虛擬現實技術在陶瓷窯３Ｄ仿真中的應用

摘要本文闡述了如何將虛擬現實技術應用于陶瓷窯的三維仿真。包括使用CAXA實體設計軟件設計出整個三維模型圖，使用VRML實現陶瓷窯在WEB上的仿真。通過該設計，不但可以非常方便地設計出所需要的陶瓷窯，而且通過在WEB上的三維仿真，客戶還可以更全面地了解所設計的陶瓷窯。

關鍵詞陶瓷窯，CAXA，VRML

隨著市場競爭的日益激烈，生產廠家越來越需要及時、準確且全面地把產品信息傳遞給用戶。如果充分利用計算機技術，使用虛擬現實技術實現陶瓷窯在WEB上的仿真，就可以使用戶通過網絡訪問自己所設計的三維窯爐模型圖并且可以對它進行漫游，從而非常全面地了解所訪問的窯爐的各個方面。

陶瓷窯在WEB上的仿真可以通過以下三個階段來實現：

1使用CAXA來實現陶瓷窯的三維造型

CAXA實體設計具有競爭力的特點是它的設計速度和效率。它不僅將造型、裝配、鈑金、動畫、高級渲染等集成在一個統一、易于掌握的操作環境下，同時由于采用圖素的拖放式操作造型并結合智能捕捉與三維球定位技術，使得其它造型軟件無法在設計效率與速度上與之匹敵。

在CAXA實體設計過程中，可以把整個設計看成是一個大的裝配體，整個裝配體又可以看成是通過定向定位來實現各個子裝配體和零件的調整。這樣整個設計就可以看成由各個零件構成，而在CAXA中零件又可以看成圖素通過不同的定向定位方法來生成。

在CAXA實體設計中，圖素分為兩種：一種是標準智能圖素。另一種是自定義智能圖素。標準智能圖素是CAXA實體設計中最常用、最基本的圖素，經常用來構建基本的形體和機構，可以直接從智能圖素庫中拖出，再用三維球來實現定向定位；自定義智能圖素實際上是由特征造型生成的圖素。當所需的幾何圖素在設計元素庫中找不到時，可以利用CAXA實體設計提供的拉伸、旋轉、掃描和放樣等四種特征造型方法來生成自定義智能圖素，并可擴充設計元素庫。圖1就是通過使用CAXA實體設計技術設計出來的陶瓷窯中高溫帶的三維模型圖。

圖1CAXA實體設計的陶瓷窯高溫帶三維模型圖

2使用VRML實現陶瓷窯的部分裝配和仿真

VRML（Virtual Reality Modeling Language ）是虛擬現實造型語言的縮寫形式，它是描述虛擬環境中場景的一種標準。它定義了三維應用系統中常用的語言描述，如層次變換、光源、視點、幾何、動畫、霧、材料特性和文理映射等，并且具有一定的行為特征描述功能。VRML提供了將三維、二維文字和多媒體集成為一個混合模型的技術。將這些媒體類型、腳本語言以及互聯網的功能結合起來，就可以開發出全新的交互應用。

以下闡述一下使用VRML實現陶瓷窯的部分裝配和仿真的過程。

(1) 三維模型的導入和裝配

用CAXA實體設計建立陶瓷窯各個帶的三維實體模型后，即可通過輸出方式以VRML格式輸出；然后在新生成的文件中，以記事本或者WORD的方式打開，就可以看到原先的模型圖已經生成了VRML程序，最后對該程序進行修改和編輯，就可實現所需功能。

轉換后的陶瓷窯各帶單節窯的位置，都是由相對于原始位置的位移及轉角決定的，因此必須對它們進行重新定位。在VRML中是用Transform節點來實現的，它可以通過改變其段值來改變該坐標系及實體的空間位置和方向。如以下程序代碼所示：

Transform {translation 000

children

DEF yuredaiGroup { children [

······

] }}

在上述程序代碼中，我們把預熱帶單節的整個模型定義為一個Group節點，然后對該節點定位，如上所示。通過該方法可以把整個陶瓷窯各帶的單節窯爐進行裝配。同時因為同一個帶的窯爐情況相同，且為了減小文件的大小，可以采用DEF/USE來重用場景以避免進行重復的設計工作。如：

