基于VRML 和Java Applet 的动态交互场景的构建
2019-11-05李兰
李兰
（山西师范大学现代文理学院，临汾041004）
0 引言
VRML 是跨平台的虚拟现实建模语言，在网络环境中构建三维虚拟场景[1]。VRML 文件规模较小，可以直接嵌入到HTML 文件中去，在一般的浏览器中安装适当的插件就可以超空间的浏览行为仿真，因而在网络制造、虚拟漫游以及计算机动画中得到广泛的应用[2]。
Java 是跨平台的网络分布式计算环境中广泛使用的编程语言，具有强大的编程能力。Java Applet（Java小应用程序）是一种可以加载到Web 页面，由浏览器调用执行的Java 程序，可使Web 页面更加动态、更具交互性[3]。VRML 与Java Applet 的结合能够真正意义上实现动态交互的虚拟场景[4]。
1 VRML交互机制
交互功能是VRML 的一个重要特点，通过交互能使用户在虚拟场景中有身临其境的感觉。交互可通过三种方式实现：传感器节点的交互，Script 节点的交互及EAI 接口的交互。
VRML 中使用传感器节点（时间传感器除外）完成感知浏览者的操作或者在场景中的观察位置，然后对此做出反应的交互功能。常用的有触摸传感器Touch-Sensor 节点感知用户鼠标触发动作；平面传感器Plane-Sensor 节点感知用户鼠标拖曳动作；圆柱体传感器CylinderSensor 节点感知用户绕中心轴拖拽旋转的动作；接近传感器ProximitySensor 节点感知用户所在方位；碰撞传感器Collision 节点感知造型与用户发生碰撞动作，传感器一旦感应到事件的发生，将不断输出该事件到目标节点，从而触发目标的动态效果，使虚拟现实效果更加逼真，但传感器能感应的事件有限，因而交互行为也有限[5]。
VRML 脚本节点Script 用以描述一个由用户自定义的传感器或插补器，通过URL 域包含一组浏览器支持的任何一种语言编写的程序或叫脚本，在产生出事件之前执行计算或处理，并将结果发送到VRML 场景，可以使交互更加灵活[6]。
Script 节点只能绑定程序按照预定规则改变场景，实现静态虚拟效果及简单交互等功能。对虚拟场景与用户的交互、多用户间的交互及网络通讯能力等更具一般性的行为，则需利用EAI 接口的交互实现。EAI的基本思想是外部程序能够通过VRML 事件模型访问VRML 场景节点，从而控制VRML 场景，外部程序即Java Applet，它与VRML 同在HTML 页面中，建立了与VRML 的通信接口，并可与外部数据库建立连接，从而使用户与虚拟场景实现动态交互，真正成为VRML 中的一个角色，一个参与者[7]。
2 整体架构
基于VRML 和Java Applet 相结合的动态交互场景的整体架构如图1 所示。整个系统分为3 层：应用层、实现层和资源层。其中应用层是HTML 界面，VRML 和Java Applet 置于同Web 页面，运行时则在同一个浏览器环境中。VRML 提供虚拟现实的三维场景，Java Applet 则提供实现用户交互的控件，用以控制场景和实时显示动态参数；实现层用Java Applet 编制的程序作为仿真控制的引擎，一方面连接数据库，把数据库的数据传送到场景中，另一方面建立与VRML 场景的接口，用来驱动场景的动态生成与用户的交互等；资源层是用数据库管理系统搭建的数据库，可以存储并更新场景的全部数据参数。其中Java Applet 与数据库的连接接口用JDBC 来完成，Applet 与VRML 的接口用EAI 技术来实现。
图1 动态交互场景的整体架构
3 具体实现
3.1 用户界面及工作流程
系统采用的是浏览器/服务器模式，系统运行用到的程序代码和数据均在服务器上存放，客户端只需要安装浏览器和必要的VRML 插件。HTML 界面包括两部分：VRML 场景和Java Applet 控件，其中Java Applet控件包括按钮、文本框等。HTML 文档中Java Applet程序.class 使用
图2 工作流程
在用户界面上，首先点击“连接数据库”按钮进行初始化，完成数据库的连接操作，系统返回可供Java Applet 程序使用的静态场景数据和动态运动空间位置等参数，并动态生成静态场景。用户点击“开始”按钮，Applet 读取并传输数据至VRML 场景，进行动态交互；同时把相关的数据信息显示在用户界面。点击“停止”按钮，中止此次仿真。
3.2 VRML与Java Applet接口实现
