劉正春，王 勇，張晨光

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

新型高炮的電氣系統(tǒng)是整門高炮的神經(jīng)中樞，具有設(shè)備繁多、連接關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整門高炮將無(wú)法運(yùn)作。通常的在線檢測(cè)系統(tǒng)只提供各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示，無(wú)法體現(xiàn)實(shí)物檢測(cè)的直觀性、測(cè)試點(diǎn)間的電路邏輯關(guān)系以及系統(tǒng)各裝置間的電氣連接關(guān)系，使得工程人員容易忽視故障點(diǎn)，導(dǎo)致診斷失誤。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]應(yīng)用于新型高炮在線診斷系統(tǒng)中，利用Delphi搭建上位機(jī)的在線診斷平臺(tái)，采用ActiveX技術(shù)嵌入Cult3D炮上虛擬環(huán)境交互模型，從而創(chuàng)造出一個(gè)形象逼真的炮上虛擬內(nèi)部場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)各虛擬電氣設(shè)備的在線測(cè)量，就能給工程人員提供一個(gè)良好的輔助維修環(huán)境。

1 新型高炮電氣裝置在線診斷系統(tǒng)

新型高炮在線診斷系統(tǒng)通過(guò)虛擬交互技術(shù)模擬炮上各電氣設(shè)備的實(shí)際空間位置、連接關(guān)系以及設(shè)備箱體拆裝過(guò)程，并提供設(shè)備內(nèi)部電路板塊的在線測(cè)試交互控制。工程人員在計(jì)算機(jī)前操作虛擬裝置具體測(cè)試點(diǎn)，系統(tǒng)通過(guò)USB接口向下位機(jī)下達(dá)測(cè)試指令，下位機(jī)將測(cè)量的實(shí)際信號(hào)上傳至用戶界面，其數(shù)據(jù)傳遞如圖1中所示。工程人員可以采用手動(dòng)測(cè)試排障，即從虛擬炮上環(huán)境中選擇測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行在線測(cè)試，通過(guò)下位機(jī)反饋測(cè)試結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)式排障；也可以從故障診斷模塊選擇專家知識(shí)庫(kù)內(nèi)現(xiàn)有故障現(xiàn)象，由計(jì)算機(jī)以專家決策庫(kù)為推理機(jī)制自動(dòng)測(cè)試、反饋和排障。

如圖1所示，由用戶操作逐級(jí)調(diào)用相應(yīng)虛擬炮上環(huán)境模型，各電氣裝置模型由Cult3D模型庫(kù)存儲(chǔ)，包括炮上視景、單體裝置、拆裝結(jié)構(gòu)和單板(電路板)等模型。信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)換模塊用于識(shí)別界面被選測(cè)試點(diǎn)信號(hào)，從測(cè)試點(diǎn)屬性庫(kù)中獲取硬件測(cè)試號(hào)，通過(guò)通信模塊從USB接口向下位機(jī)傳達(dá)測(cè)試指令(根據(jù)通信協(xié)議，唯一標(biāo)識(shí)測(cè)試點(diǎn)的硬件測(cè)試號(hào)作為測(cè)試指令，標(biāo)號(hào)為0～1 023)。

在設(shè)計(jì)中要滿足工程人員虛擬炮上環(huán)境的真實(shí)沉浸感，在診斷故障時(shí)，既能達(dá)到界面操作如同操作真實(shí)炮上各電氣裝置的效果，又能通過(guò)軟件提供的電氣連接導(dǎo)航快速切換各電氣裝置，從而輔助診斷。要達(dá)到這樣的效果，如何構(gòu)建炮上環(huán)境的虛擬平臺(tái)以及如何利用Cult3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)交互控制是其關(guān)鍵。

2 基于Cult3D技術(shù)建立動(dòng)態(tài)模型

2.1 虛擬環(huán)境的構(gòu)建與電氣裝置模型的建立

使用3DS Max軟件建立炮上虛擬環(huán)境平臺(tái)的三維模型。首先需分析新型高炮炮體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)各電氣空間位置、內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、以及各級(jí)間層次關(guān)系(包括分系統(tǒng)級(jí)、箱體級(jí)與板級(jí))，由此建立3DMax中彼此獨(dú)立又具有裝配關(guān)系的組件，以便于在Cult3D中建立各組件的父子關(guān)系[2]，系統(tǒng)組件層次關(guān)系如圖2所示。以隨動(dòng)系統(tǒng)為例，它由隨動(dòng)控制箱、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)組、高低方位受信儀(箱體級(jí))組成，隨動(dòng)控制箱又由若干個(gè)電路板、若干個(gè)控制板(電路板級(jí))等組成。

