基于VRML-JAVA的虚拟现实及其协同环境的开发

1、.：.；基于VRML-JAVA 的虚拟现实及其协同环境的开发吴 波 周之平 张飒兵 吴介一东南大学CIMS中心，南京虚拟现实&()*+, -.+,)/最初指运用沉浸式技术在三维交互式可视化环境中提供真实体验。通常具有三个根本特征，即沉浸感.(，阅读性+)和多感官的交互).(+)才干。由于这样的系统造价高昂，操作复杂，尚无法在普通的任务环境中得到运用。因此目前虚拟现实的含义有所拓宽，运用半沉浸和非沉浸式技术，经过显示器对三维物体进展阅读同样可被称为虚拟现实系统，从而在更大的范围中普及和运用虚拟现实技术。各种虚拟现实系统的中心通常都是带有增强的功能和行为表现的三维计算机模型。&-&()*+, -.

2、+,)/ :., +*+.就是一种用于经过;(,: ;:. ;.发布这种模型并允许用户运用带有插件的普通阅读器对三维物体进展阅读的国际规范。虽然它不具备沉浸感，但是由于其易于实现、适宜网络传输，对建立基于;.的三维可视化交互式运用提供了一种很好的处理方案。随着网络带宽和计算机硬件性能的不断提高，作为;.技术主流的&-正日益拓宽其运用领域。虚拟装配是虚拟现实技术在制造业中的一项重要运用。传统的装配体设计采用自底向上的方式，需求将零件制造出来后进展装配，往往会呵斥装配体各部件的干涉以及与设计目的不符等缺陷。如此反复导致设计本钱添加，开发周期延伸。虚拟装配借助虚拟现实技术可以在设计阶段进展装配仿真，

3、从而抑制传统装配设计的缺陷。矫捷制造是为了应对猛烈的市场竞争而提出的先进制造方式，以多种方式实现竞争环境下的矫捷性，主要包括个性化需求满足、快速反响性、低本钱、消费系统的重组与资源的重用等。它强调各盟员企业之间的信息和资源共享。矫捷制造方式中的虚拟装配有其本身特点：企业联盟动态构成，各企业的设计开发环境不尽一样，因此构建的虚拟装配系统需求不受软硬件平台和?环境的约束。同时出于设备造价和易操作性方面的思索，笔者提出建立?AA生成系统，然后对其产生的装配工艺在普通任务站上经过开放式三维技术仿真装配设计过程，以此作为虚拟装配的一种简化方式，将这种方式称为可视化装配。&-作为一种开放的国际规范，可以用

4、其构建一个一致的三维交互式平台，并可与同样具有平台无关性的B+言语相结合以满足复杂运用系统的需求。但&-作为一种通用基于!#$%&! 的虚拟现实及其协同环境的开发吴 波 周之平 张飒兵 吴介一东南大学?CD中心，南京!EFGHI+,：.)JKKLEG=$摘 要 虚拟现实技术对于制造业信息化有着重要意义。为建立开放技术规范之上的可视化装配系统，该文对基于&-IB&的虚拟现实技术在工程设计领域的运用进展了研讨，提出一种新型的;.交互仿真构造，复杂的运算和仿真在效力器上进展，从而实现效力器端装配模型和客户端显示模型的分别。并在此根底之上提出协同环境开发的系统构造。该模型不仅可用于网络环境下的可视化装

5、配，也适宜于其他领域基于;.的科学可视化。关键词&- B&装配 可视化 协同;.文章编号E!IM=EI!#%IE=GI=文献标识码中图分类号NA=FE$F!#$%&! ()*+, !-./) +)-/ ), +.)/- *+ !-*)-)/-: ( ; ;-= ;)-= : &-+-?CD ?.).(，D*)O.+) P.()/，Q+R !EFG*/.)?/：&()*+, -.+,)/ ).O,/ .(/ K()+) ) ?K*).( C).(+).: +*S+)*( D/).$N :.,K )O.*+, +.,/ /). +.: K. ).O,/，)O. &-IB& *,+) /). S(

6、;. *+,T+) .U.*).: )O.,.) :. +: K,.U K*)+) +: *,+) )O. .(.( :.$NO*，)O. *+,T+) :., +: )O. +.,/:., +(. :)(*).:$V+.: )O ).O,/，)O. K+K.( ( S(W+(: + /). S*(+) S( K.(+)$NO+(O).)*(. ) ,/ + . *.: *+, +.,/ /). *) +, *)+,. S( *+,T+) )O.( (.+(O +(.+$+A.,*：&-，B&，.,/，&*+,T+)，?K.(+)，;.基金工程：江苏省自然科学基金资助工程编号：VX!E!#作者

