虚拟机械制造系统是一种新型的人机交互系统，是现代机械设计发展方向。本文阐明了VRML的特点，从机械产品开发模式中提出了VRML的关键技术，并探讨了VRML研究的方向。
前言
在无法预测的和快速变化的市场环境下，制造业如何才能按客户需求做出快速反应，是企业成败的关键，而虚拟机械制造正是解决这一问题的有力武器。VRML即虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)，作为第二代www标准语言，正越来越广泛地应用于Internet上创建虚拟的三维空间。在国内，当前工程界在很大程度上还是依赖于二维图形进行技术交流；而对于产品的推广展示，主要还是实物、广告传单、实物图片、录像资料以及少量的3D动画等展示，这种产品展示，因受设备规模、场地条件等的限制，能在展示现场看到实物如何工作的机会并不多，对于一些机械产品，仅观其外观是不能很好的了解机器的性能和工作特点的。而VRML的应用可使参展的机器设备能被全方位的进行内外部的观察，真实的模拟其组装和拆卸过程、工作运行情况等，并且参观者可参与交互。在VTML构筑的虚拟世界中，通过操纵浏览器从各个角度逼真的看到所感兴趣的产品的每个细节，从而为人们提供最为直观和详尽的技术资料。
1 虚拟现实及建模工具VRML的特点
虚拟现实(Virtual Reality，VR)，又称为虚拟环境(Virtual Environments)、仿真技术(Simulator Technology)等。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果。它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界。虚拟现实是采用计算机生成一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。置身于该环境中的人可以通过各种传感设备与这一虚构的现实进行交互作用，达到彼此交替更迭、融为一体的程度。虚拟显示技术有四个重要特征：即多感知性、存在感、交互性和自主性，但并不是任何一个虚拟现实系统都具有上述的所有特性。
VRML文件是一个基于时间的三维空间，它包含了可通过多种机制动态修改的图形对象和听觉对象。VRML文件的一个重要特性是能够通过包含关系把文件组织在一起，并能够通过超链接把文件联系在一起。利用层次性文件的包含关系可以创建任意大的动态境界。
VRML的另一特性是它试图用在分布式环境中，因而内建了支持多个分布式文件的多种对象和机制，包括内联式(In-Lining)嵌入其他VRML文件、通过超链接指向其他文件、采用业已制订的针对其他文件格式的Internet和ISO标准等。VRML的访问方式是基于客户/服务器模式的。其中服务器提供VRML文件及支持资源(图像、视频、声音等)，客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟境界。相对于其他技术。VRML除对宽带要求较低、无关平台性、改善协同用户的协同界面外，还有以下的特点：
1) 从理论上讲对VRML浏览器来说，应能处理由数亿个对象组成的分布在Internet上的境界。
2) VRML在高、低档的机器上都应该工作得很好，它应允许浏览器为了提高性能而降低图像或仿真质量，而在硬件性能增强时质量可以变得更好。
3) VRML境界可以相对于网络性能而伸缩，从目前常见看，VRML作为一种标准，不可能满足所有应用的具体需要，如希望交互性更强，希望画面质量更高，希望VR世界更复杂。这些要求往往是相互制约的，同时又都受到用户平台硬件性能的制约，因而VRML被定义为可扩充的，即可以根据需要定义自己的对象及其属性，并通过原型、描述语言等机制使浏览器能够解释这种对象及其行为。
4) VRML是一个开发标准，为了加强协作，避免技术重复和市场冲突，而鼓励其他技术引用VRML或成为VRML的一部分。与VRML关系密切的三项技术是Java3D、MPEG-4和Chrome。其中，Java3D和VRML都把3D Web作为关键应用对象，前者的优势在于程序设计，后者的优势在于场景构造，二者在可编程3D Web应用方面密切合作。正在制订的MPEG-4面向基于内容的交互式视讯应用，可以为VRML提供流技术、压缩和音响同步技术，而MPEG-4用VRML来描述3D内容。
2 基于VRML的虚拟机械产品的开发模式
