S1000D規范下交互式IPC發布技術研究

趙洪利，陳 飛，謝亞偉，郭 慶

(1.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

S1000D規范下交互式IPC發布技術研究

趙洪利1，陳 飛1，謝亞偉2，郭 慶1

(1.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

基于S1000D規范編制電子技術手冊是目前電子手冊發展趨勢；為促進S1000D規范在以信息化為中心的綜合保障技術中的應用，提高技術資料的使用性和經濟性，在研究了S1000D規范下IPC數據模塊及交互性問題的基礎上，采用VRML編寫的3D模型作為IPC的技術插圖，利用VRML自身優秀的交互性能并配合Javascript網頁腳本，實現了3D下的IPC圖文交互式發布功能，提升了IPC使用效率。

IPC; S1000D; VRML; 交互式發布

0 引言

在飛機發動機各類技術文檔中，圖解零部件目錄(illustrated parts catalog: IPC)手冊是其中之一，它把零件件號、構型標準、零件名稱、零件數量、供應商等相關信息與零部件圖形相對應，以方便維修人員進行部件查找、識別和定位部件位置。

基于S1000D規范編制IPC時，可以用VRML編寫的3D圖形替代以往的2D圖或CGM(computer graphics metafile)圖形作為IPC的技術插圖，從而以立體的形式展示零部件，以增強可視化效果。為了實現IPC的交互功能，本文探討了如何利用VRML語言本身所具備的交互能力，并結合Javascript網頁腳本，來實現網頁式IPC中的3D圖形和文本之間的交互功能。

1 基于S1000D規范編寫IPC數據模塊

S1000D規范中，數據模塊是最小的數據單元，采用XML語言進行編制。數據模塊分為兩部分，即標識狀態段和內容段。S1000D根據技術信息的類別，將數據模塊進行了分類，并且分別給出了各類數據模塊所對應的XML Schema。編寫IPC數據模塊時，采用IPD(illustrated parts data) Schema即可。

依據具體項目的業務規則和S1000D對IPD數據模塊中各元素的定義和元素屬性取值的規定，將IPC中涉及技術資料信息填入IPD數據模塊所對應的元素中，即可完成數據模塊的編寫。

2 3D模型與VRML交互功能

VRML(virtual reality modeling language)即虛擬現實建模語言，它具有平臺獨立性、可擴展性、實時圖形渲染、基于事件交互等特點。本文制作IPC時之所以采用VRML編寫3D模型，是因為一方面考慮到文件大小對頁面加載速度的影響，另一方面是基于VRML本身良好的交互特性。VRML語言編輯而成的3D模型文件是以.wrl或者.wrz為擴展名，本身是不能被目前常用的瀏覽器直接解析的，需要安裝專門的瀏覽器或者插件才能使用，本文采用的插件是Cortona 3D viewer。

2.1 VRML節點

VRML語言建立的3D模型是一個虛擬的三維空間，VRML空間采用的是卡式右手立體坐標系統(Cartesian right-handed dimensional system)，由X、Y、Z 3個坐標方向構成，其方向可以用右手規則來確定。而在VRML空間中，空間單位統一使用VRML單位，與尺寸單位不具有可比性，實際應用時由開發者自主協調。

一個VRML文件通常由文件頭、節點和路由3個部分組成。節點是VRML中構成虛擬場景的基本單元，是VRML對現實世界各種對象和概念的抽象描述。VRML 2.0版本提供了54種節點，可以分為七類：幾何節點、屬性節點、編組節點、傳感器節點、插補器節點、腳本節點和其他節點。節點由域和事件組成。域的概念類似于其他計算機語言如C、C++中所說的“變量”、“數組”等，域的取值決定了虛擬場景的狀態。事件是由操作者、節點、系統本身、程序代碼產生的行為動作，節點通過事件來從外界接收信息及向外界發送信息。

VRML中的幾何圖形是通過造型節點來構造的。造型(Shape)節點定義了幾何圖形的尺寸和外觀，其節點的語法如下：

Shape{

exposedField SFNode appearance NULL

exposedField SFNode geometry NULL

}

Shape節點通過appearance 域定義了物體造型的外觀，如顏色和紋理等，通過geometry域設定幾何造型節點。VRML中幾何造型節點分為五類：原始幾何造型節點(Box、Cone、Cylinder、Sphere)，點、線、面集節點(PointSet、IndexedLineSet、IndexedFaceSet、Coordinate)，高度節點(ElevationGrid)，突出節點(Extrusion)和文本造型節點(Text)。一般來講，對于形狀較為復雜的幾何圖形的建立，采用的多為面集結點，通過設定連接坐標并將坐標編號，然后按照坐標索引號設定點的連接順序，按此順序連接形成平面封閉的邊界線，再將平面填充，構成完整的平面造型，由此可以看出采用此方法制作的圖形相當于是中空的，但由于圖形都是封閉的，IPC圖解所展現的也并不涉及質量等物理性參數，所以并不影響幾何圖形的視覺表現。

2.2 VRML交互

交互過程實際相當于一個動畫，因此動畫過程的描述和動畫時間控制的描述是必不可少的，對于VRML語言，前者使用插補器節點和腳本節點實現，后者則需要借助傳感器節點。

插補器節點是為制作線性關鍵幀動畫而設計的，每個插補器節點都使用一個關鍵時刻和關鍵值的列表來描述動畫，關鍵時刻列表作為插補器key域值給出，關鍵值列表作為插補器keyValue域值給出。腳本Script節點是一個與VRML場景外的程序相結合的節點，它是事件處理的核心部分。Script節點內包含一個可被瀏覽器理解并執行的腳本程序。Script節點接收入事件，通過腳本程序產生結果，然后以出事件進行輸出。