7、简介：吴波EF%GI，男，硕士研讨生，主要研讨方向是计算机网络 和虚拟现实。周之平EF%GI，男，博士研讨生，主要研讨方向是计算!#$%计算机工程与运用备智能，无法在各事件间建立复杂的联络，为了扩展&()的交互才干和处置才干需求程序文语的介入，&()规范本身没有指定编程言语，但在网络环境下，*+,+是最具魅力的言语，它和&()的结合显得相当自然，当前的主流&()阅读器也都对*+,+编程提供了支持。图! &() 事件模型在&()中运用*+,+有两种方式，即经过内部-./节点和外部编程接口。内部-./节点-./节点的)域可以包含一段*+,+-./程序或者是链接的一个*& .+。当:/;.)-时可以

8、将-./节点了解为事件通路上的一个智能节点，它接纳事件输入对其处置后产惹事件输出，这条事件通路仍由?指定。当:/;.=为?时程序可以获得其他节点的援用，并直接对其域进展赋值，而不用服从?指定的事件通路。!外部编程接口;/A+ =BC/AD A;/E+.;-./节点从&()场景内部提供了与*+,+的衔接，而定义了与外部F?()页面中的;通讯的接口。它的基本思想是将*+,+ +;与&()置于同一G;H页面，在*+,+;中建立H/CI;/对象以标识一个独一的&()场景，并由此获得对&()场景中已定义节点的援用，它经过直接指定援用节点的域值而到达动态效果。这样，*+,+ +;即可控制&()场景，也能进

9、展与F?()等其他媒体的交互以及网络控制，从而可以实现复杂的虚拟环境系统。作为&()规范的扩展曾经提交-，有望在未来正式成为国际规范的一部分。总之，很多功能既可经过-./节点也可利用实现，普通来说对于单一的&()事件实现交互及运算功能可选择内部的-./，假设需集成多种媒体，并进展复杂网络控制，那么更宜于运用，自然其编程也要复杂一些。在该文的系统实现中需求进展大量与效力器的通讯，同时有比较复杂的用户界面控制，为此采用作为与&()的交互手段。$J 协同环境的实现A;/A;的开展使得协同任务技术的研讨也开场转移到了A;/A;上来。基于A;/A;的协同运用研讨同时也使协同环境得到了宏大的开展。目前在A

10、;/A;上的协同运用由于遭到A;/A;本身及其运用开发技术和工具的影响，使得在A;/A;上开发协同运用并不能随心所欲。特别是目前的网络带宽限制使开发的协同环境无论是在场景的构造上还是在协作者的交互方法上都有很大的缺乏。该文提出一种基于A;/A;虚拟现实交互的协同运用结构。它是利用&()来搭建A;/A;上的虚拟任务空间，作为协作者的交互空间。&()搭建的A;/A;上的虚拟现实场景可以运用户产生身临其境的觉得，利用&()的感应结点接受用户的输入信息以及相应的反响，来添加虚拟场景的交互性，虚拟现实的场景是完全符合人们感知心思的一个交互环境。协作者的一切活动都发生在这个虚拟的空间中，就象人们现实中生活

11、、任务、学习一样，总归离不开周围的环境。不论是协作者与运用系统之间的交互还是协作者之间的交互都经过虚拟空间来进展，包括实时的和非实时的。虚拟空间在其中起着中间代理的作用，它接纳用户发出的一切音讯，并做必要的处置和反响。发生一次最简单的义务事件的音讯流如下：图K!协作者提出事务恳求；效力器接受的恳求；#效力器根据恳求内容做分类处置；$提出的对效力器的恳求，效力器直接产生呼应并反响给；提出的对协作者L的恳求由效力器传送给L；%L呼应的恳求，产生相应动作；&L再将的呼应结果传送给效力器；最后由效力器传回，完成一次事务。建立协同环境将有利于各地任务人员的信息交流，对设计带来很大的方便，促进设计效率的提

