基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)

李世丁，黃啟昭，薛裕童，蒲 東

（哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)

李世丁，黃啟昭，薛裕童，蒲 東

（哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

由于網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實語言VRML能在網(wǎng)頁上建立交互式三維立體虛擬空間，因而可用作虛擬車床仿真系統(tǒng)的建立。文章結合VRML的功能和Java語言在虛擬現(xiàn)實中的應用以及HTML5在建立交互網(wǎng)站中的使用進行了深入的研究，并利用VRML和 Java 技術實現(xiàn)虛擬車床加工過程的動態(tài)模擬，同時使用HTML5語言建立交互網(wǎng)站，實現(xiàn)了虛擬實驗的趣味性。事實證明，基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)是切實可行的。

VRML；Java；HTML5；車床仿真；網(wǎng)絡教學

1 虛擬現(xiàn)實技術概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是20世紀末興起的一門全新的綜合信息技術，也被稱之為靈境技術[1]。它不但融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、智能接口技術、網(wǎng)絡以及并行處理和高性能計算機系統(tǒng)等多個信息技術分支的最新成果，還涉及數(shù)學、物理、地理、美學、氣象等學科領域[2]。

VR技術的特點在于，使用計算機生成一個三維立體的虛擬環(huán)境，從而使用戶獲得一種沉浸于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的感官體驗。從根本上來講，虛擬現(xiàn)實技術是一種更為先進的計算機與用戶的接口技術，這項技術通過同時給用戶提供各種自然直觀的實時交互感知（諸如視覺、聽覺、觸覺）的方法，最大限度方便了用戶的實際操作，進而減輕了用戶的負擔并且還提高了整個工作系統(tǒng)的效率。虛擬現(xiàn)實技術的作用根據(jù)虛擬現(xiàn)實所應用對象的不同可以表現(xiàn)為不同的形式，例如將某種概念設計升華成可視且可操作的界面物體；可以模擬逼真的現(xiàn)場實時效果；達到對很多復雜環(huán)境的廉價模擬訓練的目的等等[3]。

從概念上來說，虛擬現(xiàn)實的3個重要特性（簡稱3I特性）：“Immersion（沉浸感）”“Interaction（交互性）”“Imagination（構想）”可以用來描述任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[4]。

本文所研究的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)“基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)”屬于桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

2 使用VRML創(chuàng)建車床仿真系統(tǒng)的技術研究

本設計使用虛擬現(xiàn)實模型語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）創(chuàng)建了虛擬車床仿真平臺的模型，這種模型語言是計算機科學的前沿技術。

本虛擬車床仿真系統(tǒng)具備的特點有以下幾個方面。

2.1 基于Web

基于Web的意思就是要求客戶端處理數(shù)據(jù)的時候只需要瀏覽器和一些瀏覽特殊數(shù)據(jù)格式的插件，在此之外不需要任何其他客戶端軟件的支持。只要訪問特定的網(wǎng)址，分布在任何地方的學生都可以進入這個虛擬環(huán)境中學習。本虛擬車床仿真系統(tǒng)是對車床加工零件的一個模擬，學生可在遠程的客戶端進入虛擬實驗環(huán)境下進行實驗操作。

2.2 三維立體環(huán)境

虛擬實驗平臺是通過計算機建立的三維模擬實驗場景平臺。在三維實驗的場景之中，可以通過不同的視角來觀察同一個實驗對象。并且用戶可以通過事先設置的多個焦點視角直接在這些視角之間作切換。本虛擬車床仿真系統(tǒng)的三維模型采用VRML技術建立，學生可通過瀏覽器進行相關實驗操作，同時可以對實驗模型進行任意縮放、旋轉，并能夠走近、遠離實驗對象，從各個角度觀察。

2.3 車床可視化

本虛擬車床仿真系統(tǒng)可由可視化三維模型代表，學生與虛擬車床間的交互是通過可視化的操作對象來完成的，而這些對象就是對現(xiàn)實車床系統(tǒng)的仿真模擬，操作對象的建立有效地提高了虛擬車床仿真系統(tǒng)的趣味性，可提高機床初學者的興趣和動手能力。

建設開放包容的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)名城。在更高起點推進改革開放再出發(fā)，搶先布局“一帶一路”交匯點建設。堅持以我為主高起點接軌上海，高度融入長三角世界級城市群建設與長三角一體化國家戰(zhàn)略，認真謀劃重大規(guī)劃對接、區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新、基礎設施互聯(lián)互通、生態(tài)環(huán)境聯(lián)防聯(lián)控、民生工程共建共享等重點舉措。著力凸顯蘇州在蘇南國家自主創(chuàng)新示范區(qū)的核心位置，強化高點定位和頂層設計，推動實現(xiàn)質的突破。

2.4 輕松的交互方式

學生和虛擬車床之間可以通過鼠標進行交互，在本虛擬車床仿真系統(tǒng)種學生可以通過對機床面板預設的功能進行相關操作，比如：工件裝卡、主軸進給、刀架換刀、模擬加工等。正因此虛擬車床的可用性不言而喻。

