（人机与环境工程专业论文）基于网络的多用户三维场景装配系统研究.pdf

四川大学硕士研究生学位论文 要实现过程 说明论文提供的基于网络的多用户三维场景装配系统设计原理和 方法的可行性 论文提供的基于网络多用户三维场景装配系统既是一个三维场景与动画制 作系统 更为用户提供一个三维场景装配 场景动画制作的平台 实现了多用 户 可视化的在线场景装配和在线的 可视化的动画编辑功能 支持参数化模 型的发布 提高了系统的可扩充性 既适合专业的设计者 更适合具有初步编 程技术的普通用户 扩大了用户群 便于系统的普及和推广 该系统已经成功 地用于万维网三维模型的发布和异地用户的产品交流 同时该系统可广泛用于 在线产品发布 虚拟装配 虚拟商城 虚拟博物馆 虚拟设计 虚拟装修 三 维虚拟聊天室等 有一定的实用价值 关键词 多用户三维场景三维交互人机界面虚拟装配场景管理时间动 画三维模型发布 l i 四川大学硕士研究生学位论文 as t u d yo fw e b b a s e dm u lti u s e r3 ds c e n e a s s e m b l ys y s t e m m a n m a c h i n ea n de n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e z h o n gw e i m i n gs u p e r v i s o r f a nq i n g w e n 1 1 忙t e x ta n di m a g e st a k eam a i np a r to fc o n t e n to ni n t e r n e t 1 1 1 ec o n t e n ts u c h 弱 i m a g e sa n dt e x te x c h a n g e do ni n t e r n e ti s2 da n dn o to c u l a rb e c a u s eo ft e c h n o l i c a i l i m i t a t i o n w h i c hi sn o tc o n s i s t e n t 访t l lh u m a nc o g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c 船ar e s u l t 3 一d p r o d u c td e m o n s t r a t i o no nl i n ei sn o tw i l di nu s e a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y e s p e c i a l l yt h eq u i c kd e v e l o p m e n ti ni tf i e l d 1 1 1 ee f f e c to fi m a g e sa n d t e x ti sn o ti d e a l e s p e c a i l l yi nd e m o n s t r a t i o no nt h e3 do ra n i m a t i o no fo b j e c t s o i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o paw e b b a s e dm u l t i u s e r3 ds c e n ea s s e m b l ys y s t e mw h i c hi s c o m p o s eo fs u c hf u n c t i o n 嬲t h ep u b l i c a t i o no f3 do b j c e t s m a n a g e m e n to f3 d s e n s e w e b 3 da n m a t i o n t h eb a s i cc o n d i t i o ni sp r o p o s e do nt h ea n a l y s i so f v r m l r e l a t i o n a l d a t a b a s e a c t i v ed a t ao b j e c t s a n da s p t h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xf r o ms e n s e s c o o r d i n a t et o 3 d o b j e c t s c o o r d i n a t ei s c o m p u l a t e da c c o r d i n g t oc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o np r i n c i p l e m o d eo fb r o w s e r s e r v e rs 仃1 j c t l l r ei su s e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fm u t i u s e rs y s t e m t h eo p e r a t i n g p r i n c i p l ea n dm o d u l e so ft h e s