现产品设计过程的并行化和上下游工作人员协同工 作。它不仅能使企业不同层次的员工参与产品的设计过程，而且还能够更广泛地 把企业外各方面地专业人才纳入到设计队伍中来，这对于经验与知识的集成对于 创新概念与新产品创意地产生非常有意义。 ( 2 ) 硬件设施简单，运行地成本低，易维护。客户端不需要进行任何的安装 与配置，所有的维护与升级工作都是在服务器端进行，便于运行，实施简单。 ( 3 ) 本系统采用的是j a v a 语言开发，开发的设计平台可以跨越不同操作系统 的限制，不但可以集成w i n d o w s 平台的应用软件，还可以集成l i n u x 等操作 平台下的应用软件，具有较强的兼容性。 ( 4 ) 系统的可利用性高，用户端具有较大的灵活性。由于系统的客户端采用 的标准浏览器技术，用户只需要具有宽带上网的条件，有能支持j a v a 的浏览器， 就可以参与产品的协同设计过程，因而系统的可利用性高，用户的灵活性大。系 统的使用不受地域的限制，有利于客户直接参与其定制的产品的异地协同设计过 程。通过以上的讨论，本论文的研究工作主要围绕以下方面的工作进行： ( 1 ) 综合国内外协同设计技术的研究内容、研究现状及方法，阐述本课题的 研究意义及目的，确定同时异地协同设计系统的实现方法； ( 2 ) 深入了解基于虚拟现实技术，利用v r m l 方法，实现三维实体模型的在 网络中发布：同时结合v r m l 和j a v a 技术，实现协同设计者在网络上的协同 浏览三维模型；通过j a v a a p p l e t 技术，将电子白板工具嵌套至网页中去，实 现协同设计者，展开网络会议，对设计方案展开实时讨论，同时对三维模型相应 的二维模型进行协同浏览，批注。 ( 3 ) 构建异地协同设计网络化平台，发布产业动态，公布设计的基本信息， 寻求设计团队组建的设计者。 ( 4 ) 开发产品协同设计的数据库系统，要求数据库中存储v r m l 模型文件， 二维图形文件，存储设计任务说明的文本文件以及其它文件。 6 第二章虚拟现实与v r m l 技术 2 1 虚拟现实技术与v r m l 语言 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) 是2 0 世纪末发展起来的- - 1 7 涉及众多学科的 高新技术。它集计算机技术，传感与测量技术，仿真技术，微电子技术于一体。 理想中的虚拟现实技术是利用这些方面的技术，通过计算机的虚拟环境，使用户 产生身l 临其境的感觉，并可实现用户于虚拟环境直接实现交互。虚拟现实技术作 为一种新兴技术，引起了广泛的重视，它不但是真实世界的再现，甚至可以用来 构造想象中的世界。 传统意义上的虚拟现实意味着用户必须借助头盔( h m d ) 、数据手套等复杂 设备以及一整套复杂的软件系统的支持，才能进入虚拟境界，获得沉浸式体验。 实现传统的虚拟现实需要极高的软硬件支持，所产生的数据量极大，而且只能是 单平台的。现阶段，数据带宽是营造具有丰富媒体w e b 的最大障碍，这个意义 上的虚拟现实并不适合网络的需要，国外从1 9 9 4 年起就开始了适合网络虚拟现 实技术的研究，并提出了很多的解决方案，目前关于网络上的虚拟现实有以下几 种实现方法悼j ： ( 1 ) 利用v r m l 构建虚拟世界； ( 2 ) 利用3 6 0 度全景图来实现； ( 3 ) n 用a p p l e 公司的q u i c k t i m e v r 来实现； ( 4 ) 利用j a v a 3 d 技术实现； 以下几种方法各有优缺点，如表2 1 中列出了几种方法的比较 方法公司平台特点成本 v r m l工业标准 u n i x ,文本文件，文件小；同时制作模型和相 n t 提供了空间点、线、面及应开发投入的 w i n d o w s ，实体的多种构造方法；多成本，浏览器插 l i n u x样化的材料定义和光照件。 定义保证了模型的真实 感；传感器则提供了人机 交互及节点问路由的能 力可以嵌入程序脚本制 作模型和相应的开发，投 入的成本低。 3 6 0 度全景图c 0 0 1 3 d ， w i n d o w s 由多个角度的二维的图需专门软件，以 s k y p a i n t 等制 像，经过一些处理如拼及制作图片的 作软件接、融合而成。缺乏交互费用。 性不易更改。 q u i c k t i m e a p p l e 公司 w i n d o w s 实际上为视频格式，难以需专门软件制 v r 制作，交互性不好。作，客户端需要 浏览器于插件。 ja _ r a 3 ds u n 公司 u n i x , n t j a v a 的一组三维a p i ，需需作人量的编 w i n d o w s 要从底层开发，目前功能码工作，工作量 较弱。大，需要j a v a 解释器。 2 2v r m l 语言的特点 表2 - 1 虚拟现实技术的比较 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ，即虚拟现实语言，其作用就是用 来创建虚拟现实场景，用户可以通过浏览器，在计算机网络上看到逼真的三维立 体世界。