張連寶

摘要虛擬原型工具作為可行的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)吸引了整個(gè)行業(yè)的關(guān)注。最重要的一個(gè)挑戰(zhàn)是研究機(jī)構(gòu)延長(zhǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能，并超出它現(xiàn)在的人機(jī)工程學(xué)和設(shè)計(jì)評(píng)審范圍。文章提出的一種研究是一個(gè)更大的研究項(xiàng)目的一部分，維修性評(píng)估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評(píng)估。文章論述了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)幾何約束管理，已被設(shè)計(jì)用來(lái)支持在虛擬環(huán)境下的物理實(shí)在性和交互式的裝配和拆卸任務(wù)。約束管理所使用的關(guān)鍵技術(shù)是直接的相互作用、自動(dòng)約束識(shí)別，約束補(bǔ)償和受約束的運(yùn)動(dòng)。各種最優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)的大型工業(yè)模型。

關(guān)鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡(jiǎn)介

現(xiàn)代市場(chǎng)不僅鼓勵(lì)廠商創(chuàng)造更好的產(chǎn)品，而且迫使他們?cè)诟痰臅r(shí)間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵(lì)公司處理問(wèn)題，比如在設(shè)計(jì)過(guò)程非常早的時(shí)候維護(hù)。然而，缺乏模擬工具阻礙了對(duì)CE的適應(yīng)，因此進(jìn)一步的研究必須開(kāi)發(fā)這樣的工具。一個(gè)發(fā)展階段，仍然缺乏適當(dāng)?shù)木S修仿真工具軟件。維護(hù)操作的仿真允許維護(hù)在早期設(shè)計(jì)階段處理。這就減少了意料之外的問(wèn)題悄悄進(jìn)入設(shè)計(jì)，因?yàn)樗倪M(jìn)展貫穿它的生命周期，從而當(dāng)提高產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)節(jié)省了時(shí)間和金錢。

在Salford，處于虛擬環(huán)境中心虛擬樣機(jī)技術(shù)小組已經(jīng)對(duì)交互式維護(hù)仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)的適用性進(jìn)行調(diào)查。一個(gè)可以進(jìn)行交互式地模擬現(xiàn)實(shí)的維護(hù)操作的系統(tǒng)是工業(yè)所要求的。這個(gè)研究調(diào)查使用虛擬環(huán)境去評(píng)估一些物理樣機(jī)在可以使用之前進(jìn)行維護(hù)操作。除了加快發(fā)展進(jìn)程，虛擬模型的評(píng)價(jià)也可以減少需要的物理原型的數(shù)量。這樣一個(gè)工具有可能減少上市時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。

執(zhí)行維修操作通常是在一個(gè)受限的時(shí)間間隔的有限空間中。操作者的動(dòng)作時(shí)常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護(hù)時(shí)間需要被控制和最小化。在一個(gè)維修仿真中對(duì)這些問(wèn)題加以考慮，計(jì)算機(jī)仿真需要現(xiàn)實(shí)。

2相關(guān)工作

已有幾個(gè)研究計(jì)劃發(fā)展了總裝模擬器的環(huán)境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環(huán)境中構(gòu)成場(chǎng)景，在解決的許多問(wèn)題中包含3D對(duì)象的交互式創(chuàng)造。這種系統(tǒng)的問(wèn)題是當(dāng)虛擬對(duì)象相互作用時(shí)缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數(shù)，對(duì)對(duì)象操作不能精確執(zhí)行。支持約束的系統(tǒng)是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對(duì)組件精確的定位。有許多研究工作調(diào)查了裝配虛擬環(huán)境的發(fā)展。約束的自動(dòng)識(shí)別，例如在系統(tǒng)里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過(guò)儲(chǔ)存于關(guān)系圖里可計(jì)算的自由度閱讀約束關(guān)系，以便系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)給定的裝配部分確定許可的運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當(dāng)子對(duì)象在裝配中被控制，無(wú)法從子對(duì)象到上層對(duì)象支持約束傳播；對(duì)于CAD的數(shù)據(jù)輸入虛擬環(huán)境缺乏一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)翻譯器。

