基于VRML_JAVA的虚拟现实及其协同环境的开发_吴波20

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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，南京210096）虚拟现实（&()*+, -.+,)/）最初指应用沉浸式技术在三维交互式可视化环境中提供真实体验。通常具有三个基本特征，即沉浸感（00.(123），浏览性（3+45+)23）和多感官的交互（36).(+7)23）能力。由于这样的系统造价高昂，操作复杂，尚无法在普通的工作环境中得到应用。因此目前虚拟现实的含义有所拓宽，使用半沉浸和非沉浸式技术，通过显示器对三维物体进行浏览同样可被称为虚拟现实系统，从而在更大的范围中普及和应用虚拟现实技术。各种虚拟现实系统的核心通常都是带有增强

2、的功能和行为表现的三维计算机模型。&-89（&()*+, -.6+,)/ 82:.,35 9+35*+5.）就是一种用于通过;2(,: ;:. ;.发布这种模型并允许用户使用带有插件的普通浏览器对三维物体进行浏览的国际标准。虽然它不具备沉浸感，但是由于其易于实现、适合网络传输，对建立基于;.的三维可视化交互式应用提供了一种很好的解决方案。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&-89正日益拓宽其应用领域。虚拟装配是虚拟现实技术在制造业中的一项重要应用。传统的装配体设计采用自底向上的方式，需要将零件制造出来后进行装配，往往会造成装配体各部件的干涉以及与设计目标不符等缺陷。如此

3、反复导致设计成本增加，开发周期延长。虚拟装配借助虚拟现实技术可以在设计阶段进行装配仿真，从而克服传统装配设计的缺陷。敏捷制造是为了应对激烈的市场竞争而提出的先进制造模式，以多种形式实现竞争环境下的敏捷性，主要包括个性化需求满足、快速反应性、低成本、生产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。敏捷制造模式中的虚拟装配有其自身特点：企业联盟动态形成，各企业的设计开发环境不尽相同，因此构建的虚拟装配系统需要不受软硬件平台和?环境的约束。同时出于设备造价和易操作性方面的考虑，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工作站上通过开放式三维技术仿真装配设计过程，以此

4、作为虚拟装配的一种简化形式，将这种方式称为可视化装配。&-89作为一种开放的国际标准，可以用其构建一个统一的三维交互式平台，并可与同样具有平台无关性的B+4+语言相结合以满足复杂应用系统的需求。但&-89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?C8D中心，南京!EFG）HI0+,：437.3)JKKLEG=$720摘 要 虚拟现实技术对于制造业信息化有着重要意义。为建立开放技术标准之上的可视化装配系统，该文对基于&-89IB&的虚拟现实技术在工程设计领域的应用进行了研究，提出一种新型的;.交互仿真结构，复杂的运算和仿真在服务器上进行，

5、从而实现服务器端装配模型和客户端显示模型的分离。并在此基础之上提出协同环境开发的系统结构。该模型不仅可用于网络环境下的可视化装配，也适合于其他领域基于;.的科学可视化。关键词&-89 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$F!#$%&! ()*+, !-./0)1 +)1-/2 )3, 4556+.)/-53-3 *+7812 !-*0)1-9)/-53:0 (5 ;50 ;-6-3= ;)8-3= :0 &-+2-（?C8D ?.3).(，D2*)O.+1) P34.(1)/，Q+3R35 !EFG）8*/.)?/：&()*+,

6、 -.+,)/ ).7O32,25/ 1 4.(/ 0K2()+3) )2 ?20K*).( C3).5(+).: 8+3*S+7)*(35 D/1).0$N2 :.4.,2K )O.41*+, +11.0,/ 1/1).0 +1.: 23 2K.3 ).7O32,25/，)O. &-89IB& 10*,+)23 1/1).0 S2( ;. 41*+,T+)23 1 .U.7*).: 23 )O.7,.3) 1:. +3: 720K,.U 720K*)+)23 +3: 10*,+)23 23 )O. 1.(4.( 1:.$NO*1，)O. 41*+,T+)23 02:., +3: )O. +1

7、1.0,/02:., +(. :1)(*).:$V+1.: 23 )O1 ).7O32,25/，)O. K+K.( (351 S2(W+(: + 1/1).0 723S5*(+)23 S2( 722K.(+)23$NO1+(7O).7)*(. 32) 23,/ 7+3 . *1.: 3 41*+, +11.0,/ 1/1).0 *) +,12 1 1*)+,. S2( 41*+,T+)23 3 2)O.( (.1.+(7O +(.+$+2A5.,*：&-89，B&，11.0,/，&1*+,T+)23，?22K.(+)23，;.基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（编号：VX!E!#）作者简介：

