基于VRML及JavaScript的氣墊導(dǎo)軌上交互式三維虛擬實(shí)驗(yàn)

吳 迪，吳億維，劉 軍，徐 朋，王彥春，李學(xué)慧

（1．大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116622；2．東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819）

1 引 言

目前許多學(xué)校設(shè)立了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站，學(xué)生可以利用業(yè)余時(shí)間登陸網(wǎng)站學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、操作．但問題是目前的網(wǎng)站多半是文字?jǐn)⑹黾由蟽x器圖片展示，或有動(dòng)畫描述實(shí)驗(yàn)過程，而這一過程也是事先由程序編制者設(shè)定好的，只能按照一定的路線執(zhí)行，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)．

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）是計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)．虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，用戶可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)入這個(gè)環(huán)境并能操縱系統(tǒng)中的對(duì)象并與之交互［1－3］．VRML是第二代 Web上的關(guān)鍵技術(shù)，是一種三維場(chǎng)景的描述性語(yǔ)言，也是在Internet網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)［4－8］．在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)，就可以在Web上實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景瀏覽功能，克服了一般三維模擬軟件的缺點(diǎn)．因而采用VRML開發(fā)三維虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)是解決這些問題的一種較好的方法［9－11］．首先虛擬現(xiàn)實(shí)是三維的、立體的，是符合人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣的，學(xué)生可沉浸在實(shí)驗(yàn)之中；其次虛擬環(huán)境中學(xué)生不是被動(dòng)地感受，而是可以通過自己的活動(dòng)改變感受的內(nèi)容．采用VRML技術(shù)開發(fā)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)可以不受時(shí)間和地域限制，學(xué)生或教師可以自由地、無(wú)顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，而他只需在聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)瀏覽器上安裝 VRML插件，如Cosmoplayer，Cortona或Blaxxun Contact等任意一種就可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)．顯然虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)可以給學(xué)生更多的思考時(shí)間和空間，從實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)造到使用方法，從原理到測(cè)試公式的創(chuàng)建，再到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，完全由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、組建．虛擬實(shí)驗(yàn)可以仿真現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生分析問題的時(shí)間和學(xué)習(xí)的時(shí)間，可以充分調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性．

但目前所開發(fā)的項(xiàng)目大多存在交互性弱、沉浸感不強(qiáng)等問題．本文以氣墊導(dǎo)軌上的實(shí)驗(yàn)為例就虛擬實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)交互控制方法進(jìn)行了研究．VRML本身不能進(jìn)行復(fù)雜交互，因而對(duì)于儀器調(diào)整這種復(fù)雜交互操作就不能只通過VRML進(jìn)行．為了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建的虛擬空間本身與操作者之間的復(fù)雜交互，要利用虛擬空間與操作環(huán)境的特定應(yīng)用之間的接口來實(shí)現(xiàn)它與用戶之間的交互，筆者采用JavaScript編程實(shí)現(xiàn)這種功能［12－13］，討論 VRML中 Script節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，最終建立了具備交互功能的三維虛擬牛頓第二定律的研究和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的研究實(shí)驗(yàn)，較好地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的交互操作與聯(lián)動(dòng)控制．

2 聯(lián)動(dòng)控制原理

虛擬場(chǎng)景的聯(lián)動(dòng)是通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的．一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化能引起另一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的相應(yīng)變化．VRML中將狀態(tài)的變化記為一個(gè)“事件”，引起其他節(jié)點(diǎn)變化的節(jié)點(diǎn)發(fā)出“事件輸出”，發(fā)生變化的節(jié)點(diǎn)接受“事件輸入”．VRML提供了多種感知器節(jié)點(diǎn)，如可接收鼠標(biāo)點(diǎn)擊形體的動(dòng)作并使程序發(fā)生相應(yīng)變化如動(dòng)畫、發(fā)出聲音、改變顏色等的TouchSensor節(jié)點(diǎn)；可使鼠標(biāo)的移動(dòng)轉(zhuǎn)變成形體的繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的CylinderSensor節(jié)點(diǎn)；可以檢測(cè)到觀察者接近的ProximitySensor節(jié)點(diǎn)，利用它們可控制其他操作，如發(fā)出聲音，讓形體運(yùn)動(dòng)、讓形體顏色變化，等等；還有時(shí)間傳感器TimeSensor節(jié)點(diǎn)等．

