论文部分内容阅读
摘要本文阐述了如何将虚拟现实技术应用于陶瓷窑的三维仿真。包括使用CAXA实体设计软件设计出整个三维模型图，使用VRML实现陶瓷窑在WEB上的仿真。通过该设计，不但可以非常方便地设计出所需要的陶瓷窑，而且通过在WEB上的三维仿真，客户还可以更全面地了解所设计的陶瓷窑。
关键词陶瓷窑，CAXA，VRML
随着市场竞争的日益激烈，生产厂家越来越需要及时、准确且全面地把产品信息传递给用户。如果充分利用计算机技术，使用虚拟现实技术实现陶瓷窑在WEB上的仿真，就可以使用户通过网络访问自己所设计的三维窑炉模型图并且可以对它进行漫游，从而非常全面地了解所访问的窑炉的各个方面。
陶瓷窑在WEB上的仿真可以通过以下三个阶段来实现：
1使用CAXA来实现陶瓷窑的三维造型
CAXA实体设计具有竞争力的特点是它的设计速度和效率。它不仅将造型、装配、钣金、动画、高级渲染等集成在一个统一、易于掌握的操作环境下，同时由于采用图素的拖放式操作造型并结合智能捕捉与三维球定位技术，使得其它造型软件无法在设计效率与速度上与之匹敌。
在CAXA实体设计过程中，可以把整个设计看成是一个大的装配体，整个装配体又可以看成是通过定向定位来实现各个子装配体和零件的调整。这样整个设计就可以看成由各个零件构成，而在CAXA中零件又可以看成图素通过不同的定向定位方法来生成。
在CAXA实体设计中，图素分为两种：一种是标准智能图素。另一种是自定义智能图素。标准智能图素是CAXA实体设计中最常用、最基本的图素，经常用来构建基本的形体和机构，可以直接从智能图素库中拖出，再用三维球来实现定向定位；自定义智能图素实际上是由特征造型生成的图素。当所需的几何图素在设计元素库中找不到时，可以利用CAXA实体设计提供的拉伸、旋转、扫描和放样等四种特征造型方法来生成自定义智能图素，并可扩充设计元素库。图1就是通过使用CAXA实体设计技术设计出来的陶瓷窑中高温带的三维模型图。
图1CAXA实体设计的陶瓷窑高温带三维模型图
2使用VRML实现陶瓷窑的部分装配和仿真
VRML（Virtual Reality Modeling Language ）是虚拟现实造型语言的缩写形式，它是描述虚拟环境中场景的一种标准。它定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、视点、几何、动画、雾、材料特性和文理映射等，并且具有一定的行为特征描述功能。VRML提供了将三维、二维文字和多媒体集成为一个混合模型的技术。将这些媒体类型、脚本语言以及互联网的功能结合起来，就可以开发出全新的交互应用。
以下阐述一下使用VRML实现陶瓷窑的部分装配和仿真的过程。
(1) 三维模型的导入和装配
用CAXA实体设计建立陶瓷窑各个带的三维实体模型后，即可通过输出方式以VRML格式输出；然后在新生成的文件中，以记事本或者WORD的方式打开，就可以看到原先的模型图已经生成了VRML程序，最后对该程序进行修改和编辑，就可实现所需功能。
转换后的陶瓷窑各带单节窑的位置，都是由相对于原始位置的位移及转角决定的，因此必须对它们进行重新定位。在VRML中是用Transform节点来实现的，它可以通过改变其段值来改变该坐标系及实体的空间位置和方向。如以下程序代码所示：
Transform {translation 000
children
DEF yuredaiGroup { children [
······
] }}
在上述程序代码中，我们把预热带单节的整个模型定义为一个Group节点，然后对该节点定位，如上所示。通过该方法可以把整个陶瓷窑各带的单节窑炉进行装配。同时因为同一个带的窑炉情况相同，且为了减小文件的大小，可以采用DEF/USE来重用场景以避免进行重复的设计工作。如：
Transform {translation 002.1
childrenUSEyuredai
}
当整个陶瓷窑装配完成后，就可以对它进行仿真了。
(2) 基于VRML的陶瓷窑仿真
VRML增加了交互性及对动画和行为的描述，这些功能使我们能够实现动态仿真及交互。一般用时间传感器、动作传感器、脚本节点和各种插值节点配合使用来完成动画效果。
