共享三維變換矩陣的模具工藝協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究

王成勇 錢凌云 陳從升 李 亨 韓 豫 劉全坤

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

0 引言

方案，開發(fā)了模具專家在線工藝討論系統(tǒng)。

先進制造技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展正深刻改變著傳統(tǒng)的工藝設(shè)計模式。基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工藝設(shè)計應(yīng)運而生，并逐漸成為一門具備多學(xué)科性和群體協(xié)作性的工程［1］。如何有效地在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行團隊協(xié)同工藝討論，實現(xiàn)高效的工藝決策與技術(shù)交流，從而提高大型模具項目開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期，是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下模具工藝協(xié)同研究的主要領(lǐng)域。

為了支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工藝討論，需要開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的多用戶共享三維模具模型并進行工藝會商的可視化交流平臺。利用這種工具平臺，異地的設(shè)計團隊成員可以進行各種工藝方案的協(xié)商討論，不僅可以進行文字信息的交流，還能對產(chǎn)品三維模型進行共享操縱，實現(xiàn)同步瀏覽與工藝設(shè)計。本文針對這一技術(shù)展開研究，提出共享三維變換矩陣的協(xié)同

1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下模具協(xié)同工藝討論關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同工藝設(shè)計（process collaborative design，PCD）是解決復(fù)雜工藝難題或完成大型工藝設(shè)計任務(wù)的一種重要和有效的工作方式，它通過一個團隊中多個成員的共同努力與合作最終完成工藝設(shè)計任務(wù)。目前基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同技術(shù)已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如協(xié)同醫(yī)療、協(xié)同編著、協(xié)同會簽等。在模具行業(yè)動態(tài)聯(lián)盟框架下，模具協(xié)同設(shè)計、模具數(shù)據(jù)共享與交換、模具協(xié)同模型的輕量化網(wǎng)絡(luò)傳輸以及多客戶端三維同步顯示與互操作等是其關(guān)鍵技術(shù)。

模具三維模型遠程同步顯示與交互是模具協(xié)同工藝討論的基礎(chǔ)和核心。為了實現(xiàn)“你見即我見（what you see is what I see，WYSIWIS）”，系統(tǒng)需要將協(xié)同群組中獲得令牌（Token）的成員對模具模型的三維瀏覽操作同步反映在群組所有成員的屏幕上。與通用的即時通信系統(tǒng)（instant messenger，IM）不同，為了保證模具工藝協(xié)同系統(tǒng)在公網(wǎng)帶寬條件下可以流暢地實現(xiàn)三維交互操作，暫不宜開通語音視頻數(shù)據(jù)的多點傳輸。

2 三維工藝協(xié)同瀏覽方案及其開發(fā)技術(shù)對比研究

2.1 三種典型協(xié)同瀏覽與同步交互方案

圍繞網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同瀏覽與同步交互技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。文獻［2－8］都對此進行了討論，所涉及的協(xié)同瀏覽與同步交互方案大致有三類：基于共享屏幕的方案、基于共享桌面的方案和基于對象復(fù)制的方案。

（1）基于共享屏幕的協(xié)同瀏覽方案。共享屏幕（screen sharing）又稱為共享顯示（display sharing），是早期簡單模式的多點共享方式。協(xié)同群組組員在本機（local PC）操作三維模型，其屏幕畫面被實時截取，交由協(xié)同工具傳送至其他組員的屏幕上，其實質(zhì)是屏幕拷貝。這種方式難以實現(xiàn)相互感知，即使經(jīng)過行程編碼或哈夫曼編碼壓縮，在公網(wǎng)多點間傳送的截屏位圖數(shù)據(jù)量也是非常大的，響應(yīng)速度很慢，實時性差。由于沒有真實地傳輸三維操作參數(shù)，下一個取得控制權(quán)的協(xié)同組員無法在當(dāng)前模型的形位姿態(tài)下繼續(xù)操作和瀏覽。這種限制使得協(xié)同不暢、交互性差。