12、高。构建分布式协同任务环境的关键在于实现一个协调效力器，用以维护各个虚拟场景，并在同一个场景中的客户端之间传送需求共享的信息数据。图# 系统流程图用户之间的交流可以经过一些简单的文本或是对话框来下转!K页KM建模言语，并不是专为工程运用领域设计的，为了顺应网络传输的需求，其模型与&(模型相比，在准确性和信息量方面要相差很多，因此它在制造业中的运用遭到了一定限制。该文对基于)*+,的可视化装配系统进展了研讨，提出一种装配模型与显示模型分别的功能构造，即以-./. .为架构，装配模型与显示模型互为镜像，装配模型在效力器端进展仿真运算，而三维显示模型下载到客户端供用户阅读。这样可以充分发扬)*+,模

13、型的三维显示、阅读功能，并经过仿真模型扩充系统功能。多用户的)*+,虚拟空间协同系统能使异地的多个用户同时参与装配任务，共同生成一个)*+,虚拟空间，也可以使多个用户及时地交流信息，使得设计装配更加有效。系统构造和关键技术$研讨背景如何加强)*+,的(阅读、交互才干并将其运用于工程设计领域，国内外已进展了一定的研讨。+:; :和-.?:. A=?BCD设计的-E)E*系统，采用基于FG的技术实现了网络环境下家具的虚拟装配；密歇根大学的虚拟现实实验室开展了一系列关于)*+,在制造业中运用的研讨工程C!D，如船体运动仿真，船体制造仿真，虚拟制造中的机器人模型等等；笔者对)*+,的模型特点、交互控制

14、进展了研讨，提出了一种新型的运用构造，并对其在矫捷制造环境下的虚拟装配中的运用进展了探求。东南大学机械工程系先前开展的装配&HH和虚拟装配技术研讨CD中，采用寄生于&(环境的虚拟装配系统对装配&HH系统生成的装配工艺进展可视化装配验证。但由于不能脱离&(环境，对于在网络环境下进展虚拟装配验证和装配顺序动画演示的发布带来了一定的困难，异地的用户必需具备一样的&(环境才干对虚拟装配的过程进展再现，而这一点对于矫捷制造环境下的企业来说通常不能保证。因此笔者思索采用)*+,和A等完全基于FG的平台无关技术，这样可在不同的硬件环境和软件平台上实现对装配工艺的可视化验证，并且其结果可供管理、销售等人员参考

15、，而不仅仅限于工程技术人员，从而拓宽了信息共享的范围。文献C，!D中采用的方法对实现以上目的均有缺乏，对此在这篇论文中提出一种网络环境下基于)*+,的虚拟装配系统构造，并对其中的&(环境下信息的提取和模型建立、)*+,和A的交互、碰撞检测的实现、基于动态模型的网上动画演示等关键技术进展了研讨。$! 系统构造图 系统功能框图该文采用三层-./. .构造，图显示了系统的功能框图。&(客户端和装配客户端分别提供基于阅读器的零件信息维护和可视化装配的用户界面。运用层提供IJ效力以及仿真运算和数据库操作。资源层的数据库存储零件模型和相关信息。客户层的三维显示与运用层的仿真运算分别，不仅是加强)*+,功能

16、的有效途径，也有利于中心运算模块的升级维护，提高系统的顺应性和扩展性。$ &( 环境下的信息提取以及模型的建立为使系统具备平台无关以及适于网络传输的特性，需求将不同任务环境，不同&(软件产生的零部件信息和装配信息导入为一种中性的格式，并由此产生用于客户端三维显示的)*+,模型和用于效力器端装配仿真的装配模型。&(模型具有非常准确的描画，包括用于制造或运算的尺寸描画和资料数据，其外表往往由节点描画面的外形，并经过面的拼接实现任不测形的几何体外观。当&(模型转换为)*+,模型之后，将会丧失准确性和详细的装配特征从而不利于装配时对其进展准确控制，为了加强)*+,环境下的控制和仿真功能，笔者考虑在效力

17、器端建立一个与客户端)*+,模型互为镜像的模型，客户端发出的碰撞检测和准确控制等指令经过网络传到服务器端进展运算并将结果传回，然后由A JJL经过EM控制)*+,模型的运动以反响仿真结果。同时这样的实现方式可以降低对客户端软硬件环境的要求，不须额外安装定制的软件，当对效力器端的中心功能库进展更新时也不用对客户端进展改动，具有很好的扩展性和灵敏性。实现&(环境下的信息提取有以下几种能够的途径：直接利用&(软件的)*+,导出功能目前主流的&(软件如H./E，/L; EB都支持)*+,格式的输出，可以很方便地将其导入)*+,装配环境，但由于无法了解其转换细节，因此无法控制转换精度也较难建立对应的镜像

