李世丁，黃啟昭，薛裕童，蒲 東

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)

李世丁，黃啟昭，薛裕童，蒲 東

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

由于網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)語言VRML能在網(wǎng)頁上建立交互式三維立體虛擬空間，因而可用作虛擬車床仿真系統(tǒng)的建立。文章結(jié)合VRML的功能和Java語言在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用以及HTML5在建立交互網(wǎng)站中的使用進(jìn)行了深入的研究，并利用VRML和 Java 技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬車床加工過程的動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)使用HTML5語言建立交互網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)的趣味性。事實(shí)證明，基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)是切實(shí)可行的。

VRML；Java；HTML5；車床仿真；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是20世紀(jì)末興起的一門全新的綜合信息技術(shù)，也被稱之為靈境技術(shù)[1]。它不但融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、智能接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新成果，還涉及數(shù)學(xué)、物理、地理、美學(xué)、氣象等學(xué)科領(lǐng)域[2]。

VR技術(shù)的特點(diǎn)在于，使用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)三維立體的虛擬環(huán)境，從而使用戶獲得一種沉浸于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的感官體驗(yàn)。從根本上來講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種更為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與用戶的接口技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)通過同時(shí)給用戶提供各種自然直觀的實(shí)時(shí)交互感知（諸如視覺、聽覺、觸覺）的方法，最大限度方便了用戶的實(shí)際操作，進(jìn)而減輕了用戶的負(fù)擔(dān)并且還提高了整個(gè)工作系統(tǒng)的效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)所應(yīng)用對(duì)象的不同可以表現(xiàn)為不同的形式，例如將某種概念設(shè)計(jì)升華成可視且可操作的界面物體；可以模擬逼真的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)效果；達(dá)到對(duì)很多復(fù)雜環(huán)境的廉價(jià)模擬訓(xùn)練的目的等等[3]。

從概念上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)的3個(gè)重要特性（簡(jiǎn)稱3I特性）：“Immersion（沉浸感）”“Interaction（交互性）”“Imagination（構(gòu)想）”可以用來描述任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[4]。

本文所研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)”屬于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2 使用VRML創(chuàng)建車床仿真系統(tǒng)的技術(shù)研究

本設(shè)計(jì)使用虛擬現(xiàn)實(shí)模型語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）創(chuàng)建了虛擬車床仿真平臺(tái)的模型，這種模型語言是計(jì)算機(jī)科學(xué)的前沿技術(shù)。

本虛擬車床仿真系統(tǒng)具備的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

2.1 基于Web

基于Web的意思就是要求客戶端處理數(shù)據(jù)的時(shí)候只需要瀏覽器和一些瀏覽特殊數(shù)據(jù)格式的插件，在此之外不需要任何其他客戶端軟件的支持。只要訪問特定的網(wǎng)址，分布在任何地方的學(xué)生都可以進(jìn)入這個(gè)虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)。本虛擬車床仿真系統(tǒng)是對(duì)車床加工零件的一個(gè)模擬，學(xué)生可在遠(yuǎn)程的客戶端進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

2.2 三維立體環(huán)境

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是通過計(jì)算機(jī)建立的三維模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平臺(tái)。在三維實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景之中，可以通過不同的視角來觀察同一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。并且用戶可以通過事先設(shè)置的多個(gè)焦點(diǎn)視角直接在這些視角之間作切換。本虛擬車床仿真系統(tǒng)的三維模型采用VRML技術(shù)建立，學(xué)生可通過瀏覽器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行任意縮放、旋轉(zhuǎn)，并能夠走近、遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)對(duì)象，從各個(gè)角度觀察。

2.3 車床可視化

本虛擬車床仿真系統(tǒng)可由可視化三維模型代表，學(xué)生與虛擬車床間的交互是通過可視化的操作對(duì)象來完成的，而這些對(duì)象就是對(duì)現(xiàn)實(shí)車床系統(tǒng)的仿真模擬，操作對(duì)象的建立有效地提高了虛擬車床仿真系統(tǒng)的趣味性，可提高機(jī)床初學(xué)者的興趣和動(dòng)手能力。

建設(shè)開放包容的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)名城。在更高起點(diǎn)推進(jìn)改革開放再出發(fā)，搶先布局“一帶一路”交匯點(diǎn)建設(shè)。堅(jiān)持以我為主高起點(diǎn)接軌上海，高度融入長(zhǎng)三角世界級(jí)城市群建設(shè)與長(zhǎng)三角一體化國(guó)家戰(zhàn)略，認(rèn)真謀劃重大規(guī)劃對(duì)接、區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通、生態(tài)環(huán)境聯(lián)防聯(lián)控、民生工程共建共享等重點(diǎn)舉措。著力凸顯蘇州在蘇南國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)的核心位置，強(qiáng)化高點(diǎn)定位和頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。

2.4 輕松的交互方式

學(xué)生和虛擬車床之間可以通過鼠標(biāo)進(jìn)行交互，在本虛擬車床仿真系統(tǒng)種學(xué)生可以通過對(duì)機(jī)床面板預(yù)設(shè)的功能進(jìn)行相關(guān)操作，比如：工件裝卡、主軸進(jìn)給、刀架換刀、模擬加工等。正因此虛擬車床的可用性不言而喻。

