基于X3D的三維用戶界面組態(tài)引擎設計

張全貴，李 鑫，王 普

（1.遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島125105；2.北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院，北京100124）

0 引 言

組態(tài)軟件作為數(shù)據(jù)采集和過程控制的專用軟件，使用靈活的組態(tài)方式為自動化軟件工程師提供快速構建監(jiān)控監(jiān)測軟件的工具。用戶使用組態(tài)軟件以 “搭積木”的方式來完成自己所需的自動化監(jiān)控軟件的功能，一般不需要編程或者只需要簡單的腳本編程［1］。使用組態(tài)軟件進行開發(fā)的過程中，大部分時間是對組件進行配置即組態(tài)的過程。由于其簡便性和靈活性，組態(tài)軟件在多個領域中得到了廣泛應用。但是，隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，人們對自動化監(jiān)控軟件的要求也越來越高，尤其是對用戶界面和工業(yè)現(xiàn)場仿真度的更高要求。傳統(tǒng)的二維用戶界面已經(jīng)不能滿足人們對自動化監(jiān)控軟件的需求，因為其很難直觀的地反映工業(yè)現(xiàn)場設備運行情況及生產(chǎn)過程，仿真度低。隨著虛擬現(xiàn)實技術和三維圖形學技術在各個領域的廣泛應用，一些研究人員開始進行三維監(jiān)控軟件的研究與開發(fā)，用三維監(jiān)控用戶界面替代傳統(tǒng)二維用戶界面，如文獻 ［2－4］。開發(fā)三維用戶界面監(jiān)控軟件的難度要比二維用戶界面監(jiān)控軟件大很多，不僅需要較高的程序設計能力，一定的自動化領域知識，還需要一定的三維圖形學知識。如果能以組態(tài)的方式來設計三維監(jiān)控軟件，則將大大降低三維監(jiān)控軟件開發(fā)的難度。基于此，本文基于X3D，使用開源的Xj3D圖形工具包設計并實現(xiàn)了組態(tài)軟件三維用戶界面組態(tài)引擎，使用該引擎可以以組態(tài)方式設計開發(fā)三維監(jiān)控軟件。

1 設計思想

三維用戶界面組態(tài)引擎建立在傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件之上，將二維組態(tài)軟件的用戶界面組態(tài)功能由二維用戶界面組態(tài)替換為三維用戶界面組態(tài)。這樣即避免了重復開發(fā)，又能充分利用傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件的成熟性。

傳統(tǒng)二維組態(tài)軟件一般由用戶界面組態(tài)模塊、實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)模塊、設備接口組態(tài)模塊和系統(tǒng)運行模塊構成［5］。這四個模塊是使用組態(tài)軟件設計開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的四個強有力的工具。加入三維用戶界面組態(tài)引擎后其體系結構如圖1所示。其中三維用戶界面組態(tài)引擎負責建立三維監(jiān)控人機界面，實現(xiàn)人機交互功能，提供工藝流程仿真的圖形對象開發(fā)環(huán)境。實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)模塊負責定義實時數(shù)據(jù)庫結構、數(shù)據(jù)來源、I/O設備以及數(shù)據(jù)類型等相關參數(shù)，負責數(shù)據(jù)的實時存儲與管理。設備接口組態(tài)模塊提供各種外圍設備的驅動程序，負責從設備采集實時數(shù)據(jù)并將相關的設備操作指令下達到具體設備，同時與實時數(shù)據(jù)庫進行通信。系統(tǒng)運行平臺為設計開發(fā)好的圖形監(jiān)控系統(tǒng)或工藝仿真系統(tǒng)提供運行所需的環(huán)境。

圖1 三維組態(tài)軟件體系架構

2 三維用戶界面組態(tài)引擎設計

2.1 三維用戶界面組態(tài)引擎功能

三維用戶界面組態(tài)引擎的主要功能是實現(xiàn)可視化直接操控方式的組態(tài)平臺，用戶可以使用傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤進行三維用戶界面的組態(tài)。具體包括模型的調(diào)入、合成、編輯、顯示以及場景文件生成等功能。用戶界面如圖2所示。主要功能包括模型調(diào)入、場景對象組態(tài)、模型編輯、場景顯示和文件保存等。

圖2 三維用戶界面組態(tài)引擎用戶界面

（1）模型調(diào)入，用戶從場景對象列表中選擇要加入到當前場景中的對象，對象預覽窗口將顯示該對象。同時，主窗口右側將顯示該對象的屬性，用戶可以修改相關屬性，修改結果會實時顯示在對象預覽窗口中。

