一種基于Web3D的交互式維修支持系統(tǒng)*

傅 冰 王伯文 楊建華

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)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(shù)的飛速發(fā)展和寬帶網(wǎng)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)的維修支持系統(tǒng)在裝備保障信息化中占有越來越重要的地位。但是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上的圖形以2D為主,靜態(tài)的平面圖片和二維的FLASH動畫無法對裝備的功能、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)進(jìn)行充分表達(dá)。而基于Web 3D技術(shù),遵循IETM技術(shù)思想的交互式維修支持系統(tǒng)能夠?qū)ρb備維修和技術(shù)培訓(xùn)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(xùn)練的質(zhì)量,節(jié)省經(jīng)費(fèi),產(chǎn)生軍事和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

2 關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1 IETM技術(shù)

在全球范圍信息革命浪潮中,CALS(Continuous Acquisition and Life-cycle Support,持續(xù)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(chǔ)工程[1]。而作為CALS戰(zhàn)略的重要組成部分,也是裝備保障信息化技術(shù)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)之一的IETM,在國外軍事及民用領(lǐng)域都已有廣泛的應(yīng)用。

IETM旨在通過采用優(yōu)化的信息編排方式和格式,將使用維護(hù)和診斷裝備系統(tǒng)所需的相關(guān)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(tǒng)的技術(shù)資料載體和組織模式情況下在技術(shù)手冊的分發(fā)、使用、維護(hù)、更新和保存等環(huán)節(jié)上的諸多困難,從而有效應(yīng)對在裝備保障信息海量化條件下迅速、有效獲取有用技術(shù)信息支持這個瓶頸問題的挑戰(zhàn),保證保障力和戰(zhàn)斗力的形成。根據(jù)美國國防部統(tǒng)計,由于使用IETM,美軍技術(shù)文檔編寫、出版、更改的費(fèi)用、時間均大大降低,而故障定位的準(zhǔn)確率卻提高了35%[3]。

2.2 Web 3D技術(shù)

Web 3D標(biāo)準(zhǔn)的研究、定義和推廣,主要是由Web 3D聯(lián)盟組織來完成的。但是由于過于龐大的技術(shù)體系、不盡如人意的實(shí)時渲染效果、使用不夠便捷等原因,其推出的VRM L標(biāo)準(zhǔn)并未成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從而市場上存在著眾多的實(shí)現(xiàn)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(shù)、圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)的壓縮與優(yōu)化上都各有特長。具體見表1。

表1 Web 3D技術(shù)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(fā)三維作品,因此模型的制作和3D的交互設(shè)計都需要通過手工編寫繁瑣的程序文件來實(shí)現(xiàn),這對開發(fā)人員是一種挑戰(zhàn);而像Cult 3D、Viewpoint、Atmoshpere、Shout 3D這幾種的 Web 3D技術(shù)則將三維模型構(gòu)建與交互設(shè)計分開進(jìn)行,這無疑降低了開發(fā)的風(fēng)險與難度,也縮短了開發(fā)的周期和成本。尤其是Cult 3D技術(shù),基于Java內(nèi)核,有很強(qiáng)的交互性和可擴(kuò)展性?；谝陨戏治?本論文選擇了Cult 3D作為開發(fā)交互式維修支持系統(tǒng)的Web 3D技術(shù)。

3 交互式維修支持系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

交互式維修支持系統(tǒng)的功能應(yīng)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(quán)限分級管理和用戶訪問認(rèn)證實(shí)現(xiàn)對用戶訪問的控制,限制非法登陸企圖,捕獲及處理休止?fàn)顟B(tài);

?信息集成:將符合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的裝備基本技術(shù)數(shù)據(jù)(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(yīng)用的需求通過信息間的鏈接,將所有技術(shù)信息集成為一個整體;

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

?信息管理:多所包含的技術(shù)信息進(jìn)行管理(添加、刪除、修改、檢索),同時提供相應(yīng)的安全機(jī)制,確保數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、組織有序。

3維交互功能包括:

?在網(wǎng)絡(luò)中通過對3D裝備實(shí)體的交互式操作,實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜的設(shè)備技術(shù)資料中對所操作裝備實(shí)體相關(guān)技術(shù)資料的索引;