EAI 接口定义了一套针对VRML 浏览器的Java类，其中类vrml external Browser 至关重要，是实现EAI访问的基础[9]。浏览器类（Browser）实际上是VRML 场景的一个Java 封装，包括全部的脚本语言接口，重要的是包含有getNode（）方法。通过该方法可获得一个Node 类的实例，即为VRML 场景中造型节点在Java Applet 中的对应节点。因此通信之初要先创建一个浏览器类的实例，方法如下所示：
Browser browser=Browser.getBrowser（）;
Browser 类实例化后，EAI 即可访问VRML 场景的节点、往eventIn 域发送事件、eventOut 域发出事件及监听eventOut 域，下面分别阐述。
（1）访问节点
VRML 场景中的节点通过浏览器类的getNode（）方法实例化，其eventIn 和eventOut 则通过Node 类的getEventIn（）和getEventOut（）方法实例化为Applet 中的对应体，将域名以字符串参数传入，实例化为EventIn 或者是EventOut。ExposedField 域也允许访问，事件入口需在域名前加set_作为前缀，事件出口需在域名后加_changed 作为后缀。三维场景中已经定义moxing 节点，其实例的获得方法如下所示：
Node moxing=browser.getNode（“moxing”）;
（2）往eventIn 域发送事件
将被访问节点的eventIn 类实例化，即可向场景中该节点发送事件，由于eventIn 是抽象类，必须先强制转换成合适的如EventInSFVec3f 等eventIn 类的子类，才可以提供发送事件的方法。例设置moxing 节点的EventInSFVec3f 类的scale 输入值，如下所示：
EventInSFVec3f scale=（EventInSFVec3f）moxing.getEventIn（“set_scale”）;
（3）eventOut 域发出事件
将被访问节点的EventOut 类实例化，即可获取场景中目标节点eventOut 域的当前值，也可在eventOut域发出事件时设置callback（）方法。eventOut 类同eventIn 一样也是抽象类，必须先强制转换成合适的eventOut 类的子类，才可获取eventOut 当前值的方法。例取得moxing 节点的EventInSFVec3f 类的scale输出值，如下所示：
scale=（（EventOutSFVec3f）moxing.getEventOut（“scale_changed”）））.getValue（）;
（4）监听eventOut 域
当场景目标节点的eventOut 域有新值产生时，EAI提供的监听机制可使Applet 实时反应并进行相应的后续处理。具体实现是先将接口类EventOutObserver 类的子类实例化，调用其advise（）方法监听场景节点的eventOut，发现eventOut 有输出，EventOutObserver 子类的callback（）方法会自动执行。例监听moxing 节点的scale 域发生变化，如下所示：
moxing.getEventOut（“set_scale”）.advise（observer,null）;
3.3 Java Applet与数据库接口连接
Java Applet 与数据库通过JDBC（Java Database Connectivity）连接，JDBC 是Java 语言编写的类和接口，允许Applet 对远程数据库进行访问、获取及更新数据等操作。利用JDBC 接口将Java Applet 与数据库连接的一般步骤有：建立数据源；加载由数据库类型决定的驱动程序；建立与某个数据源的连接；发送SQL 语句；处理返回的ResultSet 类的对象，将查询结果最后显示给用户；关闭连接；捕获异常，尤其是当新建连接、驱动程序加载、语句执行、类型转换等操作发生时的异常。
4 应用实例
图3 为贴装机贴装场景实例。用EAI 实现在同一HTML 页面中三维虚拟世界的浏览（用VRML 创建）和场景的交互（Java Applet 实现），用户界面包括三个按钮（“连接数据库”、“开始”、“停止”）和几个文本显示框，其中按钮用来控制程序的执行，文本框用于动态显示贴装过程参数。
图3 贴装机贴装场景实例
5 结语
VRML 作为虚拟现实标准建模语言，侧重对三维空间场景模型的搭建，复杂交互功能的实现必须借助于Java 等功能强大的高级语言，这样才能让用户真正成为场景的直接参与者与控制者。本文详细论述以Java Applet 作为控制的核心、VRML 场景为三维展示的平台，借助EAI 构建一个三维交互式虚拟场景的方法，以期为VRML 的研究与应用做进一步探索。
