【導(dǎo)讀】涉及的理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)，并對它們在過程工業(yè)系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用作了大膽的嘗試。基于虛擬現(xiàn)實建模語言VRML的虛擬仿真場景展示系統(tǒng)。文中詳細(xì)描述了圖形建模系。的技術(shù)難點及解決方案。其本質(zhì)是運用計算機(jī)對現(xiàn)實或虛構(gòu)的世界進(jìn)行全面的仿真，從而生成一個逼真的。和方法上都有新的特點和亮點，它綜合了虛擬現(xiàn)實和系統(tǒng)仿真各自的優(yōu)點和長處。從理論上講，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合起來就可以得到一個虛擬現(xiàn)實仿真系。而對于系統(tǒng)仿真來說，無論是對真實世界還是虛構(gòu)世界的仿真，有問題，并不能代替仿真過程中的所有方法與手段。所以，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在具有強大優(yōu)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不適用于宏觀決策問題，主要原因在于宏觀。需要與其它類型的表現(xiàn)形式加以配合，才能發(fā)揮出最佳的效果。虛擬現(xiàn)實在仿真系統(tǒng)中主要是以表現(xiàn)和參與為目的。對于仿真建模階段，采用圖形建模方式，而在仿真模型的展示階段，則采用虛擬現(xiàn)。應(yīng)用并不是相互孤立的，它們之間是相互聯(lián)系，并存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的。

　　

【正文】 VRML 中 的 Transform 節(jié)點確定各自在場景中的空間位置而組織形成一個虛擬仿真場景。用戶在搭建圖形仿真模型時，定義每一個圖標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維場景中的空間位置，作為該圖標(biāo)的空間屬性存儲到一個空間位置數(shù)據(jù)表中。在將三維模型引入場景時，從該表中讀取其空間信息，從而控制三維模型在場景中的位置。 制作基于 VRML的虛擬設(shè)備 仿真目標(biāo)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景是由構(gòu)成該系統(tǒng)的各種 設(shè)備的虛擬造型節(jié)點組織而成的。所以要構(gòu)建基于 VRML 的三維虛擬仿真場景 [10]，首先就需要與物理設(shè)備相對應(yīng)的虛擬設(shè)備。對于造型比較簡單的虛擬設(shè)備，可以直接編寫 VRML 文件， 構(gòu)成虛擬設(shè)備。 對于造型比較復(fù)雜的三維虛擬設(shè)備， 可以 利用三維建模軟件 3DS MAX 來建立虛擬設(shè)備模型，然后導(dǎo)出生成 VRML 格式的文件 (后綴為 .wrl)。 直接利用 VRML編制虛擬設(shè)備 VRML 提供了幾種能直接用來創(chuàng)建虛擬場景的標(biāo)準(zhǔn)造型，包括自然界中最基本的幾何造型，如正方體、球體、圓錐體、圓柱體等。這些幾何造型由其自身的幾何尺 寸和外觀共同控制，這兩方面結(jié)合起來就是 Shape 節(jié)點。在 VRML 空間中，每一個造型都有其空間坐標(biāo)，通過修改空間坐標(biāo)可以控制該造型物體在 VRML 空間中移動、旋轉(zhuǎn)等。使用 Transform 節(jié)點可以確定造型的空間坐標(biāo)系，同樣也可以使用 Transform 節(jié)點使造型進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)及縮放。 利用 3DS MAX 制作虛擬設(shè)備 與 VRML 語言復(fù)雜的指令相比， 3DS MAX 則是一種快捷直觀的建模方法，不但可以利用 3DS MAX 制作三維模型，并直接導(dǎo)出成 VRML 格式的文件，而且還能夠在 3DS MAX 中插入 VRML 節(jié) 點，并且將這些節(jié)點和空間造型組合起來，設(shè)置各項參數(shù)。