y s t e mi sp r o v i d e d aw e b b a s e d m u l t i u s e r3 ds c e n ea s s e m b l ys y s t e mw a sd e s i g n e db yu s i n g a s p a c t i v es e r v e rp a g e s j a v a s c r i p ta n dv r m l v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n g l a n g u a g e a st h ed e v e l o p i n g t o o l s t h e g e n e r a t i o n o fa n i m a t i o na n dv i s u a l m a n i p u l a t i o no f t h e3 ds c e n ew a sr e a l i z e di nt h es y s t e mb yu s i n gj a v a s c r i p ta n da l l k i n d so ft o u c h s e n s o r si nv r m l u s i n gt h es y s t e mw i t ht h ev i s u a lm a n m a c h i n e i i l t e r f a c e a n y u s e rc a nd e s i g na n dm o n i f y3 ds c e n eo n l i n e a sar e s u l t b u l i dh i s i i i 四川大学硕士研究生学位论文 p r i v a t e3 ds c e n ef o rp u b l i s h i n g3 dp r o d u c to rs h a r i n g3 dm o d e l sw i t ho t h e r so n i n t e r n e t t h r o u g ha ne x a m p l eo f i r t u a la s s e m b l yo nv a l v e ds e a l t h ep r o c c e s sf r o m b u i l d i n gs c e n s p u b l i s h i n g3 do b j e c t s a d d i n go b j e c t st os c e n e o b j e c t sa s s e m b l y t o g e n a r a t i o no ft i m e b a s e da n i m a t i o ni sr e a l i z e db yu s i n gw e b b a s e dm u l t i u s e r3 d s c e n e a s s e m b l ys y s t e m w h i c hp r o v e d t h em e t h o da n d d e s i g n i n gp r i n c i p l eo f w e b b a s e dm u l t i u s e r3 ds c e n ea s s e m b l ys y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s m u l t i u s e r3 ds c e n e 3 dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e v i r t u a la s s e m b l y m a n a g e m e n to f3 ds e n s e t i m e b a s e da n i m a t i o n p u b l i c a t o no f3 d o b j e c t s i v 四川大学硕士研究生学位论文 论文声明 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 也不包含为获得四 j i i 大学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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的 论 文成果归四川大学所有 特此声明 作者签 指导教师 日期 调 歹 谚 四川大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 课题来源及意义 随着网络韵发展以及用户对产品体验要求的提高 平面的文字图象信息及 其效果已经不能满足用户需求 当需要同步展示产品复杂的三维信息或动态信 息时 开发人机界面友好的网络三维场景装配系统就显得尤为必要 目前基于 网络的场景装配系统大多为单用户操作或基于网络的协同操作系统 单用户操 作系统不能为其他非专业用户提供较好的网络三维场景装配服务以及统一的网 络三维模型发布平台 而基于网络的多用户协同操作系统 如游戏引擎 客户 端软件大 主机配置要求高 不能利于系统的推广普及 难以满足用户的要求 针对网络的三维场景装配系统多用户操作的要求 本系统拟集成场景显示 插件和控制插件 