3系統(tǒng)定義

這部分描述了約束管理器的功能來(lái)源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個(gè)組裝模擬器的經(jīng)驗(yàn)。

開(kāi)發(fā)一個(gè)新的約束管理器目標(biāo)在于創(chuàng)造一個(gè)有效的、獨(dú)立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。這個(gè)系統(tǒng)的要求是：

1）多平臺(tái)（Unix and Windows）；2）場(chǎng)景圖的獨(dú)立；3）多重的約束識(shí)別；4）多重的約束補(bǔ)償；5）刪除破碎的約束；6）自動(dòng)的約束管理。

約束管理器和主要的應(yīng)用程序之間的信息交流使用一個(gè)有著適當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的被定義的API。內(nèi)部數(shù)據(jù)的表示是基于獨(dú)立于任何場(chǎng)景圖的私人級(jí)別。因?yàn)檫@個(gè)原因，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要在約束管理器中插入每一個(gè)組件的幾何性質(zhì)，因?yàn)榧s束管理器有它自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對(duì)象，虛擬手，例如，不會(huì)被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節(jié)點(diǎn)：對(duì)象和表面。對(duì)象是一個(gè)具有表面和可以移動(dòng)的實(shí)體。一個(gè)表面是一個(gè)對(duì)象的外觀。約束管理器支持參數(shù)表面和使用特定的原理來(lái)確定它的參數(shù)方程。約束管理器能夠識(shí)別并應(yīng)用不同類型的幾何約束。一個(gè)幾何約束是兩個(gè)表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)則。這條規(guī)則減少了包含相關(guān)表面和約束它們運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識(shí)別程序還必須能夠驗(yàn)證被認(rèn)可和已應(yīng)用的約束。驗(yàn)證是一個(gè)確定約束是否還有效或被破壞的過(guò)程。如果一個(gè)相關(guān)表面超過(guò)了被定義的臨界值，一個(gè)約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個(gè)主要的任務(wù)：驗(yàn)證現(xiàn)存的約束和確定被破壞的約束；執(zhí)行現(xiàn)有的約束和解決約束運(yùn)動(dòng)；識(shí)別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項(xiàng)功能可以結(jié)合到實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段完全自動(dòng)化的約束管理器中。一旦一個(gè)組件的轉(zhuǎn)換傳送給約束管理器，模型會(huì)被搜索，對(duì)被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執(zhí)行，一個(gè)作為結(jié)果的變換被計(jì)算出來(lái)。在一個(gè)位置，搜索約束管理器在移動(dòng)的組件和周圍環(huán)境之間的新約束。

4系統(tǒng)架構(gòu)

這一節(jié)描述應(yīng)用的約束管理器的體系結(jié)構(gòu)。圖2展示了一種這種架構(gòu)的圖形表示法。

約束管理器有一個(gè)分級(jí)的數(shù)據(jù)圖表，維護(hù)所有來(lái)自對(duì)象和表面的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識(shí)別器和過(guò)濾器。約束管理器模塊是獨(dú)立的，他們的交互作用被應(yīng)用程序所定義。

盡管有好的結(jié)果，有大量的工作要做使其成為一個(gè)成熟的系統(tǒng)，可以被用作一種虛擬樣機(jī)研究的工具。進(jìn)一步改善現(xiàn)有約束管理器現(xiàn)在正被考慮。這些改善包括發(fā)展一種更有效的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)用過(guò)濾器，在識(shí)別新的約束之前。

參考文獻(xiàn)

[1]林容，楊慧，安樹(shù)蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進(jìn)展介紹[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，1997（S1）.

[2]隋愛(ài)娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環(huán)境的裝配約束語(yǔ)義模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程維修服務(wù)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及展望[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006（09）.

