基于WebGL的EAST可视化系统

摘要

随着虚拟现实技术的快速发展，基于Internet的Web3D技术不仅在教育、旅游、房地产等行业得到了广泛的应用，在国际核聚变装置如ITER、DⅢ-D、Alcator C-Mod等都发挥着重要的作用。EAST作为中国的大科学装置，不易接近，包含复杂的诊断测量系统，因此我们建立了基于VRML和Java3D的虚拟EAST系统，结合虚拟现实技术使用户不需要到现场便可以在EAST装置内漫游。随着EAST装置不断的升级改造和EAST实验数据被越来越多的国际合作者共享和分析，原有的系统因安装配置复杂、模型简单以及与实验数据库连接不完善等原因越来越无法满足科学研究人员的需求。因此，我们重新建立了零插件、跨平台的基于WebGL的EAST可视化系统。该系统的建立使得EAST科学研究人员能够更加快速全面的了解EAST装置内外部结构以及获取EAST实验数据，对EAST实验的进行和研究具有重要的意义。
　　基于WebGL的可视化系统的关键实现技术是WebGL库文件Three.js、HTML5以及WebVR API。该系统的建立主要包括虚拟场景的构建，场景的交互控制，实验数据的可视化显示和场景的沉浸式体验。构建虚拟场景的前提是模型，模型的大小和质量决定了最终在网页上的加载速度和渲染效果，因此我们对建立的模型进行不同程度的优化以实现模型精度与渲染速度的平衡。场景的交互控制主要包括模型的旋转、缩放、拾取以及信息的显示。实验数据的可视化主要实现与实验数据库的连接，显示数据波形图、放电视频以及等离子体位型、粒子轨道等数据可视化。最后，我们调用WebVR API实现系统的沉浸式体验。为了方便管理员收集和管理信息与模型，我们分别建立了EAST wiki系统和Web模型编辑器。EAST wiki系统用于EAST装置以及诊断测量系统的信息收集与显示，Web模型编辑器用于模型的导入导出、模型的编辑以及模型的上传。
　　最终建立的基于WebGL的可视化系统是一个沉浸感强、界面友好的开放性综合平台。用户通过Web浏览器便可以浏览EAST装置模型，获取诊断测量部件的工程物理参数以及通过对应的信号名获取EAST实验数据的可视化显示。通过头戴式显示器可以增强用户的沉浸感和VR体验。
　　本文的创新点如下:
　　(1)搭建了零插件、跨平台的综合系统，提供了EAST装置模型、工程物理参数以及EAST实验数据访问的统一入口。
　　(2)建立模型的在线编辑器，实现模型的自动化导入。用户可以通过可视化的方式在Web浏览器上编辑模型并上传，实现模型的自动化处理。
　　(3)建立开放式的信息管理平台——EAST wiki系统，提供多人共享，协作编辑的方式实现EAST相关信息的收集与管理，具有完善的权限管理和历史版本的控制。
　　(4)细节层次模型加载的研究，利用LOD（Level of Detail）原理，在模型场景中只加载简化后的模型，进一步获取模型部件时显示部件的详细模型。实现模型加载速度与模型精度的平衡。
　　(5)研究WebVR技术，实现EAST装置虚拟场景的VR体验。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 DIII-D中的虚拟现实系统

1．2．2 Alcator C-Mod中的虚拟现实技术应用

1．2．3 ITER的WebVR应用

1．2．4 EAST中的虚拟现实技术应用

1．3 研究意义和研究内容

1．4 创新点

1．5 本章小结及论文结构

第2章 Web3D关键技术

2．1 Web3D技术

2．1．1 Web3D技术概述

2．1．2 Web3D常用技术比较

2．2 HTML5

2．2．1 HTML5概述

2．2．1 HTML5 Canvas

2．3 WebGL技术

2．3．1 WebGL网页结构

2．3．2 WebGL坐标系统

2．3．3 WebGL程序流程

2．4 Three．js

2．4．1 Three．js概述

2．4．2 Three．js场景的构建

2．4．3 Three．js外部模型的导入

2．5 WebVR

2．5．1 头戴式显示器

2．5．2 WebVR介绍

2．6 本章小结

第3章 基于WebGL的EAST可视化系统设计

3．1 需求分析

3．2 系统目标

3．3 系统功能

3．4 系统结构设计

3．5 界面布局设计

3．6 数据库设计

3．7 本章小结

4．1 技术背景

4．1．3 Mediawiki的介绍

4．2 需求分析

4．3 系统设计

4．4 系统实现

4．4．1 Mediawiki的安装与配置

4．4．2 扩展功能的设置

4．4．3 页面的创建

4．4．4 页面展示

4．5 本章小结

第5章 Web模型编辑器

5．1 需求分析

5．2 技术背景

5．2．3 存在的问题

5．3 Web模型编辑器的实现

5．3．1 功能描述

5．3．2 场景的预设

5．3．3 STL模型的导出

5．3．4 模型上传

5．4 本章小结

第6章 基于WebGL的EAST可视化系统的实现

6．1 概述

6．2 模型建立

6．2．1 EAST主机模型

6．2．2 真空室内模型

6．2．3 电磁测量模型

6．2．4 诊断模型

6．3 模型优化

6．3．1 CATIA优化

6．3．3 Deep Exploration优化

6．3．4 VRML优化

6．3．5 模型对比

6．4 虚拟场景的构建

6．4．1 引入Three．js库文件

6．4．2 初始化渲染场景

6．4．3 模型的导入

6．5 虚拟场景的交互

6．5．1 场景的控制

6．5．2 模型的拾取及右键菜单

6．5．3 树形目录

6．5．4 控制栏

6．6 实验数据的可视化显示

6．6．2 等离子体位型显示

6．6．3 放电视频的显示

6．6．4 导心轨迹的显示

6．7 系统演示

6．7．2 WebVR显示

6．7．3 历史模型显示

6．8 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

7．3 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果