一种基于Web3D的交互式维修支持系统*

2010-04-26王伯文杨建华

舰船电子工程 2010年10期

傅冰王伯文杨建华

(海军工程大学电子工程学院1) 武汉 430033)(海军驻柳州四三四厂军事代表室2) 柳州 545005)

1 引言

随着信息技术的飞速发展和宽带网的普及,基于网络的维修支持系统在装备保障信息化中占有越来越重要的地位。但是当前网络上的图形以2D为主,静态的平面图片和二维的FLASH动画无法对装备的功能、结构等特点进行充分表达。而基于Web 3D技术,遵循IETM技术思想的交互式维修支持系统能够对装备维修和技术培训提供有效的支持,能够有效提高武器装备的保障、维修以及训练的质量,节省经费,产生军事和经济的双重效益。

2 关键技术简介

2.1 IETM技术

在全球范围信息革命浪潮中,CALS(Continuous Acquisition and Life-cycle Support,持续采办与全寿命周期支持)被迅速地推向全世界,并成为整个信息化的基础工程[1]。而作为CALS战略的重要组成部分,也是装备保障信息化技术研究和应用热点之一的IETM,在国外军事及民用领域都已有广泛的应用。

IETM旨在通过采用优化的信息编排方式和格式,将使用维护和诊断装备系统所需的相关信息在电子屏幕上以交互式用户界面提供给最终用户[2],从根本上解决采用传统的技术资料载体和组织模式情况下在技术手册的分发、使用、维护、更新和保存等环节上的诸多困难,从而有效应对在装备保障信息海量化条件下迅速、有效获取有用技术信息支持这个瓶颈问题的挑战,保证保障力和战斗力的形成。根据美国国防部统计,由于使用IETM,美军技术文档编写、出版、更改的费用、时间均大大降低,而故障定位的准确率却提高了35%[3]。

2.2 Web 3D技术

Web 3D标准的研究、定义和推广,主要是由Web 3D联盟组织来完成的。但是由于过于庞大的技术体系、不尽如人意的实时渲染效果、使用不够便捷等原因,其推出的VRM L标准并未成为行业标准。从而市场上存在着众多的实现方案:Cult 3D 、Java 3D 、Viewpoint、Atmosphere、Shockwave 3D、Pulse 3D等等。这些软件各具特色,在渲染速度、交互性、造型技术、图像质量和数据的压缩与优化上都各有特长。具体见表1。

表1 Web 3D技术的比较

通过表1的比较可以看出:VRML和Java 3D采用编程的方式开发三维作品,因此模型的制作和3D的交互设计都需要通过手工编写繁琐的程序文件来实现,这对开发人员是一种挑战;而像Cult 3D、Viewpoint、Atmoshpere、Shout 3D这几种的 Web 3D技术则将三维模型构建与交互设计分开进行,这无疑降低了开发的风险与难度,也缩短了开发的周期和成本。尤其是Cult 3D技术,基于Java内核,有很强的交互性和可扩展性。基于以上分析,本论文选择了Cult 3D作为开发交互式维修支持系统的Web 3D技术。

3 交互式维修支持系统的设计与实现

3.1 系统功能设计

交互式维修支持系统的功能应包含两个部分:基本功能和3维交互功能。

基本功能包括:

◦访问控制与用户信息管理:通过用户权限分级管理和用户访问认证实现对用户访问的控制,限制非法登陆企图,捕获及处理休止状态;

◦信息集成:将符合基础数据标准的装备基本技术数据(包括十四类基本信息中的文本、图片、表格、视频)、维修记录及故障库、三维交互信息按照所需的粒度划分成基本信息单元,通过基本功能和基本应用的需求通过信息间的链接,将所有技术信息集成为一个整体;

◦信息的发布:以多种方式、多种渠道提供技术信息,使用户能够便捷地获得所需的技术信息支持;

◦信息管理:多所包含的技术信息进行管理(添加、删除、修改、检索),同时提供相应的安全机制,确保数据安全、稳定、组织有序。

3维交互功能包括:

◦在网络中通过对3D装备实体的交互式操作,实现从复杂的设备技术资料中对所操作装备实体相关技术资料的索引;

◦通过Web 3D技术,能够将装备拆装等复杂的装备维修过程以直观、交互的形式表现出来,使得装备维修得到最为直接的技术指导。

3.2 系统实现思路及体系结构

交互式维修支持系统的本系统主体部分采用Browser/Server结构,具体见图1。主要包含四个部分:浏览器、Web服务器、中间件、数据库服务器。用户通过浏览器上的统一信息服务界面完成用户与系统的交互,方便地完成信息查询条件的录取和数据库的选择。Web服务器与用户浏览器之间通过HTTP连接作为数据交互接口,接受用户的请求,并将激活中间件后获得响应反馈给浏览器。中间件则负责用户与数据库服务器之间的信息传递,并通过相应的应用服务将数据库服务器中信息组织起来满足用户的需求。数据库服务器使用了Oracle数据库保存用户信息、应用管理信息、实体管理信息、信息管理信息、资源管理信息,负责根据请求组织、调用数据库。

图1 交互式维修支持系统的体系结构

3.2.1 信息组织

整个系统的基础数据层组织如图2所示,分为系统结构组织、信息结构组织、资源结构组织三个层次来进行组织。在基础数据层的基础上再构建基本功能层和应用主题层,满足IETM应用的需要。

3.2.2 页面流程设计

系统的页面流程设计见图3。

3.3 交互式3D操作的实现

在通过Browser/Server结构完成基本信息系统功能的基础上,采用Cult 3D技术实现基于网络的装备3D实体互操作,并提供展现装备维修过程的3D资源元素。

图4 三维模型建模

第一步是使用三维动画制作软件(如3D Studio Max)进行三维模型构建和动画设计(如图4所示),通过Cult 3D Exporter插件输出为*.c3d文件。

第二步,使用Cult 3D Designer对三维进行交互功能制作,在Cult 3D Designer中为三维模型加入交互功能与控制模块。Cult 3D Designer载入*.c3d文件,经过交互式制作完成缩放、旋转、平移、局部凸现、透视、外部信息链接等功能对鼠标、键盘相应操作的响应。完成后用户可以任意移动观察视角的角度、放大缩小观察视野、连接外部数据,还可以通过操作键盘和鼠标来凸现装备的局部关键部分而隐藏其余部分,观注装备的内部结构。通过实时交互操作,用户在交互的3D环境中完成对装备的分解和组装过程。制作完成后将文件输出成为*.CO文件,以供Web或其他程序使用。

另外需要说明的是外部数据链接的实现。由于Cult 3D支持标准的后端系统和数据库界面,通过对后台数据库系统的连接和中间件应用功能的调用,实现对与操作实体相关信息的索引与集成。