基于智能手機的工程圖學虛擬模型庫的研究與實現(xiàn)

邱龍輝， 楚電明， 葉 琳

（青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061）

21世紀初，全新的輔助教學工具——基于VRML的虛擬模型庫在工程圖學輔助教學中得到了應(yīng)用[1-5]。虛擬模型庫因其三維模型造型逼真、控制靈活而在教學中起到了一定的作用。但是，已開發(fā)的虛擬模型庫都是基于PC平臺開發(fā)的，而由于PC平臺的在便攜性方面的限制，使得虛擬模型庫的應(yīng)用也受到了極大的限制。手持移動設(shè)備的出現(xiàn)，為解除這種束縛提供了條件，該類設(shè)備最重要的屬性即是其便攜性，而且隨著硬件水平的不斷提高，運行平臺的實用性也日益增強，現(xiàn)在越來越多的各種有便攜需求的移動應(yīng)用在移動設(shè)備平臺上得以實施?，F(xiàn)在隨著基于嵌入式系統(tǒng)的手持移動設(shè)備——智能手機的普及，為虛擬模型庫的靈活使用提供了可能。為此，在做了許多的研究和探索工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于智能手機 Windows Mobile——VRML平臺的工程圖學移動虛擬模型庫系統(tǒng)，移動虛擬模型的特點在于沒有了使用平臺的限制，提高了虛擬模型庫的實用性，虛擬模型隨身移動，方便學習瀏覽使用，成功的拓展了虛擬模型庫的使用空間和時間，為進一步優(yōu)化輔助教學環(huán)境提供了有效途徑。

1 移動虛擬模型庫系統(tǒng)及開發(fā)運行平臺

移動虛擬模型庫系統(tǒng)的設(shè)計目標為：設(shè)計實現(xiàn)一個便攜的、可移動使用的、可以利用已有VRML虛擬模型的三維模型瀏覽管理系統(tǒng)，為學生學習制圖課程提供更方便的輔助學習工具。

移動虛擬模型庫系統(tǒng)的組成如圖1所示。系統(tǒng)包含兩部分：VRML模型3D瀏覽器和模型文件管理器。在移動設(shè)備的應(yīng)用軟件中目前沒有可用的VRML模型的3D瀏覽器，系統(tǒng)需要完成一個VRML瀏覽器的設(shè)計，來實現(xiàn)模型VRML文件的讀入、解析和顯示輸出；模型文件管理器完成模型文件庫中文件的添加與刪除、列表的生成、文件的選擇等功能。

移動虛擬模型庫的開發(fā)要首先選定開發(fā)運行平臺。目前，移動設(shè)備的系統(tǒng)平臺主要包括Windows Mobile、Android、iOS等，其中iOS僅用于蘋果的iPhone；Android系統(tǒng)是Google基于Linux開發(fā)的開源系統(tǒng)，2010年以來推廣速度較快；Windows Mobile是微軟公司為手持設(shè)備推出的“移動版Windows”，與PC版Windows有較好的文檔共享性。移動虛擬模型庫系統(tǒng)的開發(fā)運行平臺決定先從Windows Mobile系統(tǒng)入手，后續(xù)再開發(fā)其它系統(tǒng)的應(yīng)用。移動虛擬模型庫系統(tǒng)及開發(fā)運行平臺模塊間的相互關(guān)系如圖2所示。在Windows Mobile系統(tǒng)中開發(fā)VRML瀏覽器，需要用到Direct3D Mobile，Direct3D Mobile是微軟設(shè)計的3D圖形API，專門用于安裝了Windows Mobile系統(tǒng)的移動和嵌入式設(shè)備。

圖1 移動虛擬模型庫系統(tǒng)

圖2 模型庫系統(tǒng)及開發(fā)運行平臺模塊間的相互關(guān)系

2 Direct3D Mobile中Mesh類的圖元繪制方式及數(shù)據(jù)需求

Direct3D Mobile提供了Mesh類[6]，綜合管理了圖元對象數(shù)據(jù)和繪圖方法，當一個場景中的網(wǎng)格非常多、模型較復雜時，將這些圖元用網(wǎng)格對象來表示，在 Device 設(shè)備中根據(jù)需要來繪制網(wǎng)格對象，將有效提高程序運行效率。因此，系統(tǒng)決定采用Direct3D Mobile的Mesh類實現(xiàn)立體繪制。