充分利用网络编程语言的强大数据处理和运算功能 综合三 维建模技术 虚拟现实技术 虚拟动画技术 数据库技术以及动态网络编程技 术 为三维场景的装配提供一个交互的 立体的 可视化的操作平台 任何一 个用户均可以在平台上建立一个基于网络的私有三维信息数据库 实现在线浏 览 实时编辑维护 在线发布三维场景 在线生成网络三维时间动画等功能 该平台可以广泛用于楼盘样板间演示 机械产品功能性演示 网络多媒体教学 演示 异地同步产品的协同装配与设计等领域 具有一定的理论价值和较高的 实用价值 论文的研究内容是三维技术在网络上的实际应用 从人机界面 二维桌面 条件下操纵三维空间 多用户管理三维场景 三维模型数据库设计 三维场景 发布等角度设计开发基于网络的三维场景装配系统 其目的有 1 解决网络 三维平台的快速掌握 快速建立三维场景 简化三维模型发布 统一三维模型 平台 2 方便异地 跨平台的产品设计者在产品设计阶段将产品在计算机内 进行网络装配与动画仿真 3 为三维产品设计教学提供一个通用 简易 成 本低廉的解决方案 1 2 国内外研究现状 虚拟现实技术是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境 并通过使用传 感设备与之相互作用的新技术 虚拟现实技术与传统的模拟技术完全不同 四川大学硕士研究生学位论文 是将模拟环境 视景系统和仿真系统合三为一 并利用头盔显示器 图形眼镜 数据服 立体声耳机 数据手套及脚踏板等传感装置 把操作者与计算机生成 的三维虚拟环境连结在一起 操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用 可 获得视觉 听觉 触觉等多种感知 并按照自己的意愿去改变 不如意 的虚 拟环境 例如 计算机虚拟的环境是一座楼房 内有各种设备 物品 操作者 会如同身临其境一样 可以通过各种传感装置在屋内行走查看 开门关门 搬 动物品 对房屋设计上的不满意之处 还可随意改动 因此 虚拟现实技术在 建筑 机械 兵器等设计修改 实施技术操作训练和军事演习活动等方面有广 泛的用途 虚拟现实世界最重要的特点就是 逼真 感与 交互 性乜 参与者置身 于虚拟世界中 环境 人像都犹如在真实环境中 其中的各种物体及现象都在 相互作用着 环境中的物体和特性 按照自然规律发展和变化 而人在其中有 视觉 听觉 触觉 运动觉 味觉和嗅觉等感觉 虚拟现实技术可以创造形形 色色的 神话般的人造现实环境 其形象逼真 令人有身临其境的感觉 并且 与虚拟的环境可进行交互作用 达到以假乱真的程度 虚拟现实技术经过2 0 多年的研究探索 于2 0 世纪8 0 年代末走出实验室 开始进入实用化阶段 目前已在娱乐 医疗 工程和建筑 教育和培训 军事 模拟 科学和金融可视化等方面获得了应用 并取得了显著的综合效益 在2 1 世纪 人类将进入虚拟现实的崭新技术时代 网络三维 w e b 3 d 是虚拟现实技术的一个分支 即基于网络的虚拟现实技 术 网络三维技术打破了传统基于图象 文本的信息表现形式 以图形的方式 立体展现事物的三维空间信息 弥补了二维信息展现方式的不足 虚拟现实建模语言 v i r t u a lr e a li t ym o d e li n gl a n g u a g e v r m l 是描述 虚拟场景的一种标准 是目前一种通用的网上描述三维物体和场景的标准文件 格式 利用它可以在i n t e r n e t 上建立交互式三维多媒体虚拟世界 可以在其中 漫游 并可以通过网络共享这些虚拟世界口1 用v r m l 能建立仿真系统 系统中 可以包括动画 具有动力学特性的物体以及实时多用户参与等等 v r m l 的形成 是网络技术 图形技术和w e b 技术相互促进的结果 v r m l 所建立的虚拟场景能 通过服务器在万维网上发布 并能交互式地在虚拟世界中浏览 v r m l 已成为网 络上交互视境仿真的标准语言 v r m l 标准由v r m l 结构组 v r m la r c h i t e c t u r e g r o u p v a g 制定 目前这一标准还在不断的完善之中 v r m l 协会 v r 儿 2 四川大学硕士研究生学位论文 c o n s o r t i u m 在1 9 9 7 年将它的名字改为w e b 3 d 协会 w e b 3 dc o n s o r t i u m 并 制定了v r m l 9 7 新的国际标准 此后w e b 3 d 这一专用缩写开始在互联网上出现 然而 1 9 9 7 年后的几年 该协会并没有什么大的动作 直到2 0 0 1 年8 月w e b 3 d 协会发布新一代国际标准x 3 d x 3 d 的含义是可扩展的3 d x 3 d 是w e b 3 d 协会制定的下一代v r m l 9 7 标准h 3 x 3 d 是在重要软件厂商的 支持下提出的 如3 d l a b s a t it e c h n o l o g i e s b l a x x u n n e x t e r n e t o p e n w o r l d s p a r a l l e l g r a p h i c s s o n ye l e c t r o n i c s u sa r m ys t r i c o m a n ds g d l s y s t e m s x 3 d 