（2）場景對象組態(tài)，當用戶從場景對象列表中選中某一對象時，主窗口左下方將會顯示該對象與當前場景中的對象可能的組態(tài)關系，選擇一對或幾對組態(tài)關系，該對象將自動調(diào)整大小及方向，并放置到場景窗口的合適位置上。如圖2所示，當前場景中已經(jīng)存在地面和鍋爐支架，當從場景對象列表中調(diào)入鍋爐模型后，由于鍋爐可以放置到地面上，也可以放置到鍋爐支架上，因此在左下方窗口中將顯示這兩種組態(tài)關系。用戶選擇其中一個組態(tài)關系，鍋爐將自動與地面或鍋爐支架按照合適的位置合成為一個新的對象。

（3）模型編輯，用戶可以對當前選中的對象進行編輯，從屬性編輯框中修改該對象的屬性，同時可以恢復該對象的默認屬性。修改后的效果會實時顯示在對象預覽窗口和場景瀏覽窗口中。另外，用戶也可以刪除當前的場景對象。

（4）場景顯示，在場景瀏覽窗口中實時顯示當前的組態(tài)場景。

（5）文件保存，用戶可以將當前場景保存為場景文件，以便在其他應用程序中復用。

2.2 三維用戶界面組態(tài)引擎架構

三維用戶界面組態(tài)引擎的架構如圖3所示，由場景對象庫，X3D模型解析器、場景編輯器、三維場景文檔、X3D場景文件生成器、SAI接口和X3D瀏覽器組成。圖3中的箭頭表示了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動方向。

圖3 三維用戶界面組態(tài)引擎架構

（1）場景對象庫，它為三維用戶界面組態(tài)引擎提供底層物理模型庫的支持。包括X3D物理模型和對象關聯(lián)器兩部分。物理模型庫的建立需要滿足以下要求，一是要按照領域對模型進行歸類，這樣便于場景對象庫的管理。二是模型的表示應該使用國際標準格式，這樣可以比較容易地實現(xiàn)與其他格式之間的轉換。三是模型的表示應該便于進行語義標注，這樣能夠方便進行模型與模型之間的關聯(lián)，從而實現(xiàn)自動化場景組態(tài)。四是物理模型的表示應該適合WEB方式的實現(xiàn)，因為目前組態(tài)軟件的應用不僅僅限于單機運行，很多情況下需要支持WEB方式運行。

為了滿足以上要求，我們采用X3D格式來存儲物理模型。X3D是由Web3D聯(lián)盟于1998年年底提出的。X3D規(guī)范使用 可擴展 標記語 言 XML（Extensible Markup Language）對VRML幾何造型和實體行為進行描述［6－7］。XML提供結構化文檔描述的數(shù)據(jù)格式，可以用來定義任意類型的文檔，可以對所有類型的數(shù)據(jù)結構進行編碼。正是由于X3D基于XML格式開發(fā)，因此可以直接使用XML DOM文檔樹、XML Schema校驗技術和相關的XML編輯工具。目前X3D已經(jīng)是通過ISO認證的國際標準。因此使用X3D表示場景對象庫中的物理模型能夠滿足以上提出的要求。

對象關聯(lián)器定義了物理模型之間的各種組態(tài)關系，如鍋爐可以放置到地面上、鍋爐可以放置到鍋爐支架上，鍋爐支架可以放置到地面上等。借助于對象關聯(lián)器，用戶在進行三維用戶界面組態(tài)時可以實現(xiàn)自動化或半自動化組態(tài)，大大節(jié)省場景組態(tài)時間并降低組態(tài)復雜度。

（2）X3D模型解析器，負責讀取并解析X3D模型文件，將該文件轉換成內(nèi)存中的X3D文檔，以便其他組件通過XML DOM API［8］對其進行操作。該引擎中使用XJ3D對X3D文件進行裝載和解析，然后返回文檔對象。

（3）場景編輯器，使用XML DOM API對內(nèi)存中的X3D文檔進行操作，包括添加對象，刪除對象和編輯對象（修改對象的屬性，如大小、顏色、材質和貼圖等）。

（4）三維場景文檔，內(nèi)存中存儲的當前場景的X3D文檔，通過XML DOM API可以與之交互。是場景編輯器的操作對象。

（5）X3D場景文件生成器，經(jīng)過調(diào)入對象，對象組態(tài)以及對象編輯后的場景可以存儲成X3D場景文件，以提供給其他組態(tài)模塊使用。該引擎中使用JAXP的一系列方法存儲 X3D文件并使用 DOM4J［9－10］格式化文件。

