基于VRML的虚拟车床仿真系统

李世丁，黄启昭，薛裕童，蒲 东

（哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

基于VRML的虚拟车床仿真系统

李世丁，黄启昭，薛裕童，蒲 东

（哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

由于网络虚拟现实语言VRML能在网页上建立交互式三维立体虚拟空间，因而可用作虚拟车床仿真系统的建立。文章结合VRML的功能和Java语言在虚拟现实中的应用以及HTML5在建立交互网站中的使用进行了深入的研究，并利用VRML和 Java 技术实现虚拟车床加工过程的动态模拟，同时使用HTML5语言建立交互网站，实现了虚拟实验的趣味性。事实证明，基于VRML的虚拟车床仿真系统是切实可行的。

VRML；Java；HTML5；车床仿真；网络教学

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是20世纪末兴起的一门全新的综合信息技术，也被称之为灵境技术[1]。它不但融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、智能接口技术、网络以及并行处理和高性能计算机系统等多个信息技术分支的最新成果，还涉及数学、物理、地理、美学、气象等学科领域[2]。

VR技术的特点在于，使用计算机生成一个三维立体的虚拟环境，从而使用户获得一种沉浸于虚拟现实环境中的感官体验。从根本上来讲，虚拟现实技术是一种更为先进的计算机与用户的接口技术，这项技术通过同时给用户提供各种自然直观的实时交互感知（诸如视觉、听觉、触觉）的方法，最大限度方便了用户的实际操作，进而减轻了用户的负担并且还提高了整个工作系统的效率。虚拟现实技术的作用根据虚拟现实所应用对象的不同可以表现为不同的形式，例如将某种概念设计升华成可视且可操作的界面物体；可以模拟逼真的现场实时效果；达到对很多复杂环境的廉价模拟训练的目的等等[3]。

从概念上来说，虚拟现实的3个重要特性（简称3I特性）：“Immersion（沉浸感）”“Interaction（交互性）”“Imagination（构想）”可以用来描述任何一个虚拟现实系统[4]。

本文所研究的虚拟现实系统“基于VRML的虚拟车床仿真系统”属于桌面式虚拟现实系统。

2 使用VRML创建车床仿真系统的技术研究

本设计使用虚拟现实模型语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）创建了虚拟车床仿真平台的模型，这种模型语言是计算机科学的前沿技术。

本虚拟车床仿真系统具备的特点有以下几个方面。

2.1 基于Web

基于Web的意思就是要求客户端处理数据的时候只需要浏览器和一些浏览特殊数据格式的插件，在此之外不需要任何其他客户端软件的支持。只要访问特定的网址，分布在任何地方的学生都可以进入这个虚拟环境中学习。本虚拟车床仿真系统是对车床加工零件的一个模拟，学生可在远程的客户端进入虚拟实验环境下进行实验操作。

2.2 三维立体环境

虚拟实验平台是通过计算机建立的三维模拟实验场景平台。在三维实验的场景之中，可以通过不同的视角来观察同一个实验对象。并且用户可以通过事先设置的多个焦点视角直接在这些视角之间作切换。本虚拟车床仿真系统的三维模型采用VRML技术建立，学生可通过浏览器进行相关实验操作，同时可以对实验模型进行任意缩放、旋转，并能够走近、远离实验对象，从各个角度观察。

2.3 车床可视化

本虚拟车床仿真系统可由可视化三维模型代表，学生与虚拟车床间的交互是通过可视化的操作对象来完成的，而这些对象就是对现实车床系统的仿真模拟，操作对象的建立有效地提高了虚拟车床仿真系统的趣味性，可提高机床初学者的兴趣和动手能力。

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2.4 轻松的交互方式

学生和虚拟车床之间可以通过鼠标进行交互，在本虚拟车床仿真系统种学生可以通过对机床面板预设的功能进行相关操作，比如：工件装卡、主轴进给、刀架换刀、模拟加工等。正因此虚拟车床的可用性不言而喻。

