一種基于Web3D的交互式維修支持系統*

傅 冰 王伯文 楊建華

(海軍工程大學電子工程學院1) 武漢 430033)(海軍駐柳州四三四廠軍事代表室2) 柳州 545005)

1 引言

隨著信息技術的飛速發展和寬帶網的普及,基于網絡的維修支持系統在裝備保障信息化中占有越來越重要的地位。但是當前網絡上的圖形以2D為主,靜態的平面圖片和二維的FLASH動畫無法對裝備的功能、結構等特點進行充分表達。而基于Web 3D技術,遵循IETM技術思想的交互式維修支持系統能夠對裝備維修和技術培訓提供有效的支持,能夠有效提高武器裝備的保障、維修以及訓練的質量,節省經費,產生軍事和經濟的雙重效益。

2 關鍵技術簡介

2.1 IETM技術

在全球范圍信息革命浪潮中,CALS(Continuous Acquisition and Life-cycle Support,持續采辦與全壽命周期支持)被迅速地推向全世界,并成為整個信息化的基礎工程[1]。而作為CALS戰略的重要組成部分,也是裝備保障信息化技術研究和應用熱點之一的IETM,在國外軍事及民用領域都已有廣泛的應用。

IETM旨在通過采用優化的信息編排方式和格式,將使用維護和診斷裝備系統所需的相關信息在電子屏幕上以交互式用戶界面提供給最終用戶[2],從根本上解決采用傳統的技術資料載體和組織模式情況下在技術手冊的分發、使用、維護、更新和保存等環節上的諸多困難,從而有效應對在裝備保障信息海量化條件下迅速、有效獲取有用技術信息支持這個瓶頸問題的挑戰,保證保障力和戰斗力的形成。根據美國國防部統計,由于使用IETM,美軍技術文檔編寫、出版、更改的費用、時間均大大降低,而故障定位的準確率卻提高了35%[3]。

2.2 Web 3D技術

Web 3D標準的研究、定義和推廣,主要是由Web 3D聯盟組織來完成的。但是由于過于龐大的技術體系、不盡如人意的實時渲染效果、使用不夠便捷等原因,其推出的VRM L標準并未成為行業標準。從而市場上存在著眾多的實現方案:Cult 3D 、Java 3D 、Viewpoint、Atmosphere、Shockwave 3D、Pulse 3D等等。這些軟件各具特色,在渲染速度、交互性、造型技術、圖像質量和數據的壓縮與優化上都各有特長。具體見表1。

表1 Web 3D技術的比較

通過表1的比較可以看出:VRML和Java 3D采用編程的方式開發三維作品,因此模型的制作和3D的交互設計都需要通過手工編寫繁瑣的程序文件來實現,這對開發人員是一種挑戰;而像Cult 3D、Viewpoint、Atmoshpere、Shout 3D這幾種的 Web 3D技術則將三維模型構建與交互設計分開進行,這無疑降低了開發的風險與難度,也縮短了開發的周期和成本。尤其是Cult 3D技術,基于Java內核,有很強的交互性和可擴展性。基于以上分析,本論文選擇了Cult 3D作為開發交互式維修支持系統的Web 3D技術。

3 交互式維修支持系統的設計與實現

3.1 系統功能設計

交互式維修支持系統的功能應包含兩個部分:基本功能和3維交互功能。

基本功能包括:

?訪問控制與用戶信息管理:通過用戶權限分級管理和用戶訪問認證實現對用戶訪問的控制,限制非法登陸企圖,捕獲及處理休止狀態;

?信息集成:將符合基礎數據標準的裝備基本技術數據(包括十四類基本信息中的文本、圖片、表格、視頻)、維修記錄及故障庫、三維交互信息按照所需的粒度劃分成基本信息單元,通過基本功能和基本應用的需求通過信息間的鏈接,將所有技術信息集成為一個整體;

?信息的發布:以多種方式、多種渠道提供技術信息,使用戶能夠便捷地獲得所需的技術信息支持;

?信息管理:多所包含的技術信息進行管理(添加、刪除、修改、檢索),同時提供相應的安全機制,確保數據安全、穩定、組織有序。

3維交互功能包括:

?在網絡中通過對3D裝備實體的交互式操作,實現從復雜的設備技術資料中對所操作裝備實體相關技術資料的索引;

