基于Java3D的交互式三维动画的研究王静秋.docx

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基于Java3D的交互式三维动画的研究王静秋

基于JAVA3D的交互式三维动画的研究

王静秋，王国忠

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京）

日期:

#+!

!

）+#）#%;修回日期:

#+!

!

）+/）!

.

基金项目:

南京航空航天大学教改项目（c+",/）+,!

）

作者简介:

王静秋（!

"$#）），女，副教授，主要研究领域为计算机图

形图像处理#计算机辅助工业设计&

基于+ATAO$的交互式三维动画的研究

王静秋，王国忠

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京#!

++!

/）

摘要:

为了建立基于工程图学的虚拟实验室，在计算机的屏幕上虚拟现实中零件的装配，笔者通过对两种虚拟语言

cYKT与（7C7%*的分析比较，选定以（7C7%*为虚拟平台，在引入5:

[e文件的基础上，按照现实中零件的安装和工作过程，

通过设定相应的程序来实现零件的交互和装配过程，并完成了对零件交互式三维装配动画以及工作原理的论述&以压板

为例，给出了一个基于（7C7%*的交互式三维装配动画的例子，实现了该装配体在虚拟现实中的要求，达到了虚拟装配的

目的&从而验证了该方法在现实零件装配中的预见性和优越性&

关键词:

cYKT;（7C7%*;虚拟装配

中图分类号:

HI%!

#文献标识码:

’文章编号:

!

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’787ACIS<=%;B7CAIB9T7O$（;9>AB9<;*A87E<;+ATAO$

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=7O1@8P

7=9’P1;:

=7O1@8P，F7=e@=<#!

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（H8BCAIB

:

H0Q2O;2:

PQ:

U10@P;QPQ7;80@P1:

QP17[A@P0C@;1O7AA7[:

;71:

;M40@80@P[7PQ9:

=Q=<@=QQ;@=<<;720@8P7=91:

;Q7A@_QC@;1O7A7PR

PQ?

[AM:

U27;1P@=10Q8:

?

2O1Q;P8;QQ=5（7C7%*47P80:

PQ=U:

;C@;1O7A2A71U:

;?

8:

?

27;Q94@10cYKTA7=

;97=8Q4@1010Q

;Q7A@1M:

U10Q27;1P:

U10Q@=P17AA71@:

=7=94:

;d2;:

8QPPQP[7PQ9:

=@=1;:

9O8@=<5:

[eU@AQ，;Q7A@_Q910Q@=1Q;781@:

=7=97PPQ?

[AM:

U27;1P[M

PQ11@=<[O11:

=2;:

<;7?

7=98:

?

2AQ1Q910Q9QP8;@21@:

=:

U@=1Q;781@CQ%*7PPQ?

[AM7=@?

71@:

=5b@=7AAM[M17d@=<2A7=dU:

;Q67?

2AQ

，<7CQ7=

@=1Q;781@CQ%*7PPQ?

[AM7=@?

71@:

=，;Q7A@_Q9C@;1O7A7PPQ?

[AM7=9?

Q110Q;QfO@;Q?

Q=1P@=C@;1O7A;Q7A@1M5I;:

CQ910Q2;Q9@817[@A@1M7=9POR

2Q;@:

;@1M:

U10@P?

Q10:

9@=10Q;Q7A8:

?

2:

=Q=17PPQ?

[AM5

J7KF

:

cYKT

;

（7C7%*

;

C@;1O7A7PPQ?

[AM

L引言

SSS（S:

;A9S@9QSQ[）为%*图形增添了一种

有趣的新方法，利用%*图形可以创建完全存在于计

算机内存的虚幻世界，也就是被大众媒体称作的’虚

拟现实）

［!