Transform {translation 002.1

childrenUSEyuredai

}

當整個陶瓷窯裝配完成后，就可以對它進行仿真了。

(2) 基于VRML的陶瓷窯仿真

VRML增加了交互性及對動畫和行為的描述，這些功能使我們能夠實現動態仿真及交互。一般用時間傳感器、動作傳感器、腳本節點和各種插值節點配合使用來完成動畫效果。

時間傳感器（TimeSensor）節點的作用象一個時鐘，它可以被用來執行開始、停止或者其他控制動畫的動作，隨著時間的推移，這個傳感器就會產生事件來表示時間的變化。通過將這些事件從TimeSensor節點的EventOut路由到其它節點，當TimeSensor節點的時鐘開始計時，就可以使這些節點發生相應的變化。

動作傳感器使用交互設備來感知觀察者的動作。當觀察者點擊到附帶有感知器的造型時，感知器就輸出一個事件，這個事件就被路由到其它節點來開始一個動畫。動作傳感器用來感受瀏覽者來自虛擬世界的動作，并將這些動作轉換成適于空間造型的輸出，使瀏覽者感覺像是在一個真實的世界里觀察一樣。

腳本（Script）節點提供了一種更為復雜的交互方法，Script節點可以用來完成許多任務。

在本設計中，需要實現的功能就是通過接觸傳感器來點擊需要實現的漫游按鈕，然后輸出一個事件到時間傳感器。時間傳感器再根據時間的變化，把這些時間路由到其它節點，使這些節點發生相應的變化。其中陶瓷窯的變化主要是通過PositionInterpolator、OrientationInterpolator兩個插值節點來實現的。

以下程序代碼就是該仿真的路由過程。其中Clicker1、Clicker2是兩個不同的接觸傳感器；TimeSource1、TimeSource2是兩個不同的時間傳感器；GuidePI、GuideRI分別是兩個不同的插值節點；Xform是實現仿真動作的節點。

ROUTE Clicker1.touchTime TO TimeSource1.startTime

ROUTE Clicker2.touchTime TO TimeSource2.startTime

ROUTE TimeSource1.fraction_changed TO GuidePI.set_fraction

ROUTE TimeSource2.fraction_changed TO GuideRI.set_fraction

ROUTE GuidePI.value_changed TO XForm.translation

ROUTE GuideRI.value_changed TO XForm.rotation

為了得到更好的仿真效果，對背景節點和視點節點做了一定的修改，如：背景節點全部采用藍色作為背景，這樣可以增加視覺效果；視點節點設置了三個不同的方向，這樣有利于在不同的方向上觀察陶瓷窯仿真。

圖2是在視點2的模式下所看到的陶瓷窯模型圖，可以通過點擊上面的字，實現不同的仿真效果。

圖2視點2模式下的陶瓷窯模型圖

3實現陶瓷窯動態仿真在WEB上的發布

VRML的訪問方式可以使用基于客戶/服務器模式。其中服務器提供VRML文件及支持資源(圖像、視頻、聲音等)；客戶端通過網絡下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式地訪問該文件描述的虛擬環境。由于瀏覽器是本地平臺提供的，從而實現了平臺無關性。

服務器端可以通過＜ＦＲＡＭＥ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞在整個網頁中顯示模型，也可以通過＜ＥＭＢＥＤ ＳＲＣ＝“ｘｘｘ．ｗ ｒ１”＞將模型嵌入至網頁中，再將其發布到WEB服務器上。

客戶端須安裝VRML的插件如:CORTONA，MicrosoftVRML 2.0 Viewer，Cosmo Player等，然后在程序中使用URL。URL（Uniform Resource Locator）指明了一個文件所位于的服務器和讀取協議（如：HTTP），小寫的“url”在VRML中指向域值可能包含URL或在線的編碼數據。

參考文獻

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