利用Java在VRML中实现复杂运动控制

1、文章编号:1006-155X (200106-104-03利用Java 在VRM L 中实现复杂运动控制李亚萍,张明辉,密新武(武汉大学城市建设学院,湖北武汉430072摘要:VRM L 提供了丰富的网络三维造型、动画和交互功能,Java 语言是一种高性能的程序设计语言,灵活、计算能力强大.文章以Java 与VRM L 的结合为基础,论述利用Java 语言编写程序脚本,结合Script 节点在VRM L 中实现复杂计算的方法及过程,从而弥补VRM L 内置节点这方面的不足;并探讨充分利用VRM L 的多维造型生成、显示能力和动画功能,结合Java 脚本程序对VRM L 内置节点的精细控制,实现

2、基于网络的科学计算可视化、复杂动画等方面的可行性和基本方法.关键词:Java ;VRM L ;Script 节点;接口中图分类号:TP 393文献标识码:A VRM L 作为流行的基于网络的三维造型语言,提供了强大的三维造型、动画和交互功能.但是其内置内插器(interpolation 节点计算功能薄弱,对于基于物理的动画缺乏描述能力,再加上其造型和动画都有一定的随意性,在动态仿真和科学计算可视化等要求复杂、精确计算的领域表现得不如人意.在这种情况下,VRM L2.0版引入了Script 节点,提供了利用脚本编写程序以改善其计算功能的接口,并经过后续版本的不断改良,功能已非常强大,尤其是新标准

3、X3D 揉合了许多新技术,如X M L (eX 2tended Markup Language 和Java 、流技术等,功能得到很大扩展.1Script 节点定义及Java 实现1Script 节点拥有field 域、eventIn 事件、eventOut事件,它可以看作是一个外壳节点,其本身并没有任何动作,而是通过程序脚本编写field 域、eventIn 事件、eventOut 事件的具体实现来描写动作,从而使该Script 节点产生所希望的行为;另外,Script 节点也能够通过编写合适程序脚本,动态生成(改变三维造型并绑定合适的感应器和内插器.这种特殊的用法适合于使用者浏览虚拟世界时,

4、需要临时生成(改变一个三维造型的情况.在一些大型的、具有较高交互性的虚拟世界中,常常需要使用这种动态技术,以产生逼真的效果.VRM L 标准(IS O/IEC14772-1:1997只是给出了Java 、JavaScript 完成Script 节点的参考性文档以供参照,并没有限定采用何种编程语言书写程序脚本.一般情况下,程序脚本在客户端本地执行,因此,对编程语言的限制只来自于浏览者所使用的VRM L 浏览器.Java 语言因其良好的硬件无关性和跨平台性,而广泛应用于网络环境,现今流行的VRM L 浏览器都支持用Java 语言或JavaScript 编写脚本程序.这样,我们就得到定义并实现一个脚

5、本节点类节点的方法和基本流程:首先创建脚本节点作为用户自定义感应器或内插器,声明接口的field 域,eventIn 事件、eventOut 事件作为节点行为的接口,然后用浏览器支持的脚本语言(Java 、JavaScript 对接口进行编程,完成所需功能.具体步骤及语法如下:(1定义节点field 域、接口eventIn 事件、接口eventOut 事件Script Field fieldT ype fieldName initialValue eventIn eventInT ype eventInName eventOut eventOutT ype eventOutName收稿日期:2

6、001-09-18作者简介:李亚萍(1958-,女,湖北武汉人,副教授,研究方向为计算机图形学与虚拟现实.第34卷第6期2001年12月武汉大学学报(工学版(2用Java 、JavaScript 为接口事件编写实现代码,产生可执行传感器或内插器动作的程序脚本.然后将程序脚本与脚本节点相关联,可以将程序脚本存为文件,并把文件路径及文件名赋值给脚本节点的url 域,例如:Script url “position.js ”2Script 节点工作原理及Java 实现2当用户实例化一个VRM L 的脚本节点后,便拥有了一个自定义的传感器或内插器,并得到一个编程接口,该接口由3部分组成:多个接口fiel

7、d 、eventIn 和eventOut.这时,此节点没有任何动作,也没有创建可见域,接口只为用户提供了一个可通过程序控制的外部域的等价实体.这就需要用户利用VRM L 浏览器支持的编程语言编写脚本程序,完成所需行为3.每个事件(不管是被eventIn 接收还是写入eventOut 都由两个元素组成:事件值(EventT ype 和事件时间标志(T imeStam p .事件值为一数值,由节点产生并通过eventOut 发送,指明发生事件的类型.如果事件值为下列3种类型之一:初始化;程序中止;事件接收,程序脚本可对其作出响应;事件时间标志包含了完整的时间值,指明产生并按一定的路径发送该事件的具