（2）基于共享桌面的協(xié)同工藝方案。基于共享桌面方案需要借助遠程桌面共享技術(shù)（remote desktop sharing），一般支持音視頻（audio ＆video）交流、白板（whiteboard）交流、應(yīng)用程序共享（program sharing）等。通過“請求控制”和“釋放控制”命令獲得控制權(quán)和釋放控制權(quán)，主控端將客戶端的鼠標(biāo)和鍵盤信息轉(zhuǎn)換成控制信息并通過網(wǎng)絡(luò)傳送至受控端以達到控制目的，執(zhí)行相關(guān)操作。目前一些三維專業(yè)軟件支持此類技術(shù)。但是大型多工位連續(xù)模的3D模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，而且協(xié)同工藝對3D模型操作的高交互性和實時性要求較高，因此采用共享桌面的協(xié)同工藝方案，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時是主要障礙。如何減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量對提高實時性十分關(guān)鍵。

（3）基于模型復(fù)制的協(xié)同瀏覽方案。前兩種協(xié)同瀏覽方案實際上都是基于視圖共享來實現(xiàn)的，而基于模型復(fù)制的協(xié)同方式需要在多點間復(fù)制模具三維數(shù)字模型。該方案能夠絕對地保證各組員客戶端顯示和操作模型的一致性，是一種理想的協(xié)同瀏覽方案。協(xié)同群組所有成員不僅能夠?qū)崟r獲得同步的顯示結(jié)果，而且可以真正獲得改變后的模型，但是在目前帶寬條件下同樣難以滿足實時傳輸要求。文獻［9］提出了在協(xié)同過程中采用漸進式快速顯示技術(shù)實現(xiàn)三維幾何模型在多點間傳輸并顯示，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)邊傳輸邊顯示，而不是等到完整模型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束才顯示模型，使協(xié)同不至于出現(xiàn)長時間停頓，但該方法并沒有減少總的模型傳輸時間。

基于模型復(fù)制的方案與基于共享屏幕的方案在傳輸方式上非常相似，只是傳輸?shù)膬?nèi)容不同，在共享屏幕的方案中傳輸?shù)氖墙?jīng)過幀壓縮的截屏圖像，而在基于模型復(fù)制的方案中，傳輸?shù)氖侨S實體模型數(shù)據(jù)。實際上，三種協(xié)同方案只有在局域網(wǎng)帶寬條件下才具有現(xiàn)實意義。隨著設(shè)計與生產(chǎn)的全球化，異地環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計、協(xié)同工藝乃至網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造已經(jīng)成為一種必然的趨勢，因此，研究在Internet環(huán)境下新型的多用戶實時共享的模型數(shù)據(jù)交換和工藝協(xié)同具有重要意義。

2.2 三種三維協(xié)同瀏覽開發(fā)技術(shù)

針對多用戶三維數(shù)字模型同步顯示與交互瀏覽的開發(fā)技術(shù)研究主要有三個方向［10］。

（1）基于 CGI（common gateway interface）的網(wǎng)絡(luò)三維協(xié)同開發(fā)。CGI技術(shù)是外部擴展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴展應(yīng)用程序可以處理遠程客戶端輸入的協(xié)同工作數(shù)據(jù)，完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。服務(wù)器在任一時刻只允許一個客戶端的操作請求，并存儲該客戶端的操作結(jié)果。其他用戶通過客戶端工具實時從服務(wù)器取回模型操作結(jié)果，并顯示在屏幕上，從而達到同步顯示和交互操作目的。

（2）基于 VRML（virtual reality modeling language）的網(wǎng)絡(luò)三維協(xié)同開發(fā)。VRML作為三維模型的輕量化格式可以構(gòu)建三維虛擬世界（3D virtual world），描繪三維虛擬場景［11］，網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)同系統(tǒng)控制VRML場景中的三維物體實現(xiàn)遠程操作和瀏覽［12］。