炮上虛擬環(huán)境和系統(tǒng)層以高炮內(nèi)部場(chǎng)景為對(duì)象，鼠標(biāo)提示各裝置名稱以及父級(jí)系統(tǒng)名稱，這兩層為虛擬漫游方式，建模以形體和照片紋理為主，以保證交互畫面的流暢；當(dāng)用戶操作進(jìn)入到箱體層和電路板層，以虛擬模型展示及交互為主，工程人員可360°旋轉(zhuǎn)、縮放對(duì)象，操作箱體的開關(guān)、旋鈕等器件，也可在線測(cè)試電路板關(guān)鍵點(diǎn)的電壓、波形等參數(shù)。

2.2 模型的虛擬動(dòng)態(tài)交互控制

系統(tǒng)將3DS Max+Cult3D+Delphi作為一種新型的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在高炮炮塔的擬實(shí)環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互式設(shè)計(jì)，并在Delphi這個(gè)強(qiáng)大的編程工具中完成對(duì)動(dòng)態(tài)模型的控制，即Delphi通過(guò)Cult3D提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的漫游與操作，并獲取用戶操作信息，從而向下位機(jī)下達(dá)測(cè)試指令。

借助Cult3D Exporter插件將3DS Max中的各電氣裝置模型輸出為*.c3d文件，在Cult 3D Designer中將*.c3d導(dǎo)入，對(duì)預(yù)設(shè)動(dòng)畫進(jìn)行交互性設(shè)計(jì)，逼真地模擬出炮上環(huán)境漫游與各裝置的連接關(guān)系與拆裝過(guò)程，對(duì)各實(shí)體還可以提供文字提示(Tooltip)。Cult3D是一個(gè)完全拖放式軟件，從場(chǎng)景圖窗口(Scence Graph)選中要操作的箱體(如圖3中的**Box01)、電路板(**Circuit01)或開關(guān)等組件，拖入事件映射窗口(Event Map)，然后在動(dòng)作窗口(Action)中選擇要實(shí)施的動(dòng)作和觸發(fā)該動(dòng)作的事件，其中有鼠標(biāo)和鍵盤兩種觸發(fā)事件。通過(guò)預(yù)覽窗口(Stage Window)可以預(yù)覽交互動(dòng)作的效果。最后輸出*.co壓縮文件，以供Delphi調(diào)用[3]。

圖3部分顯示了某箱體拆分、可測(cè)點(diǎn)測(cè)試等動(dòng)作的映射圖。最終文件輸出為(*.co)壓縮文件，該格式文件占用空間小，可嵌入HTML網(wǎng)頁(yè)或 Word、Power point、Acrobat等多媒體應(yīng)用軟件中。利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的顯示調(diào)用方式將其嵌入Delphi軟件平臺(tái)中。

3 診斷平臺(tái)虛擬動(dòng)態(tài)模型的控制

3.1 3DS Max、Cult3D和Delphi軟件平臺(tái)的接口

3DS Max和Cult3D是兩個(gè)不同的應(yīng)用軟件平臺(tái)，電氣裝置虛擬模型的建立是在3DS Max軟件上完成(格式為*.max)，而模型的交互動(dòng)作是在Cult3D軟件中編輯完成的，最終具有交互動(dòng)作產(chǎn)品(*.co)要發(fā)布到Delphi軟件平臺(tái)上使用。Cycore公司提供的Cult3D Exporter和Cult3D Viewer兩個(gè)插件分別用于3DS MAX向Cult3D Designer(*.max->*.c3p)和Cult3D Designer向Delphi(*.c3p->*.co)3個(gè)軟件平臺(tái)接口的格式轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

3.2 診斷平臺(tái)虛擬裝置動(dòng)態(tài)模型的嵌入

新型高炮在線診斷平臺(tái)采用Delphi軟件開發(fā)。ActiveX控件是一組采用COM(Component Object Model，部件對(duì)象模型)使得軟件部件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行交互的技術(shù)集，可嵌入到包容器宿主應(yīng)用程序中，與開發(fā)平臺(tái)無(wú)關(guān)。因此，在一種編程語(yǔ)言上開發(fā)的ActiveX控件在Delphi軟件平臺(tái)上調(diào)用無(wú)須作任何修改，其效果如同使用Windows通用控件一樣。選用ActiveX技術(shù)來(lái)嵌入電氣裝置的虛擬模型。

Cult3D ActiveX Player提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)IECult.dll，在Delphi環(huán)境下有2種調(diào)用方法：

1)隱式調(diào)用(靜態(tài)調(diào)用)，使用“external ‘IECult.dll’”，在程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)加載dll，加載完畢后，應(yīng)用程序中可以任意使用dll中的函數(shù)、過(guò)程，應(yīng)用程序結(jié)束時(shí)會(huì)自動(dòng)釋放dll。