圖2約束管理器的架構(gòu)

endprint

摘要虛擬原型工具作為可行的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)吸引了整個(gè)行業(yè)的關(guān)注。最重要的一個(gè)挑戰(zhàn)是研究機(jī)構(gòu)延長(zhǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能，并超出它現(xiàn)在的人機(jī)工程學(xué)和設(shè)計(jì)評(píng)審范圍。文章提出的一種研究是一個(gè)更大的研究項(xiàng)目的一部分，維修性評(píng)估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評(píng)估。文章論述了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)幾何約束管理，已被設(shè)計(jì)用來(lái)支持在虛擬環(huán)境下的物理實(shí)在性和交互式的裝配和拆卸任務(wù)。約束管理所使用的關(guān)鍵技術(shù)是直接的相互作用、自動(dòng)約束識(shí)別，約束補(bǔ)償和受約束的運(yùn)動(dòng)。各種最優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)的大型工業(yè)模型。

關(guān)鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡(jiǎn)介

現(xiàn)代市場(chǎng)不僅鼓勵(lì)廠商創(chuàng)造更好的產(chǎn)品，而且迫使他們?cè)诟痰臅r(shí)間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵(lì)公司處理問(wèn)題，比如在設(shè)計(jì)過(guò)程非常早的時(shí)候維護(hù)。然而，缺乏模擬工具阻礙了對(duì)CE的適應(yīng)，因此進(jìn)一步的研究必須開(kāi)發(fā)這樣的工具。一個(gè)發(fā)展階段，仍然缺乏適當(dāng)?shù)木S修仿真工具軟件。維護(hù)操作的仿真允許維護(hù)在早期設(shè)計(jì)階段處理。這就減少了意料之外的問(wèn)題悄悄進(jìn)入設(shè)計(jì)，因?yàn)樗倪M(jìn)展貫穿它的生命周期，從而當(dāng)提高產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)節(jié)省了時(shí)間和金錢。

在Salford，處于虛擬環(huán)境中心虛擬樣機(jī)技術(shù)小組已經(jīng)對(duì)交互式維護(hù)仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)的適用性進(jìn)行調(diào)查。一個(gè)可以進(jìn)行交互式地模擬現(xiàn)實(shí)的維護(hù)操作的系統(tǒng)是工業(yè)所要求的。這個(gè)研究調(diào)查使用虛擬環(huán)境去評(píng)估一些物理樣機(jī)在可以使用之前進(jìn)行維護(hù)操作。除了加快發(fā)展進(jìn)程，虛擬模型的評(píng)價(jià)也可以減少需要的物理原型的數(shù)量。這樣一個(gè)工具有可能減少上市時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。

執(zhí)行維修操作通常是在一個(gè)受限的時(shí)間間隔的有限空間中。操作者的動(dòng)作時(shí)常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護(hù)時(shí)間需要被控制和最小化。在一個(gè)維修仿真中對(duì)這些問(wèn)題加以考慮，計(jì)算機(jī)仿真需要現(xiàn)實(shí)。

2相關(guān)工作

已有幾個(gè)研究計(jì)劃發(fā)展了總裝模擬器的環(huán)境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環(huán)境中構(gòu)成場(chǎng)景，在解決的許多問(wèn)題中包含3D對(duì)象的交互式創(chuàng)造。這種系統(tǒng)的問(wèn)題是當(dāng)虛擬對(duì)象相互作用時(shí)缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數(shù)，對(duì)對(duì)象操作不能精確執(zhí)行。支持約束的系統(tǒng)是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對(duì)組件精確的定位。有許多研究工作調(diào)查了裝配虛擬環(huán)境的發(fā)展。約束的自動(dòng)識(shí)別，例如在系統(tǒng)里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過(guò)儲(chǔ)存于關(guān)系圖里可計(jì)算的自由度閱讀約束關(guān)系，以便系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)給定的裝配部分確定許可的運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當(dāng)子對(duì)象在裝配中被控制，無(wú)法從子對(duì)象到上層對(duì)象支持約束傳播；對(duì)于CAD的數(shù)據(jù)輸入虛擬環(huán)境缺乏一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)翻譯器。