（3）基于Java3D的網(wǎng)絡(luò)三維協(xié)同開發(fā)。Java 3D是一種三維圖形應(yīng)用編程接口，可在較高層次上調(diào)用基本圖元構(gòu)造復(fù)雜的模具三維實體模型，將三維對象作為場景中的節(jié)點添加到三維空間中，在目前應(yīng)用較廣的三維開發(fā)技術(shù)OpenGL、Direct3D和Java 3D中［13］。Java 3D在三維應(yīng)用開發(fā)方面，具有明顯優(yōu)勢，適合開發(fā)模具工藝協(xié)同討論與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)。

3 模具工藝協(xié)同討論解決方案

3.1 共享變換矩陣的協(xié)同瀏覽原理

為了在動態(tài)聯(lián)盟環(huán)境下，利用有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬實現(xiàn)模具協(xié)同工藝群組異地共享三維模型，討論工藝方案，本文提出共享變換矩陣的協(xié)同瀏覽方案。該方案采用事件驅(qū)動機制，由討論組管理員控制模型操縱與工藝設(shè)計的令牌，獲得令牌的組員可以操縱模具模型并組播工藝設(shè)計命令流（command stream）。協(xié)同客戶端實時記錄組員對三維模型所施加的瀏覽變換矩陣及工藝設(shè)計命令流，在群組內(nèi)組播。所有組員共享該三維瀏覽操作及命令流，達到工藝協(xié)同設(shè)計的目的。

三維變換矩陣是由瀏覽者的鼠標(biāo)事件（單擊、左鍵拖動、右鍵拖動和中鍵滾動等）觸發(fā)產(chǎn)生的，工藝命令流由鍵盤輸入觸發(fā)產(chǎn)生，因此本工藝協(xié)同方案的實質(zhì)是共享事件驅(qū)動機制。這種模式不需要在多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳輸模具模型數(shù)據(jù)，僅傳輸有限的變換矩陣數(shù)據(jù)（4×4矩陣中的16個雙精度浮點數(shù)）及格式化封裝的工藝命令流，數(shù)據(jù)量較少，可以實現(xiàn)流暢的三維協(xié)同瀏覽和工藝討論。

一次協(xié)同工藝討論過程大致如下：工藝會商發(fā)起者將制件或模具的初始輕量化模型在群組內(nèi)分發(fā)；工藝專家登錄為協(xié)同組員，利用本文開發(fā)的工藝協(xié)同系統(tǒng)打開輕量化三維模型；發(fā)起者邀約在線工藝專家開始工藝討論，并控制令牌的發(fā)放和回收，消解協(xié)同過程的并發(fā)沖突；各個客戶端的協(xié)同模塊之間會自動進行數(shù)據(jù)監(jiān)聽和信息交互，取得控制權(quán)的客戶端協(xié)同工具自動記錄并組播三維變換矩陣和工藝命令流；群組內(nèi)其他組員的客戶端以特定時長周期輪循偵聽特定端口，收到變換矩陣或工藝命令流后，導(dǎo)入到工藝協(xié)同系統(tǒng)中驅(qū)動模型進行三維變換或?qū)懭牍に囄募瑥亩鴮崿F(xiàn)同步瀏覽與工藝協(xié)同設(shè)計。其原理如圖1所示。

圖1 基于共享變換矩陣的三維協(xié)同瀏覽方案

3.2 共享中性輕量化模型選擇

為了提高三維瀏覽速度，同時也考慮模具工藝人員可能沒有安裝專業(yè)模具CAD軟件，工藝協(xié)同系統(tǒng)必須能夠脫離特定CAD軟件的支持。Java 3D可以支持主流模具CAD軟件導(dǎo)出的中性輕量化三維模型，如 VRML、X3D、3DXML、XML3D、DXF和OBJ等，通過相應(yīng)三維數(shù)據(jù)的導(dǎo)入接口實現(xiàn)對輕量化模型的操縱。

