三維結(jié)構(gòu)CAD圖形與虛擬現(xiàn)實文件的轉(zhuǎn)換

劉尚蔚，張樹珺

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3.南陽理工學(xué)院，河南 南陽473004)

虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)［1］是通過創(chuàng)建虛擬場景以達(dá)到逼近現(xiàn)實的效果，將Internet變成了一個廣闊的三維空間.探討基于VRML的虛擬現(xiàn)實語言標(biāo)準(zhǔn)將鋼結(jié)構(gòu)CAD圖形直接轉(zhuǎn)換為文本文件，使得復(fù)雜的三維圖形以抽象的符號信息在VRML環(huán)境下表現(xiàn)出來具有現(xiàn)實意義.

1 VRML概述

1.1 定義及特征

1)平臺環(huán)境無關(guān).VRML只作為顯示系統(tǒng)的通用性基礎(chǔ)構(gòu)架，可同時作為系統(tǒng)分析和設(shè)計的工具，與具體實現(xiàn)的軟件和硬件環(huán)境無關(guān).

2)C/S方式.訪問方式基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式，服務(wù)器提供VRML文件.VRML用戶通過網(wǎng)絡(luò)將VRML文件及其引用的資源下載到本地機(jī)來訪問虛擬場景，實現(xiàn)了VRML的平臺無關(guān)性.VRML把虛擬世界看作場景，而場景中的對象看作節(jié)點，節(jié)點的集合構(gòu)成了擴(kuò)展名為wrl的文件.

VRML的主要目的是在網(wǎng)頁中實現(xiàn)三維動畫效果以及用戶交互，是一種ASCII語言，改善了原來HTML 單調(diào)、交互性差的缺點［1－4］.

1.2 體系結(jié)構(gòu)

1.2.1 VRML文件擴(kuò)展名及文件頭

VRML文件由文本編輯器編寫，其擴(kuò)展名為wrl或wrz，以wrl應(yīng)用較多.文件頭的語法格式如下:

#VRML V2.0 utf8

該文本行必須位于第一行，語法形式固定.其文件頭包括3個部分:VRML說明該文件是一個VRML文件;V2.0表明文件遵循 VRML2.0版本;utf8表示該VRML文件是國際utf8字符集的文件.

1.2.2 原型、造型、路由和腳本

1)原型.節(jié)點對其中的域、入事件和出事件的聲明，用戶可以通過原型擴(kuò)充VRML節(jié)點類型.

2)造型.物體的造型即是場景，場景由表述對象及其屬性的節(jié)點組成.第一類節(jié)點表述視覺和聽覺對象，另一類節(jié)點參考事件和路由機(jī)制.

3)路由.產(chǎn)生事件和接受事件的節(jié)點之間的通道.路由不是節(jié)點.

4)腳本.用于定義復(fù)雜的事件，可以包含利用腳本描述語言編寫的函數(shù).還可以動態(tài)地增加或刪除路由.

1.2.3 事件體系

VRML的交互和動態(tài)性能通過事件體系實現(xiàn)，事件為節(jié)點提供了接受外界消息和向其他節(jié)點發(fā)送消息的能力.節(jié)點通過事件入口接收事件，通過事件出口發(fā)送事件.

圖1 場景圖事件體系的概念執(zhí)行模型

1.2.4 基本內(nèi)容和節(jié)點分類

根據(jù)作用不同，VRML2.0分為以下幾種節(jié)點.

1)形態(tài)和幾何節(jié)點.通過這些節(jié)點可以構(gòu)造出原始物體造型.如Box(方盒)，Cone(圓錐)，Cylinder(圓柱)等.

2)幾何屬性節(jié)點.如Color(顏色)，Normal(法向量)，Coordinate(坐標(biāo))，Position(位置)，這些幾何節(jié)點的屬性節(jié)點相對獨立.

3)外觀節(jié)點.如 Material(材質(zhì))，ImageTexture(圖像紋理)，TextureTransform(紋理變換).

4)組節(jié)點.組節(jié)點由一個域可以包含多個子節(jié)點，每一個組節(jié)點為它的子節(jié)點定義了空間坐標(biāo).如Group(組)，Transform(變換)，Switch(開關(guān)).

5)其他節(jié)點的子節(jié)點.如Sound(聲音)，Shape(形態(tài))，F(xiàn)og(霧)，LOD(細(xì)節(jié)層次).

6)非子節(jié)點.如 Appearance(外觀)，Text(文本)等.

