趙洪利，陳 飛，謝亞偉，郭 慶

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

S1000D規(guī)范下交互式IPC發(fā)布技術(shù)研究

趙洪利1，陳 飛1，謝亞偉2，郭 慶1

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

基于S1000D規(guī)范編制電子技術(shù)手冊是目前電子手冊發(fā)展趨勢；為促進(jìn)S1000D規(guī)范在以信息化為中心的綜合保障技術(shù)中的應(yīng)用，提高技術(shù)資料的使用性和經(jīng)濟(jì)性，在研究了S1000D規(guī)范下IPC數(shù)據(jù)模塊及交互性問題的基礎(chǔ)上，采用VRML編寫的3D模型作為IPC的技術(shù)插圖，利用VRML自身優(yōu)秀的交互性能并配合Javascript網(wǎng)頁腳本，實(shí)現(xiàn)了3D下的IPC圖文交互式發(fā)布功能，提升了IPC使用效率。

IPC; S1000D; VRML; 交互式發(fā)布

0 引言

在飛機(jī)發(fā)動機(jī)各類技術(shù)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(gòu)型標(biāo)準(zhǔn)、零件名稱、零件數(shù)量、供應(yīng)商等相關(guān)信息與零部件圖形相對應(yīng)，以方便維修人員進(jìn)行部件查找、識別和定位部件位置。

基于S1000D規(guī)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(shù)插圖，從而以立體的形式展示零部件，以增強(qiáng)可視化效果。為了實(shí)現(xiàn)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(jié)合Javascript網(wǎng)頁腳本，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁式IPC中的3D圖形和文本之間的交互功能。

1 基于S1000D規(guī)范編寫IPC數(shù)據(jù)模塊

S1000D規(guī)范中，數(shù)據(jù)模塊是最小的數(shù)據(jù)單元，采用XML語言進(jìn)行編制。數(shù)據(jù)模塊分為兩部分，即標(biāo)識狀態(tài)段和內(nèi)容段。S1000D根據(jù)技術(shù)信息的類別，將數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行了分類，并且分別給出了各類數(shù)據(jù)模塊所對應(yīng)的XML Schema。編寫IPC數(shù)據(jù)模塊時，采用IPD(illustrated parts data) Schema即可。

依據(jù)具體項(xiàng)目的業(yè)務(wù)規(guī)則和S1000D對IPD數(shù)據(jù)模塊中各元素的定義和元素屬性取值的規(guī)定，將IPC中涉及技術(shù)資料信息填入IPD數(shù)據(jù)模塊所對應(yīng)的元素中，即可完成數(shù)據(jù)模塊的編寫。

2 3D模型與VRML交互功能

VRML(virtual reality modeling language)即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，它具有平臺獨(dú)立性、可擴(kuò)展性、實(shí)時圖形渲染、基于事件交互等特點(diǎn)。本文制作IPC時之所以采用VRML編寫3D模型，是因?yàn)橐环矫婵紤]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(kuò)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(jié)點(diǎn)

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(biāo)系統(tǒng)(Cartesian right-handed dimensional system)，由X、Y、Z 3個坐標(biāo)方向構(gòu)成，其方向可以用右手規(guī)則來確定。而在VRML空間中，空間單位統(tǒng)一使用VRML單位，與尺寸單位不具有可比性，實(shí)際應(yīng)用時由開發(fā)者自主協(xié)調(diào)。

一個VRML文件通常由文件頭、節(jié)點(diǎn)和路由3個部分組成。節(jié)點(diǎn)是VRML中構(gòu)成虛擬場景的基本單元，是VRML對現(xiàn)實(shí)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(jié)點(diǎn)，可以分為七類：幾何節(jié)點(diǎn)、屬性節(jié)點(diǎn)、編組節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、腳本節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由域和事件組成。域的概念類似于其他計(jì)算機(jī)語言如C、C++中所說的“變量”、“數(shù)組”等，域的取值決定了虛擬場景的狀態(tài)。事件是由操作者、節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)本身、程序代碼產(chǎn)生的行為動作，節(jié)點(diǎn)通過事件來從外界接收信息及向外界發(fā)送信息。

VRML中的幾何圖形是通過造型節(jié)點(diǎn)來構(gòu)造的。造型(Shape)節(jié)點(diǎn)定義了幾何圖形的尺寸和外觀，其節(jié)點(diǎn)的語法如下：

Shape{

exposedField SFNode appearance NULL

exposedField SFNode geometry NULL

}

Shape節(jié)點(diǎn)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(shè)定幾何造型節(jié)點(diǎn)。VRML中幾何造型節(jié)點(diǎn)分為五類：原始幾何造型節(jié)點(diǎn)(Box、Cone、Cylinder、Sphere)，點(diǎn)、線、面集節(jié)點(diǎn)(PointSet、IndexedLineSet、IndexedFaceSet、Coordinate)，高度節(jié)點(diǎn)(ElevationGrid)，突出節(jié)點(diǎn)(Extrusion)和文本造型節(jié)點(diǎn)(Text)。一般來講，對于形狀較為復(fù)雜的幾何圖形的建立，采用的多為面集結(jié)點(diǎn)，通過設(shè)定連接坐標(biāo)并將坐標(biāo)編號，然后按照坐標(biāo)索引號設(shè)定點(diǎn)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(gòu)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(dāng)于是中空的，但由于圖形都是封閉的，IPC圖解所展現(xiàn)的也并不涉及質(zhì)量等物理性參數(shù)，所以并不影響幾何圖形的視覺表現(xiàn)。