8、吴波（EF%GI），男，硕士研究生，主要研究方向是计算机网络 701 和虚拟现实。周之平（EF%GI），男，博士研究生，主要研究方向是计算!#$%计算机工程与应用备智能，无法在各事件间建立复杂的联系，为了扩展&()的交互能力和处理能力需要程序语言的介入，&()标准本身没有指定编程语言，但在网络环境下，*+,+是最具魅力的语言，它和&()的结合显得相当自然，当前的主流&()浏览器也都对*+,+编程提供了支持。图! &() 事件模型在&()中使用*+,+有两种方式，即通过内部-./012节点和外部编程接口（345）。（6）内部-./012节点-./012节点的7)域可以包含一段*+,+-./012

9、程序或者是链接的一个*4&4 .8+99。当:0/;.24)-3时可以将-./012节点理解为事件通路上的一个智能节点，它接收事件输入对其处理后产生事件输出，这条事件通路仍由7?3指定。当:0/;.2=21=2为?73时程序可以获得其他节点的引用，并直接对其域进行赋值，而不必遵从7?3指定的事件通路。（!）外部编程接口（32;/A+8 4=2BC/0AD 5A2;/E+.;）345-./012节点从&()场景内部提供了与*+,+的连接，而345定义了与外部F?()页面中的4118;2通信的接口。它的基本思想是将*+,+ +118;2与&()置于同一G;H页面，在*+,+118;2中建立H/CI

10、9;/对象以标识一个唯一的&()场景，并由此获得对&()场景中已定义节点的引用，它通过直接指定引用节点的域值而达到动态效果。这样，*+,+ +118;2即可控制&()场景，也能进行与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。345作为&()标准的扩充已经提交5-，有望在将来正式成为国际标准的一部分。总之，很多功能既可通过-./012节点也可利用345实现，一般来说对于单一的&()事件实现交互及运算功能可选择内部的-./012，若需集成多种媒体，并进行复杂网络控制，则更宜于使用345，自然其编程也要复杂一些。在该文的系统实现中需要进行大量与服务器的通信，同时有比较复杂

11、的用户界面控制，为此采用345作为与&()的交互手段。6$J 协同环境的实现5A2;/A;2的发展使得协同工作技术的研究也开始转移到了5A2;/A;2上来。基于5A2;/A;2的协同应用研究同时也使协同环境得到了巨大的发展。目前在5A2;/A;2上的协同应用由于受到5A2;/A;2本身及其应用开发技术和工具的影响，使得在5A2;/A;2上开发协同应用并不能随心所欲。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不足。该文提出一种基于5A2;/A;2虚拟现实交互的协同应用结构。它是利用&()来搭建5A2;/A;2上的虚拟工作空间，作为协作者的交互空

12、间。&()搭建的5A2;/A;2上的虚拟现实场景可以使用户产生身临其境的感觉，利用&()的感应结点接受用户的输入信息以及相应的反馈，来增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理的一个交互环境。协作者的所有活动都发生在这个虚拟的空间中，就象人们现实中生活、工作、学习一样，总归离不开周围的环境。不管是协作者与应用系统之间的交互还是协作者之间的交互都通过虚拟空间来进行，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，它接收用户发出的所有消息，并做必要的处理和反馈。发生一次最简单的任务事件的消息流如下：图K!协作者4提出事务请求；服务器接受4的请求；#服务器根据请求内容做分类处

13、理；$4提出的对服务器的请求，服务器直接产生响应并反馈给4；4提出的对协作者L的请求由服务器传递给L；%L响应4的请求，产生相应动作；&L再将4的响应结果传递给服务器；最后由服务器传回4，完成一次事务。建立协同环境将有利于各地工作人员的信息交流，对设计带来很大的方便，促进设计效率的提高。构建分布式协同工作环境的关键在于实现一个协调服务器，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递需要共享的信息数据。图# 系统流程图用户之间的交流可以通过一些简单的文本或是对话框来（下转!6K页）6KM建模语言，并不是专为工程应用领域设计的，为了适应网络传输的需要，其模型与&(模型相比，在精确性和信息

14、量方面要相差很多，因此它在制造业中的应用受到了一定限制。该文对基于)*+,的可视化装配系统进行了研究，提出一种装配模型与显示模型分离的功能结构，即以-./012. 3 42.52.为架构，装配模型与显示模型互为镜像，装配模型在服务器端进行仿真运算，而三维显示模型下载到客户端供用户浏览。这样可以充分发挥)*+,模型的三维显示、浏览功能，并通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加装配工作，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。6系统结构和关键技术6$6研究背景如何增强)*+,的7(浏览、交互能力并将其应用于工

