用JAVA3D实现三维实体上数据结果的展示

第24卷第2期宜春学院学报(自然科学)Vol.24,No.119 2002年4月Journal of Yichun Universi ty(natural science)Apr.2002用JAVA3D实现三维实体上数据结果的展示邓方宝(宜春学院理学院数学系,江西宜春336000)y[摘要]本文采用JAVA3D语言,对三维空间表面上的数据进行直观地可视化显示.显示的结果是交互式的,可以改变观测角度及任意缩放.本文通过一个具体模型,说明了该方法的可行性,并给出了具体实施过程及相应的具体程序.[关键词]JAVA3D;三维模型;数据显示;可视化[中图分类号]TP3121JA[文献标识码]A[文章编号]1671-380X(2002)02-0045-03Visualization of Data on3-Dimensional Surface by JAVA3DDENG Fang-bao(The mathematics department o f science institue,Yichun university,Yichun33600,0China) Abstract:In this paper,the visualiztion of the datum on3-Dimensional surface was conducted by JAVA3D language1 The outcome of display is interactive,and it is changeable in angle and size1This paper try to prove that the method is feasible with a material model,and give the process and the progra m of performing1Key Words:JAVA3D;3D Model;da tum display;visualiztion1引言目前,各种研究成果非常多,不少成果表现为数据结果,如何直观形象地把枯燥的数据展现出来就显得非常重要.现在一般是使用OFFICE EXCEL制表软件等把数据制成表格、曲线或曲面.这种方法可移植性差,也缺少交互性,只对于简单数据是可行的,但对于在三维空间的不规则曲面上的数据显示就难于实现.另一方面,随着互联网的发展,许多研究的数据结果需要放到互联网上以实现共享,如果这种结果显示是根植于三维模型且有一定的交互功能,他人就能更好地通过互联网来了解共享这些科技成果.JAVA3D是JAVA的一组API(应用编程接口),是JAVA语言[1]在三维领域的扩展.是一个编写三维应用程序的性能优越的工具.编写JAVA3D程序时,只需找到所需要的对象,了解对象及其特性并将其加以应用,就可快速地编写出复杂的三维应用程序.JAVA3D程序和其它JAVA程序一样,可以在网页上运行,因而利用JAVA3D就能很方便地在互联网上交互式显示三维模型上的数据结果.2主程序框架的实施JAVA3D程序是由类组成的,程序中的类Data_ 3D是自定义的公共类,它是用public class Data_3D e xtends Applet{}来声明,使该程序作为Applet程序,可插入到超文本HTML文档中来运行.JAVA3D作为JAVA的一个API,本身包含了几乎所有编写交互式三维应用程序所需要的最基本的类、方法及接口[2].它的核心类及接口存放在javax1media1j3d程序包中,而且JAVA3D还提供了一个重要的有助于快速编程的应用类型的程序包com1sun1j3d1utils.凡是能够利用的外部的类均需用import引入上述包中的类,因而使用JAVA3D能方便快速地编写实现三维实体数据可视化的三维应用程序.类Data_3D(Data_3DX)是本文的主程序,见附件一源程序Data_3D1java(Data_3DX1java),其内容主要是由以下几个方法组成:211程序中自定义类Data_3D的构造方法Data_3D ()在构造方法中,首先设置一个边界页面布局(BorderLayout),再调用预设的图形配置值来建造了一个三维图形窗口环境.通过调用createSceneGraph 方法来建立一个拥有三维形体及其它内容的具体场景图分支节点BranchGroup.