时间传感器（TimeSensor）节点的作用象一个时钟，它可以被用来执行开始、停止或者其他控制动画的动作，随着时间的推移，这个传感器就会产生事件来表示时间的变化。通过将这些事件从TimeSensor节点的EventOut路由到其它节点，当TimeSensor节点的时钟开始计时，就可以使这些节点发生相应的变化。
动作传感器使用交互设备来感知观察者的动作。当观察者点击到附带有感知器的造型时，感知器就输出一个事件，这个事件就被路由到其它节点来开始一个动画。动作传感器用来感受浏览者来自虚拟世界的动作，并将这些动作转换成适于空间造型的输出，使浏览者感觉像是在一个真实的世界里观察一样。
脚本（Script）节点提供了一种更为复杂的交互方法，Script节点可以用来完成许多任务。
在本设计中，需要实现的功能就是通过接触传感器来点击需要实现的漫游按钮，然后输出一个事件到时间传感器。时间传感器再根据时间的变化，把这些时间路由到其它节点，使这些节点发生相应的变化。其中陶瓷窑的变化主要是通过PositionInterpolator、OrientationInterpolator两个插值节点来实现的。
以下程序代码就是该仿真的路由过程。其中Clicker1、Clicker2是两个不同的接触传感器；TimeSource1、TimeSource2是两个不同的时间传感器；GuidePI、GuideRI分别是两个不同的插值节点；Xform是实现仿真动作的节点。
ROUTE Clicker1.touchTime TO TimeSource1.startTime
ROUTE Clicker2.touchTime TO TimeSource2.startTime
ROUTE TimeSource1.fraction_changed TO GuidePI.set_fraction
ROUTE TimeSource2.fraction_changed TO GuideRI.set_fraction
ROUTE GuidePI.value_changed TO XForm.translation
ROUTE GuideRI.value_changed TO XForm.rotation
为了得到更好的仿真效果，对背景节点和视点节点做了一定的修改，如：背景节点全部采用蓝色作为背景，这样可以增加视觉效果；视点节点设置了三个不同的方向，这样有利于在不同的方向上观察陶瓷窑仿真。
图2是在视点2的模式下所看到的陶瓷窑模型图，可以通过点击上面的字，实现不同的仿真效果。
图2视点2模式下的陶瓷窑模型图
3实现陶瓷窑动态仿真在WEB上的发布
VRML的访问方式可以使用基于客户/服务器模式。其中服务器提供VRML文件及支持资源(图像、视频、声音等)；客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟环境。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。
服务器端可以通过＜ＦＲＡＭＥ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞在整个网页中显示模型，也可以通过＜ＥＭＢＥＤ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞将模型嵌入至网页中，再将其发布到WEB服务器上。
客户端须安装VRML的插件如:CORTONA,MicrosoftVRML 2.0 Viewer,Cosmo Player等，然后在程序中使用URL。URL（Uniform Resource Locator）指明了一个文件所位于的服务器和读取协议（如：HTTP），小写的“url”在VRML中指向域值可能包含URL或在线的编码数据。
参考文献
1 叶 琳.基于虚拟现实VRML的机械产品展示技术[J].机电工程技术,2002,31(1)
2 吴 玮,吴昌林,吴鹿鸣,吴立言.结合AUTOCAD 、3D MAX及VRML实现WEB三维动画[J].机械设计与制造,2002,4
3 梁 晖,刘晓明.在Web中利用VRML实现机械结构运动仿真[J].机械与电子,2002,2
4 李建华,王 玮,王占礼.VRML在机械设计中的应用[J].吉林工学院学报,1999,20(3)