与m p e g 一4 和x m l 兼容 它将集成到m p e g 4 的3 d 内容之中 使 用x m l 语法 它与v r m l 9 7 向后兼容 即x 3 d 能提供标准v r m l 9 7b r o w s e r 的全 部功能 x 3 d 的主要任务是把v r m l 的功能封装到一个轻型的 可扩展的核心之 中 由于x 3 d 是可扩展的 任何开发者可以根据自己需求 扩展其功能 x 3 d 渲染引擎的商业版本也在去年的s i g g r a p h 2 0 0 1 的年会上推出 w e b 3 d 技术的领 先软件公司p a r a ll e l g r a p h ic s 将联合几个公司开发x 3 d 新技术 x 3 d 标准的发 布 为互联网3 d 图形的发展提供了广阔的前景 无论是小型的具有3 d 功能的 w e b 客户端应用 还是高性能的广播级应用 x 3 d 都应该是大家共同遵守的标准 从而结束当前互联网3 d 图形的这种混乱局面 在统一的x 3 d 基本框架下保证不 同软件厂家开发软件具有互操作性 在s i g g r a p h 2 0 0 2 会议上w e b 3 dc o n s o r t i u m 发布x 3 d 最终工作草案 w e b 3 d c o n s o r t i u m 希望w e b 3 d 软件公司使用x 3 d 规范开发相应的产品评估规范的可行 性 w e b 3 dc o n s o r ti u m 准备将该规范递交给i s o 国际标准化组织 国外对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代中期 由于政府及工业 界对其支持力度比较大 加之研究的基础条件比较好 因此发展势头相当迅猛 在虚拟装配领域取得了丰硕的成果暗 e 德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所虚拟现实实验室较早地进行了基于虚拟 现实的装配规划系统的研究与开发 他们开发了第一个虚拟装配规划原型系统 该系统可以通过虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作 在用户交 互的基础上产生装配前趋图 并进行装配时间和装配成本分析 通过对真实装 配环境的模拟 规划者在进行产品装配规划时 能够综合考虑装配特征和其他 装配条件 如装配空间的制约 装配零件供应以及必需的装配工具等 对产品 装配的影响呻 引 美国w a s h i n g t o n 州立大学v r c i m v i r t u a lr e a lit y a n dc o m p u t e r 四川大学硕士研究生学位论文 i n t e g r a t em a n u f a c t u r i n g 实验室是国际上较早开展虚拟装配技术研究的机构 之一 他们与美国国家标准技术研究所n i s t 合作开发的虚拟装配设计环境v a d e v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t 是一个具有代表性的虚拟装配系统 n 仉儿j 到 该研究的主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境来探 索产品制造中运用虚拟现实技术的可能性 在这个虚拟装配系统中 设计者可 以对公差进行评估 选择最理想的装配顺序 生成装配 拆卸路径规划以及观察 最终结果 美国i o w a 州立大学虚拟现实应用中心 v i r t u a la s s e m b l ya p p l i c a t i o n c e n t e r v r a c 早在2 0 世纪9 0 年代中期就建立了一个用于装配规划与评价的 系统i v y i n v e n t o rv i r t u a la s s e m b l y 1 3 oi v y 旨在解决先前的自动化装配 规划系统存在的两个问题 1 不能与设计者进行交互 2 规划结果不能以 直观的形式进行显示并进行评价 在该系统中可以直接使用几何模型以及分层 的装配数据进行装配规划与评价 设计者使用虚拟环境设备如头盔显示器和六 自由度跟踪设备等与系统进行交互 当设计者在c a d 软件中设计新的零件时 i v y 就可以用来交互地进行零件可装配性验证与评价 但i v y 中存在不支持装 配层次编辑 碰撞检测效率比较低等缺陷 该中心将p h a n t o m 应用于虚拟环境 中 并以安装方向舵踏板到轻型飞行器前端的装配过程作为应用实例进行了研 究 p h a n t o m 的触觉反馈为设计者判断装配任务是否能够完成提供了快速直观 的方法 在此研究的基础之上 他们建立了一个面向通用装配仿真的虚拟环境 v e g a s av i r t u a le n v i r o n m e n tf o rg e n e r a la s s e m b ly 1 劓 英国h e r i o t w a t t 大学机械与化学工程系虚拟制造研究组已经完成了两个 与虚拟装配相关的研究项目 1 利用虚拟现实提取装配规划知识 2 在虚 拟装配环境下进行线缆捆束设计与规划 他们早在1 9 9 7 年就开发了一个虚拟装 配规划系统 u n b e l i e v a b l ev e h i c l ef