2.2 VRML交互

交互過程實(shí)際相當(dāng)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(bǔ)器節(jié)點(diǎn)和腳本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，后者則需要借助傳感器節(jié)點(diǎn)。

插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)是為制作線性關(guān)鍵幀動畫而設(shè)計(jì)的，每個插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)都使用一個關(guān)鍵時刻和關(guān)鍵值的列表來描述動畫，關(guān)鍵時刻列表作為插補(bǔ)器key域值給出，關(guān)鍵值列表作為插補(bǔ)器keyValue域值給出。腳本Script節(jié)點(diǎn)是一個與VRML場景外的程序相結(jié)合的節(jié)點(diǎn)，它是事件處理的核心部分。Script節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含一個可被瀏覽器理解并執(zhí)行的腳本程序。Script節(jié)點(diǎn)接收入事件，通過腳本程序產(chǎn)生結(jié)果，然后以出事件進(jìn)行輸出。

傳感器節(jié)點(diǎn)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(chuàng)建一個虛擬時鐘，并對其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送時間值。觸動傳感器通過感知瀏覽者對于鼠標(biāo)的操作，觸發(fā)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(fā)并輸出事件。

節(jié)點(diǎn)間的輸入、輸出事件傳遞路線即為路由。一般節(jié)點(diǎn)都有兩種事件即：入事件和出事件。通過路由可以從一個節(jié)點(diǎn)A發(fā)往另一個節(jié)點(diǎn)B一個值，將A節(jié)點(diǎn)出事件值賦予B節(jié)點(diǎn)入事件，從而B改變節(jié)點(diǎn)中某些域的域值。

2.3 視圖轉(zhuǎn)換功能集成

傳統(tǒng)IPC插圖，往往將一個組件主結(jié)構(gòu)中各部件單獨(dú)剝離，然后標(biāo)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(fù)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(nèi)部創(chuàng)建視圖轉(zhuǎn)換按鈕，結(jié)合插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組件整體主視圖和爆炸視圖之間的切換。

圖1 傳統(tǒng)IPC插圖

利用Cortona提供的Transform2D和Layer3D這兩個擴(kuò)展原型節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建一個獨(dú)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(zhuǎn)、縮放等)而變化位置，通過為這兩個節(jié)點(diǎn)添加傳感器和插補(bǔ)器即可完成與3D圖形的交互，實(shí)現(xiàn)視角切換。兩個原型節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)和Layer3D節(jié)點(diǎn)為某泵體模型創(chuàng)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(yōu)秀交互性，可以實(shí)現(xiàn)部分交互功能，而IPC發(fā)布形式為HTML網(wǎng)頁，VRML文件作為網(wǎng)頁的一部分嵌入其中，網(wǎng)頁的另一部分內(nèi)容是IPC零件目錄表格。本文實(shí)現(xiàn)的IPC交互功能是圖文交互，即實(shí)現(xiàn)3D模型中的零件和零件信息之間的一一對應(yīng)，為此需要用到VRML與網(wǎng)頁間的交互技術(shù)。

3.1 交互理論基礎(chǔ)

最初的交互技術(shù)中，VRML與網(wǎng)頁的交互功能實(shí)現(xiàn)主要通過兩種方式：一種是Java腳本創(chuàng)作接口(Java Script Authoring Interface, JSAI)，另一種是外部創(chuàng)作接口(External Authoring Interface, EAI)。

JSAI使用Java和VRML相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)VRML腳本。應(yīng)用Java編寫腳本來讀取場景中的節(jié)點(diǎn)、向虛擬場景中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送事件、在場景中創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)等等，實(shí)現(xiàn)腳本驅(qū)動場景動畫和場景交互的行為邏輯。

EAI的主要目的是增強(qiáng)VRML場景與外部環(huán)境通信聯(lián)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(jié)點(diǎn)。EAI的實(shí)質(zhì)是同HTML頁面內(nèi)的Java Applet與VRML場景間通過EAI進(jìn)行交互。

然而隨著技術(shù)的發(fā)展，Java的功能不斷增強(qiáng)，若繼續(xù)采用JSAI和EAI進(jìn)行交互編碼的話會導(dǎo)致無法正常交互，為了解決這個問題，新的交互機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生，這種機(jī)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(shù)，采用VRML-Javascript-Java Applet的通信機(jī)制就可以實(shí)現(xiàn)VRML與Java Applet間的通信，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交互功能。

Java Applet程序能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的交互功能，如VRML場景節(jié)點(diǎn)的域值參數(shù)修改、動畫的參數(shù)控制等等。本文所要實(shí)現(xiàn)的IPC交互功能不涉及這些參數(shù)的變動，所有參數(shù)設(shè)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(nèi)容主要在于事件的觸發(fā)，因此單純通過嵌入網(wǎng)頁的Javascript腳本即可實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)功能。

3.2 圖文交互功能實(shí)現(xiàn)

采用Javascript腳本來實(shí)現(xiàn)簡單交互，在VRML文件已嵌入網(wǎng)頁的基礎(chǔ)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(yīng)于嵌入代碼中的