Mesh是Direct3D Mobile提供的操作網(wǎng)格對象的類，使用索引方式繪制圖元。在 Direct3D Mobile中Mesh類主要提供了兩種基本方法在場景中創(chuàng)建網(wǎng)格：使用Mesh構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建和使用形狀創(chuàng)建。其中形狀創(chuàng)建功能只能建立長方體、圓柱體等基本體。Mesh 構(gòu)造函數(shù)是通過定義Mesh對象的頂點緩沖 VertexBuffer 對象和索引緩沖對象 IndexBuffer、設(shè)置 Mesh的屬性AttributeRange來構(gòu)造圖元對象。然后通過一定的方法建立圖元頂點數(shù)據(jù)和索引數(shù)據(jù)，并使用VertexBuffer和IndexBuffer的SetData()方法將頂點數(shù)據(jù)置于VertexBuffer和IndexBuffer對象中。最后通過Mesh對象的DrawSubset()方法來繪制圖元。

Mesh類的數(shù)據(jù)需求主要是用于建立VexterBuffer和 IndexBuffer對象。其一是用于Mesh的構(gòu)造函數(shù)定義VexterBuffer和IndexBuffer類的實例。分析Mesh構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)，在定義兩個緩沖實例時需要與模型數(shù)據(jù)有關(guān)的如下參數(shù)：模型的平面數(shù)量（numFaces）、模型的頂點數(shù)量（numVertices）。

其二是用于設(shè)置VexterBuffer和IndexBuffer對象的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與VexterBuffer的頂點格式有關(guān)，不同的頂點格式需要的坐標數(shù)據(jù)不同。由于系統(tǒng)要實現(xiàn)模型的燈光效果，所以模型必須包含法線數(shù)據(jù)。因此 VexterBuffer的頂點格式（vertexFormat）必須定義為。PositionNormal需要如下數(shù)據(jù)：頂點的坐標數(shù)據(jù)（x,y,z），頂點的法線數(shù)據(jù)（Nx,Ny,Nz）。由此可知完成Mesh類的實例，還需要頂點的坐標數(shù)據(jù)，頂點的法線數(shù)據(jù)和面片的索引數(shù)據(jù)。

3 虛擬模型 VRML文件的數(shù)據(jù)格式分析

系統(tǒng)的3D瀏覽器需要從VRML文件中讀取有用的數(shù)據(jù)，盡可能放棄目前對系統(tǒng)運行速度有影響的數(shù)據(jù)。下面對 VRML文件數(shù)據(jù)格式作簡要分析。

圖3 VRML文件解析邏輯

工程圖學虛擬模型文件中的模型數(shù)據(jù)都是使用 VRML97標準中的 IndexFaceSet節(jié)點描述的[7]。在IndexedFaceSet節(jié)點中包含4個重要的域：coord、normal、coordIndex、normalIndex。其中 coord域值為一個Coordinate節(jié)點，Coordinate節(jié)點中使用包含MFVec3f域值的point域描述坐標點列表，形如“x y z，”，z后的逗號為不同三維矢量的分隔符，最后一個域值后的“]”為point域的結(jié)束符。normal域值是一個Normal節(jié)點，其包含的vector域的域值形式與point相同，用于表示一個面片的法線列表。coordIndex域用于描述面片頂點的坐標點索引，使用MFInt32類型的域值，形如“P1, P2, P3, -1”，其中“-1”表示當前面片頂點索引的結(jié)尾。normalIndex域用于描述面片頂點的法線索引，使用MFInt32類型的域值，形如“N1, N2, N3, -1”，其中“-1”表示當前面片法線索引的結(jié)尾。各個域中，域值的數(shù)量由模型的形狀決定，一般情況下，coordIndex和normalIndex中域值的數(shù)量相同，各為p個。

4 VRML文件IndexFaceSet節(jié)點的文件解析

根據(jù)第2節(jié)中的分析，完成Mesh定義需要的數(shù)據(jù)包括：模型的平面數(shù)量（numFaces）、模型的頂點數(shù)量（numVertices）、頂點的坐標數(shù)據(jù)（x,y,z）、頂點的法線數(shù)據(jù)（Nx, Ny, Nz）、面片的索引數(shù)據(jù)。