o ra s s e m b l i n gv i r t u a lu n i t s u v a v u 基于当时力反馈设备以及精确跟踪设备的局限性 他们在该系统中提出了使用 接近捕捉 p r o x i m i t ys n a p p i n g 和 碰撞捕捉 c o l l i s i o ns n a p p i n g 方法确定虚拟部件的精确装配位置 这两种方法都基于这样一个假设 即虚拟 装配系统已经从c a d 系统中获取所有待装配零件的最终装配位置信息 在虚拟 装配环境下 当待装配件与已装配件发生碰撞或者待装配件移动到己装配件附 近的区域时 系统将提示用户是否对二者进行装配 用户确认后系统将直接把 待装配件放置到最终装配位置 4 四川大学硕士研究生学位论文 m a h a d e v a nb a l a s u b r a m a n i a m 等人在研究中开发了一种快速干涉检测算法 并通过接触面作为判断元素来进行干涉检测判断n 副 我国受计算机软件行业发展滞后的影响 关于虚拟制造技术和虚拟装配技 术的研究起步较晚 对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期 发展 速度比较快 取得了不少研究成果 并提出了许多有价值的新理论和新方法 多年来 国内的高等学校以及科研院所 也在积极进行有关虚拟装配方面 的课题与项目研发工作 并取得了大量的研究成果 清华大学在国家 8 6 3 重大攻关项目中为了从可视化角度解决产品的可装 配性问题 结合d f a 课题研制了一种装配仿真系统a s m l s 该系统可有效验证 装配工艺规划结果 在一定程度上改进和完善装配工艺 并在此基础上生动直 观地进行产品的虚拟装配 提供装配顺序规划及评价等功能 张林煊 童秉枢等通过装配过程可视化与干涉检查工具 在产品设计阶段 进行数字化预装配 验证与改进产品的装配工艺 并在应用c a d 软件p r o e 的 基础上用c 语言与p r o d e v e l o p 软件进行了系统实现 西北工业大学钟永民 杨海成提出采用基于约束的装配操作进行虚拟装配 造型 通过自动识别装配元素之间的配合约束 以及配合约束的自动满足 有 效地简化了装配过程 肖田元等在虚拟制造技术研究中 以高速剑杆织机为例 采用e a i 公司的 工程数据可视化软件 动态仿真零部件的实际装配过程 从而发现装配过程中 的干涉问题u 副 韩志鹏 陈燕等在虚拟装配系统和装配夹具的智能化设计中建立了两套独 立的推理系统 基于规则的推理系统和基于实例的推理系统 在系统中 最重 要的特点是系统通过一个推理机智能判断系统将两个推理系统有机地结合在一 起 共同完成设计任务 通过这个智能判别系统 能够通过用户输入的被装配 零部件的信息特征进行判别 自动搜寻最佳推理机 来完成系统的推理n 7 1 扬州大学的陈靖芯等人建立产品的全面参数化特征模型以及碟簧冲压工艺 和模具结构方案的专家规则来进行模具智能化设计 运用c a t i a v 5 的知识工程 模块 采用面向对象的知识表示方法和基于规则 事例的推理方法实现模具的快 速设计和智能化设计 8 j 中国科学院计算技术研究所智能信息处理研究部虚拟现实技术实验室研究 了虚拟人技术 虚拟人是人在计算机生成空间 虚拟环境 中的几何特性与行 四川大学硕士研究生学位论文 为特性的表示 该方向主要从事虚拟现实 智能人机交互与人工智能领域的研 究 重点研究三维人体建模 人体运动控制 人体运动分析与运动跟踪 并研 究这些技术在游戏娱乐 虚拟训练 人机工效 安全预演等领域中的应用n 训 在分析国内外虚拟现实理论和仿真系统的基础上 论文针对i n t e r n e t 网络 用户对场景装配的简化功能和简易操作要求 拟研究集虚拟场景装配与管理 三维对象模型发布和场景动画制作于一体的网络系统平台 1 3 论文研究的主要内容 论文对网络三维对象的发布 装配 浏览 动画进行了研究 采用a s p 网 页编程语言作为开发平台 提供网页可视化人机界面的设计与显示 以微软 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 作为数据库引擎 提供数据管理 以虚拟现实建模语言 v r m l 作为三维场景显示与开发工具 结合j a v a s c r i p t 脚本编程语言及v 刚l 自 带的各类传感器实现了场景中动画的生成及三维模型和场景的可视化操作 论 文研究的主要内容包括 1 利用三维网络数据库的构造 为用户发布三维模型提供统一三维模型 平台 2 研究二维桌面条件下操纵三维空间 多用户管理三维场景 用户发布 三维模型的系统平台特点和人机界面特性 设计合理 友好的人机界面 3 对w e b 条件下设计基于时间的三维动画进行可行性分析 对v r m l 条 件下实现可视化编辑三维动画进行论证 实现基于v r m l 的可视化时间动画 4 分析基于网络的多用户装配系统参数化模型库的数据结构和多用户场 景的管理机制等功能 设计基于网络的多用户场景装配系统 基于网络的多用户三维场景装配平台的特点在于 该平台首先是一个a s p a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r 平台 可以提供网络内容服务 能够为用 户提供三维模型 场景动画存储和交流空间 同时也是一个三维场景与动画制 作系统 