并设置好灯光效果,最后将该场景图分支节点BranchGroup放入到整个场景图中的合适位置.该方法用来创建一个实际的Data_3D类,生成一个具体的场景图.212建立场景图内容分支的createSceneGraph()方#45#y收稿日期:2001-09-25作者简介:邓方宝(1964-),男,江西奉新人,计算机硕士,讲师,从事数学、计算机教学和科研工作.法该方法由以下几个部分组成,¹设置场景图的白色背景及其有效范围;º生成一个存放标志条图片的局部坐标系以作为数据显示的参照;»生成可用鼠标控制旋转、平移、放大缩小变化的一个局部坐标系;¼调用具体的自定义类Car_Body 类(Car_BodyX 类)的实体构造方法生成车体对象.213 控制坐标系的旋转、平移、放大缩小变化的defaultMouseGroup()方法鼠标对象一共有三个:MouseRotate 、MouseZoom 和Mouse Translate,它们分别作用于鼠标的左、中、右键(如果没有中键,可以用Alt+左键来代替).这三个鼠标对象用于控制坐标系的旋转、平移、放大缩小变化.由此可以实现交互性操作.214 在场景图分支中建立设置灯光的createLights ()方法环境光的设置要用到AmbientLight 对象,而D-irectionalLight 对象用来设置定向光.定义任何对象的有效范围时,需定义一个B oundingSphere 对象,再用这个对象来限定灯光对象的有效范围.最后还需将灯光对象加入到BranchGroup 对象中.215 JAVA 3D 程序成为Application 应用程序的方法 JAVA 3D 作为JAVA 语言的API,用JAVA 3D 编写的程序也是JAVA 程序,既可成为Applet 程序,也可成为Applicatoin 程序.增加一个main ()函数(方法)可以使程序变成Windows Application 类型的应用程序.3 具体模型的实施311 建立轿车车体的数学模型以复合材料轿车车体上的一个加工数据[3]为例.将轿车车体分解成许多小四边形,每个小四边形的四个顶点应尽量共面,每个顶点的坐标数据可以给定,应保证每四个顶点构成一个共面或近似共面的小四边形,所有这些坐标数据都存放在一个数据文件car 1dat 中.其数学模型见图1.图1 轿车车体的数学模型对于车体上已加工的数据结果,可以是温度、光滑度、弯曲度等等,或者本身就是颜色.,通过换算公式转换成相应的颜色值.具体实现时,将需要显示的数据放在车体中小四边形的每个顶点上,通过JAVA 3D 程序,将车体上的数据结果以相应的颜色直观地显示出来.312 确定颜色值与具体数据结果值的转换关系 由于用JAVA 3D 程序运行后显示出来的车体是以颜色来表示数据的,因此,颜色必须与数据值相对应.JAVA 3D 颜色模型是一种24位RGB(红、绿、蓝)模型,它的颜色对象可包含24位的颜色信息,指定为红(0~7位)、绿(8~15位)、蓝(16~23位)组件,其构造函数为:Color3f(float r,float g,float b)其中r-红色组件,g-绿色组件,b-蓝色组件 对于任意给定的一组红、绿、蓝值(float r,float g,float b),其中010f [r,g,b [110f,它对应一种相应的颜色.反之,一种指定的颜色由它的红、绿、蓝成份值r,g,b 来组成,也即一种颜色对应一组值r,g,b.基于这种对应关系,在以连续颜色显示车体来表示数据结果的程序中,要显示的车体上的每个数据,在程序中首先加工成值的范围在010f 与110f 之间的浮点数c olorscale,将该浮点数构成一组红、绿、蓝值来对应某一种颜色,按照方式(1-colorscale,co-l orscale,015f*colorscale )转换成颜色.当然也可按其它方式转换产生对应不同颜色的显示效果.事实上,也可以使用r,g,b 的值为整型数,形式为(int r,int g,int b).其中的r,g,b 的值满足:0[r,g,b [255,可以使用这些RGB 三原色整数值的任意组合来创建任意指定的一种颜色,同样,一种指定的颜色也由它的红、绿、蓝成份整数值r,g,b 来构成,在以二位纹理显示车体来表示数据结果的程序中,就利用整型数据值来表示红、绿、蓝成份值进行组合来产生指定的颜色.313 建立颜色标志条作为具体数据结果的参照 对车体上的数据结果,通过上述方法转换成相应的颜色,在JAVA 3D 程序运行后显示出一个带有各种颜色的车体.