VRML空間中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互可以實(shí)現(xiàn)控制場(chǎng)景中的物體產(chǎn)生一些簡(jiǎn)單行為的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作：如打開開關(guān)時(shí)燈會(huì)發(fā)光，走近自動(dòng)門附近門會(huì)自動(dòng)打開，等等．通過路由及感知器節(jié)點(diǎn)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單聯(lián)動(dòng)交互．對(duì)于復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)交互控制VRML采用Script節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)這種功能．Script節(jié)點(diǎn)中的域指定一段實(shí)現(xiàn)事件處理的JavaScript腳本，然后將程序計(jì)算返回的結(jié)果遞交給Script節(jié)點(diǎn)的輸出事件，再通過路由將該事件傳遞給場(chǎng)景中某對(duì)象的相關(guān)域，達(dá)到改變場(chǎng)景的目的，實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示．

圖1 VRML聯(lián)動(dòng)動(dòng)畫原理圖

3 氣墊導(dǎo)軌上實(shí)驗(yàn)的交互控制功能實(shí)現(xiàn)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中氣墊導(dǎo)軌上的實(shí)驗(yàn)主要有牛頓第二定律的研究和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的研究．虛擬這2個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是向用戶提供盡可能真實(shí)的仿真儀器，可以通過 VRMLPad或vrbuild［14］直接建造三維模型，文件占用字節(jié)數(shù)較少，適宜在網(wǎng)上運(yùn)行；也可采用3DMAX或MAYA等軟件建造再轉(zhuǎn)換成VRML格式文件，但缺點(diǎn)是形成文件太大，影響網(wǎng)上運(yùn)行速度和運(yùn)行質(zhì)量．虛擬的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，虛擬的牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示．用戶可以利用鼠標(biāo)拖動(dòng)光電桿將其擺放在合適的位置上以取得滑塊在相應(yīng)位置的速度，這個(gè)過程是通過人機(jī)交互來實(shí)現(xiàn)的．VRML允許用戶的行為能夠?qū)崟r(shí)作用于場(chǎng)景，場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)通過EventIn接收事件，通過Event Out發(fā)出事件，通過路由將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件出口和另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件入口聯(lián)系成為事件體系使VRML具有動(dòng)態(tài)交互能力．但VRML語(yǔ)言本身所能完成的交互功能是有限的，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜聯(lián)動(dòng)交互功能還需要通過腳本語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，VRML提供了一個(gè)Script腳本節(jié)點(diǎn)，通過該節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交互操作和邏輯控制等功能．Script節(jié)點(diǎn)允許用戶創(chuàng)建自己的域（field）和事件，其中包括入事件（EventIn）和出事件（Event Out），再通過編寫節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序來完成目標(biāo)功能，它支持多種腳本語(yǔ)言，如 VRMLScript，JavaScript，VBScript等．

圖2 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)研究

圖3 牛頓第二定律研究

3．1 滑塊簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

需采用時(shí)間傳感器TimeSensor來執(zhí)行開始、停止或者其他控制動(dòng)畫的動(dòng)作．

3．1．1 定義時(shí)間傳感器

格式如下：

DEF TS TimeSensor｛

cycleInterval 1

loop TRUE

｝

時(shí)間傳感器通過定時(shí)產(chǎn)生事件來表示時(shí)間的變化．

3．1．2 事件驅(qū)動(dòng)

場(chǎng)景需要一系列的變化數(shù)值而產(chǎn)生動(dòng)畫，產(chǎn)生變化數(shù)值的節(jié)點(diǎn)可以是插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)或者Script節(jié)點(diǎn)．域值通過Route語(yǔ)句傳送，由節(jié)點(diǎn)的入事件接收并處理．Script結(jié)點(diǎn)在VRML場(chǎng)景中不被顯示，其工作原理如圖1所示．Script結(jié)點(diǎn)可以由若干個(gè)EventIn，Event Out，包含腳本程序的url域等構(gòu)成．其中EventIn入事件接收來自其他節(jié)點(diǎn)的出事件，并交給對(duì)應(yīng)的同名函數(shù)進(jìn)行處理．url域中的處理函數(shù)計(jì)算新的值，并通過節(jié)點(diǎn)的Event Out發(fā)送出去．

＃＃＃＃ 實(shí)現(xiàn)滑塊的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)功能的腳本程序 ＃＃＃＃DEF Program Script｛

field SFFloat amplitude 1．25 ＃定義振幅

field SFFloat twoPi 0．0 ＃定義常量

……

url"javascript： ＃指明腳本

function initialize（）＃初始化程序

｛

初始化滑塊位置等變量

｝

function set＿start Time（start Time，event Time）＃設(shè)置開始振動(dòng)時(shí)間

｛

x1start Time＝start Time；

｝

function set＿fraction（fraction，time）＃實(shí)現(xiàn)交互功能函數(shù)