］

&三维图形技术的鼻祖是EXD公司推出的

N2Q=XT三维图形库，而在此基础上产生了两种重要

的虚拟语言cYKT（c@;1O7AYQ7A@1MK:

9QA@=

性与当前网络技术相结合的特点，使虚拟语言很快得

到人们的认可并且在各行各业得到迅猛的发展&

笔者通过对cYKT和（7C7%*在设计交互式三维

动画中效果的比较，确立了以（7C7%*作为设计工具，

在I;:

3>#%*EK’G建立三维零件模型并获得静态文

件的基础上，将静态文件导入（7C7%*中，利用编程代

码实现了交互式装配动画&通过探讨虚拟世界中零件

装配的过程，得出了实现装配体缩放#任意角度旋转#

平移#初始状态转换以及在任意时刻的运动与停止的

方法，最后给出了一个交互式三维零件装配的实例&

M6’3）和+ATAO$

MUM6’3）

cYKT同ZHKT语言一样，是一种’E&DD的描述

性语言

［#］

，cYKT也是通用的%*数据描述语言

［%］

&

cYKT文件的基本要素包括文件头#造型#原型#事件

和路由&

cYKT使用场景图（E8Q=QX;720）数据结构来建立

%*场景&场景中节点（F:

9Q）是描述对象及其属性的

重要组成部分，节点按照一定的规则构成场景图，尤其

是其中的E8;@21节点对cYKT提供了强有力的补充，

通过E8;@21节点可以利用（7C7或者（7C7E8;@21程序脚

本可以满足开发者更多的要求，大大地扩展了cYKT

的功能，广泛地应用于科学研究#教育#工程#建筑#电

子商务等领域&

生变化

［!

#］

:

K71Q;@7A?

71i=Q4K71Q;@7A（）;

?

715PQ1&727[@A@1M（K71Q;@7A5’TTNSh&NKINF>FHhSYDH>）;

#5#5,按钮程序的设计

在装配过程中，除了上面与鼠标进行交互外，还要

控制任意时刻装配过程的运动与暂停;当把装配体

（坐标系）旋转任意角度后，还要考虑能够使装配体

（坐标系）快速回到初始的角度（缺省状态），这两个是

在交互过程中需要解决的重要问题&（7C7%*提供了

’81@:

=T@P1Q=Q;监听器用来监听各种’SH事件&

论文解决这两个问题的思路是:

设定功能按钮，通

过监听器监听这个功能按钮是否被按下，如果指定的

按钮按下，监听器发出按钮按下的事件程序则通过处

理事件的781@:

=IQ;U:

;?

Q9方法进行事件的处理

［"］

，转

到设定好的处理程序，达到控制的目的&由于是控制

零件（坐标系）的运动，就是控制D=1Q;2:

A71:

;内插值器

对象和’A207对象，先前在每个零件的坐标系里面都

定义了D=1Q;2:

A71:

;内插值器对象和’A207对象，在

’P1:

2）和’?

:

CQ）按钮的程序里面要合理地设定所有

D=1Q;2:

A71:

;内插值器对象的PQ1>=7[AQ方法以及’A207

对象的;QPO?

Q方法，一定要保证按下’P1:

2）按钮的时

候’A207对象一定暂停产生’A207值!

对于初始状态

的设置，在定义根节点的子节点的时候，将其子节点下

的E072Q%*（三维形体）保存起来以便于后面的调用&

按钮设定的程序如下:

1;J78dO2i=Q4H;7=PU:

;?

%*（1;）;33保存原始的H;7=PU:

;?

%*

以便于=:

;?

7A按钮使用

2O[A@8C:

@9781@:

=IQ;U:

;?

Q9（’81@:

=>CQ=1Q）

{

A:

=<1@?

Q!

i!

;

@U（Q5

O;8Q（）ii781@C71QJ）{

7A207!

527OPQ（）;

’’

2:

PD=1!

5PQ1>=7[AQ（U7APQ）;

’’}

@U（Q5

O;8Q（）ii=:

;?

7AJ）{

1;5PQ1（1;J78dO2）;

4:

;A9H;7=P5PQ1H;7=PU:

;?

（1;）;}

@U（Q5

O;8Q（）ii;:

171QJG）{

@U（7A207!

5@PI7OPQ9（））{

7A207!

