摘 要：飛行器的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。在這一高復(fù)雜研發(fā)工作中，如何恰當(dāng)?shù)乩孟嚓P(guān)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，高效、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)體的三維仿真設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)是該工作的關(guān)鍵所在。針對(duì)這一問(wèn)題，給出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言和3DS Max可視化建模軟件進(jìn)行飛行器三維仿真造型的關(guān)鍵思路和過(guò)程方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；VRML；飛行器仿真;瀏覽器

Research on Aerocraft Virtual Reality Simulation

WANG Haopeng，LIU Bing

(Department of Computer，Aviation University of Air Force，Changchun，130022，China)

Abstract：Virtual reality simulation of aerocraft is a typical application of virtual reality technology in aviation and space.Applying a best software development flat to realize 3D simulation designing and development effectively and determinately is the key work.The paper presents approach and process method of aerocraft 3D virtual reality modeling based on Virtual Reality Modeling Language(VRML) and correlative visual modeling software.

Keywords：virtual reality;VRML;aerocraft simulation;browser



虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱(chēng)“靈境”技術(shù)，它的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、遙感技術(shù)和傳感技術(shù)等諸多領(lǐng)域，使人們可以進(jìn)入一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維虛擬環(huán)境中。VRML作為一種基于WWW的具有一定規(guī)范的描述性格式的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，吸取了面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)，可以生成、修飾三維實(shí)體對(duì)象^［1］。VRML改變了原來(lái)WWW簡(jiǎn)單、交互性差的弱點(diǎn)，將人們的運(yùn)動(dòng)行為作為瀏覽的主體，提供給用戶(hù)虛擬的三維空間。本文將以VRML為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，研究、給出了對(duì)飛行器進(jìn)行三維仿真構(gòu)型的方法^［2］，并提供有效的仿真效果驗(yàn)證。

1 VRML實(shí)現(xiàn)三維仿真的工作方式

1996年8月發(fā)布的VRML 2.0增強(qiáng)了交互、動(dòng)畫(huà)和編程功能等。VRML 2.0的主要功能大體可以分為以下兩大部分：

(1) 創(chuàng)建、修飾三維實(shí)體；

(2) 對(duì)模型對(duì)象編程與外部進(jìn)行消息交遞以實(shí)現(xiàn)交互功能。

根據(jù)VRML 97規(guī)范，目前VRML 2.0支持3種水平上的編程方式：第一種是利用內(nèi)嵌的VRML Script接口節(jié)點(diǎn)中的描述性語(yǔ)言進(jìn)行仿真建模；第二種方式是利用JAVA Script動(dòng)態(tài)生成VRML三維場(chǎng)景和實(shí)體對(duì)象(仿真的事件處理仍然用VRML Script接口節(jié)點(diǎn)完成)；第三種方式是通過(guò)VRML 2.0的外部編程接口A(yíng)PI進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)發(fā)送或者讀取三維場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的事件消息，使VRML 2.0構(gòu)建的虛擬空間與外部網(wǎng)絡(luò)空間上的其他對(duì)象溝通，進(jìn)而提高VRML的可用性^［3］。

利用VRML構(gòu)建的三維仿真場(chǎng)景和實(shí)體以VRML文件(*.WRL)形式存在。VRML文件使用ASCII或UTF8字符，與其他技術(shù)相比，其占用的存儲(chǔ)空間很小，這不僅大大加快了3D場(chǎng)景和實(shí)體在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速度，而且使用戶(hù)在PC機(jī)上就可以方便、快捷地瀏覽和研究，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)發(fā)布和多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)時(shí)交互操作。VRML的工作流程如圖1所示^{［4，5］}。

