工程圖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

邱龍輝， 葉 琳

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

工程圖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)采用Web＋Java＋VRML平臺(tái)，在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建圖學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)踐的空間，優(yōu)化學(xué)生的課內(nèi)和課后實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)境。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)：① 三維立體的實(shí)時(shí)變形處理，如截交線實(shí)驗(yàn)中的立體切割；② 立體之間的位置變化處理，如立體相貫實(shí)驗(yàn)和組合體實(shí)驗(yàn)中立體的定位；③ 實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整靈活：可以直接控制模型調(diào)整和通過(guò) Web頁(yè)面的界面調(diào)整[1]。但VRML的基本節(jié)點(diǎn)本身并不具備實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的能力，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須能夠通過(guò)程序方便的控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中虛擬模型，如獲得模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)、讀取模型的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、程序動(dòng)態(tài)生成模型等，本文研究了使用Java平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1 Java程序控制VRML

Java程序控制VRML可以通過(guò)兩種方式，即通過(guò) SAI (Script Authoring Interface)或 EAI(External Authoring Interface)[2]。SAI方式是通過(guò)VRML中的Script接口節(jié)點(diǎn)控制場(chǎng)景，充分利用了VRML原有的事件機(jī)制，但其Java程序類必須是Script類的子類[2-3]，也就是說(shuō)所編寫(xiě)的Java類都必須繼承自Script類。EAI方式是使用一套針對(duì)VRML瀏覽器的Java類，實(shí)現(xiàn)了Java Applet與 VRML場(chǎng)景的通信。通過(guò) EAI，Java Applet可以訪問(wèn)當(dāng)前運(yùn)行的 VRML場(chǎng)景，在外部直接操作、控制和修改 VRML內(nèi)部的場(chǎng)景。SAI和EAI相當(dāng)于Java對(duì)VRML場(chǎng)景的內(nèi)部控制和外部控制方法，可以滿足不同實(shí)驗(yàn)的需要。

在系統(tǒng)中欲實(shí)現(xiàn)對(duì) VRML場(chǎng)景的控制，應(yīng)首先在 VRML程序?qū)ζ溟_(kāi)放的被控制節(jié)點(diǎn)使用DEF命名，建立該節(jié)點(diǎn)被檢索的標(biāo)識(shí)，然后在Java程序中通過(guò)該名稱獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的Node類實(shí)例。在SAI和EAI中獲得節(jié)點(diǎn)實(shí)例的方法不同，SAI必須在Script節(jié)點(diǎn)中定義域，并使用USE關(guān)鍵詞引用對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，在 Java程序中使用getField（）方法通過(guò)讀取Script節(jié)點(diǎn)中的域值獲得該實(shí)例。而EAI則相對(duì)靈活，只需使用getNode（）方法即可直接獲得。

2 模型數(shù)據(jù)的獲取

在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，諸如截交線實(shí)驗(yàn)的截平面、組合體實(shí)驗(yàn)中構(gòu)件都需要獲得其空間位置，測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中需要獲得坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，此時(shí)獲得場(chǎng)景中模型當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)和幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，正確讀取相關(guān)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行其他的相關(guān)操作。場(chǎng)景中模型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和當(dāng)前的狀態(tài)是由節(jié)點(diǎn)的出事件和外露域的參數(shù)表現(xiàn)的，所以獲得模型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和當(dāng)前的狀態(tài)就是獲得相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的出事件和外露域參數(shù)。

使用VRML API時(shí)，獲得節(jié)點(diǎn)的出事件和外露域參數(shù)有兩個(gè)途徑：① 使用VRML的ROUTE語(yǔ)句，通過(guò)Script節(jié)點(diǎn)的eventIn獲得相關(guān)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要在 VRML文件中添加許多ROUTE語(yǔ)句，但只適用于SAI模式開(kāi)發(fā)；② 直接讀取 VRML節(jié)點(diǎn)的出事件和外露域，SAI和EAI均可以實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，直接讀取VRML節(jié)點(diǎn)出事件和外露域需要如下幾個(gè)步驟：

圖1 讀取出事件

（1）獲得Browser實(shí)例

本步驟需要定義一個(gè) VRML API特有的Browser類，然后使用該類的 getBrowser（）方法建立當(dāng)前的Browser類實(shí)例。Browser類實(shí)際上是對(duì)VRML場(chǎng)景的一個(gè)Java封裝，其中包含了獲取當(dāng)前瀏覽環(huán)境信息的各種方法。

（2）獲得節(jié)點(diǎn)（Node）實(shí)例

使用 SAI或 EAI開(kāi)發(fā)時(shí)，獲得節(jié)點(diǎn)實(shí)例的方法不同：SAI必須在關(guān)聯(lián)的Script節(jié)點(diǎn)中定義域，并使用 USE關(guān)鍵詞引用對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，然后在 Java程序中使用 getField（）方法通過(guò)讀取Script節(jié)點(diǎn)中的域值獲得該實(shí)例；而EAI則相對(duì)靈活，只需使用getNode（）方法即可直接獲得。