2.5 操作安全

可以说完全消除了传统机床在操作过程中的操作安全问题。

3 虚拟场景模型的创建与人机交互

开发的基于VRML的虚拟车床仿真系统的工作方式是：在网络服务器中创建VRML文件，这些VRML文件就是建立的虚拟车床模型。用户可以在远程客户端的浏览器通过Internet访问包含此VRML文件的网络服务器，而创建的每个模型都有自己的行为，都能够响应用户的操作，并完成实时交互。工作方式如图1所示。具体特征如下。

3.1 分布式环境设计及其可扩充性

VRML文件内建了Inline内联节点（它是可以支持多个分布式文件的内联机制）。将一个建立复杂场景的VRML源文件拆解成了几个小程序分别进行设计，然后再运用Inline内联节点将这几个小程序合并，这便可以实现程序设计的分工协作。

3.2 基于客户机/服务器模式的访问方式

服务器的“身份”是中心工作站，它的作用是提供VRML文件（*. wrl文件），而客户端的作用是通过网络来传输VRML文件，最后用户只需要利用本地平台上含有VRML插件的浏览器来运行此程序，便可以在客户端直接生成虚拟实验室的三维场景从而实现在客户端的立体化呈现交互。含有VRML插件的浏览器解释、执行还有运行VRML文件的机制与通过浏览器来运行HTML文件的机制完全一样。因为浏览器是由本地平台直接提供的，所以VRML系统的操作与网络平台无关。

3.3 虚拟实验室对VRML的图形渲染是实时的

虚拟实验室中的人机“可交互性”的实现是因为VRML图形渲染的“实时性”。用户在浏览虚拟实验室VRML文件生成的三维场景之时可以通过鼠标来将场景中的模型任意地移动、旋转和缩放，而且不受任何的限制，实现了对虚拟实验室全面的观察。

3.4 模型与交互

虚拟实验室由一系列按等级排列的场景模型构成，如图2所示。我们通过VRML所创建的虚拟实验室系统已然完全不同于其他系统的二维平面性。VRML三维场景当中造型的各个属性（诸如灯光、方位、质感等等）将随着浏览者的移动而发生改变来实现立体的视觉效果。而声音的三维效果可以通过使用Sound节点对声音的位置、大小、方向等空间性质的设定让其表现出高低各异、远近不同的效果来实现。用户可以在虚拟实验室种漫游，虚拟实验室的显示跟随视点变化。除支持漫游外，还允许用户通过场景图层次中的传感器节点与虚拟实验进行交互。场景等级建立在父子关系上，一个父节点可以有多个子节点。图2中的各个子节点都是一个复杂的几何模型，而且每个几何模型都有对应的时间传感器和插补器以实现其各自的行为，来响应用户的操作。

图2 虚拟实验室VRML场景

3.5 本虚拟实验室平台具有人工智能性

在本实验平台中VRML利用动画插补器节点、时间传感器节点、触摸节点和感知节点等来感知用户、造型间的动态交互，进而依据Script节点中的设定，产生程序规定的反应。这些主要表现了它的智能性。

4 结语

在网上远程教育系统的开发过程之中融入VRML拥有非常多的好处，它既可以增强教学平台的表现力与用户的接受力，还能实现更好地协同工作虚拟环境。随着我国对虚拟现实的不断重视，我国的虚拟现实技术在一些方面取得了初步进展，但是人们的技术还存在着很多理论问题和技术障碍等待攻克，这导致了我们的技术有许多功能没有完善。以我国现阶段虚拟设计的理论和实施方法还需要不断深化。目前的研究只是探索的开始，还需要进行更加细化与深入的研究工作。

[1]汪兴谦.VRML与Java编程实例讲解[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[2]申蔚，曾文琪.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]左治亚，博第.虚拟现实技术[M].魏迎梅，译.2版.北京：电子工业出版社，2005.

[4]冀莉莉，李宝树，孟鑫.基于虚拟现实的输电线路信息管理[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会，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

李世丁（1993— ），男，河南上蔡，本科；研究方向：流体控制。