利用3DS MAX 制作三維虛擬設(shè)備模型的大體步驟如下： （ 1） 建立模型：打開 3DS MAX 創(chuàng)建一個新的模型， 3DS MAX 提供了多變性建模、放樣、表面建模工具、 NURBS 等方便有效的建模手段，利用 3DSMAX 提供的各種方便、快捷、高效的建模方式與工具建立虛擬設(shè)備模型； （ 2） 設(shè)定材質(zhì)、貼圖或動畫：設(shè)定虛擬設(shè)備的材質(zhì)、貼圖，如果需要還可以設(shè)定動畫； （ 3） 建立視點：由于 3DS MAX 與 VRML 的建模單位并不匹配，如果把沒有攝像機(jī)的 3DS MAX 場景直接導(dǎo)出到 VRML，往往無法獲得正確的視點。 （ 4） 從 3DS MAX 導(dǎo)出到 VRML：制作好三維虛擬設(shè)備以后，選擇 3DS MAX 環(huán)境中的 File|Export 導(dǎo)出菜單選項，在彈出的對話框中選擇導(dǎo)出的文件類型為 .wrl，輸入河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 文件名，然后單擊保存按鈕。在彈出的 Exporter 對話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，單擊 OK 按鈕確定后，系統(tǒng)即可將當(dāng)前 3DS MAX 制作的三維模型導(dǎo)出成 VRML 格式。如果需要瀏覽生成的場景或者三維模型，可以在瀏覽器中打開相應(yīng)的 .wrl 文件。 利用 Cortona 控件實現(xiàn)場景的顯示與控制 Cortona 控件介紹 Cortona 控件是 ParallelGraphic 公司發(fā)布的低價高效、功能強大的 ActiveX 控件。同時它本身也是 VRML專用的瀏覽器。 Cortona 組件支持真正的對象鏈接和嵌入（ OLE），除了可以嵌入到 HTML 中與 JavaScript 協(xié)同開發(fā) Web3D 的應(yīng)用程序當(dāng)中 [16]，用戶還可以方便地將 Cortona 集成到標(biāo)準(zhǔn)可視化編程工具之中，如 Visual C++、 Visual Basic、 Delphi等。 虛擬仿真場景的動態(tài)性與交互性的實現(xiàn) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的就是要給用戶一種直 觀的、逼真的、身臨其境的感受，虛擬仿真場景必須具有能夠反映其所表征的現(xiàn)實中的目標(biāo)系統(tǒng)的動態(tài)特性與交互特性。虛擬仿真場景與人的動 態(tài)交互可以利用 VRML 中的各種傳感器來完成 [9]，傳感器節(jié)點在基于VRML 的虛擬仿真場景中起著非常重要的作用。 利用時間傳感器節(jié)點控制仿真動畫 利用時間傳感器節(jié)點 (TimeSenso)來驅(qū)動連續(xù)的仿真動畫和數(shù)據(jù)刷新。 TimeSensor節(jié)點是一個時鐘，它可以隨著時間的流逝而產(chǎn)生相關(guān)的時間事件，可以利用這些事件來控制一些與時間相關(guān)的行為。 TimeSensor 節(jié)點的語法如下 ： TimeSensor{ eventOut SFBool isActive eventOut SFTime time eventOut SFTime cycleTime eventOut SFFloat fraction_changed exposedField SFTime cycleInterval exposedField SFBool enabled TRUE exposedField SFTime startTime 0 exposedField SFTime stopTime 0 exposedField SFBool loop FALSE } 當(dāng) TimeSensor 處于開啟狀態(tài) (enabled=TRUE)，并且時間到了 startTime 域指定的值河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 時，它就開始產(chǎn)生事件，并連續(xù)不斷的輸出 “事件時間 ”?？梢岳?cycInterval 域來控制TimeSensor 產(chǎn)生事件的時間間隔。當(dāng)?shù)搅?stopTime 域指定的時間， TimeSensor 就會停止產(chǎn)生事件。