2)顯式調(diào)用(動(dòng)態(tài)調(diào)用)，編程控制dll的加載與釋放，使用更加靈活。由于隱式調(diào)用會(huì)存在自動(dòng)終止和內(nèi)存駐留的問(wèn)題，因此使用顯式調(diào)用法，其關(guān)鍵代碼如下：

myHandle:=LoadLibrary(‘IECult.dll’); //加載dll

if myHandle>0 then //加載成功則執(zhí)行 try

FPointer:=GetProcAddress(myHandle, PChar(‘LoadCult3D’));

//取函數(shù)‘LoadCult3D’的地址

if FPointer<>nil then //如果函數(shù)存在

begin

myFunc:=TDLLDemo(FPointer);

….// ‘LoadCult3D’函數(shù)調(diào)用

end;

finally

FreeLibray(myHandle);

End;

3.3 Delphi平臺(tái)與動(dòng)態(tài)模型的交互

利用顯式調(diào)用，可以靈活控制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的加載與釋放，并且如同通用控件一樣調(diào)用鏈接庫(kù)中的各種Cult3D函數(shù)，主要分為兩類：

1)模型屬性函數(shù)，用于控制被調(diào)用模型的背景、初始位置等各類場(chǎng)景基本屬性，比如‘bgcolor’可控制模型空間背景色。

2)模型交互控制函數(shù)，包括模型的加載(‘LoadCult3D’)、當(dāng)前操作姿態(tài)的捕獲(‘GetActionStatus’)、觸發(fā)事件的操作(‘TriggerAction’/‘TriggerEvent’)等函數(shù)。其中的事件為Cult3D中已經(jīng)定義好的操作事件，比如，Cult3D中將“拆分箱體”這個(gè)動(dòng)作過(guò)程定義為‘Dispart’，在Delphi平臺(tái)中用語(yǔ)句“TriggerEvent(‘Dispart’)”實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作的調(diào)用。

Delphi調(diào)用Cult3D模型的關(guān)鍵代碼如下，第1段代碼根據(jù)用戶操作，從數(shù)據(jù)庫(kù)提取被選模型路徑，將模型加載至界面；第2段代碼實(shí)現(xiàn)通過(guò)桌面按鈕控制模型的拆分。

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

var str:string;

begin

with ADOQuery1 do

… end; //從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取模型路徑

str:=getcurrentdir+’/’+ADOQuery1.FieldByName(’模型路徑’).AsString;

Cult3DP1.LoadCult3D(str); //加載模型

end;

procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);

begin

Cult3DP1.TriggerEvent(’Dispart’);

//通過(guò)Button控制拆分動(dòng)作

end;

診斷系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示(僅部分顯示虛擬交互相關(guān)功能)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ActiveX技術(shù)提供了在Delphi軟件平臺(tái)中引入Cult3D虛擬交互模型的方法，該方法只須對(duì)Cult3D模型加載一次，便可以一直保持與模型的交互，達(dá)到“一次運(yùn)行、多次使用”的效果；創(chuàng)造出一個(gè)形象逼真的炮上虛擬環(huán)境和各電氣設(shè)備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的三維世界，提高了監(jiān)測(cè)過(guò)程的直觀性和故障定位的準(zhǔn)確性，為工程人員提供了一個(gè)良好的維修診斷環(huán)境。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，場(chǎng)景的真實(shí)感和繪制的實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)的兩個(gè)基本要求，但由于炮上漫游場(chǎng)景的復(fù)雜性，在現(xiàn)有硬件條件下, 真實(shí)感和實(shí)時(shí)性往往是需要均衡的兩個(gè)要點(diǎn)[4]。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 項(xiàng)晨，劉曉，蔣剛毅，等.三維數(shù)字城市的建設(shè)[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29(20)：69-71.

XIANG Chen, LIU Xiao, JIANG Gang-yi.Construction of 3D digital city[J]. Computer Engineering，2003，29(20)：69-71.(in Chinese)

[2] 濮青，徐云.應(yīng)用Cult3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互式三維人臉動(dòng)畫[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16(3)：382-384.

PU Qing, XU Yun. Implementation of interactive 3D facial animation with Cult3D technology[J]. Journal of Computer-Aided Design and Computer Graphics，2004，16(3)：382-384.(in Chinese)

[3] 蘇威洲，童仲豪，葉翰鴻.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維互動(dòng)——Cult3D應(yīng)用指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：73-75.

SU Wei-zhou, TONG Zhong-hao, YE Han-hong.Ma-king internet 3D interactive-Cult3D application manul[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2001：73-75.(in Chinese)

[4] 胡松濤.產(chǎn)品展示能手——Cult3D入門與提高[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002：112-114.

HU Song-tao.A fiend of products display-Cult3D accidence and promotion[M].Beijing：China Power Press，2002：112-114.(in Chinese)