15、程设计领域，国内外已进行了一定的研究。+89:;81 :和-2.?:8. A=?BC6D设计的-E)E*系统，采用基于F2G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)*+,在制造业中应用的研究项目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、交互控制进行了研究，提出了一种新型的应用结构，并对其在敏捷制造环境下的虚拟装配中的应用进行了探索。东南大学机械工程系先前开展的装配&HH和虚拟装配技术研究C7D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行可视化装配验证。但由于不能脱离&(环境，对

16、于在网络环境下进行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，异地的用户必须具备相同的&(环境才能对虚拟装配的过程进行再现，而这一点对于敏捷制造环境下的企业来说通常不能保证。因此笔者考虑采用)*+,和A858等完全基于F2G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，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C6，!D中采用的方法对实现以上目标均有不足，对此在这篇论文中提出一种网络环境下基于)*+,的虚拟装配系统结构，并对其中的&(环境下信息的提取和模型建立、)*+,和A858的交互、碰撞检测的实现、

17、基于动态模型的网上动画演示等关键技术进行了研究。6$! 系统结构图6 系统功能框图该文采用三层-./012. 3 42.52.结构，图6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浏览器的零件信息维护和可视化装配的用户界面。应用层提供I99J服务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应用层的仿真运算分离，不仅是增强)*+,功能的有效途径，也有利于核心运算模块的升级维护，提高系统的适应性和扩展性。6$7 &( 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，需要将不同工作环境，不同&(软件产生的零部件信息和装配信息

18、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)*+,模型和用于服务器端装配仿真的装配模型。&(模型具有非常精确的描述，包括用于制造或运算的尺寸描述和材料数据，其表面往往由2429节点描述面的形状，并通过面的拼接实现任意形状的几何体外观。当&(模型转换为)*+,模型之后，将会丢失精确性和具体的装配特征从而不利于装配时对其进行精确控制，为了增强)*+,环境下的控制和仿真功能，笔者考虑在服务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精确控制等指令通过网络传到服务器端进行运算并将结果传回，然后由A858 JJL29通过EM控制)*+,模型的运动以反应仿真结果。同时这

19、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，当对服务器端的核心功能库进行更新时也不用对客户端进行改动，具有很好的扩展性和灵活性。实现&(环境下的信息提取有以下几种可能的途径：（6）直接利用&(软件的)*+,导出功能目前主流的&(软件如H./E，4/L; EB2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模型，在功能的扩充上限制较大。（!）通过产品模型数据转换标准4PEH4PEH作为国际标准得到了广泛的支持，对&(软件导出的4PEH文件进行解析并由此得到)*+,模型和装配模型是一种可行

20、的办法。文献C#D对此进行了研究。（7）通过&(软件的HM通过&(软件提供的应用编程接口（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精确性。HP&公司的(;5;1;/? +/Q=JCRD采用了这种方式将&(数据转换到它自己的专用数据格式，同样也可以通过这种方式建立)*+,模型。但它需要对不同&(软件开发不同的接口，实现起来较为复杂。6$# )*+, 和 A858 的结合)*+,的节点中定义了事件作为节点对外的接口，分为代表输入接口的事件输入（252?9M?）和代表输出接口的事件输出（252?9S=9）。事件模型可由图!说明。节点间的事件通路由关

21、键字*SKPE指定，当事件源有事件发生，就可以通过事件通路使相应的节点发生变化，达到动态的效果。但仅仅通过这种简单的事件模型还不能使)*+,具67%计算机工程与应用!#$%（上接&(页）进行，可以在)*+* ,-./0中设置接受对话框和发送对话框。为了避免多个用户同时对同一物体进行操作而引起冲突，可以采用分级权限的办法来实现，当一个用户对某一个物件要进行操作时，首先要向服务器发出一个请求，服务器首先检查该物件是否被操作，若没有被操作，就返回该用户“可以对这物件操作”的响应，同时锁定其他用户对该物件操作的权限；若该物件在操作，则返回该用户“请等待”的响应。一个用户只有在一个物件解锁以后才能对另一

22、个物件申请锁定的请求。! 应用实例系统基于)*+*技术构建，用户界面采用12345组件，出于实现的简单性和通用性考虑，通过,-./061/7+./0通信实现客户端和服务器之间的位置传递和结果返回。基于189:;!$的碰撞检测模块用:（)*+* *03+/ :40/7?*/）对其进行调用。目前基于“堆叠”思路的装配验证方式已经完成，ABC9模型直接由GKLM C*0M3*L，)K45 N/74M*7O$,; G4 0M/ IG7.O I3O/ I/J：A370K*.,LL/PJ.Q G? RK7430K7/ 230M NS,ASBTU$:4：F7G/O345L ABC9 VV G?0M/ ?GK