Mitchell M.Tseng等人从支持虚拟设计的角度出发，描述了基于虚拟机械产品的开发流程。
图1 基于虚拟机械产品的开发流程
基于VRML的虚拟机械产品的开发模式与传统物理样机的产品开发模式，有以下特点：
1) 全新的设计模式。虚拟机械产品开发过程是基于并行工程的理念，大量采用单领域、多领域仿真技术，使产品在设计阶段的早期就能经济、方便地分析和比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数；通过可视化技术来设计产品，预测产品在真实环境下的行为特征，优化系统设计。一些复杂的系统工程如飞船、机器人的设计，需要投入巨大的资金，若用技术建立仿真系统代替实物模型进行研究或样机设计，可以大大节约资金、人力和物力。
2) 低成本，短周期、高质量。基于虚拟机械产品的设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。进行性能和人机工程方面的研究时，将允许人直接参与操作模拟。在虚拟环境中所进行的虚拟制造过程。用户可通过方便的接口进行干预，从制造的角度考察设计，为设计的更改和优化提供制造方面的依据。对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟，可在设计过程的最初阶段发现可能存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费。利用虚拟机械产品设计可以大大放松对成本和时间的限制，完成大量的物理样机无法完成的虚拟试验，从而无需物理样机就可以获得最优设计方案。基于虚拟机械产品设计方法可以减少物理样机的数量，降低研发的成本，缩短研发周期，同时保证设计出高质量的产品。
3) 支持产品生命周期。虚拟机械产品设计可应用于产品开发的不同生命周期，并伴随产品生命周期的演进而不断丰富和完善。在产品设计的不同阶段，有着相应的虚拟机械产品样机，如需求阶段的需求样机、设计阶段的设计样机等。
4) 支持产品的全方位测试、分析和评估。基于VRML的虚拟机械产品样机技术可以支持不同领域人员从不同的角度对同一虚拟产品并行进行测试、分析和评估活动。
3 基于VRML的机械产品网络协同设计
VRML作为一种虚拟样机的建模工具。在实践中得到了广泛的使用。面对面的交流是协作设计的最有效方式，但受制于地理位置和时间，同时现代工程化设计是以群体、协同和国际化为基本特征的。在基于网络的虚拟制造中，利用网络技术可突破时空限制，实现异地、多人的协同设计问题。但基于普通Web界面限制了三维设计的交流。而将VRML技术应用于基于Internet的虚拟制造中，将网络技术和VR技术结合起来，为协同(包括远程)设计提供一个三维、异地、多人的交流互动协同平台，支持产品的并行设计，有效地缩短产品设计周期。
利用VR技术可方便地结合起来，为协同(包括远程)设计提供了三维、异地、多人交流互动协同平台，支持产品的并行设计，有效地缩短了产品设计周期。
利用VRML可以方便地建立3D虚拟协同设计空间，作为设计人员之间的交流平台。由于VRML集成了虚拟现实技术，协作者能够在协同空间中漫游，有身临其境的感觉，再辅之以聊天室和白板等交流工具，可以非常轻松地讨论整个产品设计方案，也容易向用户(通常是非技术人员)陈述设计方案。
为了实现同步协同，虚拟协同空间可以是消息驱动的，因此消息流程至关重要。虚拟协同信息流程，如图2所示。
图2 基于网络的虚拟协同设计信息流程
4 结论
由于VRML的三维场景，在Internet网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范。正是基于VRML的这种工作机制，才使其可能在网络应用中有很快的发展。作为第二代www的核心支撑技术之一的VRML，可以提供三维的、交互的、逼真的网上虚拟现实交互手段，这使得VRML可以方便地应用于网络虚拟制造技术中，具有广阔的前景。当初VRML的设计者们考虑的也正是文本描述的信息在网络上的传输比图形文件迅速，所以他们避开在网络上直接传输图形文件而改用传输图形文件的文本描述信息，把复杂的处理任务交给本地机从而减轻了网路的负荷。
但长期而言，三度空间的全球信息网所要面对的是虚拟世界的规模和效率的问题。要使VRML能成功地运用于网络虚拟制造技术中，在2D页面集成方面，可以探索VRML和Microsoft的Chrome协作的可能性外，还必须对传输过程中的通信机制、安全性等问题进行进一步的研究。