｛

phase＝－20．0；

translation＿changed［0］＝－2＋amplitude＊Math．sin

（twoPi＊（（phase／wavelength）－fraction））＋0．05；

translation＿changed［1］＝0；

translation＿changed［2］＝2；

｝

ROUTE TS．fraction＿changed TO Program．set＿fraction

Route語(yǔ)句把一個(gè)節(jié)點(diǎn)的出事件連接到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的入事件，從而建立起指定節(jié)點(diǎn)的域之間的通道．Route語(yǔ)句由出事件激活，當(dāng)發(fā)生1個(gè)出事件時(shí)，包含該出事件的Route語(yǔ)句被調(diào)用，對(duì)應(yīng)的入事件就會(huì)接收到信息，同時(shí)可以對(duì)入事件做出相應(yīng)的處理．從而改變節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)．

3．2 光電桿的設(shè)置

3．2．1 光電桿位置的動(dòng)態(tài)設(shè)置

首先使用平面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)PlaneSensor定義平面?zhèn)鞲衅鳎?/p>

DEF gd Transform｛

children［

DEF ts0 PlaneSensor｛＃其中一個(gè)光電桿

minPosition －2．0．4

maxPosition －1．1．4

offset 0．01 0 1．72

｝

Inline｛url"gd1．wrl"｝

］

｝

其中minPosition和maxPosition用于設(shè)定物體在空間的移動(dòng)范圍．Inline為內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將另一wrl文件引入，這里gd1．wrl為光電門空間幾何結(jié)構(gòu)文件．

其次定義路由語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)交互功能：ROUTE ts0．translation＿changed TO gd．translation實(shí)驗(yàn)中只要用鼠標(biāo)拖動(dòng)光電桿即可在約束的范圍內(nèi)調(diào)整其位置．

3．2．2 光電桿位置的獲得

將光電桿拖動(dòng)到某一位置后，要想知道滑塊運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)的速度就需要定量給出光電桿被拖動(dòng)后的確切位置，通過下述方法實(shí)現(xiàn)：

function set＿fra0（trackPoint＿changed，timeStamp）｛

xpointer1［0］＝trackPoint＿changed［0］；

｝

ROUTE ts0．track Point＿changed TO Program．set＿fra0

通過路由語(yǔ)句將其中1個(gè)拖動(dòng)后的光電門位置賦給變量xpointer1．

3．3 滑塊運(yùn)行速度的確定

與滑塊一起運(yùn)動(dòng)的擋光片上設(shè)有具有一定間隔的2個(gè)探針，與滑塊一起作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其中每個(gè)探針經(jīng)過光電門時(shí)記錄相應(yīng)的時(shí)間，利用二者的時(shí)間差值和2個(gè)探針間距即可計(jì)算出滑塊經(jīng)過光電門時(shí)的速度．

在function set＿fraction（fraction，time）函數(shù)中采用語(yǔ)句timexs1＝time－x1start Time取得運(yùn)行時(shí)間，在下面函數(shù)中記錄滑塊探針經(jīng)過光電門時(shí)的時(shí)間．

function set＿check1（time1，timeStamp）｛

if （Math．a(chǎn)bs（translation＿changedpointer1［0］－

xpointer1［0］）＜＝0．01）

t11＝timexs1；

if （Math．a(chǎn)bs（translation＿changedpointer2［0］－

xpointer1［0］）＜＝0．01）

t12＝timexs1；

deltt1＝t12－t11；

v1＝0．6／Math．a(chǎn)bs（deltt1）；＃計(jì)算速度

lblOut．set＿string［0］＝′Rightv1′＋v1；＃送顯

｝

3．4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示問題

采用廣告版顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)．

Billboard｛

geometry DEF output Text｛

string""

fontStyle FontStyle｛

size．3

｝｝｝

在Script節(jié)點(diǎn)中采用field SFNode lblOut USE output 和 lbl Out．set＿string［0］＝′Rightv1：′＋v1將數(shù)據(jù)送到顯示屏顯示，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖4所示．

圖4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行圖

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)交互控制必須借助于功能強(qiáng)大的高級(jí)語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，以彌補(bǔ)VRML本身如邏輯判斷、精確場(chǎng)景控制等的不足．本文通過使用VRML的Script節(jié)點(diǎn)編程著重研究了基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)聯(lián)動(dòng)動(dòng)畫技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有聯(lián)動(dòng)交互控制功能的氣墊導(dǎo)軌上的實(shí)驗(yàn)，為傳統(tǒng)的教學(xué)注入了新的活力．可以預(yù)見VRML網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景．

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