5;QPO?

Q（）;

’’}

2:

PD=1!

5PQ1>=7[AQ（1;OQ）;

’’}

#5#5/机构原理动画的设计

在装配体完成的最后，可以给出装配体的工作原

理，不同的机构对应各自的工作原理，这也是一个动画

设计的过程，与上面的动画不同的是机构工作原理可

能是几个零件的组合，这个组合成为一个整体进行旋

转和平移，这就要求把几个零件所在的坐标系添加到

一个共同的坐标系中，以这个坐标系为对象，把这个对

象看作一个零件，通过D=1Q;2:

A71:

;内插值器对象和’AR

207对象的结合可以编写出针对几个对象的不同的运

动，这样便形成机构的工作原理动画&可以通过设置

按钮控制该动画，由于机构工作原理的动画是在装配

完成之后进行的，这就要求将D=1Q;2:

A71:

;内插值器对

象作用于整体坐标系，并且将PQ1>=7[AQ方法设置为

U7APQ，并且对应的’A207对象不能产生’A207值，只有

在按下按钮的时候才将D=1Q;2:

A71:

;对象和’A207对象

激活&

通过上面的系统结构设计和程序设计两个过程，

可以实现零件的装配#机构工作原理的动画和交互过

程，程序设计是本次课题的关键，尤其是多个5:

[e文件

的引入#零件的运动轨迹以及按钮程序中D=1Q;2:

A71:

;

内插值器对象和’A207对象的有效结合是课题解决的

重点&

O一个关于交互式三维零件装配动画实例

下面给出了压板的装配动画（图,是对应的效果

图），压板是由八个零件组成，先设定根坐标系E8Q=R

8Y:

:

1，对应的子坐标系S:

;A9H;7=P，在子坐标系

S:

;A9H;7=P里面放置了灯光，添加了与鼠标的交互的

图,效果图

!

!

!

!

第"期王静秋等:

基于（7C7%*的交互式三维动画的研究种对象的作用范围放在根节点上，由于三维零件的装

配，对灯光#颜色#材质#贴图没有特殊的要求，只需对

光线方向#环境光与定向光进行合适的设置&

图-设计中的逻辑结

#5#5#实现交互的程序设计

实现装配过程的交互，首先要响应键盘和鼠标的

操作，在（7C7%*的工具类中提供了通过对鼠标的输

入进行交互的K:

OPQJQ07C@:

;类，通过响应鼠标的左

键#中键和右键分别实现物体的旋转#缩放和平移，逻

辑图中所有的物体都被封装在H;7=PU:

;?

X;:

O2节点

中，要实现整个装配过程中的旋转#缩放，在允许

H;7=PU:

;?

X;:

O2对象有读写能力的基础上，还要设置

K:

OPQJQ07C@:

;对象要作用于H;7=PU:

;?

X;:

O2对象&

实现平移的代码如下:

K:

OPQ\:

:

?

[Q07C@:

;i=Q4K:

OPQ\:

:

?

（4:

;A9H;7=P）;

33创建K:

OPQ[Q07C@:

;对象，并作用于H;7=PU:

;?

X;:

O2对象

（4:

;A9H;7=P）

[Q07C@:

;5PQ1E80Q9OA@=

O=9P（[:

O=9P）;

33设置对象的作用范围

P8Q=QY:

:

15799&0@A9（[Q07C@:

;）;

33将对象添加到场景中

#5#5%5:

[e文件的引入

（7C7%*可构造出一些漂亮的几何形体，但要想通

过程序来构造复杂的几何形体，其困难程度是可想而

知的

［!

!

］

&（7C7%*提供了一组可以用来导入一些常用

的%*图形文件接口，可以调用其它格式的三维图形

文件获得复杂的几何形体&笔者在I;:

3>中建模，导

出5:

[e文件，通过（7C7%*调用5:

[e文件获得零件对

象，这些对象放在分别放在各自的局部坐标系H;7=PR

U:

;?