可以为多用户提供可视化的在线装配 动画编辑 非 参数化模型发 布 因此 该平台不仅适合专业的设计者 更适合普通用户 具有较大的实用 价值 1 4 本章小结 介绍了课题的来源及意义 指出基于网络的多用户场景装配系统开发的必 6 四川大学硕士研究生学位论文 要性能和意义 分析了虚拟现实的国内外现状及存在的不足 指出系统应改进 的地方 最后指出论文研究的主要内容和论文完成工作的特点 7 四川大学硕士研究生学位论文 2 三维场景装配系统的关键技术 2 1 虚拟现实建模语言 虚拟现实建模语言v r m l 是继h t m l 之后的第二代w e b 语言 同h t m l 语言 一样 v r m l 既是一门语言 也是i n t e r n e t 上用于3 d 多媒体和共享虚拟世界为 目的的语法标准 它提供对三维世界及其内部基本对象的描述 并把他们同二 维的网页链接起来 突破了网络的二维的平面世界 实现了真正意义上的网络 三维化和动态交互性 v r m l 是描述三维造型和渲染的图形语言 它通过创建三 维的场景来达到对现实的虚拟 v r m l 支持三维动画 并且具有实时交互功能 大大改变了原来网络的单调 交互性差的弱点 使得人机交互更加方便 灵活 并且使虚拟世界的真实性 交互性和动态性得到更充分的体现 v r m l 的国际标准草案 d r a f to fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d d i s 以v r m l 2 0 定制 于1 9 9 7 年提交国际标准化组织i s oj y c i s c 2 4 委员会审议并获得认定 定名为v r m l 9 7 i s o t e c1 4 7 7 2 一l 1 9 9 7o 作为分布式 多媒体集成 平台无 关 实时可交互的三维造型和渲染图形描述语言 v r m l 能够把二维图形 三维 实体 文本以及多媒体有效的集成为一个虚拟环境 v r m l 2 0 的功能特点 表现力 大致可以概括成以下几个方面啪3 1 以灵活有效的方式 将二维 三维图形和动画 影片 音乐多种效果 调和在一起 形成一个综合性的单一媒体 v r m l 可通过a n c h o r 节点链接到任 何w e b 文件上 包括h t m l 文件和其它w e b 媒体 如视频 音频 图象和动画等 2 对内的树形场景结构和对外的分布式的场景组织 v r m l 采用场景图 数据结构 v r m l 的场景图是由节点物体组成 这些节点的组成呈树形 上级节 点和下级节点具有父子关系 p a r e n t c h i l dr e l a t i o n s h i p s 其中一个节点为 唯一的根节点 其它节点顺着以根节点为起点的可达路径依次排列 树形结构 的好处是结构简单明了 一个树只有一个最高层父节点 这样任何一个树都可 以作为另一个树的子树 即嵌入到另一个树的任意层次 而不引起场景关系的 混乱 由于树形场景结构v r m l 可使用i n l i n e 节点 连通万维网 将网上任意 地点的v r m l 场景嵌入到本场景的任何层次 这就是v r m l 的对外的分布式的场 景组织 3 场景内物体和对象相互作用 用户与场景内对象交互 v r m l 的对象 8 四川大学硕士研究生学位论文 一般可以接收和发送事件 用户可以通过一些触发器 s e n s o r 产生事件 通 过r o u t e 语句发送事件 和场景内的其它对象相互作用 v r m l 通过这些手段可 以产生复杂的交互作用 为用户提供强大的交互功能 4 用户于计算机之间充分的交互 用户在场景中巡行 有相当大的自由 度 用户在场景中的方位是由视点 v i e w p o i n t 节点定义的 而在计算机屏幕 上所呈现的是用户在此位置所看到的v r m l 场景 v r m l 的n a v i g a t i o n i n f o 节点 定义了用户在场景中的巡游方式 它可定义巡行的速度 用户替身 a v a t a r 尺寸 行走方式 步行 观察 飞行 任意方式 等 5 行为脚本给予用户足够的扩展v r m l 的能力 插值器 类似一种内置 脚本 为这种扩展提供方便 v i b 4 l 可使用v r m l s c r i p t j a v a s c r i p t 的子集 这种脚本语言扩充v r m l 的功能 对场景中的事件进行处理 v r m l 用s c r i p t 节 点来嵌入v r m l s c r i p t 执行脚本 插值器 i n t e r p o l a t o r 主要用来生成动画 首先定义好关键帧 然后使用插值器在关键帧间进行插值 另外v r m l 还具有外 部创作界面e a i e x t e r n a la u t h o r i n gi n t e r f a c e 提供更加强大的功能扩展 目前主要使用j a v a 语言的e a i 6 文件占有的存储空间小 大的场景被分解为许多单个的小文件 只在 使用时才调用 且v r m l 生成的图形元素可被重复使用 适合于在计算机网络上 进行传播 v r m l 文件可以包括下列四个主要成份 v r m l 文件头 原型 造型和脚本 路由 并不是所有的文件都包括这些要素 但v r m l 文件头是必须的 下面是 v r m l 中常用的名词概念 1 文件头 v r