（6）SAI接口，SAI是用來操作場景的API，它提供一系列的X3D訪問接口［11］。VRML/X3D的主要功能是用來描述3D虛擬場景和場景中對象的屬性，如顏色、幾何形狀、材質等。它沒有可編程的能力，只能通過一些簡單的腳本進行交互操作。這些腳本很難滿足VRML/X3D的應用。VRML通過 EAI（external authoring interface）接口與Java語言進行交互。在X3D中除了保留了EAI接口外還提出了一個SAI接口。SAI接口統(tǒng)一了X3D的內(nèi)部和外部訪問接口，它提供了功能更強大和更可靠的訪問能力，通過提供的一系列服務訪問X3D節(jié)點，如圖4所示。用戶可以使用程序設計語言通過SAI操作場景中的對象?？梢栽赬3D文檔中的Script節(jié)點內(nèi)使用SAI。或者在其他應用程序中使用SAI操作X3D瀏覽器中的場景對象。SAI可以完成以下操作：新增或刪除節(jié)點，產(chǎn)生事件，建立路由（route），更改或讀取字段中的值，操作或控制X3D瀏覽器。

三維用戶界面組態(tài)引擎中使用Xj3DSAI訪問X3D場景。Xj3D是Web3D委員會的一個開源項目，目的是為VRML97和X3D建立一系列工具包。它完全用Java語言開發(fā)。它一方面可以用來驗證X3D新規(guī)范，另一方面作為一個類庫，提供給應用程序開發(fā)者開發(fā)基于X3D技術的應用程序。Xj3D是一個高組件化的套件，用戶可以非常方便的選擇自己所需要的組件用于應用程序的開發(fā)中。Xj3D的主要組件包括：DOM、VRML Implementation、SAI、EAI、渲染器、Java3D裝載器、Swing、X3D工具。

（7）X3D瀏覽器，用于顯示場景、處理場景事件。目前市場上的Internet瀏覽器（如Mozilla、火狐、IE等）不支持X3D文件格式。因此它需要額外的X3D瀏覽器顯示X3D內(nèi)容。

圖4 SAI訪問模式

2.3 三維用戶界面組態(tài)流程

三維用戶界面組態(tài)引擎進行場景組態(tài)時的流程如圖5所示，首先從場景對象樹中選取模型對象，然后對其屬性進行編輯、設置，該對象選中以后將列出該對象與當前場景中其他對象之間的組態(tài)約束關系，用戶選擇其中一個或幾個約束關系，在所選約束關系的約束下輔助用戶實現(xiàn)自動化或半自動化的組態(tài)。用戶可以對該對象組態(tài)后的場景進行調(diào)整，然后進行其他模型對象的組態(tài)，直到整個場景組態(tài)結束。

圖5 三維用戶界面組態(tài)引擎組態(tài)流程

2.4 三維用戶界面組態(tài)引擎實現(xiàn)

三維用戶界面組態(tài)引擎的開發(fā)采用JAVA語言，原因如下：一是由于物理三維模型采用X3D表示，對于X3D場景的解析使用JAVA語言比較方便，有一些專門針對JAVA語言設計的X3D工具包（如XJ3D），而針對C/C＋＋語言開發(fā)的X3D工具包很少。二是考慮組態(tài)軟件的通用性以及對WEB運行模式的需求，采用JAVA語言進行開發(fā)也比較合適。三是由于目前運行組態(tài)軟件的計算機性能的提高，再加上引擎中的三維物理模型采用精簡模型即可滿足組態(tài)軟件的要求，因此使用JAVA語言開發(fā)和使用C/C＋＋語言開發(fā)對于系統(tǒng)運行的效率差別不大。

組態(tài)軟件三維用戶界面組態(tài)引擎的實現(xiàn)主要包括3個核心模塊：組態(tài)場景解析模塊、組態(tài)場景編輯模塊和組態(tài)場景瀏覽模塊。

2.4.1 組態(tài)場景解析模塊實現(xiàn)

組態(tài)場景解析模塊主要負責裝載初始組態(tài)場景，即調(diào)入X3D文件，并返回場景對象。首先使用XJ3D的SAI BrowserFactory類建立一個X3D對象。然后使用External－Browser接口建立一個X3D瀏覽器對象x3dBrowser，用于裝載X3D文件，并使用它建立新的節(jié)點。使用x3dBrowser對象裝載初始組態(tài)場景文件后返回X3D場景對象，并替換原來的空白場景。核心代碼如下：

2.4.2 組態(tài)場景編輯模塊

組態(tài)場景編輯模塊主要負責對加入到當前場景中的對象的屬性進行修改，如顏色、材質等，同時負責加入新的X3D模型節(jié)點。例如，要改變當前場景中名稱為theMaterial的材質節(jié)點的漫反射顏色，首先需要使用X3DScene類的getNamedNode方法找到theMaterial節(jié)點，然后使用getField方法找到該節(jié)點的diffuseColor域并改變其顏色值。核心代碼如下：

2.4.3 組態(tài)場景瀏覽模塊

組態(tài)場景瀏覽模塊主要負責實時顯示三維用戶界面的組態(tài)結果，并監(jiān)聽場景中節(jié)點的變化。主要使用XJ3D的Browser對象顯示X3D場景。核心代碼如下：