5 石教英主编.虚拟现实基础及实用算法[M].科学出版社,2002
6 杨伟群等编著.CAXA实体设计——应用基础篇[M].北京大学出版社,2002
关键词陶瓷窑，CAXA，VRML
随着市场竞争的日益激烈，生产厂家越来越需要及时、准确且全面地把产品信息传递给用户。如果充分利用计算机技术，使用虚拟现实技术实现陶瓷窑在WEB上的仿真，就可以使用户通过网络访问自己所设计的三维窑炉模型图并且可以对它进行漫游，从而非常全面地了解所访问的窑炉的各个方面。
陶瓷窑在WEB上的仿真可以通过以下三个阶段来实现：
1使用CAXA来实现陶瓷窑的三维造型
CAXA实体设计具有竞争力的特点是它的设计速度和效率。它不仅将造型、装配、钣金、动画、高级渲染等集成在一个统一、易于掌握的操作环境下，同时由于采用图素的拖放式操作造型并结合智能捕捉与三维球定位技术，使得其它造型软件无法在设计效率与速度上与之匹敌。
在CAXA实体设计过程中，可以把整个设计看成是一个大的装配体，整个装配体又可以看成是通过定向定位来实现各个子装配体和零件的调整。这样整个设计就可以看成由各个零件构成，而在CAXA中零件又可以看成图素通过不同的定向定位方法来生成。
在CAXA实体设计中，图素分为两种：一种是标准智能图素。另一种是自定义智能图素。标准智能图素是CAXA实体设计中最常用、最基本的图素，经常用来构建基本的形体和机构，可以直接从智能图素库中拖出，再用三维球来实现定向定位；自定义智能图素实际上是由特征造型生成的图素。当所需的几何图素在设计元素库中找不到时，可以利用CAXA实体设计提供的拉伸、旋转、扫描和放样等四种特征造型方法来生成自定义智能图素，并可扩充设计元素库。图1就是通过使用CAXA实体设计技术设计出来的陶瓷窑中高温带的三维模型图。
图1CAXA实体设计的陶瓷窑高温带三维模型图
2使用VRML实现陶瓷窑的部分装配和仿真
VRML（Virtual Reality Modeling Language ）是虚拟现实造型语言的缩写形式，它是描述虚拟环境中场景的一种标准。它定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、视点、几何、动画、雾、材料特性和文理映射等，并且具有一定的行为特征描述功能。VRML提供了将三维、二维文字和多媒体集成为一个混合模型的技术。将这些媒体类型、脚本语言以及互联网的功能结合起来，就可以开发出全新的交互应用。
以下阐述一下使用VRML实现陶瓷窑的部分装配和仿真的过程。
(1) 三维模型的导入和装配
用CAXA实体设计建立陶瓷窑各个带的三维实体模型后，即可通过输出方式以VRML格式输出；然后在新生成的文件中，以记事本或者WORD的方式打开，就可以看到原先的模型图已经生成了VRML程序，最后对该程序进行修改和编辑，就可实现所需功能。
转换后的陶瓷窑各带单节窑的位置，都是由相对于原始位置的位移及转角决定的，因此必须对它们进行重新定位。在VRML中是用Transform节点来实现的，它可以通过改变其段值来改变该坐标系及实体的空间位置和方向。如以下程序代码所示：
Transform {translation 000
children
DEF yuredaiGroup { children [
······
] }}
在上述程序代码中，我们把预热带单节的整个模型定义为一个Group节点，然后对该节点定位，如上所示。通过该方法可以把整个陶瓷窑各带的单节窑炉进行装配。同时因为同一个带的窑炉情况相同，且为了减小文件的大小，可以采用DEF/USE来重用场景以避免进行重复的设计工作。如：
Transform {translation 002.1
childrenUSEyuredai
}
当整个陶瓷窑装配完成后，就可以对它进行仿真了。
(2) 基于VRML的陶瓷窑仿真
VRML增加了交互性及对动画和行为的描述，这些功能使我们能够实现动态仿真及交互。一般用时间传感器、动作传感器、脚本节点和各种插值节点配合使用来完成动画效果。
时间传感器（TimeSensor）节点的作用象一个时钟，它可以被用来执行开始、停止或者其他控制动画的动作，随着时间的推移，这个传感器就会产生事件来表示时间的变化。通过将这些事件从TimeSensor节点的EventOut路由到其它节点，当TimeSensor节点的时钟开始计时，就可以使这些节点发生相应的变化。