傳感器節點用來感知用戶行為和目的，接收輸入信息。VRML 2.0中傳感器分為三類：時間傳感器、觸動傳感器和感知傳感器。時間傳感器的作用就是創建一個虛擬時鐘，并對其他節點發送時間值。觸動傳感器通過感知瀏覽者對于鼠標的操作，觸發并輸出事件。感知傳感器通過感知瀏覽者在虛擬場景中的觀察位置，觸發并輸出事件。

節點間的輸入、輸出事件傳遞路線即為路由。一般節點都有兩種事件即：入事件和出事件。通過路由可以從一個節點A發往另一個節點B一個值，將A節點出事件值賦予B節點入事件，從而B改變節點中某些域的域值。

2.3 視圖轉換功能集成

傳統IPC插圖，往往將一個組件主結構中各部件單獨剝離，然后標定各部分所包含的零件，如圖1所示，這種方法雖然能夠顯示組件中所有零件的信息，但也使得插圖頁面排版復雜，給使用帶來一定阻礙，這是2D平面圖本身所帶有的缺陷。而使用VRML語言編寫的3D模型則沒有這方面的顧慮，對于一個組件模型，可以在其VRML文件內部創建視圖轉換按鈕，結合插補器節點實現組件整體主視圖和爆炸視圖之間的切換。

圖1 傳統IPC插圖

利用Cortona提供的Transform2D和Layer3D這兩個擴展原型節點，可以實現創建一個獨立于3D幾何圖形的VRML場景的造型，它不會隨著場景的動作(如旋轉、縮放等)而變化位置，通過為這兩個節點添加傳感器和插補器即可完成與3D圖形的交互，實現視角切換。兩個原型節點的定義如下：

EXTERNPROTO Transform2D [

eventIn MFNode addChildren

eventIn MFNode removeChildren

exposedField SFVec2f center 0,0

exposedField MFNode children []

exposedField SFFloat rotationAngle 0.0

exposedField SFVec2f scale 1,1

exposedField SFFloat scaleOrientation 0.0

exposedField SFVec2f translation 0,0

]

[

"urn:inet:parallelgraphics.com:cortona:Transform2D"

"http://www.parallelgraphics.com/vrml/proto/Cortona/extensions.wrl Transform2D"

]

EXTERNPROTO Layer3D [

eventIn MFNode addChildren

eventIn MFNode removeChildren

exposedField MFNode children NULL

exposedField SFVec2f size -1, -1

exposedField SFNode background NULL

exposedField SFNode fog NULL

exposedField SFNode navigationInfo NULL

exposedField SFNode viewpoint NULL

]

[

"urn:inet:parallelgraphics.com:cortona:Layer3D"

"http://www.parallelgraphics.com/vrml/proto/Cortona/extensions.wrl

Layer3D"

]

圖2是利用Transform2D節點和Layer3D節點為某泵體模型創建的view1和view2兩個視圖切換按鈕，view1是泵體的主視圖，view2是部分拆解視圖。

圖2 view1(上)和view2(下)

3 圖文交互

借助VRML語言本身的優秀交互性，可以實現部分交互功能，而IPC發布形式為HTML網頁，VRML文件作為網頁的一部分嵌入其中，網頁的另一部分內容是IPC零件目錄表格。本文實現的IPC交互功能是圖文交互，即實現3D模型中的零件和零件信息之間的一一對應，為此需要用到VRML與網頁間的交互技術。

3.1 交互理論基礎

最初的交互技術中，VRML與網頁的交互功能實現主要通過兩種方式：一種是Java腳本創作接口(Java Script Authoring Interface, JSAI)，另一種是外部創作接口(External Authoring Interface, EAI)。

JSAI使用Java和VRML相結合來實現VRML腳本。應用Java編寫腳本來讀取場景中的節點、向虛擬場景中的其他節點發送事件、在場景中創建新節點等等，實現腳本驅動場景動畫和場景交互的行為邏輯。

EAI的主要目的是增強VRML場景與外部環境通信聯系和整合能力，使得一個外部程序使用VRML事件模型就可以訪問和控制VRML場景中的節點。EAI的實質是同HTML頁面內的Java Applet與VRML場景間通過EAI進行交互。

然而隨著技術的發展，Java的功能不斷增強，若繼續采用JSAI和EAI進行交互編碼的話會導致無法正常交互，為了解決這個問題，新的交互機制應運而生，這種機制以Javascript腳本語言為橋梁來連接起VRML與Java Applet之間的通信，Javascript既可以訪問VRML虛擬場景又可以訪問Java Applet程序，因此通過Javascript編寫的函數，采用VRML-Javascript-Java Applet的通信機制就可以實現VRML與Java Applet間的通信，從而實現復雜交互功能。

Java Applet程序能夠實現較為復雜的交互功能，如VRML場景節點的域值參數修改、動畫的參數控制等等。本文所要實現的IPC交互功能不涉及這些參數的變動，所有參數設置、動畫路徑等等都集成在了VRML文件本身，交互所要控制的內容主要在于事件的觸發，因此單純通過嵌入網頁的Javascript腳本即可實現事件觸發功能。

3.2 圖文交互功能實現

采用Javascript腳本來實現簡單交互，在VRML文件已嵌入網頁的基礎上，首先要定義VRML虛擬場景的引擎，獲得對于虛擬場景的引用：

MyEngine=Scene.Engine

Scene.Engine中的Scene對應于嵌入代碼中的