8、体时间.每当一个事件值被发送时,浏览器就会自动创建一个事件时间标志,连同事件值一并传入目标路由节点.因此,整个脚本节点的工作流程可表达为(如图1:eventIn 接收从其他节点路由(route 的事件值和事件时间标志, 程序脚本在运行时从接口图1工作流程示意图eventIn 中获得这两个值并(或从field 中取所需初值,经过脚本程序的处理后,产生一个或多个值或事件,并将值回写进field 并(或通过eventOut 将脚本产生的事件传给宿主造型节点,实现要求的功能与行为.虽然VRM L (最新标准为X3D 没有限定使用何种语言编写脚本,但考虑到因特网上的兼容性,我们采用Java 、JavaS

9、cript 作为程序脚本语言.Java 和JavaScript 语言的API (应用程序接口都提供了相应功能以实现对脚本节点的操纵.具体来说,可以分为以下4个方面:(1访问脚本节点的程序脚本接口field 和eventOut 事件;(2实现由VRM L 的数据类型到编程语言(此时为Java 或JavaScript 数据类型的转换;(3初始化和停止一个程序脚本以及对到达事件作出响应;(4访问浏览器以改变虚拟空间的内容或者载入一个新的虚拟空间.由于Java 和JavaScript 属于不同的编程语言,其支持VRM L 的Script 节点的API 也是不同的.在Java 语言中,API 提供了类的

10、集合和方法,程序脚本可通过调用它们来访问接口field 和eventOut ,例如getField 和getEventOut 方法就分别获得接口field 和eventOut 的句柄(handle ,拥有句柄就可以对对象(物体进行多方面的操纵,提供类扩展实现数据类型的转换.用户可创建initialize 方法和shutdown 方法控制脚本程序,创建与eventIn 事件同名的方法对事件做出响应,用getBrowser 方法访问浏览器.在JavaScript 语言中,API 自动为每个接口field 或eventOut 创建一个接口变量,利用接口变量,程序脚本就可以对接口field 或even

11、tOut 进行任意的读写操作,自动将VRM L 的数据类型转换为JavaScript 的数据类型而不需要任何函数调用;创建函数控制脚本,创建带参数(新事件值和新时间标志的函数处理事件.访问浏览器的getBrowser 也表现为函数.通过编写Java 或JavaScript 进行有关运算并调用相应API ,可实现宿主节点、Script 节点和程序脚本的交互,完成所希望的功能.3应用3.1基于物理的Web 动画与动态仿真基于物理的动画一般又称运动动画,要求帧中第6期李亚萍等:利用Java 在VRM L 中实现复杂运动控制105的运动对象要符合物理规律,刚体运动动画要符合运动学和动力学规律,并且满足

12、几何约束、运动约束和力约束等条件,柔性物体的运动动画还需要考虑因运动、挤压而引起的变形,制作相当复杂.科学计算可视化(Visualization in Scientific C om 2puting 能将复杂计算和仿真结果转变为可视的信息,为科学家和工程师分析数据提供有力工具,已经成为当今科学计算的重要辅助工具.其基本步骤可分为:数据预处理、映射、绘制、显示.VRM L 作为成熟的虚拟现实建模语言,对于绘制和显示多维模型没有任何困难,但几乎完全不能完成预处理和映射的工作;而Java 语言是一种高性能的全界面程序语言,数据类型丰富,计算功能强大,完全可以胜任预处理和映射的任务,两者的结合使得在网

13、络上实现科学计算可视化成为现实.我们现在采用的方法是:将利用有限元分析得到的大坝数据存入数据库,编写相应的Java 程序脚本,然后在Script 节点中调用这些脚本,完成对数据的处理,VRM L 提供的多维工具可自动生成所需多维造型并在浏览器中显示出来.4结束语Java 与VRM L 的结合拓展了网络虚拟现实的范围.由于篇幅有限,文中没有论述Script 节点中延时处理(mustEvaluate 特性和输出控制(directOut 2put 特性,而通过综合调整这两个特性,脚本程序将表现出对虚拟世界更灵活的控制权,从而得到更强的交互性与实时性.参考文献:1宋志方等译.VRM L 资源手册M.北

14、京:电子工业出版社,1998.2向世民,邓爱民编著.Visual J +图形设计与图像处理M.北京:清华大学出版社,2000.3张明辉,李亚萍,密新武.利用VRM L 技术创建数字城市J .武汉大学学报(工学版,2001,34(增刊:93-95.4石教英,蔡文立编著.科学计算可视化算法与系统M.北京:科学出版社,1996.Implementation of controlling complex motion in VRML by using JavaLI Y a-ping ,ZH ANG Ming-hui ,MI X in-wu(School of Urban S tudies ,Wuhan

15、 University ,Wuhan 430072,China Abstract :The VRM L provides the abundant netw ork three-dimensional m odeling ,animation and interaction function ,and Java language is a high performance language ,which is strong in flexibility and com puting power.Regarding the combining of Java and VRM L as the foundation ,the method and the process of the com plicated com puting in the VRM L are discussed by writing the script program with Java language