m l 文件是以 v r m lv 2 0u t f 8 开头 并且必须放在文 件的第一行 2 原型 它是用户定义的新节点类型 相当于扩充了v r m l 标准节点类 型集 3 造型 用来描述虚拟环境的场景图 如几何造型 文本造型等 4 脚本 实质上是一套程序 它扩充了v r m l 的功能用于提高与虚拟环 境中对象的交互和操作能力 5 路由 它是连接产生事件和接受事件之间的通道 有利于虚拟空间的 动态性和交互性 6 节点 节点是v r m l 文件最基本的组成要素 v r m l 文件就是由许多节 9 婴型奎兰堡主婴壅竺兰垡丝奎 点层层嵌套而构成的 v r m l 节点很多 大约有6 0 个节点类型 每个节点都包 含了一些域 域值是这些节点的属性值 v r m l 的基本功能主要是通过节点来实现的 主要的功能节点包括口 1 基本几何造型和外观控制节点 在v r m l 中提供的基本几何造型有长方形 圆柱体 圆锥体和球体 这些几 何造型的外观通过专门的节点a p p e a r a n c e 来控制 包括颜色和纹理等 几何造 型节点与外观节点组成控制节点 s h a p e 节点 可见由s h a p e 节点就可以创建 出虚拟世界中的单个几何造型 然后通过 g r o u p 节点就可以将单个造型节点分 组并结合在一起 这样可以将这些分组节点当作一个整体来进行操作 2 文本造型节点 通过t e x t 节点指定的s h a p e 节点的g e o m e t r y 域就可以创建出相应的三维 文本造型 3 空间位置 旋转和缩放节点 在v r m l 中通过坐标系的平移和旋转可以创建不同位置和方向上的空间坐 标系 然后在新的坐标系中创造空间造型 这样就完成了对不同位置和方向上 的几何造型的创建 这些功能由坐标变换节点 t r a n s f o r m 节点 来完成 4 空间背景节点 现实世界的空间会由于气候原因的影响而显示出不同的特点 在v r m l 中是 通过背景节点 b a c k g r o u n d 节点 来指定所需空间的背景的 5 大气效果节点 在v r m l 中通过f o g 节点可以创造出现实世界中空间雾的颜色和浓淡效果 6 声音节点 在虚拟现实世界中 音乐分为背景音乐和动作音乐 背景音乐为环境音 动作音乐是伴随着各种动作而发出的声音 v r m l 通过a u d i o c l i p 节点和s o u n d 节点将视频文件 w a v 格式 和声音文件 m i d i 格式 嵌入虚拟世界中 7 光源节点和光照效果 现实世界中存在三种类型的光源 点光源 平行光源和聚光光源 在v r m l 中可以通过p o i n t l i g h t 节点 d i r e c t i o n a l l i g h t 节点和s p o t li g h t 节点及其 域值的设定分别加以实现 8 空间视点控制和浏览者控制节点 浏览者的空间视点和浏览者本身的控制是通过v i e w p o i n t 节点和 l o 婴型奎兰堡主堕壅竺兰垡丝茎 n a v i g a t i o n i n f o 节点来实现的 v i e w p o i n t 节点包括视点的空间位置 空间朝 向和视野范围等 n a v i g a t i o n i n f o 节点包含了浏览者在空间移动的各种参数 9 锚节点 在浏览器中通过a n c h o r 编组节点所创建的各种窗口 就可以进入到相应的 u r l 地址中打开新的网页 1 0 文件内联节点 在节点内可以嵌入其他的v r m l 文件 1 1 节点控制节点 在v r m l 中通过g r o u p 节点将一组相关的节点组合在一起 形成某个特定的 空间场景 以便对其进行整体操作 此外 还有完成转换编组的s w i t c h 节点和 完成布告牌编组的b i l l b o a r d 节点 1 2 高级造型和外观控制节点 在现实世界中物体的造型千变万化 有相当一部分造型无法用以上介绍的 基本造型来完成 这些复杂造型在v r m l 中是通过v r m l 提供的高级造型方法来 实现的 这些造型节点有点 线 面造型节点 p o i n t s e t i n d e x e d l i n e s e t 和 i n d e x f a c e s e t 海拔栅格造型节点 e 1 e v a t i o n g r i d 和挤压造型节点 e x t r u s i o n 高级外形控制主要包括表面纹理贴图控制 造型表面明暗控制 和细节层次控制 1 3 传感节点和动画节点 虚拟现实的最大特点是它具有人机交互的功能 用户能随心所欲地操纵 控制v r m l 环境中的物体 传感器便是v r m l 中提供交互能力和状态行为的基元 传感器包括c y l i n d e r s e n s o r p l a n s e n s o r s p h e r e s e n s o r t i m e s e n s o r t o u c h s e n s o r v i s i b i l i t y s e n s o r p r o x i m i t y s e n s o r c o l l i s i o n 这八个节点 它 们提供用户与虚拟世界中的物体进行交互的机制 从具体功能上来说 传感器 节点使用一个定点设备 如鼠标 来感知用户的动作并产生相应的事件 