【導(dǎo)讀】涉及的理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)它們?cè)谶^(guò)程工業(yè)系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用作了大膽的嘗試?；谔摂M現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML的虛擬仿真場(chǎng)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(diǎn)及解決方案。其本質(zhì)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)或虛構(gòu)的世界進(jìn)行全面的仿真，從而生成一個(gè)逼真的。和方法上都有新的特點(diǎn)和亮點(diǎn)，它綜合了虛擬現(xiàn)實(shí)和系統(tǒng)仿真各自的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處。從理論上講，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)就可以得到一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系。而對(duì)于系統(tǒng)仿真來(lái)說(shuō)，無(wú)論是對(duì)真實(shí)世界還是虛構(gòu)世界的仿真，有問(wèn)題，并不能代替仿真過(guò)程中的所有方法與手段。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在具有強(qiáng)大優(yōu)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不適用于宏觀決策問(wèn)題，主要原因在于宏觀。需要與其它類(lèi)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(shí)在仿真系統(tǒng)中主要是以表現(xiàn)和參與為目的。對(duì)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(diǎn)確定各自在場(chǎng)景中的空間位置而組織形成一個(gè)虛擬仿真場(chǎng)景。用戶在搭建圖形仿真模型時(shí)，定義每一個(gè)圖標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維場(chǎng)景中的空間位置，作為該圖標(biāo)的空間屬性存儲(chǔ)到一個(gè)空間位置數(shù)據(jù)表中。在將三維模型引入場(chǎng)景時(shí)，從該表中讀取其空間信息，從而控制三維模型在場(chǎng)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(shí)場(chǎng)景是由構(gòu)成該系統(tǒng)的各種 設(shè)備的虛擬造型節(jié)點(diǎn)組織而成的。所以要構(gòu)建基于 VRML 的三維虛擬仿真場(chǎng)景 [10]，首先就需要與物理設(shè)備相對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備。對(duì)于造型比較簡(jiǎn)單的虛擬設(shè)備，可以直接編寫(xiě) VRML 文件， 構(gòu)成虛擬設(shè)備。 對(duì)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(lái)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(lái)創(chuàng)建虛擬場(chǎng)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(lái)就是 Shape 節(jié)點(diǎn)。在 VRML 空間中，每一個(gè)造型都有其空間坐標(biāo)，通過(guò)修改空間坐標(biāo)可以控制該造型物體在 VRML 空間中移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等。使用 Transform 節(jié)點(diǎn)可以確定造型的空間坐標(biāo)系，同樣也可以使用 Transform 節(jié)點(diǎn)使造型進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及縮放。 利用 3DS MAX 制作虛擬設(shè)備 與 VRML 語(yǔ)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(diǎn)，并且將這些節(jié)點(diǎn)和空間造型組合起來(lái)，設(shè)置各項(xiàng)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(kāi) 3DS MAX 創(chuàng)建一個(gè)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(dòng)畫(huà)：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(dòng)畫(huà)； （ 3） 建立視點(diǎn)：由于 3DS MAX 與 VRML 的建模單位并不匹配，如果把沒(méi)有攝像機(jī)的 3DS MAX 場(chǎng)景直接導(dǎo)出到 VRML，往往無(wú)法獲得正確的視點(diǎn)。 （ 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(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇導(dǎo)出的文件類(lèi)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(duì)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(chǎng)景或者三維模型，可以在瀏覽器中打開(kāi)相應(yīng)的 .wrl 文件。 利用 Cortona 控件實(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(jià)高效、功能強(qiáng)大的 ActiveX 控件。同時(shí)它本身也是 VRML專用的瀏覽器。 Cortona 組件支持真正的對(duì)象鏈接和嵌入（ OLE），除了可以嵌入到 HTML 中與 JavaScript 協(xié)同開(kāi)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(chǎng)景的動(dòng)態(tài)性與交互性的實(shí)現(xiàn) 虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景必須具有能夠反映其所表征的現(xiàn)實(shí)中的目標(biāo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與交互特性。