由第 3節(jié)中分析，VRML中的數(shù)據(jù)格式與Mesh需要的格式不同，因此VRML中IndexFaceSet節(jié)點不能夠直接讀入并存儲進 VexterBuffer，應(yīng)根據(jù)需要經(jīng)過文件解析。通過文件解析，系統(tǒng)的VRML模型3D瀏覽器將主要讀取第3節(jié)中所述的IndexFaceSet節(jié)點中的4個域的值數(shù)據(jù)。

VRML文件解析邏輯如圖3所示。使用Mesh類構(gòu)造函數(shù)建立網(wǎng)格需要用到模型的平面數(shù)量和頂點數(shù)量，而 VRML文件中沒有此類數(shù)據(jù)，因此文件解析首先要完成 VRML中IndexedFaceSet類中coord域、coordIndex域中該值的統(tǒng)計。另外，還應(yīng)完成normal域中法線數(shù)量的統(tǒng)計，方便后續(xù)法線數(shù)據(jù)的解析。

使用構(gòu)造函數(shù)完成Mesh類的實例定義后，需設(shè)置Mesh類的頂點緩沖（VertexBuffer）數(shù)據(jù)，此處應(yīng)建立PositionNormal格式的坐標數(shù)組，即數(shù)組中需要頂點的坐標數(shù)據(jù)（x,y,z）和對應(yīng)的法線數(shù)據(jù)（Nx,Ny,Nz），而在VRML中頂點的坐標數(shù)據(jù)和法線數(shù)據(jù)是通過坐標索引和法線索引實現(xiàn)一一對應(yīng)的，因此文件解析隨后要完成 coord域、coordIndex域、normal域、normalIndex域中值數(shù)據(jù)的讀取，然后利用索引對應(yīng)關(guān)系，將相關(guān)的坐標和法線數(shù)據(jù)存入PositionNormal數(shù)組，并生成對應(yīng)的索引數(shù)組。

圖4 仿真器運行

5 實現(xiàn)實例

圖4是系統(tǒng)在設(shè)備仿真器中的運行效果，仿真器系統(tǒng)為Windows Mobile 5.0。圖5是系統(tǒng)在實際設(shè)備中的運行效果，設(shè)備為O2 Flame智能手機，CPU主頻520MHz，運行內(nèi)存128MB，屏幕分辨率480×640，操作系統(tǒng)為Windows Mobile 5.0。

圖5 智能手機運行

6 結(jié) 束 語

本文設(shè)計的“工程圖學移動虛擬模型庫”，基于智能手機Windows Mobile操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動虛擬模型庫系統(tǒng)的設(shè)計，虛擬模型隨身移動，方便學習瀏覽使用，成功的拓展了虛擬模型庫的使用空間和時間，為進一步優(yōu)化輔助教學環(huán)境提供了有效途徑，也為其它虛擬模型的移動應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

[1]葉 琳. 機械制圖虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)模型室的建立[J].工程圖學學報, 2002, 23(3): 202-206.

[2]王和順, 汪 勇, 徐 宏. 基于 VRML的網(wǎng)絡(luò)虛擬模型庫創(chuàng)建的研究[J]. 機械與電子, 2003, (6):67-68.

[3]陳雪菱, 李 麗, 王興建. VRML在工程圖學虛擬模型庫中的應(yīng)用研究[J]. 成都理工大學學報(自然科學版), 2005, 32(4): 407-409.

[4]馮桂珍, 池建斌, 王大鳴, 等. 基于 Web的機械制圖虛擬模型庫的構(gòu)建[J]. 工程圖學學報, 2008, 29(6):149-153.

[5]張愛蓮, 趙建軍. 基于VRML的工程圖學教學虛擬模型室的研究及實現(xiàn)[J]. 裝備制造技術(shù), 2008, (12):9-11.

[6]Microsoft. Microsoft.WindowsMobile.DirectX.Direct3D命名空間[EB/OL], http://msdn.microsoft.com.

[7]ISO/IEC 14772-1:1997，The Virtual Reality Modeling Language (VRML)—— Part 1: Functional specification and UTF-8 encoding [S].