作为一种通用的网上描述三维物体和场景的标准文件格式，它本身的定 义是适合描述三维物体的，为实现协同设计，描述机械零部件的文件需要有此特 定的功能。v r m l 的特点适合于机械设计的特点，发挥v r m l 的功能以完成机 械设计的功能，是应用v r m l 的基础。 v r _ m l 的工作原理是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，而把复杂的处理任务交给本地计算机从而减轻了网络的负荷，v r m l 具有 一些适合网络的特性【州： ( 1 ) v r m l 文件的一个重要特性是能够通过内联式( i n l i n i n g ) 和外联式 ( h y p e d 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 的访问方式是基于客户n 务器模式的，其中服务器提供v r m 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 ) 、声音( 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 f 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 式来描述境界和链接。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 用了浏览器端机器的资源，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 附l 正逐渐构成了第二代 w e b 的核心技术之一，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。 2 3m r m l 文件的结构 v r m l 文件是虚拟空间的文本性描述。它是一个包含由文本编辑器或字处 理器生成文本的文件，也可以使用编辑三维空间的应用程序或将其他图形文件转 化为v r m l 的工具来创建它。v r m l 文件名以扩展名w r l 结尾，表示这是一个 包含v r m l 空间的文件，人们通常将v r m l 文件视为空间。在使用v r m l 浏 览器阅读一个v r m l 文件时，它将建造一个文件中描述的空间，而当在这个空 间中运动时，浏览器将绘制或显示这个空间。一个v 砌订l 文件可以包括四个主 要成份：v r m l 头文件、原型、造型和脚本、路由。其中v r m l 文件头是每一 个v r m l 文件所必须的，以标识v r m l 文件。v r m l 文们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【1 2 】【1 3 】。 1 节点：v r m l 中的节点是其最基本的成分，节点是对现实世界各种对象 和概念( 如球、光和材质等) 的抽象描述，其作用是描述空间的造型及其属性。 v r m l 包含许多不同作用的节点，节点可以分为以下几种： ( 1 ) 形状节点：定义几何形体； ( 2 ) 属性节点：定义图形绘制方法； ( 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间细节等。 其中几何节点( s h a p e ) 定义了一个v r m l 造型中所具有的几何尺寸和外观， 这些特征定义了v r m l 虚拟空间中创建和放置在空间的造型，所有的v r m l 造 型均使用s h a p e 节点创建，所以s h a p e 节点在v r m l 中相当重要，同样s h a p e 节点在机械设计当中显得尤为重要。 图2 - 1 s h a p e 节点层次图 2 场景图：不同节点的组合构成了虚拟世界的场景节点按照一定规则构成场 景 ( s c e n eg r a p h ) 。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 eg r a p h ) ， 确定境界随时间的变化或用户的操作而动态图。 1 0 例2 - 2v r m l 场景图 由图2 2 可见，如果把场景图画出来，它就像一棵倒立的树。图中的每一 个圆圈代表一个节点。v r m l 由6 0 多种节点类型组成，这些节点匹配在一起。 有些节点在其它节点之下，并通过一根线连接。这些节点称为“组节点”。居于 上方的节点称为“父节点”，居于下方的节点称为“子节点”，那些圆圈下方粘有 三角形的节点称为“形状节点”。 v r m l 的场景图采用笛卡尔坐标系统，空间上的每一个点都可以用x ，y ， z 坐标来表示。在缺省状态下，一个v r m l 中的形状以空间坐标系的( o ，o ，o ) 为中 心位置。利用每一个t r a n s f o r m 节点都创建一个相对已有坐标系的新型坐标系， 该节点所包含的空间造型都是在这个新的坐标系基础上创建的。