23、70M LQP-GL3KP G4 DM/ +370K*. 7/*.30Q PGO/.345 .*45K*5/，F*O/76JG74 W/7P*4Q，&VVV6!：&X&V!$N/3/7 .*KL6F/0/7$I/J6N*L/O A370K*. B/*.30Q 34 ;/L354 *4O C*4K?*0K76345 ,-.3*03G4LTU$:4：&L0 :40/74*03G4*. SK7GG4?/7/4/ G4 GP-K0/7,-.3*03G4L *4O :4?G7P*03G4 D/M4G.G5Q 34 0M/ C*7303P/ :4OKL073/L，M00-：E E 2226+7.$KP3M

24、$/OK E J/3/7 E F*-/7L E GP-30! E I/JN*L/OAB$M0P!&6&$顾建钧$敏捷制造环境下装配 ,FF 和虚拟装配技术研究T;U$南京：东南大学机械工程系，!#$Y3P *PHK5，Y3P Z/G45MG /0 *.$:40/74/06J*L/OG4K77/40 S4534/7345：,4 :40/7*03+/ ; 1QL0/P 230M C*7HK-TU$:4：F7G/O345L G? :S V(：,1CS &(0M GP-K0/7L 34 S4534/7345 G46?/7/4/：;SDV( E 8 A, ;S NSBWS$, R*L0 *4O BGJK

25、L0 W)Y :P-./P/40*03G4?G7 G.3L3G4 ;/0/03G4 G? G4+/ 8J/0L$M00-：E E 222$234$0K/$4. E L E00 E 534G E LG.3O E ，!6($*P/7G4$S4M*4345 W)Y：GP-K0345 P343PKP *4O -/4/07*03G4 O3L0*4/LJ/02/4 G4+/ -G.QM/O7*TU$:4：F7G :SSS :40 G4? G4 BGJG03L *4O,K0GP*03G4，&VV%：&!X&%求、功能、开发途径和关键技术等方面进行全面理解，完成对整个系统的分析、建模和构造。此外，B*03G4

26、*.公司还针对整个软件开发周期提供了一整套完整的解决方案。主要包括用于需求分析的B/_K3L30/F7G，用于变更管理的./*7K/L0，用于软件配置管理的./*7*L/，用于生成软件开发文档的1G;,，用于软件调试的FK7/ 1/73/L，以及用于软件自动化测试的D/L0R*0G7Q。利用上述B*03G4*.公司所提供的多种工具，笔者按照统一软件开发过程的思路，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、实施测试等开发过程。将软件工程思想及,1S工具应用到数字化雷达显示系统的设计开发中，有效缩短了研制时间，大大减少了重复性、盲目性的

27、开发行为，提高了工作效率和对各种资源的利用率。需要注意的是，使用B*03G4*.公司提供的,1S工具时，发现它存在一些不足之处，例如，BGL/的代码转换工具，在管理A的W;:接口类时存在困难；1G;,所生成的文档不便于二次使用和操作等。 结束语在数字化雷达显示系统软件的开发过程中，采用aC9对系统进行面向对象建模，可以更有效地捕获用户需求，帮助软件设计和开发人员更好地理解、构造系统的功能和组织结构，有力地辅助软件的编码实现和测试过程。（收稿日期：!年月）参考文献&$丁鹭飞，耿富录$雷达原理TCU$西安：西安电子科技大学出版社，&VV6!$叶评$高分辨率光栅扫描雷达显示系统的发展方向T)U$现代

28、雷达，&VVV；（）：X$NGGM W$8J/06873/40/O ,4*.QL3L *4O ;/L354$B/O2GGO 30Q：N/4*P34，&VV#$)*GJLG4 : /0 *.$8J/06873/40/O 1G?02*7/ S4534/7345：, aL/ *L/;73+/4 ,-7G*MTCU$,OO3LG4 I/L./Q，&VV!$BKPJ*K5M )，)*GJLG4 :，NGGM W$DM/ a43?3/O CGO/.345 9*45K*5/B/?/7/4/ C*4K*.TCU$,OO3LG4 I/L./Q 9G45P*4，&VVV$)*GJLG4 :，NGGM W，BKPJ*K5M )$统一软件开发过程TCU$北京：机械工业出版社，!6&%$9*7P*4 $aC9和模式应用：面向对象分析与设计导论TCU$北京：机械工业出版社，!6&($殷人昆，田金兰，马晓勤$使用面向对象软件工程教程TCU$北京：电子工业出版社，&VV(6V$)*GJLG4 )，NGGM W，BKPJ*K5M )$DM/ a43?3/O 1G?02*7/ ;/+/.G-P/40F7G/LLT)U$:SSS 1G?02*7/，&VVV；&（）：VX&!&