3系統(tǒng)定義

這部分描述了約束管理器的功能來(lái)源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個(gè)組裝模擬器的經(jīng)驗(yàn)。

開(kāi)發(fā)一個(gè)新的約束管理器目標(biāo)在于創(chuàng)造一個(gè)有效的、獨(dú)立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。這個(gè)系統(tǒng)的要求是：

1）多平臺(tái)（Unix and Windows）；2）場(chǎng)景圖的獨(dú)立；3）多重的約束識(shí)別；4）多重的約束補(bǔ)償；5）刪除破碎的約束；6）自動(dòng)的約束管理。

約束管理器和主要的應(yīng)用程序之間的信息交流使用一個(gè)有著適當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的被定義的API。內(nèi)部數(shù)據(jù)的表示是基于獨(dú)立于任何場(chǎng)景圖的私人級(jí)別。因?yàn)檫@個(gè)原因，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要在約束管理器中插入每一個(gè)組件的幾何性質(zhì)，因?yàn)榧s束管理器有它自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對(duì)象，虛擬手，例如，不會(huì)被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節(jié)點(diǎn)：對(duì)象和表面。對(duì)象是一個(gè)具有表面和可以移動(dòng)的實(shí)體。一個(gè)表面是一個(gè)對(duì)象的外觀。約束管理器支持參數(shù)表面和使用特定的原理來(lái)確定它的參數(shù)方程。約束管理器能夠識(shí)別并應(yīng)用不同類型的幾何約束。一個(gè)幾何約束是兩個(gè)表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)則。這條規(guī)則減少了包含相關(guān)表面和約束它們運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識(shí)別程序還必須能夠驗(yàn)證被認(rèn)可和已應(yīng)用的約束。驗(yàn)證是一個(gè)確定約束是否還有效或被破壞的過(guò)程。如果一個(gè)相關(guān)表面超過(guò)了被定義的臨界值，一個(gè)約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個(gè)主要的任務(wù)：驗(yàn)證現(xiàn)存的約束和確定被破壞的約束；執(zhí)行現(xiàn)有的約束和解決約束運(yùn)動(dòng)；識(shí)別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項(xiàng)功能可以結(jié)合到實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段完全自動(dòng)化的約束管理器中。一旦一個(gè)組件的轉(zhuǎn)換傳送給約束管理器，模型會(huì)被搜索，對(duì)被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執(zhí)行，一個(gè)作為結(jié)果的變換被計(jì)算出來(lái)。在一個(gè)位置，搜索約束管理器在移動(dòng)的組件和周圍環(huán)境之間的新約束。

4系統(tǒng)架構(gòu)

這一節(jié)描述應(yīng)用的約束管理器的體系結(jié)構(gòu)。圖2展示了一種這種架構(gòu)的圖形表示法。

約束管理器有一個(gè)分級(jí)的數(shù)據(jù)圖表，維護(hù)所有來(lái)自對(duì)象和表面的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識(shí)別器和過(guò)濾器。約束管理器模塊是獨(dú)立的，他們的交互作用被應(yīng)用程序所定義。

盡管有好的結(jié)果，有大量的工作要做使其成為一個(gè)成熟的系統(tǒng)，可以被用作一種虛擬樣機(jī)研究的工具。進(jìn)一步改善現(xiàn)有約束管理器現(xiàn)在正被考慮。這些改善包括發(fā)展一種更有效的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)用過(guò)濾器，在識(shí)別新的約束之前。

參考文獻(xiàn)

[1]林容，楊慧，安樹(shù)蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進(jìn)展介紹[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，1997（S1）.

[2]隋愛(ài)娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環(huán)境的裝配約束語(yǔ)義模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程維修服務(wù)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及展望[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006（09）.