e v e n t 这一事件经过路由 r o u t e 将消息传送到相关节点 从而使虚拟世界中的对象 发生响应 所有传感器都不产生视觉表现 只产生事件 1 4 脚本节点 虽然在v r m l 中可以通过传感节点和内插节点的配合使用 来完成生动的空 间效果 但是在v r m l 中 还存在着功能更为强大的空间控制节点s c r i p t 节点 在s c r i p t 节点中可以利用j a v a 或者j a v a s c r i p t 语言编写的程序脚本来扩展 四川大学硕士研究生学位论文 v r m l 的功能 v r m l 通过以上的节点 达到对场景及其景物的全面描述 然而 要完成对 场景的显示还需v r m l 浏览器的支撑 实现这种支撑有两种情况 一是利用专门 的浏览程序 二是在w e b 浏览器中增加插件 达到对包含v r m l 的h t m l 文件的 解释和展现 后一种情况的实质也是相当于为v r m l 设计了专门的 浏览器 以便扩展w e b 浏览器三维功能 2 2s o l 数据库技术 s q l 数据库是m i c r o s o f t 开发的关系型数据库 其主要面向大中数据库应 用 考虑到大多数p c 机运行的都是m i c r o s o f t 公司w i n d o w s 系列操作系统 本 系统选用m i c r o s o f t 公司的s q ls e r v e r2 0 0 0 0 s q ls e r v e r 的常用版本有 企 业版 标准版 个人版 开发版 企业版是专为拥有大量用户以及实时应用系 统而设计的 可以在对称处理器或者集群计算机等高端计算环境下进行安装 标准版包括所有数据库功能并且只能在w i n d o w n t 2 0 0 0 上运行 个人版是针对 移动电脑或者少量数据库用户 一般为5 0 个左右 使用 开发版是用于开发 s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库应用程序的编程环境 它只是一个开发环境 不能用 于实用生产系统来使用 考虑实际应用情况 我们选择s q l s e r v e r2 0 0 0 企业版 来完成我们的数据库系统 m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司开发的数据库管理系统 是一个功能强大的关系型数据库管理系统 m i c r o s o f ts q ls e v e r 2 0 0 0 作为一 种关系数据库管理系统是在成熟和强大的关系模型中建立的 关系模型是当前 最受欢迎的数据存储和数据检索模型 从数据库的发展历史得知 数据库系统经历三个阶段 网状数据库 层次 数据库和关系数据库 1 9 7 6 年6 月i b m 公司的e rc o d d 博士首次发表了 关 于大型共享数据库的关系模型 论文 概述了关系数据库模型及其原理 并把 它用于数据库系统中 他指出 关系型数据库是指一些相关的表和其他数据库 对象的集合 这个定义表达三部分含义 第一 在关系数据库中 信息被存放 在二维表格结构的表 t a b l e 中 一个关系数据库包含多个数据表 每一个表 又包含行 记录 和列 字段 第二 这些表之间相互关联 表之间的这种关 联性是由主键和外键所体现的参照关系实现的 第三 数据库不仅仅包含表 而且包含了其他数据库对象 如视图 储存过程 索引等 1 2 婴型奎兰堡主笙壅竺堂垡丝茎 关系数据库的特点有 采用s q l 语言来操纵数据库中的数据 必须保证数据 的完整性 由于商业需求几乎每天都在变 所以关系型数据库系统应被设计为一 个便于修改的系统 排除大多数的冗余数据 通过多级的安全检查来限制对数据 的访问 在系统中成功安装s o ls e r v e r2 0 0 0 后 可以利用s o ls e r v e r 中的企业管 理器设计实现本课题的数据库 整个实施过程为 建立数据库 在己建立的数 据库中完成各表的设计 设置好数据库的关系 s q ls e v e r2 0 0 0 的主要特点如下啪一 1 全面的数据完整性保护 无论是复杂的事务支持和高级安全性 还是 以用户数据库隐式部分支持拥护的商业规划对象以及数据完整性保护都适用 2 与w i n d o w sn t 集成 允许在对称多处理s m 玛系统中实现彻底的多线 程和对称多处理 并且可集成到分布式管理环境中 3 在低造价平台上突出性能 支持w i n d o w s 操作平台 加快了复杂查询 的进程 4 对多服务器分布式事务的内在支持 5 管理工具功能强大 它有丰富的编程接口和开发工具 如q u r y a n a l y z e r 作为编写t r a n s a c ts q l 脚本程序的开发工具 同时它支持大多数常 用的数据库应用编程接口 如a d o o l e 阴 o d b c 等 这些a p i 中有功能强大 的a p i 通过使用这些工具允许编程人员直接控制应用程序和数据库应用程序 除此以外s q ls e v e r 还带有自己独有的数据库编程接口 如d b l i b r a r y s q ls e v e r2 0 0 0 可以通过m sd t c 透明地处理各种形式的分布式查询 当 涉及了其他s q ls e v e r 或非s q ls e v e r 的o l ed b 数据源时 则这些查询会在