（3）獲得節(jié)點(diǎn)出事件（eventOut）或外露域（exposedField）實(shí)例

模型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)是通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的eventOut或exposedField反映的。所以應(yīng)先獲得該事件的實(shí)例。該實(shí)例的獲得通過(guò)Node類的getEventOut（）方法實(shí)現(xiàn)。這一步驟需要將getEventOut得到的實(shí)例強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化為EventOut的相應(yīng)子類（如 EventOutMFVec3f），以實(shí)現(xiàn)讀取eventOut事件目的。

（4）讀取模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)

通過(guò)eventOut實(shí)例的getValue（）方法實(shí)現(xiàn)模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀取。

按照前述步驟，在虛擬截交線實(shí)驗(yàn)中，采用了 EAI的方式實(shí)時(shí)獲得了切割平面位置。其中須定義變量如下：

3 Java程序生成虛擬模型

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求動(dòng)態(tài)的建立模型；當(dāng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行諸如切割、拉伸等操作后，也需要重新生成虛擬模型。因此，使用 Java程序動(dòng)態(tài)地生成虛擬模型成為了虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵過(guò)程。

向VRML場(chǎng)景添加節(jié)點(diǎn)，需要以下5個(gè)步驟。

（1）獲得瀏覽器的管理。

（2）獲得父節(jié)點(diǎn)的控制

場(chǎng)景中一般使用Transform節(jié)點(diǎn)作為容納模型形體的父節(jié)點(diǎn)，在 VRML文件需要對(duì)相應(yīng)的Transform節(jié)點(diǎn)使用DEF定義名稱，同時(shí)在Java中使用Browser類的getNode（）方法獲得該節(jié)點(diǎn)的Node類實(shí)例。

（3）獲得父節(jié)點(diǎn)的eventIn實(shí)例

向Transform節(jié)點(diǎn)中添加模型節(jié)點(diǎn)是通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的eventIn事件addChildren實(shí)現(xiàn)的。所以必須先獲得該事件的實(shí)例。該實(shí)例的獲得通過(guò)Node類的 getEventIn（）方法實(shí)現(xiàn)。此處同樣需要注意的是將getEventIn得到的addChildren實(shí)例強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為EventIn的子類EventInMFNode。

（4）建立新模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成步驟如下：

1）計(jì)算獲得模型立體的點(diǎn)表和面表數(shù)據(jù)；

2）按VRML格式建立坐標(biāo)（coordString）和坐標(biāo)索引（coordindexString）字符串，1）中計(jì)算獲得的點(diǎn)表數(shù)據(jù)是雙精度型，而 VRML模型中數(shù)據(jù)精度不必太高，這里使用Java中Math類的 round（）方法保留兩位小數(shù)，然后將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為字符串向坐標(biāo)字符串賦值。同時(shí)注意各坐標(biāo)之間需要加入空格，每組坐標(biāo)后要加入逗號(hào)分隔，以符合VRML格式要求。

3）建立Node類數(shù)組

創(chuàng)建 Node類型的實(shí)例數(shù)組使用 API中Browser類的createVrmlFromString（）方法，該方法的參數(shù)是符合 VRML格式的字符串。這里將坐標(biāo)、坐標(biāo)索引字符串與Transform的其他相關(guān)字符串組合。此處的字符串應(yīng)按照 VRML編程時(shí)的格式，分行列出，這樣可以極大地減少程序在運(yùn)行過(guò)程中的出錯(cuò)率。

4 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

下面以棱柱截交線實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明各種方法的應(yīng)用。截交線實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，截平面位置的獲得使用了VRML模型數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)，如圖2所示；而截切后截?cái)囿w的生成使用了 Java程序生成虛擬模型技術(shù)，如圖3所示。

圖2 截平面位置的獲得

圖3 Java程序生成截?cái)囿w

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工程圖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在控制虛擬模型方面的需求，研究實(shí)現(xiàn)了 Java程序控制VRML，獲取VRML模型數(shù)據(jù)，生成虛擬模型等幾個(gè)實(shí)現(xiàn)模型控制中的關(guān)鍵技術(shù)。解決了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的幾個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，也為其他VRML虛擬系統(tǒng)提供了開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。

[1]邱龍輝, 葉 琳. 基于VRML-Java平臺(tái)的工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2005,26(5): 155-159.

[2]Rikk Carey, Gavin Bell, Chris Marrin. ISO/IEC 14772-1:1997, Virtual Reality Modeling Language [S].

[3]The Java Tutorial [EB/OL]. http://java.sun.com/docs/books/tutorial