18、模型，在功能的扩展上限制较大。!经过产品模型数据转换规范PEHPEH作为国际规范得到了广泛的支持，对&(软件导出的PEH文件进展解析并由此得到)*+,模型和装配模型是一种可行的方法。文献C#D对此进展了研讨。经过&(软件的HM经过&(软件提供的运用编程接口HM是一种更为安全的做法，由程序供应商提供的编程接口可以保证在各版本之间的一致性以及信息的准确性。HP&公司的(;/? +/Q=JCRD采用了这种方式将&(数据转换到它本人的公用数据格式，同样也可以经过这种方式建立)*+,模型。但它需求对不同&(软件开发不同的接口，实现起来较为复杂。$# )*+, 和 A 的结合)*+,的节点中定义了事件作为

19、节点对外的接口，分为代表输入接口的事件输入?M?和代表输出接口的事件输出?S=。事件模型可由图!阐明。节点间的事件通路由关键字*SKPE指定，当事件源有事件发生，就可以经过事件通路使相应的节点发生变化，到达动态的效果。但仅仅经过这种简单的事件模型还不能使)*+,具%计算机工程与运用!#$%上接&(页进展，可以在)*+* ,-./中设置接受对话框和发送对话框。为了防止多个用户同时对同一物体进展操作而引起冲突，可以采用分级权限的方法来实现，当一个用户对某一个物件要进展操作时，首先要向效力器发出一个恳求，效力器首先检查该物件能否被操作，假设没有被操作，就前往该用户“可以对这物件操作的呼应，同时锁定其

20、他用户对该物件操作的权限；假设该物件在操作，那么前往该用户“请等待的呼应。一个用户只需在一个物件解锁以后才干对另一个物件申请锁定的恳求。! 运用实例系统基于)*+*技术构建，用户界面采用组件，出于实现的简单性和通用性思索，经过,-./+./通讯实现客户端和效力器之间的位置传送和结果前往。基于:;!$的碰撞检测模块用:)*+* *+/ :/?*/对其进展调用。目前基于“堆叠思绪的装配验证方式曾经完成，ABC模型直接由GKLM C*M*L，)K N/M*O$,; G M/ IG.O IO/ I/J：AK*.,LL/PJ.Q G? RKK/ M NS,ASBTU$:：FG/OL ABC VV G?M

21、/ ?GKM LQP-GLKP G DM/ +K*. /*.Q PGO/. .*K*/，F*O/JG W/P*Q，&VVV!：&X&V!$N/ .*KLF/$I/JN*L/O AK*. B/*.Q ;/L *O C*K?*K ,-.*GLTU$:：&L :/*G*. SKGG?/ G GP-K/,-.*GL *O :?GP*G D/MG.GQ M/ C*P/ :OKL/L，M-：E E +.$KPM$/OK E J/ E F*-/L E GP-! E I/JN*L/OAB$MP!&$顾建钧$矫捷制造环境下装配 ,FF 和虚拟装配技术研讨T;U$南京：东南大学机械工程系，!#$YP *PHK，Y

22、P Z/GMG / *.$J*L/OGK/ S/：, :/*+/ ; QL/P M C*HK-TU$:：FG/OL G? :S V(：,CS &(M GP-K/L S/ G?/：;SDV( E A, ;S NSBWS$, R*L *O BGJKL W)Y :P-./P/*G?G G.LG ;/G G? G+/ J/L$M-：E E $K/$. E L E E G E LG.O E ，!($*P/G$SM* W)Y：GP-K PPKP *O -/*G OL*/LJ/ G+/ -G.QM/O*TU$:：FG :SSS : G? G BGJGL *O,KGP*G，&VV%：&!X&%求、功能、开发途径和关键技术等方面进展全面了解，完成对整个系统的分析、建模和构造。此外，B*G*.公司还针对整个软件开发周期提供了一整套完好的处理方案。主要包括用于需求分析的B/_KL/FG，用于变卦管理的./*K/L，用于软件配置管理的./*L/，用于生成软件开发文档的G;,，用于软件调试的FK/ /L，以及用于软件自动化测试的D/LR*GQ。利用上述B*G*.公司所提供的多种工具，笔者按照一致软件开发过程的思绪，分析、设计并实现了基于通用微机的数字化雷达显示系统，有效地完成了明确需求、细化分工、设计流程、分配资源、实施测试等