2 飛行器的三維虛擬模型的建立

對(duì)于簡(jiǎn)單的三維實(shí)體，VRML支持多種規(guī)則幾何體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，包括立方體、圓錐體、圓柱體和球體等。這些規(guī)則幾何體可以由VRML的geometry節(jié)點(diǎn)中的基本幾何節(jié)點(diǎn)box，cone，sphere，cylinder等實(shí)現(xiàn)。利用VRML中的Extrusion節(jié)點(diǎn)，可以創(chuàng)建較為復(fù)雜的三維實(shí)體，其變化的彈性較大，控制Extrusion節(jié)點(diǎn)外形的字段分別是crossSection和spine。crossSection字段控制斷面形狀，形成二維輪廓。spine字段是一個(gè)三維路徑，通過(guò)crossSection定義好的斷面、面的中心，沿著此路徑延伸成三維實(shí)體。crossSection字段和spine字段在三維構(gòu)型中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

此外，VRML提供的ElevationGrid、IndexedFaceSet和IndexedLineSet節(jié)點(diǎn)可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)體的造型，而實(shí)體的空間坐標(biāo)定位、移動(dòng)則由Transform等節(jié)點(diǎn)完成。對(duì)于常規(guī)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)無(wú)法完成的特殊、復(fù)雜實(shí)體，VRML可以通過(guò)PROTO、DEF等自定義實(shí)現(xiàn)。

2.1 飛行器實(shí)體的虛擬仿真造型

飛行器是典型的復(fù)雜三維仿真對(duì)象，其構(gòu)型不只是簡(jiǎn)單的三維幾何體。因此，單純的使用代碼來(lái)建模是件十分繁雜的工作。所以，針對(duì)飛行器的造型，通常需要借助一些可視化三維造型軟件，如：3D Studio MAX。3DS MAX具有即時(shí)修改的特點(diǎn)，而且其模型函數(shù)豐富，貼圖紋理多、模型表面處理方式多樣。利用3DS MAX對(duì)飛行器的外部及內(nèi)部進(jìn)行建模后，將建模結(jié)果輸出為VRML文件或者作為VRML文件的內(nèi)嵌對(duì)象，然后根據(jù)細(xì)節(jié)層次的選擇與生成算法進(jìn)行引用。具體的建模方法是：?jiǎn)?dòng)3DS MAX，在“創(chuàng)建”下拉菜單中進(jìn)入“輔助物”次級(jí)菜單，在VRML 97中提供了12種VRML造型方案。根據(jù)提供的造型方案對(duì)飛行器進(jìn)行三維仿真建模，如圖3所示。

仿真建模完成后，在“文件”菜單中選擇“輸出”，將模型以VRML 97文件保存。

對(duì)于飛行器三維仿真實(shí)體的仿真材質(zhì)可由紋理效果、光照效果等節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，可以適當(dāng)補(bǔ)充視點(diǎn)節(jié)點(diǎn)為瀏覽者提供有效的場(chǎng)景、造型瀏覽視點(diǎn)和向?qū)?，增?qiáng)整個(gè)虛擬仿真造型及場(chǎng)景空間的可操作性。

2.2 三維虛擬場(chǎng)景造型

在VRML中可以通過(guò)Group節(jié)點(diǎn)將一組相關(guān)的節(jié)點(diǎn)組合在一起，這樣的一組節(jié)點(diǎn)在虛擬世界中通常是某個(gè)特定的空間場(chǎng)景。除此之外，在VRML中還包括以下編組節(jié)點(diǎn)，它們分別是：Switch轉(zhuǎn)換編組節(jié)點(diǎn)、BillBoard布告牌編組節(jié)點(diǎn)、Transform轉(zhuǎn)換編組節(jié)點(diǎn)、LOD轉(zhuǎn)換編組節(jié)點(diǎn)、Anchor讀取文件編組節(jié)點(diǎn)、Inline讀取文件編組節(jié)點(diǎn)和Collision編組節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的匯集，即可建立三維仿真飛行器所在的三維虛擬場(chǎng)景空間。其基本的語(yǔ)法形式如下：