2.5 操作安全

可以說完全消除了傳統(tǒng)機床在操作過程中的操作安全問題。

3 虛擬場景模型的創(chuàng)建與人機交互

開發(fā)的基于VRML的虛擬車床仿真系統(tǒng)的工作方式是：在網(wǎng)絡服務器中創(chuàng)建VRML文件，這些VRML文件就是建立的虛擬車床模型。用戶可以在遠程客戶端的瀏覽器通過Internet訪問包含此VRML文件的網(wǎng)絡服務器，而創(chuàng)建的每個模型都有自己的行為，都能夠響應用戶的操作，并完成實時交互。工作方式如圖1所示。具體特征如下。

3.1 分布式環(huán)境設計及其可擴充性

VRML文件內建了Inline內聯(lián)節(jié)點（它是可以支持多個分布式文件的內聯(lián)機制）。將一個建立復雜場景的VRML源文件拆解成了幾個小程序分別進行設計，然后再運用Inline內聯(lián)節(jié)點將這幾個小程序合并，這便可以實現(xiàn)程序設計的分工協(xié)作。

3.2 基于客戶機/服務器模式的訪問方式

服務器的“身份”是中心工作站，它的作用是提供VRML文件（*. wrl文件），而客戶端的作用是通過網(wǎng)絡來傳輸VRML文件，最后用戶只需要利用本地平臺上含有VRML插件的瀏覽器來運行此程序，便可以在客戶端直接生成虛擬實驗室的三維場景從而實現(xiàn)在客戶端的立體化呈現(xiàn)交互。含有VRML插件的瀏覽器解釋、執(zhí)行還有運行VRML文件的機制與通過瀏覽器來運行HTML文件的機制完全一樣。因為瀏覽器是由本地平臺直接提供的，所以VRML系統(tǒng)的操作與網(wǎng)絡平臺無關。

3.3 虛擬實驗室對VRML的圖形渲染是實時的

虛擬實驗室中的人機“可交互性”的實現(xiàn)是因為VRML圖形渲染的“實時性”。用戶在瀏覽虛擬實驗室VRML文件生成的三維場景之時可以通過鼠標來將場景中的模型任意地移動、旋轉和縮放，而且不受任何的限制，實現(xiàn)了對虛擬實驗室全面的觀察。

3.4 模型與交互

虛擬實驗室由一系列按等級排列的場景模型構成，如圖2所示。我們通過VRML所創(chuàng)建的虛擬實驗室系統(tǒng)已然完全不同于其他系統(tǒng)的二維平面性。VRML三維場景當中造型的各個屬性（諸如燈光、方位、質感等等）將隨著瀏覽者的移動而發(fā)生改變來實現(xiàn)立體的視覺效果。而聲音的三維效果可以通過使用Sound節(jié)點對聲音的位置、大小、方向等空間性質的設定讓其表現(xiàn)出高低各異、遠近不同的效果來實現(xiàn)。用戶可以在虛擬實驗室種漫游，虛擬實驗室的顯示跟隨視點變化。除支持漫游外，還允許用戶通過場景圖層次中的傳感器節(jié)點與虛擬實驗進行交互。場景等級建立在父子關系上，一個父節(jié)點可以有多個子節(jié)點。圖2中的各個子節(jié)點都是一個復雜的幾何模型，而且每個幾何模型都有對應的時間傳感器和插補器以實現(xiàn)其各自的行為，來響應用戶的操作。

圖2 虛擬實驗室VRML場景

3.5 本虛擬實驗室平臺具有人工智能性

在本實驗平臺中VRML利用動畫插補器節(jié)點、時間傳感器節(jié)點、觸摸節(jié)點和感知節(jié)點等來感知用戶、造型間的動態(tài)交互，進而依據(jù)Script節(jié)點中的設定，產(chǎn)生程序規(guī)定的反應。這些主要表現(xiàn)了它的智能性。

4 結語

在網(wǎng)上遠程教育系統(tǒng)的開發(fā)過程之中融入VRML擁有非常多的好處，它既可以增強教學平臺的表現(xiàn)力與用戶的接受力，還能實現(xiàn)更好地協(xié)同工作虛擬環(huán)境。隨著我國對虛擬現(xiàn)實的不斷重視，我國的虛擬現(xiàn)實技術在一些方面取得了初步進展，但是人們的技術還存在著很多理論問題和技術障礙等待攻克，這導致了我們的技術有許多功能沒有完善。以我國現(xiàn)階段虛擬設計的理論和實施方法還需要不斷深化。目前的研究只是探索的開始，還需要進行更加細化與深入的研究工作。

[1]汪興謙.VRML與Java編程實例講解[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]左治亞，博第.虛擬現(xiàn)實技術[M].魏迎梅，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]冀莉莉，李寶樹，孟鑫.基于虛擬現(xiàn)實的輸電線路信息管理[C].中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學術年會，2007.

Virtual lathe simulation system based on VRML

Li Shiding, Huang Qizhao, Xue Yutong, Pu Dong
（Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China）

Because the VRML can build Interactive three-dimensional virtual space on Internet, so it can be used to build the virtual lathe simulation system. The article combines VRML’s function, the application in virtual reality of Java and the use of HTML5 in building interactive Website to conduct a deep research, the dynamic simulation of machining process of virtual lathe is realized by using VRML and Java technology, and the HTML5 is used to build interactive Website, which realizes interesting of virtual experiment. Facts proved that the virtual lathe simulation system based on VRML is feasible.

VRML; Java; HTML5; lathe simulation; online education

李世?。?993— ），男，河南上蔡，本科；研究方向：流體控制。