3 結束語

本文基于X3D技術，使用開源的XJ3D圖形開發(fā)包設計并實現(xiàn)了組態(tài)軟件三維用戶界面組態(tài)引擎，主要包括組態(tài)場景解析模塊、組態(tài)場景編輯模塊和組態(tài)場景瀏覽模塊。使用該引擎可以可視化的組態(tài)方式建立三維用戶界面。原型系統(tǒng)表明該引擎具有組態(tài)簡便、效率高的特點。沒有三維圖形開發(fā)經(jīng)驗的自動化軟件工程師短時間內(nèi)即可掌握該引擎的使用。同時，三維用戶界面的應用使組態(tài)軟件的仿真度大大提高，可以從多視角瀏覽工業(yè)現(xiàn)場的運行情況，該系統(tǒng)具有較高的應用前景。

［1］WANG Chensheng，XU Xingguo，ZHU Tings.On system design of general industrial configuration software compliant to IEC 61131－3 ［J］.Control Engineering of China，2009，17（S0）：131－136（in Chinese）.［王晨升，徐新國，朱廷劭.基于IEC61131－3的通用工業(yè)組態(tài)軟件系統(tǒng)設計研究 ［J］.控制工程，2009，17（S0）：131－136.］

［2］ZHOU Zewei，F(xiàn)ENG Yiping，RONG Gang.3Dprocess simulation and visualization monitoring platform for process of coal pyrolysis to acetylene ［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2011，62（8）：2303－2311（in Chinese）. ［周澤偉，馮毅萍，榮岡.等離子體裂解煤工藝過程的三維仿真與可視化監(jiān)控系統(tǒng) ［J］.化工學報，2011，62（8）：2303－2311.］

［3］CAO Wenming，WANG Yaonan，YIN Feng，et al.Study on real－time 3Dmonitoring of telerobot movement ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31（4）：728－734（in Chinese）.［曹文明，王耀南，印峰，等.遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控方法研究 ［J］.儀器儀表學報，2010，31（4）：728－734.］

［4］ZHANG Huiqing，SHI qing，ZHUANG Chunhua，et al.Research and implementation of fast configuration for pipeline connection in 3Dmonitor scene ［J］.Journal of Beijing University of Technology，2010，36（3）：300－305（in Chinese）.［張 會清，時菁，莊春華等.三維監(jiān)控場景中空間管道快速連接組態(tài)的研究與實現(xiàn) ［J］.北京工業(yè)大學學報，2010，36（3）：300－305.］

［5］WANG Weiguo，WANG Fengyuan，LI Xuehua.Application of configuration software to lubricant pump test system ［J］.Computer Measurement ＆Control，2011，19（5）：1212－1215（in Chinese）.［王偉國，王逢源，李學華.組態(tài)軟件在潤滑油泵試驗系統(tǒng)中的應用 ［J］.計算機測量與控制，2011，19（5）：1212－1215.］

［6］HUANG Qiguang，HAN X.Research and development of VRML visual editor ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29（5）：1296－1298（in Chinese）.［黃 柒 光，韓 燮.VRML可視化編輯器的研究與開發(fā) ［J］.計算機工程與設計，2008，29（5）：1296－1298.］

［7］LI Zhenpei，LI Ping，WU Ming.Research on interaction between X3Dvirtual scene and Java ［J］.Computer Engineering and Applications，2010，46（16）：67－70（in Chinese）.［李貞培，李平，吳明.X3D虛擬場景與Java交互研究 ［J］.計算機工程與應用，2010，46（16）：67－70.］

［8］Kim S M，Yoo S I.Dom tree browsing of a very large XML document：Design and implementation ［J］.Journal of Systems and Software，2009，82（11）：1843－1858.

［9］HUANG Hong，LIN Hui，WANG Ben.A GUI XML description method and tool development ［J］.Computer Applications and Software，2011，28（10）：198－202（in Chinese）.［黃洪，林輝，王奔.一種圖形用戶界面的XML描述方法與工具開發(fā)［J］.計算機應用與軟件，2011，28（10）：198－202.］

［10］DAI Beijie，YU Shuang，JIN Beihong.XML editor based on efficient DOM parser ［J］.Computer Engineering and Design，2007，28（22）：5334－5338（in Chinese）.［戴蓓潔，余雙，金蓓弘.基于DOM解析器的XML編輯器研究 ［J］.計算機工程與設計，2007，28（22）：5334－5338.］

［11］Kurmos L，John N W，Roberts J C.Integration of haptics with Web3Dusing the SAI ［C］.New York USA：Proceedings of the 14th International Conference on 3DWeb Technology，2009：25－32.