圖2約束管理器的架構(gòu)

endprint

摘要虛擬原型工具作為可行的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)吸引了整個(gè)行業(yè)的關(guān)注。最重要的一個(gè)挑戰(zhàn)是研究機(jī)構(gòu)延長(zhǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能，并超出它現(xiàn)在的人機(jī)工程學(xué)和設(shè)計(jì)評(píng)審范圍。文章提出的一種研究是一個(gè)更大的研究項(xiàng)目的一部分，維修性評(píng)估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評(píng)估。文章論述了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)幾何約束管理，已被設(shè)計(jì)用來(lái)支持在虛擬環(huán)境下的物理實(shí)在性和交互式的裝配和拆卸任務(wù)。約束管理所使用的關(guān)鍵技術(shù)是直接的相互作用、自動(dòng)約束識(shí)別，約束補(bǔ)償和受約束的運(yùn)動(dòng)。各種最優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)的大型工業(yè)模型。

關(guān)鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡(jiǎn)介

現(xiàn)代市場(chǎng)不僅鼓勵(lì)廠商創(chuàng)造更好的產(chǎn)品，而且迫使他們?cè)诟痰臅r(shí)間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵(lì)公司處理問(wèn)題，比如在設(shè)計(jì)過(guò)程非常早的時(shí)候維護(hù)。然而，缺乏模擬工具阻礙了對(duì)CE的適應(yīng)，因此進(jìn)一步的研究必須開(kāi)發(fā)這樣的工具。一個(gè)發(fā)展階段，仍然缺乏適當(dāng)?shù)木S修仿真工具軟件。維護(hù)操作的仿真允許維護(hù)在早期設(shè)計(jì)階段處理。這就減少了意料之外的問(wèn)題悄悄進(jìn)入設(shè)計(jì)，因?yàn)樗倪M(jìn)展貫穿它的生命周期，從而當(dāng)提高產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)節(jié)省了時(shí)間和金錢。

在Salford，處于虛擬環(huán)境中心虛擬樣機(jī)技術(shù)小組已經(jīng)對(duì)交互式維護(hù)仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)的適用性進(jìn)行調(diào)查。一個(gè)可以進(jìn)行交互式地模擬現(xiàn)實(shí)的維護(hù)操作的系統(tǒng)是工業(yè)所要求的。這個(gè)研究調(diào)查使用虛擬環(huán)境去評(píng)估一些物理樣機(jī)在可以使用之前進(jìn)行維護(hù)操作。除了加快發(fā)展進(jìn)程，虛擬模型的評(píng)價(jià)也可以減少需要的物理原型的數(shù)量。這樣一個(gè)工具有可能減少上市時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。

執(zhí)行維修操作通常是在一個(gè)受限的時(shí)間間隔的有限空間中。操作者的動(dòng)作時(shí)常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護(hù)時(shí)間需要被控制和最小化。在一個(gè)維修仿真中對(duì)這些問(wèn)題加以考慮，計(jì)算機(jī)仿真需要現(xiàn)實(shí)。

2相關(guān)工作

已有幾個(gè)研究計(jì)劃發(fā)展了總裝模擬器的環(huán)境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環(huán)境中構(gòu)成場(chǎng)景，在解決的許多問(wèn)題中包含3D對(duì)象的交互式創(chuàng)造。這種系統(tǒng)的問(wèn)題是當(dāng)虛擬對(duì)象相互作用時(shí)缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數(shù)，對(duì)對(duì)象操作不能精確執(zhí)行。支持約束的系統(tǒng)是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對(duì)組件精確的定位。有許多研究工作調(diào)查了裝配虛擬環(huán)境的發(fā)展。約束的自動(dòng)識(shí)別，例如在系統(tǒng)里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過(guò)儲(chǔ)存于關(guān)系圖里可計(jì)算的自由度閱讀約束關(guān)系，以便系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)給定的裝配部分確定許可的運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當(dāng)子對(duì)象在裝配中被控制，無(wú)法從子對(duì)象到上層對(duì)象支持約束傳播；對(duì)于CAD的數(shù)據(jù)輸入虛擬環(huán)境缺乏一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)翻譯器。