2.5 操作安全

可以說完全消除了傳統(tǒng)機(jī)床在操作過程中的操作安全問題。

3 虛擬場(chǎng)景模型的創(chuàng)建與人機(jī)交互

開發(fā)的基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)的工作方式是：在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中創(chuàng)建VRML文件，這些VRML文件就是建立的虛擬車床模型。用戶可以在遠(yuǎn)程客戶端的瀏覽器通過Internet訪問包含此VRML文件的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而創(chuàng)建的每個(gè)模型都有自己的行為，都能夠響應(yīng)用戶的操作，并完成實(shí)時(shí)交互。工作方式如圖1所示。具體特征如下。

3.1 分布式環(huán)境設(shè)計(jì)及其可擴(kuò)充性

VRML文件內(nèi)建了Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)（它是可以支持多個(gè)分布式文件的內(nèi)聯(lián)機(jī)制）。將一個(gè)建立復(fù)雜場(chǎng)景的VRML源文件拆解成了幾個(gè)小程序分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再運(yùn)用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)將這幾個(gè)小程序合并，這便可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的分工協(xié)作。

3.2 基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式的訪問方式

服務(wù)器的“身份”是中心工作站，它的作用是提供VRML文件（*. wrl文件），而客戶端的作用是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸VRML文件，最后用戶只需要利用本地平臺(tái)上含有VRML插件的瀏覽器來運(yùn)行此程序，便可以在客戶端直接生成虛擬實(shí)驗(yàn)室的三維場(chǎng)景從而實(shí)現(xiàn)在客戶端的立體化呈現(xiàn)交互。含有VRML插件的瀏覽器解釋、執(zhí)行還有運(yùn)行VRML文件的機(jī)制與通過瀏覽器來運(yùn)行HTML文件的機(jī)制完全一樣。因?yàn)闉g覽器是由本地平臺(tái)直接提供的，所以VRML系統(tǒng)的操作與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)無關(guān)。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)VRML的圖形渲染是實(shí)時(shí)的

虛擬實(shí)驗(yàn)室中的人機(jī)“可交互性”的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)閂RML圖形渲染的“實(shí)時(shí)性”。用戶在瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)室VRML文件生成的三維場(chǎng)景之時(shí)可以通過鼠標(biāo)來將場(chǎng)景中的模型任意地移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，而且不受任何的限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室全面的觀察。

3.4 模型與交互

虛擬實(shí)驗(yàn)室由一系列按等級(jí)排列的場(chǎng)景模型構(gòu)成，如圖2所示。我們通過VRML所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)已然完全不同于其他系統(tǒng)的二維平面性。VRML三維場(chǎng)景當(dāng)中造型的各個(gè)屬性（諸如燈光、方位、質(zhì)感等等）將隨著瀏覽者的移動(dòng)而發(fā)生改變來實(shí)現(xiàn)立體的視覺效果。而聲音的三維效果可以通過使用Sound節(jié)點(diǎn)對(duì)聲音的位置、大小、方向等空間性質(zhì)的設(shè)定讓其表現(xiàn)出高低各異、遠(yuǎn)近不同的效果來實(shí)現(xiàn)。用戶可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室種漫游，虛擬實(shí)驗(yàn)室的顯示跟隨視點(diǎn)變化。除支持漫游外，還允許用戶通過場(chǎng)景圖層次中的傳感器節(jié)點(diǎn)與虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交互。場(chǎng)景等級(jí)建立在父子關(guān)系上，一個(gè)父節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。圖2中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)復(fù)雜的幾何模型，而且每個(gè)幾何模型都有對(duì)應(yīng)的時(shí)間傳感器和插補(bǔ)器以實(shí)現(xiàn)其各自的行為，來響應(yīng)用戶的操作。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室VRML場(chǎng)景

3.5 本虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)具有人工智能性

在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中VRML利用動(dòng)畫插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)、觸摸節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)等來感知用戶、造型間的動(dòng)態(tài)交互，進(jìn)而依據(jù)Script節(jié)點(diǎn)中的設(shè)定，產(chǎn)生程序規(guī)定的反應(yīng)。這些主要表現(xiàn)了它的智能性。

4 結(jié)語

在網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的開發(fā)過程之中融入VRML擁有非常多的好處，它既可以增強(qiáng)教學(xué)平臺(tái)的表現(xiàn)力與用戶的接受力，還能實(shí)現(xiàn)更好地協(xié)同工作虛擬環(huán)境。隨著我國(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷重視，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一些方面取得了初步進(jìn)展，但是人們的技術(shù)還存在著很多理論問題和技術(shù)障礙等待攻克，這導(dǎo)致了我們的技術(shù)有許多功能沒有完善。以我國(guó)現(xiàn)階段虛擬設(shè)計(jì)的理論和實(shí)施方法還需要不斷深化。目前的研究只是探索的開始，還需要進(jìn)行更加細(xì)化與深入的研究工作。

[1]汪興謙.VRML與Java編程實(shí)例講解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]左治亞，博第.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].魏迎梅，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]冀莉莉，李寶樹，孟鑫.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輸電線路信息管理[C].中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)術(shù)年會(huì)，2007.

Virtual lathe simulation system based on VRML

Li Shiding, Huang Qizhao, Xue Yutong, Pu Dong
（Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China）

Because the VRML can build Interactive three-dimensional virtual space on Internet, so it can be used to build the virtual lathe simulation system. The article combines VRML’s function, the application in virtual reality of Java and the use of HTML5 in building interactive Website to conduct a deep research, the dynamic simulation of machining process of virtual lathe is realized by using VRML and Java technology, and the HTML5 is used to build interactive Website, which realizes interesting of virtual experiment. Facts proved that the virtual lathe simulation system based on VRML is feasible.

VRML; Java; HTML5; lathe simulation; online education

李世?。?993— ），男，河南上蔡，本科；研究方向：流體控制。