以下6種節(jié)點在三維CAD圖形轉(zhuǎn)化為VRML文件時經(jīng)常使用，需要格外關(guān)注.

1)Viewpoint.通過該節(jié)點，瀏覽者可以很容易地在虛擬空間中實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送.

2)Transform.組節(jié)點Transform為子節(jié)點提供了相對于自身的局部坐標(biāo)系變換后的新坐標(biāo)系，其參數(shù)在其自身的局部坐標(biāo)系中定義，并不受自身坐標(biāo)系變換的影響.

3)Group.節(jié)點Group是所有節(jié)點中最基本的，也是應(yīng)用非常廣泛的一個節(jié)點.它沒有坐標(biāo)變換，這一點與一般的組節(jié)點稍有不同.在很多情況下都用于管理節(jié)點層次.

4)Indexedfaceset.節(jié)點 Indexedfaceset是用來在虛擬空間中構(gòu)造幾何面的，因為任何一個形體從理論上說都是有很多個面構(gòu)成的，利用Indexedfaceset節(jié)點就可以構(gòu)造出虛擬空間的任何幾何造型，可稱為萬能節(jié)點.

5)Imagetexture.在虛擬現(xiàn)實中，每個實體也要有自己的紋理.雖然通過Material節(jié)點也可以控制造型的外觀材質(zhì)，但其只是宏觀效果，一些細(xì)節(jié)效果還是通過紋理來實現(xiàn).

6)Scene Graph.該節(jié)點按照一定的規(guī)則構(gòu)成場景圖(Scene Graph).

2 AutoCAD數(shù)據(jù)接口文件DXF和VRML文件的轉(zhuǎn)換

利用AutoCAD可生成DXF文件的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，應(yīng)用高級編程語言把DXF文件里的實體信息提取出來，按照VRML文件格式進(jìn)行重新組合，以達(dá)到提高建模效率、減少數(shù)據(jù)冗余的目的.

AutoCAD為用戶提供了幾種文件格式，它們分別以 DWG，DXF，BMP，DWT 等為后綴.AutoCAD 軟件支持ASCII文本格式和二進(jìn)制格式的DXF文件，DXF文件主要用于與其他CAD系統(tǒng)及用戶應(yīng)用程序間的圖形信息交換.典型的DXF文件由標(biāo)題節(jié)(HEADER)、類節(jié)(CLASSES)、表節(jié)(TABLES)、塊節(jié)(BLOCKS)、實體節(jié)(ENTITIES)、對象節(jié)(OBJECTS)組成.表1給出了DXF文件的組成.表2表示了ENTITIES節(jié)中常用組碼的含義.

表1 DXF文件組成

DXF轉(zhuǎn)換VRML工作流程如圖2所示.

對于三維CAD圖形的DXF文件，有些文件格式是不可讀的偽編碼，需要根據(jù)CAD圖形先求出三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系(角點、邊、環(huán)、面、體)，再轉(zhuǎn)換為VRML的面結(jié)構(gòu)形式，可參閱相關(guān)文件.

圖3展現(xiàn)了某大型體育展館屋頂?shù)腣RML模型，它是根據(jù)CAD三維圖形的DXF輸出文件，利用Auspic DDD軟件轉(zhuǎn)換成VRML文件所展現(xiàn)的結(jié)果.

表2 ENTITIES節(jié)中常用組碼

3 結(jié)語

在掌握VRML和DXF文件格式的基礎(chǔ)上，根據(jù)二者皆是以文本為存儲格式的情況，將CAD圖形向VRML文件轉(zhuǎn)化，達(dá)到了無縫轉(zhuǎn)換的目的，為工程圖的相互轉(zhuǎn)化提供了一種實用、有效的工具和方法.

［1］魏群.數(shù)字城市可視化仿真三維實體建模及虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)［C］//第2屆中國國際數(shù)字城市建設(shè)會議論文.蘇州:2006.

［2］魏群，彭成山，姜華，等.鋼桁梁架設(shè)過程仿真技術(shù)研究［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究所，2008.

［3］魏群.邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應(yīng)用［C］//新世紀(jì)水利工程科技前沿.天津:天津大學(xué)出版社，2005.

［4］魏群.CIS/2鋼結(jié)構(gòu)國際標(biāo)準(zhǔn)及CAD系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用［C］//第二屆中國國際鋼結(jié)構(gòu)大會論文集.北京:出版社不祥，2005.