X;:

O2中，这些局部坐标系最终放在一个共同的坐

标系内&

下面给出了引入5:

[e文件的程序:

2O[A@8J;7=80X;:

O28;Q71QE8Q=QX;720（E1;@=

Q）;

’’

@=1UA7ED\>;

N[eQ81b@AQUi=Q4N[eQ81b@AQ（UA7

71）（-"5+^K7105

ID3!

.+5+））;

E8Q=QPi=OAA;

1;M{PiU5A:

79（U@AQ=7?

Q）;

’’33错误处理

:

[eHX5799&0@A9（P5

O2（））;

2O[A@8:

[eT:

79Q;（E1;@=

Q）;

U@AQ=7?

Qij17:

1:

=<5:

[ej;

’’

=Q4K7@=b;7?

Q（=Q4:

[eT:

79Q;（U@AQ=7?

Q））;

#5#5-零件装配动画的设计

实现零件的装配动画，（7C7%*为编程者提供了

D=1Q;2:

A71:

;内插值器对象和’A207对象，通过这两者的

结合可以编写出针对三维物体的运动和外观的可视化

效果的变化&

怎么解决三维物体的运动和外观是一个重要的内

容，由于每个零件都放在独立的坐标系中，实现物体运

动其实就是实现零件所在坐标系的运动，因此首先要

确定好每个零件在动画编程中所需的时间控制环节，

也就是要正确配置’A207对象，根据不同零件的装配

要求可以选择I:

P@1@:

=D=1Q;2:

A71:

;对象（使局部坐标系

在两个点之间按照’A207提供的方式移动位置）%Y:

17R

1@:

=D=1Q;2:

A71:

;对象（绕某轴线转）%I:

P@1@:

=I710D=1Q;2:

R

A71:

;对象（在规定的时间周期内，对某一个坐标系按

照指定的路径制定的运动方式进行坐标系的移动）或

者其它对象，确定好每个零件的运动方式#运动时间#

运动路线以实现对不同零件的运动控制;由于在（7C7

%*中笔者引入了所有需要装配的零件，这就造成了在

零件装配的开始，最后装配的零件就会一直显示在页

面，给人们造成视觉的瑕疵，为了解决这个问题，可以

在某个零件装配之前，先把该零件设置为背景色或者

把零件设置为透明色，让它处于’不显示）状态，当需

要该零件装配的时候，再将零件显示出来进行装配，也

就是要对零件（也就是零件所在的坐标系）进行可视

化效果的设置，可以通过’A207对象和形体颜色&:

A:

;R

D=1Q;2:

A71:

;对象或者形体透明度H;7=P27;=Q8MD=1Q;2:

A7R

1:

;对象来改变形体效果获得想要的结果&需要强调

的是D=1Q;2:

A71:

;内插值器对象作用的坐标系必须要允

许写的功能:

:

[eK:

CQI:

P5PQ1&727[@A@1M（H;7=PU:

;?

X;:

O25’TTNShHY’FER

bNYKhSYDH>）;

2:

PD=1i=Q4I:

P@1@:

=D=1Q;2:

A71:

;（7A207，:

[eK:

CQI:

P）;

在用&:

A:

;D=1Q;2:

A71:

;对象时，为了使颜色发生变

化，需要在定义形体材质时通过下面设定允许颜色产

!

!

+!

计算机技术与发展第#!

卷MUN+ATAO$

（7C7%*被称为第-代的三维图形应用程序接

口

［-］

，（7C7%*是（7C7#E*]的标准的扩展，它可以和

普通的（7C7#*#E4@=<#’SH很好地结合，并且对底层

的图形库N2Q=XT和*@;Q81G进行了封装，其意义非同

寻常

［,］

&（7C7%*的优点在于:

提高了编写三维图形程

序的层次，它使用户只考虑图形对象本身，而不用自己

去实现这个对象，也不需要考虑光照#着色#碰撞检查

等极其复杂的图形学问题;（7C7%*集成了（7C7’ID的

功能，一次编程就可以跨平台运行，而且可以充分借用

（7C7的各种功能;（7C7%*最突出的优点在于它代码的

可传输性，它的代码可以自由传输，能够使722AQ1方便

地从服务器传给客户端，也就是说传输的不是图像本

身，而是控制三维图像生成的图像和程序，因而大大节

省了网路传输的数据量

［/］

&

MUO6’3）与+ATAO$在零件装配上的比较

（7C7%*和cYKT作为两种虚拟现实的语言，都可

以动态或者静态的显示三维图像，并实现交互&本课

题的模型都通过I;:

3>建模，将模型引入（7C7%*和

cYKT中进行动态显示的图像分别如图!

#图#所示&

通过比较，可以发现cYKT在该课题中的诸多不

足:

图!

通过cYKT编程获得的零件图像

图#通过（7C7%*编程获得的零件图像

首先从技术上在I;:

3>中的建模需要导入到%*E

K’G进行转换才可以被cYKT利用;虽然cYKT编程

简便，但是与之相适应的浏览器性能不佳;cYKT中的

缺少了有效的碰撞检测的节点;最重要的是在cYKT

中，每个零件装配的临界点不能准确控制，随时控制零

件装配的动画和状态的复原更是一个难关&

其次通过两个图像的对比读者可以观察到:

通过

cYKT编程得到的零件图像表面粗糙;拉近cYKT获

得的图像，因为视角的原因会让观察者产生’零件畸

形）的感觉&

再次cYKT语言内插器节点计算功能薄弱，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#科学计算可视化#虚

拟装配等要求精确复杂控制的领域表现得不尽人意，

限制了cYKT在虚拟装配中的应用

［/］

&

利用（7C7%*编程能够克服在上面的诸多缺点，

并且（7C7%*在检测碰撞方面有良好的效果&不同的

检测算法具有不同的特点和面向不同的应用对

象

［$，.］

，其中T@=&7==M最近特征算法

［"］

与基于层次数

抓结构的层次算法

［!

+］

在碰撞检测方面达到良好的效

果，由此笔者选定（7C7%*作为本次课题的工具&

N利用+ATAO$设计交互式三维零件装配

动画

以虚拟语言（7C7%*为编程工具，通过编程对模

型的控制，实现了装配体的缩放#任意角度的旋转#平

移及在任意的时刻的交互以及机构的工作原理&该设

计分为系统结构设计和程序设计两部分&

NUM系统结构设计

（7C7%*的编程空间采用的是场景图结构（E8Q=Q

X;720E1;O81O;Q），它是有向无环图，它的场景图结构

［,］

和设计中的逻辑结构图分别如图%#图-所示&

图%场景图结构

（7C7%*应用程序的结构和一棵大树很相似，从逻

辑结构图可以看出每个场景图中都有一个虚拟空间形

象的称为’根节点#，在根节点的下面对应一个场所，

每个场所有多个基准坐标系，每个坐标系里面摆放着

三维形体，这就像一个树干上分散着很多树枝，树枝上

面又长满了树叶一样&

NUN程序设计

#5#5!

背景$材质$灯光的设计

按照图-，笔者把背景#材质的颜色#灯光以及各

K:

OPQJQ07C@:

;类，并引入了九个子坐标系，八个子坐

标系里面分别引入八个零件，另一个子坐标系里面组

合几个零件，每个子坐标系都有作用于坐标系的D=1Q;R

2:

A71:

;内插值器对象用以实现动画过程，最后又设计

了几个按钮的程序&

P结束语

通过对（7C7%*场景图分析，给出了实现三维动画

的逻辑结构图，讨论了文件的引入#零件的装配和交互

方法以及按钮的交互程序&最后通过一个实例实现了

交互式三维零件装配的动画#交互过程，形象地表达了

机构的工作原理，满足了方便#形象#直观的要求&用

虚拟的计算机世界来表达了现实的空间，可以广泛地

应用于教学#科研#网页建设等领域，有广阔的应用前

景&

参考文献:

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R

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