但是仅从显示的颜色是无法准确判断具体数据的,因此,根据上述的转换计算公式建立一个颜色标志条作为判断具体数据结果的参照.该颜色标志条具体标示了颜色所对应的数据范围,程序执行后,随车体的显示而同时显示,以作为一个参照.具体建立颜色标志条时,将车体上要显示的数据值加工成RGB 三原色的成份值,这样的红、绿、蓝#46#第2期 宜春学院学报(自然科学) 第24卷成份值对应一种具体的颜色.将要显示的数据值与所对应的颜色描绘在一起,就建立了一个颜色标志条.这样的颜色标志条就可用来表示数据值的范围. 如图2-1右侧给出了一种较为简单的颜色标志条,用于以连续变化的颜色显示车体后所给出的一个参照.而图2-2右侧给出了另一个颜色标志条,用于以二位纹理对车体表面进行着色后显示的颜色与数据的对照,每种颜色代表一个数据区域范围.314 以连续颜色显示车体来表示数据结果 这里建立生成具体车体对象的自定义类Car_Body 类.其中构造车体外形的数据以及车体节点上的数据均存放在一个数据文件car 1dat 中.首先声明一个Car_Body 类,然后定义其相应的构造方法Car _B ody ().在Car _B ody()中,利用数据文件car 1dat 建立一个文件输入流对象,输入构成所有小四边形的节点坐标数据后,把各个节点连成一链表,全体顶点就生成了空间中一个三维车体外形. 假定每个节点上有需要显示的数据,将节点上需显示的数据折算成颜色值,也就是通过颜色来表示数据结果,这一步可根据需要改变.建立由小四边形组成的车体实例后,把节点链及颜色数组赋给它,这样形体所显示的颜色是连续变化的.注意建立该车体时,必须把C OLOR_3标志赋给它.设置显示模式时要把属性值POLYGON_FILL 赋给该形体,就完成了Car_Body 类的建立.源程序Car_Body 1java 见附件一.程序经编译运行后,显示出一个不规则三维形体上的数据结果,显示的形式是以颜色来表示车体上各个部分的数据.可以用鼠标进行放大缩小、旋转及平移操作,是一种交互式地展示车体上的各部分显示效果的情形.程序运行后从其中一个角度展示的结果如图2-1.图2-1 JAVA 3D显示的车体上的数据图2-2 JAVA 3D 显示的车体上的数据 图2-1显示的结果是以连续变化的颜色来代表数据,通过已建立的颜色与具体数据对应的标志条来判断数据结果,下面的方法,是指定一种颜色代表一个数据范围,利用离散的一定数量的颜色来显示数据结果.315 以二位纹理显示车体来表示数据结果这里定义为Car _B odyX 类.不同的地方是利用二位纹理使用若干种颜色对形体表面进行着色,而不是用连续颜色对形体表面进行着色.在Car_BodyX 类中,读入构成车体的数据和车体上要显示的数据的语句部分与Car_Body 类的前面内容完全相同,生成节点的部分也与Car_Body 类中的语句一样.为实现用二位纹理着色显示车体,需要把由所有小四边形构成的实体的COLOR_3特性改为TEXTURE_COORDI NATE_2特性.把数据折算成节点上的纹理数据后赋给四边形实体.程序中重要的是建立纹理图,由于这一段程序较复杂,故把建立纹理图的具体过程定义成类中的一个方法,同样附上源程序Car_BodyX 1java,见附件一.程序运行后获得的某个角度的结果见图2-2.显示的结果是不同颜色代表着不同的数据区域.通过已建立的颜色标志条可以判断颜色对应的数据范围,所显示的车体上每部分颜色都表示了确切的数据结果.参考文献:[1]江春华,蔡洪斌1JAVA 程序设计基础与提高[M]1北京:电子科技大学出版社,19981[2]张杰1JAVA 3D 交互式三维图形编程[M ]1北京:人民邮电出版社,19991[3]Shunliang Jiang,Kerang Han,Chuck Zhang,andBen Wang,Process Design of Resin Transfer Mold -ing with Computer Simulation[C]15th international mechanical engineering congress and exposition,Anaheim,Canada,November,19981#47#第2期 邓方宝:用JAVA 3D 实现三维实体上数据结果的展示 第24卷。