Group {

addChildren MFNode eventIn # 輸入接口，將指定的節(jié)點(diǎn)加到組的子節(jié)點(diǎn)列表中

removeChildren MFNode eventIn# 輸入接口，將指定節(jié)點(diǎn)從組的子節(jié)點(diǎn)列表中刪除

children MFNode exposedField［］# 包含該Group節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)

bboxCenter SFVect3f field0 0 0# 包圍以組子節(jié)點(diǎn)的包圍盒的中心

bboxSize SFVect3f field-1 -1 -1# 包圍該組子節(jié)點(diǎn)的包圍盒在x，y，z方向的大小



}



根據(jù)以上語(yǔ)法形式創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景空間模擬效果如圖4所示。

2.3 與虛擬場(chǎng)景交互

利用VRML建立的三維仿真實(shí)體具有極強(qiáng)的真實(shí)感，而真實(shí)性的一個(gè)重要方面就是要允許用戶(hù)和三維對(duì)象進(jìn)行直接的交互。例如：用戶(hù)對(duì)飛行器的仿真模型的動(dòng)作方式不只是停留在“靜觀(guān)”上，而是要通過(guò)控制設(shè)備對(duì)三維仿真模型的各個(gè)角度、部件，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)交互。實(shí)現(xiàn)交互的一個(gè)基本方法就是使用VRML中的傳感器節(jié)點(diǎn)。所謂傳感器節(jié)點(diǎn)，就是指一些能夠感知用戶(hù)各種操作的節(jié)點(diǎn)。VRML中可有效應(yīng)用于行為、交互的節(jié)點(diǎn)主要包括：時(shí)間傳感器(Time Sensor)、觸摸傳感器(Touch Sensor)、鼠標(biāo)響應(yīng)傳感器(Cylinder Sensor)、鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化傳感器(Plane Sensor)、鼠標(biāo)單擊轉(zhuǎn)化傳感器(Sphere Sensor)、感知用戶(hù)活動(dòng)傳感器(Proximity Sensor)和檢測(cè)用戶(hù)視野傳感器(Visibility Sensor)等。傳感器節(jié)點(diǎn)的基本語(yǔ)法如下：



Sensor {

Field Value 域值 Field Type 域值類(lèi)型

Field Show # 域值說(shuō)明

}



3 應(yīng)用舉例

以假想飛行器為例，結(jié)合VRML、3DS MAX 6.0和JAVA Script等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)該飛行器虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型。模型所在VRML文件可以基于Internet Explorer、NetScape、Maxthon等瀏覽器進(jìn)行全景的網(wǎng)上漫游。圖5和圖6是飛行器虛擬現(xiàn)實(shí)仿真造型基于VRML的運(yùn)行效果。其中，圖5是該飛行器造型的局部瀏覽效果；圖6是該飛行器造型的全景瀏覽效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分析、討論，給出了利用VRML語(yǔ)言對(duì)飛行器進(jìn)行可視化虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)方法。在使用過(guò)程中，建模工作主要根據(jù)VRML語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)三維仿真方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和相關(guān)建模工具，對(duì)各個(gè)造型進(jìn)行設(shè)計(jì)、組合，并進(jìn)行空間坐標(biāo)定位。復(fù)雜造型的構(gòu)建和綜合應(yīng)用，能夠使虛擬場(chǎng)景中的三維造型更逼真、靈活和網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王昊鵬.基于VRML的三維仿真建模算法研究［J］.空軍航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，2(2):41-44.

［2］Leandro Soares Indrusiak，Ricardo Augusto da Luz Reis.3D integrated circuit layout visualization using VRML［J］.Future Generation Computer Systems.2001，17(5):503-511.

［3］Walczak K，Cellary W.X-VRML for Advanced Virtual Reality Applications\\[J\\].In:Computer，2003，36(3):89-92.

［4］黃文麗，盧碧紅，楊志剛，等.VRML語(yǔ)言入門(mén)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［5］Tomaz Amon，Vojko Valencic.VRML -- Enhanced Learning in Biology and Medicine［J］.Future Generation Computer Systems，2000，17(1):1-6.

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作者簡(jiǎn)介 王昊鵬 男，1978年出生，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士。主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)仿真。

劉 兵 男，1980年出生，吉林長(zhǎng)春人，助教。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)。