动作传感器使用交互设备来感知观察者的动作。当观察者点击到附带有感知器的造型时，感知器就输出一个事件，这个事件就被路由到其它节点来开始一个动画。动作传感器用来感受浏览者来自虚拟世界的动作，并将这些动作转换成适于空间造型的输出，使浏览者感觉像是在一个真实的世界里观察一样。
脚本（Script）节点提供了一种更为复杂的交互方法，Script节点可以用来完成许多任务。
在本设计中，需要实现的功能就是通过接触传感器来点击需要实现的漫游按钮，然后输出一个事件到时间传感器。时间传感器再根据时间的变化，把这些时间路由到其它节点，使这些节点发生相应的变化。其中陶瓷窑的变化主要是通过PositionInterpolator、OrientationInterpolator两个插值节点来实现的。
以下程序代码就是该仿真的路由过程。其中Clicker1、Clicker2是两个不同的接触传感器；TimeSource1、TimeSource2是两个不同的时间传感器；GuidePI、GuideRI分别是两个不同的插值节点；Xform是实现仿真动作的节点。
ROUTE Clicker1.touchTime TO TimeSource1.startTime
ROUTE Clicker2.touchTime TO TimeSource2.startTime
ROUTE TimeSource1.fraction_changed TO GuidePI.set_fraction
ROUTE TimeSource2.fraction_changed TO GuideRI.set_fraction
ROUTE GuidePI.value_changed TO XForm.translation
ROUTE GuideRI.value_changed TO XForm.rotation
为了得到更好的仿真效果，对背景节点和视点节点做了一定的修改，如：背景节点全部采用蓝色作为背景，这样可以增加视觉效果；视点节点设置了三个不同的方向，这样有利于在不同的方向上观察陶瓷窑仿真。
图2是在视点2的模式下所看到的陶瓷窑模型图，可以通过点击上面的字，实现不同的仿真效果。
图2视点2模式下的陶瓷窑模型图
3实现陶瓷窑动态仿真在WEB上的发布
VRML的访问方式可以使用基于客户/服务器模式。其中服务器提供VRML文件及支持资源(图像、视频、声音等)；客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟环境。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。
服务器端可以通过＜ＦＲＡＭＥ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞在整个网页中显示模型，也可以通过＜ＥＭＢＥＤ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞将模型嵌入至网页中，再将其发布到WEB服务器上。
客户端须安装VRML的插件如:CORTONA,MicrosoftVRML 2.0 Viewer,Cosmo Player等，然后在程序中使用URL。URL（Uniform Resource Locator）指明了一个文件所位于的服务器和读取协议（如：HTTP），小写的“url”在VRML中指向域值可能包含URL或在线的编码数据。
参考文献
1 叶 琳.基于虚拟现实VRML的机械产品展示技术[J].机电工程技术,2002,31(1)
2 吴 玮,吴昌林,吴鹿鸣,吴立言.结合AUTOCAD 、3D MAX及VRML实现WEB三维动画[J].机械设计与制造,2002,4
3 梁 晖,刘晓明.在Web中利用VRML实现机械结构运动仿真[J].机械与电子,2002,2
4 李建华,王 玮,王占礼.VRML在机械设计中的应用[J].吉林工学院学报,1999,20(3)
5 石教英主编.虚拟现实基础及实用算法[M].科学出版社,2002
6 杨伟群等编著.CAXA实体设计——应用基础篇[M].北京大学出版社,2002