3系統(tǒng)定義

這部分描述了約束管理器的功能來(lái)源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個(gè)組裝模擬器的經(jīng)驗(yàn)。

開(kāi)發(fā)一個(gè)新的約束管理器目標(biāo)在于創(chuàng)造一個(gè)有效的、獨(dú)立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。這個(gè)系統(tǒng)的要求是：

1）多平臺(tái)（Unix and Windows）；2）場(chǎng)景圖的獨(dú)立；3）多重的約束識(shí)別；4）多重的約束補(bǔ)償；5）刪除破碎的約束；6）自動(dòng)的約束管理。

約束管理器和主要的應(yīng)用程序之間的信息交流使用一個(gè)有著適當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的被定義的API。內(nèi)部數(shù)據(jù)的表示是基于獨(dú)立于任何場(chǎng)景圖的私人級(jí)別。因?yàn)檫@個(gè)原因，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要在約束管理器中插入每一個(gè)組件的幾何性質(zhì)，因?yàn)榧s束管理器有它自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對(duì)象，虛擬手，例如，不會(huì)被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節(jié)點(diǎn)：對(duì)象和表面。對(duì)象是一個(gè)具有表面和可以移動(dòng)的實(shí)體。一個(gè)表面是一個(gè)對(duì)象的外觀。約束管理器支持參數(shù)表面和使用特定的原理來(lái)確定它的參數(shù)方程。約束管理器能夠識(shí)別并應(yīng)用不同類型的幾何約束。一個(gè)幾何約束是兩個(gè)表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)則。這條規(guī)則減少了包含相關(guān)表面和約束它們運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識(shí)別程序還必須能夠驗(yàn)證被認(rèn)可和已應(yīng)用的約束。驗(yàn)證是一個(gè)確定約束是否還有效或被破壞的過(guò)程。如果一個(gè)相關(guān)表面超過(guò)了被定義的臨界值，一個(gè)約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個(gè)主要的任務(wù)：驗(yàn)證現(xiàn)存的約束和確定被破壞的約束；執(zhí)行現(xiàn)有的約束和解決約束運(yùn)動(dòng)；識(shí)別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項(xiàng)功能可以結(jié)合到實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段完全自動(dòng)化的約束管理器中。一旦一個(gè)組件的轉(zhuǎn)換傳送給約束管理器，模型會(huì)被搜索，對(duì)被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執(zhí)行，一個(gè)作為結(jié)果的變換被計(jì)算出來(lái)。在一個(gè)位置，搜索約束管理器在移動(dòng)的組件和周圍環(huán)境之間的新約束。

4系統(tǒng)架構(gòu)

這一節(jié)描述應(yīng)用的約束管理器的體系結(jié)構(gòu)。圖2展示了一種這種架構(gòu)的圖形表示法。

約束管理器有一個(gè)分級(jí)的數(shù)據(jù)圖表，維護(hù)所有來(lái)自對(duì)象和表面的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識(shí)別器和過(guò)濾器。約束管理器模塊是獨(dú)立的，他們的交互作用被應(yīng)用程序所定義。

盡管有好的結(jié)果，有大量的工作要做使其成為一個(gè)成熟的系統(tǒng)，可以被用作一種虛擬樣機(jī)研究的工具。進(jìn)一步改善現(xiàn)有約束管理器現(xiàn)在正被考慮。這些改善包括發(fā)展一種更有效的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)用過(guò)濾器，在識(shí)別新的約束之前。

參考文獻(xiàn)

[1]林容，楊慧，安樹(shù)蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進(jìn)展介紹[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，1997（S1）.

[2]隋愛(ài)娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環(huán)境的裝配約束語(yǔ)義模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程維修服務(wù)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及展望[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006（09）.

圖2約束管理器的架構(gòu)

endprint