?通過Web 3D技術,能夠將裝備拆裝等復雜的裝備維修過程以直觀、交互的形式表現出來,使得裝備維修得到最為直接的技術指導。

3.2 系統實現思路及體系結構

交互式維修支持系統的本系統主體部分采用Browser/Server結構,具體見圖1。主要包含四個部分:瀏覽器、Web服務器、中間件、數據庫服務器。用戶通過瀏覽器上的統一信息服務界面完成用戶與系統的交互,方便地完成信息查詢條件的錄取和數據庫的選擇。Web服務器與用戶瀏覽器之間通過HTTP連接作為數據交互接口,接受用戶的請求,并將激活中間件后獲得響應反饋給瀏覽器。中間件則負責用戶與數據庫服務器之間的信息傳遞,并通過相應的應用服務將數據庫服務器中信息組織起來滿足用戶的需求。數據庫服務器使用了Oracle數據庫保存用戶信息、應用管理信息、實體管理信息、信息管理信息、資源管理信息,負責根據請求組織、調用數據庫。

圖1 交互式維修支持系統的體系結構

3.2.1 信息組織

整個系統的基礎數據層組織如圖2所示,分為系統結構組織、信息結構組織、資源結構組織三個層次來進行組織。在基礎數據層的基礎上再構建基本功能層和應用主題層,滿足IETM應用的需要。

3.2.2 頁面流程設計

系統的頁面流程設計見圖3。

3.3 交互式3D操作的實現

在通過Browser/Server結構完成基本信息系統功能的基礎上,采用Cult 3D技術實現基于網絡的裝備3D實體互操作,并提供展現裝備維修過程的3D資源元素。

圖4 三維模型建模

第一步是使用三維動畫制作軟件(如3D Studio Max)進行三維模型構建和動畫設計(如圖4所示),通過Cult 3D Exporter插件輸出為*.c3d文件。

第二步,使用Cult 3D Designer對三維進行交互功能制作,在Cult 3D Designer中為三維模型加入交互功能與控制模塊。Cult 3D Designer載入*.c3d文件,經過交互式制作完成縮放、旋轉、平移、局部凸現、透視、外部信息鏈接等功能對鼠標、鍵盤相應操作的響應。完成后用戶可以任意移動觀察視角的角度、放大縮小觀察視野、連接外部數據,還可以通過操作鍵盤和鼠標來凸現裝備的局部關鍵部分而隱藏其余部分,觀注裝備的內部結構。通過實時交互操作,用戶在交互的3D環境中完成對裝備的分解和組裝過程。制作完成后將文件輸出成為*.CO文件,以供Web或其他程序使用。

另外需要說明的是外部數據鏈接的實現。由于Cult 3D支持標準的后端系統和數據庫界面,通過對后臺數據庫系統的連接和中間件應用功能的調用,實現對與操作實體相關信息的索引與集成。

3.4 系統運行界面效果

4 結語

通過交互式維修支持系統的開發與應用,在遵循IETM技術思想的交互式維修支持系統采用Web 3D技術,較之傳統的信息支持系統具有以下優勢:

1)通過對裝備的交互式拆裝,能夠使用戶更為直觀地了解裝備結構組成和空間框架,從而更加容易建立起裝備系統的整體概念。

2)實現交互式三維操作實體與相關信息的索引與集成,能夠將相關的應用信息、功能信息、技術信息、經驗信息以更加符合認知習慣的方式整合集成到一起,從而使用戶在裝備維修、培訓中能夠便捷、準確地獲得更為直接的信息支持。

3)通過交互式三維操作能夠使維修/拆裝等步驟類信息的闡述擺脫枯燥的純文字描述方式,而采用文字、圖片和交互式3D文件相結合的方式,效果更為直觀,支持更為直接。

因此基于Web 3D技術,遵循IETM技術思想的交互式維修支持系統能夠對裝備維修和技術培訓提供更為直接的支持,有效提高武器裝備的保障、維修以及培訓的質量,大大節省精力財力成本。可以預見,Web 3D技術將在裝備保障的交互式維修支持方面扮演重要的角色。

[1]宋太亮.裝備保障性工程[M].北京:國防工業出版社,2002

[2]Tri-Service Working Group.MIL-PRF-87269A data base requirements for interactive electronic technical manuals[S].U S;DOD,1995

[3]陳信欽,王衛國.交互式電子技術書冊應用與發展展望[J].現代防御技術,2003,31(1):55～59

[4]李艷,呂川.交互式3D技術在交互式電子技術手冊中的應用研究[J].中國科技信息,2006,24

[5]梁偉杰,常雷,李星新,等.一種基于虛擬維修仿真的交互式電子技術手冊生成方法[J].系統仿真學報,2008(12)