t r a n s f o r m 节点 是这样定义的： t r a n s f o r m e v e n t i n m r q o d ea d d c h i l d r e n e v e n t i n m f n o d er e m o v e c h i l d r e n e x 3 0 s e d f i e l d m f n o d e c h i l d r e n 【】 e x ) o s e d f i e l d s f v e c 3 fc e n t e r0 00 00 0 e x ) o s e d f i e l ds f r o t a t i o nr o t a t i o n 0 00 01 00 0 e x ) o s e d f i e l ds f v e c 3 fs c a l e1 0 1 0 1 o e x ) o s e d f i e l ds f r o t a t i o ns c a l e o r i e n t a t i o n 0 00 01 00 0 e x ) o s e d f i e l d s f v e c 3 ft r a n s l a t i o n0 00 00 0 e x ) o s e d f i e l ds f v e c 3 f b b o x c e n t e r0 00 00 0 e x p o s e d f i e l d s f v e c 3 fb b o x s i z e一1 0 一1 0 1 o t r a n s f o t i n 节点有一个c h n d r e n 域，它可以存放一个s h a p e 节点，而其它 域的大多数用来改变c h i l d r e n 域中节点的位置、大小和方向。t r a n s f o r n l 节点提 供了三种控制子节点变换的域，其中t r a n s l a t i o n 域允许将子节点移动到其它的位 置；s c a l e 域的三个值相对于三个坐标轴独立地改变子节点的大小；r o t a t i o n 域用 来改变子节点的方向，它的前三个值和原点相连成直线为旋转轴的方向，第四个 值用于定义相对于初始位置的旋转角度。 3 层次化结构，就是在t r a n s f o r m 节点中放入多个子节点，而这些子节点 本身也可以是有多个子节点的t r a n s f o r m 。子节点的位置和运动既与本身的数值 有关，也和父节点的位置和运动有关。即有下层和上层的关系，下层依附于上一 层的环境，构成层次化的结构。 2 4v r m l 文件开发工具介绍 一个好的编程语言自然少不了支持该语言开发的编辑器和浏览器，v r m l 的历史虽然短暂，但由于其强大的功能和诱人的前景，支持v r m l 的编辑器和 浏览器也随之不断推出，加速了v r m l 的发展，并方便了v r m l 的程序设计。 v r m l p a d 是p a r a l l e l g r a p h i c s 公司出品的v r m l 开发工具，它是一种功能强 大且简单好用的v r m l 开发专业软件，其完全支持v r m l 9 了标准。通过 v r m l p a d 可以对v r m l 进行浏览编辑，对资源文件进行有效的管理，并且提供 v r m l 的发布向导，可以帮助设计人员编写和发布自己的v r m l 的虚拟现实作 品。该工具具有以下特点【”j ： 1 可以编辑本地和远程的文件： 2 持高级查询，使用书签，支持取消操作和重复操作，分色显示，自动侦 错等功能； 3 采用树形结构显示场景； 4 支持在浏览器中预览； 5 有功能强大的发布向导； 6 v r m l p a d 环境中可以处理和执行其他语言编写的外部应用程序； 7 提供了文件列表功能，便于用户管理目录。 8 自动完成可以帮助开发者快速输入所需的v r m l 关键字，节点名，域名 和相应的缺省值。 v i m l p a d 的工作界面如图2 3 所示。 2 5 本章小结 图2 - 3v r m l p a d 的工作界面 v r m l 是一种新型的描述网上三维物体和三维世界的标准文件格式，文件 体积小而包含的信息量大，提供了一种经济、方便的描述及浏览三维模型的方法。 虽然目前许多大型c a d 系统也提供机构运动仿真及在模型中漫游的功能，但这 些功能是建立在昂贵的软、硬件环境基础上的，这对一些小型企业是难以承受的。 v r m l 可以很方便的用现有的浏览器或插件进行浏览而不需要价格昂贵的c a d 系统，从而使一般用户也可以使用。这些特点使得v r m l 成为设计部门与用户 间交流信息的理想文件格式。本章主要介绍v r m l 标准的特点，以及v r m l 的 结构体系。 第三章协同设计系统开发工具_ j a v a 语言 3 1 协同设计系统开发语言的选择 j a v a 是s u n 公司推出的新一代面向对象程序设计语言，特别适合于i n t e m e t 应用程序开发，j a v a 作为软件开发的一种革命性的技术，其地位已经被确立。计 算机产业的许多大公司购买了j a v a 的许可证i z ”，包括i b m ，a p p l e ，d e c ，a d o b e ， h p , o r a c l e t o s h i b am