當(dāng) TimeSensor 節(jié)點處于活動狀態(tài)時，它會產(chǎn)生 isActive=TRUE 事件并開始產(chǎn)生 Time， fraction_changed 以及 cycleTime 事件，這些事件可以路由到其他節(jié)點來驅(qū)動動畫或者仿真行為，在本系統(tǒng)中，利用 TimeSensor 節(jié)點以固定周期驅(qū)動 Script 節(jié)點中的相關(guān)程序從仿真數(shù)據(jù)庫中讀取設(shè)備的實時狀態(tài)。 利用可見性傳感器控制虛擬場景的刷新 可見性傳感器節(jié)點 (VisibilitySensor)用來探測在一個虛擬盒子中的可見性的變化。當(dāng)可見性狀態(tài)發(fā)生變化時就產(chǎn)生事件。 VisibilitySensor 節(jié)點的語法如下： VisibilitySensor{ eventOut SFBool isActive eventOut SFTime enterTime eventOut SFTime exitTime exposedField SFBool enabled TRUE exposedField SFVec3f center exposedField SFVec3f size } 當(dāng)用戶瀏覽虛擬仿真場景時，他有可能在某一時刻只是集中在虛擬場景的某一個局部，這時他的可見視野是有限的。這種情況下，就沒有必要讓所有的虛擬設(shè)備都實時的刷新自己的狀態(tài)，因為狀態(tài)的刷新涉及到與外界數(shù)據(jù)源的 通信，以及對相應(yīng)虛擬設(shè)備的狀態(tài)控制，是比較消耗資源的 [14]。因此，在本系統(tǒng)的虛擬仿真場景中利用可見性傳感器節(jié)點 (VisibilitySensor)來控制是否啟動時間傳感器節(jié)點，當(dāng)虛擬設(shè)備可見時，則啟動TimeSensor 節(jié)點來控制虛擬設(shè)備狀態(tài)的實時刷新。 利用觸摸傳感器節(jié)點感受用戶的動作 觸摸傳感器節(jié)點 (TouchSensor)提供了一種用戶與 VRML 世界交互的手段?？梢岳盟鼇砀兄脩舻氖髽?biāo)在組內(nèi)節(jié)點上的移動或者單擊動作。在仿真系統(tǒng)中可以在虛擬設(shè)備的組節(jié)點中定義觸摸傳感器節(jié)點來控制系統(tǒng)的開 關(guān)量。 TouchSensor 節(jié)點的語法如下： TouchSensor{ eventOut SFBool isOver eventOut SFVec3f hitPoint_changed eventOut SFVec3f hitNormal_changed 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 19 eventOut SFVec3f hitTexCoord_changed eventOut SFBool isActive eventOut SFTime touchTime exposedField SFBool TRUE } 當(dāng)用戶在某個虛擬設(shè)備上按下 鼠標(biāo)鍵后， TouchSensor 將產(chǎn)生 isActive 事件，并返回 TRUE。當(dāng)用戶松開鼠標(biāo)鍵后，產(chǎn)生 isActive 事件，返回 FALSE，同時產(chǎn)生事件touchTime，來表識點擊鼠標(biāo)的時間。 利用拖動傳感器節(jié)點實現(xiàn)對虛擬設(shè)備位置的控制 前面的小節(jié)已經(jīng)介紹過，當(dāng)用戶建立好圖形仿真模型后，系統(tǒng)會根據(jù)其中的設(shè)備圖標(biāo)，在三維虛擬設(shè)備庫中找到與之相對應(yīng)的虛擬設(shè)備，并根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫中存儲的各個虛擬設(shè)備的三維空間位置 [8]，來生成相應(yīng)的三維虛擬場景。三維空間數(shù)據(jù)庫中存儲的空間位置默認(rèn)為圖形建模環(huán)境中的二維 平面位置（垂直坐標(biāo)默認(rèn)為零），雖然用戶可以在建模過程中另行定義，但是用戶仍有可能對于生成的虛擬場景中虛擬設(shè)備的空間位