基于VRML_JAVA的虚拟现实及其协同环境的开发_吴波20

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.(1’23），浏览性（3+4’5+)’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的功能和行为表现的三维计算机模型。&-89（&’()*+,-.6+,’)/82:.,’359+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+’,：4’37.3)JKKLEG=$720摘要虚拟现实技术对于制造业信息化有着重要意义。为建立开放技术标准之上的可视化装配系统，该文对基于&-89IB@&@的虚拟现实技术在工程设计领域的应用进行了研究，提出一种新型的;.环境下=交互仿真结构，复杂的运算和仿真在服务器上进行，从而实现服务器端装配模型和客户端显示模型的分离。并在此基础之上提出协同环境开发的系统结构。该模型不仅可用于网络环境下的可视化装配，也适合于其他领域基于;.的科学可视化。关键词&-89B@&@装配可视化协同;.文章编号E!IM==EI（!#）%IE=GI=文献标识码@中图分类号NA=FE$F!#$%&’!’()*+,!-./0)1+)1-/2)3,4556+.)/-53-3’**+7812!-*0)1-9)/-53:0(5;50;-6-3=;)3=)8-3=:0&-+2-（?C8D?.3).(，D2*)O.+1)P3’4.(1’)/，Q+3R’35!EFG）’8*/.)?/：&’()*+,-.+,’)/).7O32,25/’14.(/’0K2()+3))2?20K*).(C3).5(+).:8+3*S+7)*(’35D/1).0$N2:.4.,2K)O.4’1*+,+11.0,/1/1).0+1.:232K.3).7O32,25/，)O.&-89IB@&@+1.:&’()*+,-.+,’)/).7O32,25/’1:’17*11.:$NO’1K+K.(K(.1.3)1+324.,’3).(+7)’4.=1’0*,+)’231/1).0S2(;.+1.:.34’(230.3)1$=4’1*+,’T+)’23’1.U.7*).:23)O.7,’.3)1’:.+3:720K,.U720K*)+)’23+3:1’0*,+)’2323)O.1.(4.(1’:.$NO*1，)O.4’1*+,’T+)’2302:.,+3:)O.+11.0,/02:.,+(.:’1)(’*).:$V+1.:23)O’1).7O32,25/，)O.K+K.((’351S2(W+(:+1/1).0723S’5*(+)’23S2(722K.(+)’23$NO’1+(7O’).7)*(.32)23,/7+3.*1.:’34’1*+,+11.0,/1/1).0*)+,12’11*’)+,.S2(4’1*+,’T+)’23’32)O.((.1.+(7O+(.+$@+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：吴波（EF%GI），男，硕士研究生，主要研究方向是计算机网络7’01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!#$%计算机工程与应用备智能，无法在各事件间建立复杂的联系，为了扩展&’()的交互能力和处理能力需要程序语言的介入，&’()标准本身没有指定编程语言，但在网络环境下，*+,+是最具魅力的语言，它和&’()的结合显得相当自然，当前的主流&’()浏览器也都对*+,+编程提供了支持。图!&’()事件模型在&’()中使用*+,+有两种方式，即通过内部-./012节点和外部编程接口（345）。（6）内部-./012节点-./012节点的7’)域可以包含一段*+,+-./012程序或者是链接的一个*4&4.8+99。当:0/;.2=21=2域为4)-3时可以将-./012节点理解为事件通路上的一个智能节点，它接收事件输入对其处理后产生事件输出，这条事件通路仍由’7?3指定。当:0/;.2=21=2为?’73时程序可以获得其他节点的引用，并直接对其域进行赋值，而不必遵从’7?3指定的事件通路。（!）外部编程接口（3@2;/A+84=2BC/0AD5A2;/E+.;）345-./012节点从&’()场景内部提供了与*+,+的连接，而345定义了与外部F?()页面中的4118;2通信的接口。它的基本思想是将*+,++118;2与&’()置于同一G;H页面，在*+,++118;2中建立H/CI9;/对象以标识一个唯一的&’()场景，并由此获得对&’()场景中已定义节点的引用，它通过直接指定引用节点的域值而达到动态效果。这样，*+,++118;2即可控制&’()场景，也能进行与F?()等其他媒体的交互以及网络控制，从而可以实现复杂的虚拟环境系统。345作为&’()标准的扩充已经提交5-，有望在将来正式成为国际标准的一部分。总之，很多功能既可通过-./012节点也可利用345实现，一般来说对于单一的&’()事件实现交互及运算功能可选择内部的-./012，若需集成多种媒体，并进行复杂网络控制，则更宜于使用345，自然其编程也要复杂一些。在该文的系统实现中需要进行大量与服务器的通信，同时有比较复杂的用户界面控制，为此采用345作为与&’()的交互手段。6$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-./012.342.52.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$6研究背景如何增强)*+,的7(浏览、交互能力并将其应用于工程设计领域，国内外已进行了一定的研究。+89:;81/=1:和-2.?:8.@A=?BC6D设计的-E’)E*系统，采用基于F2G的技术实现了网络环境下家具的虚拟装配；密歇根大学的虚拟现实实验室开展了一系列关于)*+,在制造业中应用的研究项目C!D，如船体运动仿真，船体制造仿真，虚拟制造中的机器人模型等等；笔者对)*+,的模型特点、交互控制进行了研究，提出了一种新型的应用结构，并对其在敏捷制造环境下的虚拟装配中的应用进行了探索。东南大学机械工程系先前开展的装配&’HH和虚拟装配技术研究C7D中，采用寄生于&’(环境的虚拟装配系统对装配&’HH系统生成的装配工艺进行可视化装配验证。但由于不能脱离&’(环境，对于在网络环境下进行虚拟装配验证和装配顺序动画演示的发布带来了一定的困难，异地的用户必须具备相同的&’(环境才能对虚拟装配的过程进行再现，而这一点对于敏捷制造环境下的企业来说通常不能保证。因此笔者考虑采用)*+,和A858等完全基于F2G的平台无关技术，这样可在不同的硬件环境和软件平台上实现对装配工艺的可视化验证，并且其结果可供管理、销售等人员参考，而不仅仅限于工程技术人员，从而拓宽了信息共享的范围。文献C6，!D中采用的方法对实现以上目标均有不足，对此在这篇论文中提出一种网络环境下基于)*+,的虚拟装配系统结构，并对其中的&’(环境下信息的提取和模型建立、)*+,和A858的交互、碰撞检测的实现、基于动态模型的网上动画演示等关键技术进行了研究。6$!系统结构图6系统功能框图该文采用三层-./012.342.52.结构，图6显