?通過Web 3D技術(shù),能夠?qū)⒀b備拆裝等復(fù)雜的裝備維修過程以直觀、交互的形式表現(xiàn)出來,使得裝備維修得到最為直接的技術(shù)指導(dǎo)。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路及體系結(jié)構(gòu)

交互式維修支持系統(tǒng)的本系統(tǒng)主體部分采用Browser/Server結(jié)構(gòu),具體見圖1。主要包含四個部分:瀏覽器、Web服務(wù)器、中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用戶通過瀏覽器上的統(tǒng)一信息服務(wù)界面完成用戶與系統(tǒng)的交互,方便地完成信息查詢條件的錄取和數(shù)據(jù)庫的選擇。Web服務(wù)器與用戶瀏覽器之間通過HTTP連接作為數(shù)據(jù)交互接口,接受用戶的請求,并將激活中間件后獲得響應(yīng)反饋給瀏覽器。中間件則負(fù)責(zé)用戶與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的信息傳遞,并通過相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中信息組織起來滿足用戶的需求。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用了Oracle數(shù)據(jù)庫保存用戶信息、應(yīng)用管理信息、實(shí)體管理信息、信息管理信息、資源管理信息,負(fù)責(zé)根據(jù)請求組織、調(diào)用數(shù)據(jù)庫。

圖1 交互式維修支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3.2.1 信息組織

整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層組織如圖2所示,分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織、信息結(jié)構(gòu)組織、資源結(jié)構(gòu)組織三個層次來進(jìn)行組織。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上再構(gòu)建基本功能層和應(yīng)用主題層,滿足IETM應(yīng)用的需要。

3.2.2 頁面流程設(shè)計

系統(tǒng)的頁面流程設(shè)計見圖3。

3.3 交互式3D操作的實(shí)現(xiàn)

在通過Browser/Server結(jié)構(gòu)完成基本信息系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,采用Cult 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的裝備3D實(shí)體互操作,并提供展現(xiàn)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(jìn)行三維模型構(gòu)建和動畫設(shè)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(jìn)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(jīng)過交互式制作完成縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、局部凸現(xiàn)、透視、外部信息鏈接等功能對鼠標(biāo)、鍵盤相應(yīng)操作的響應(yīng)。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(shù)據(jù),還可以通過操作鍵盤和鼠標(biāo)來凸現(xiàn)裝備的局部關(guān)鍵部分而隱藏其余部分,觀注裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過實(shí)時交互操作,用戶在交互的3D環(huán)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(shù)據(jù)鏈接的實(shí)現(xiàn)。由于Cult 3D支持標(biāo)準(zhǔn)的后端系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫界面,通過對后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的連接和中間件應(yīng)用功能的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對與操作實(shí)體相關(guān)信息的索引與集成。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行界面效果

4 結(jié)語

通過交互式維修支持系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用,在遵循IETM技術(shù)思想的交互式維修支持系統(tǒng)采用Web 3D技術(shù),較之傳統(tǒng)的信息支持系統(tǒng)具有以下優(yōu)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(jié)構(gòu)組成和空間框架,從而更加容易建立起裝備系統(tǒng)的整體概念。

2)實(shí)現(xiàn)交互式三維操作實(shí)體與相關(guān)信息的索引與集成,能夠?qū)⑾嚓P(guān)的應(yīng)用信息、功能信息、技術(shù)信息、經(jīng)驗(yàn)信息以更加符合認(rèn)知習(xí)慣的方式整合集成到一起,從而使用戶在裝備維修、培訓(xùn)中能夠便捷、準(zhǔn)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(jié)合的方式,效果更為直觀,支持更為直接。

因此基于Web 3D技術(shù),遵循IETM技術(shù)思想的交互式維修支持系統(tǒng)能夠?qū)ρb備維修和技術(shù)培訓(xùn)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(xùn)的質(zhì)量,大大節(jié)省精力財力成本?？梢灶A(yù)見,Web 3D技術(shù)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(yè)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(wèi)國.交互式電子技術(shù)書冊應(yīng)用與發(fā)展展望[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2003,31(1):55～59

[4]李艷,呂川.交互式3D技術(shù)在交互式電子技術(shù)手冊中的應(yīng)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(shù)手冊生成方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008(12)