三维结构CAD图形与虚拟现实文件的转换

2013-08-28刘尚蔚张树珺

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年3期

刘尚蔚，张树珺

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.中国科学院大学，北京100049;3.南阳理工学院，河南南阳473004)

虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)［1］是通过创建虚拟场景以达到逼近现实的效果，将Internet变成了一个广阔的三维空间.探讨基于VRML的虚拟现实语言标准将钢结构CAD图形直接转换为文本文件，使得复杂的三维图形以抽象的符号信息在VRML环境下表现出来具有现实意义.

1 VRML概述

1.1 定义及特征

1)平台环境无关.VRML只作为显示系统的通用性基础构架，可同时作为系统分析和设计的工具，与具体实现的软件和硬件环境无关.

2)C/S方式.访问方式基于客户机/服务器模式，服务器提供VRML文件.VRML用户通过网络将VRML文件及其引用的资源下载到本地机来访问虚拟场景，实现了VRML的平台无关性.VRML把虚拟世界看作场景，而场景中的对象看作节点，节点的集合构成了扩展名为wrl的文件.

VRML的主要目的是在网页中实现三维动画效果以及用户交互，是一种ASCII语言，改善了原来HTML 单调、交互性差的缺点［1－4］.

1.2 体系结构

1.2.1 VRML文件扩展名及文件头

VRML文件由文本编辑器编写，其扩展名为wrl或wrz，以wrl应用较多.文件头的语法格式如下:

#VRML V2.0 utf8

该文本行必须位于第一行，语法形式固定.其文件头包括3个部分:VRML说明该文件是一个VRML文件;V2.0表明文件遵循 VRML2.0版本;utf8表示该VRML文件是国际utf8字符集的文件.

1.2.2 原型、造型、路由和脚本

1)原型.节点对其中的域、入事件和出事件的声明，用户可以通过原型扩充VRML节点类型.

2)造型.物体的造型即是场景，场景由表述对象及其属性的节点组成.第一类节点表述视觉和听觉对象，另一类节点参考事件和路由机制.

3)路由.产生事件和接受事件的节点之间的通道.路由不是节点.

4)脚本.用于定义复杂的事件，可以包含利用脚本描述语言编写的函数.还可以动态地增加或删除路由.

1.2.3 事件体系

VRML的交互和动态性能通过事件体系实现，事件为节点提供了接受外界消息和向其他节点发送消息的能力.节点通过事件入口接收事件，通过事件出口发送事件.

图1 场景图事件体系的概念执行模型

1.2.4 基本内容和节点分类

根据作用不同，VRML2.0分为以下几种节点.

1)形态和几何节点.通过这些节点可以构造出原始物体造型.如Box(方盒)，Cone(圆锥)，Cylinder(圆柱)等.

2)几何属性节点.如Color(颜色)，Normal(法向量)，Coordinate(坐标)，Position(位置)，这些几何节点的属性节点相对独立.

3)外观节点.如 Material(材质)，ImageTexture(图像纹理)，TextureTransform(纹理变换).

4)组节点.组节点由一个域可以包含多个子节点，每一个组节点为它的子节点定义了空间坐标.如Group(组)，Transform(变换)，Switch(开关).

5)其他节点的子节点.如Sound(声音)，Shape(形态)，Fog(雾)，LOD(细节层次).

6)非子节点.如 Appearance(外观)，Text(文本)等.

以下6种节点在三维CAD图形转化为VRML文件时经常使用，需要格外关注.

1)Viewpoint.通过该节点，浏览者可以很容易地在虚拟空间中实现远距离传送.

2)Transform.组节点Transform为子节点提供了相对于自身的局部坐标系变换后的新坐标系，其参数在其自身的局部坐标系中定义，并不受自身坐标系变换的影响.

3)Group.节点Group是所有节点中最基本的，也是应用非常广泛的一个节点.它没有坐标变换，这一点与一般的组节点稍有不同.在很多情况下都用于管理节点层次.

4)Indexedfaceset.节点 Indexedfaceset是用来在虚拟空间中构造几何面的，因为任何一个形体从理论上说都是有很多个面构成的，利用Indexedfaceset节点就可以构造出虚拟空间的任何几何造型，可称为万能节点.

5)Imagetexture.在虚拟现实中，每个实体也要有自己的纹理.虽然通过Material节点也可以控制造型的外观材质，但其只是宏观效果，一些细节效果还是通过纹理来实现.

6)Scene Graph.该节点按照一定的规则构成场景图(Scene Graph).

2 AutoCAD数据接口文件DXF和VRML文件的转换

利用AutoCAD可生成DXF文件的数据接口技术，应用高级编程语言把DXF文件里的实体信息提取出来，按照VRML文件格式进行重新组合，以达到提高建模效率、减少数据冗余的目的.

AutoCAD为用户提供了几种文件格式，它们分别以 DWG，DXF，BMP，DWT 等为后缀.AutoCAD 软件支持ASCII文本格式和二进制格式的DXF文件，DXF文件主要用于与其他CAD系统及用户应用程序间的图形信息交换.典型的DXF文件由标题节(HEADER)、类节(CLASSES)、表节(TABLES)、块节(BLOCKS)、实体节(ENTITIES)、对象节(OBJECTS)组成.表1给出了DXF文件的组成.表2表示了ENTITIES节中常用组码的含义.