4 模具工藝協(xié)同系統(tǒng)的實現(xiàn)

模具協(xié)同系統(tǒng)的三維模型空間對象按照圖2所示的節(jié)點層次結(jié)構(gòu)進行組織。

圖2 三維空間對象層次結(jié)構(gòu)

共享三維變換矩陣的模具協(xié)同瀏覽及工藝討論系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。核心模塊三維同步瀏覽器通過監(jiān)視鼠標(biāo)在三維空間中的觸發(fā)事件，記錄并生成三維模型旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等齊次變換坐標(biāo)矩陣并寫入下面的數(shù)組變量中：

圖3 模具協(xié)同瀏覽及工藝討論工具功能框圖

變換矩陣交由協(xié)同系統(tǒng)組播模塊傳送出去，同時協(xié)同組員可以利用工藝協(xié)同白板繪制工藝流程圖，繪圖命令也會及時組播出去，在其他組員的工藝白板上實時看到新繪制的圖形；工藝發(fā)言與工藝命令流也交由組播模塊封裝后組播出去。組播模塊還負責(zé)偵聽網(wǎng)絡(luò)中由其他組員發(fā)來的組播信息，并將偵聽結(jié)果進行提取和分類。

若接收到的信息為三維變換矩陣，則將連續(xù)數(shù)據(jù)流（DataStream）重新組裝成為矩陣數(shù)組導(dǎo)入Java 3D瀏覽器中驅(qū)動三維瀏覽；若接收的是工藝白板繪圖數(shù)據(jù)，則提取圖形類別特征碼，判定圖形類別并提取繪圖參數(shù)，再導(dǎo)入本地白板生成該圖形。例如圖形類別特征碼為“R”則表示矩形，接著提取對角頂點坐標(biāo)信息生成該矩形；若接收到的是工藝會商發(fā)言數(shù)據(jù)，則直接組播。若接收到的是工藝設(shè)計命令流，則在工藝模板相應(yīng)位置填寫對應(yīng)工藝術(shù)語，同時，協(xié)同系統(tǒng)在接收的信息中根據(jù)模具標(biāo)準(zhǔn)件庫和典型模具工藝案例庫中的工藝術(shù)語進行關(guān)鍵詞語義自動切分，并標(biāo)記為鏈接，以便協(xié)同工藝人員隨時參考相應(yīng)支撐庫的資料。工藝協(xié)同系統(tǒng)運行界面如圖4所示。

圖4 模具工藝協(xié)同系統(tǒng)運行界面

上述接收信息由獲得發(fā)言權(quán)的協(xié)同組員發(fā)出，所有其他組員同步接收，實現(xiàn)了“WYSIWIS”。

5 結(jié)束語

本文討論了以共享三維變換矩陣方式實現(xiàn)模具工藝在線協(xié)同會商與設(shè)計。通過比較研究三種典型的協(xié)同瀏覽與同步交互技術(shù)，分析各自優(yōu)缺點，提出共享變換矩陣的工藝協(xié)同新方案。闡述了新方案的理論模型和運行原理，給出了基于上述原理的模具工藝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)功能框圖，采用Java 3D技術(shù)開發(fā)了模具工藝協(xié)同原型實驗系統(tǒng)。

本文創(chuàng)新點在于將跨平臺的JAVA3D技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)運用于模具專業(yè)領(lǐng)域。該創(chuàng)新點借助網(wǎng)絡(luò)共享三維模型變換矩陣和工藝命令流，實現(xiàn)多工藝專家協(xié)同完成大型復(fù)雜零部件成形模具工藝設(shè)計，嘗試改變傳統(tǒng)單人單機難以完成大型成套模具工藝設(shè)計的現(xiàn)狀。

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