虛擬仿真場(chǎng)景與人的動(dòng) 態(tài)交互可以利用 VRML 中的各種傳感器來(lái)完成 [9]，傳感器節(jié)點(diǎn)在基于VRML 的虛擬仿真場(chǎng)景中起著非常重要的作用。 利用時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)控制仿真動(dòng)畫(huà) 利用時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn) (TimeSenso)來(lái)驅(qū)動(dòng)連續(xù)的仿真動(dòng)畫(huà)和數(shù)據(jù)刷新。 TimeSensor節(jié)點(diǎn)是一個(gè)時(shí)鐘，它可以隨著時(shí)間的流逝而產(chǎn)生相關(guān)的時(shí)間事件，可以利用這些事件來(lái)控制一些與時(shí)間相關(guān)的行為。 TimeSensor 節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)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(kāi)啟狀態(tài) (enabled=TRUE)，并且時(shí)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(shí)，它就開(kāi)始產(chǎn)生事件，并連續(xù)不斷的輸出 “事件時(shí)間 ”?？梢岳?cycInterval 域來(lái)控制TimeSensor 產(chǎn)生事件的時(shí)間間隔。當(dāng)?shù)搅?stopTime 域指定的時(shí)間， TimeSensor 就會(huì)停止產(chǎn)生事件。當(dāng) TimeSensor 節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生 isActive=TRUE 事件并開(kāi)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(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫(huà)或者仿真行為，在本系統(tǒng)中，利用 TimeSensor 節(jié)點(diǎn)以固定周期驅(qū)動(dòng) Script 節(jié)點(diǎn)中的相關(guān)程序從仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。 利用可見(jiàn)性傳感器控制虛擬場(chǎng)景的刷新 可見(jiàn)性傳感器節(jié)點(diǎn) (VisibilitySensor)用來(lái)探測(cè)在一個(gè)虛擬盒子中的可見(jiàn)性的變化。當(dāng)可見(jiàn)性狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)就產(chǎn)生事件。 VisibilitySensor 節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)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(chǎng)景時(shí)，他有可能在某一時(shí)刻只是集中在虛擬場(chǎng)景的某一個(gè)局部，這時(shí)他的可見(jiàn)視野是有限的。這種情況下，就沒(méi)有必要讓所有的虛擬設(shè)備都實(shí)時(shí)的刷新自己的狀態(tài)，因?yàn)闋顟B(tài)的刷新涉及到與外界數(shù)據(jù)源的 通信，以及對(duì)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(chǎng)景中利用可見(jiàn)性傳感器節(jié)點(diǎn) (VisibilitySensor)來(lái)控制是否啟動(dòng)時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)虛擬設(shè)備可見(jiàn)時(shí)，則啟動(dòng)TimeSensor 節(jié)點(diǎn)來(lái)控制虛擬設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)刷新。 利用觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)感受用戶的動(dòng)作 觸摸傳感器節(jié)點(diǎn) (TouchSensor)提供了一種用戶與 VRML 世界交互的手段?？梢岳盟鼇?lái)感知用戶的鼠標(biāo)在組內(nèi)節(jié)點(diǎn)上的移動(dòng)或者單擊動(dòng)作。在仿真系統(tǒng)中可以在虛擬設(shè)備的組節(jié)點(diǎn)中定義觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)控制系統(tǒng)的開(kāi) 關(guān)量。 TouchSensor 節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)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(gè)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(kāi)鼠標(biāo)鍵后，產(chǎn)生 isActive 事件，返回 FALSE，同時(shí)產(chǎn)生事件touchTime，來(lái)表識(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)的時(shí)間。 利用拖動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備位置的控制 前面的小節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，當(dāng)用戶建立好圖形仿真模型后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其中的設(shè)備圖標(biāo)，在三維虛擬設(shè)備庫(kù)中找到與之相對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備，并根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的各個(gè)虛擬設(shè)備的三維空間位置 [8]，來(lái)生成相應(yīng)的三維虛擬場(chǎng)景。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)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(guò)程中另行定義，但是用戶仍有可能對(duì)于生成的虛擬場(chǎng)景中虛擬設(shè)備的空間位