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《中国科学技术大学》 2017年
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基于WebGL的EAST可视化系统

夏金瑶  
【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。
【关键词】:EAST WebGL Three.js WebVR HTML5 虚拟现实
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL631.24;TP391.9
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-17
  • 第1章 绪论17-27
  • 1.1 课题研究背景17-18
  • 1.2 国内外研究现状18-23
  • 1.2.1 DⅢ-D中的虚拟现实系统19-20
  • 1.2.2 Alcator C-Mod中的虚拟现实技术应用20-21
  • 1.2.3 ITER的WebVR应用21-22
  • 1.2.4 EAST中的虚拟现实技术应用22-23
  • 1.3 研究意义和研究内容23-24
  • 1.4 创新点24-25
  • 1.5 本章小结及论文结构25-27
  • 第2章 Web3D关键技术27-41
  • 2.1 Web3D技术27-32
  • 2.1.1 Web3D技术概述27-28
  • 2.1.2 Web3D常用技术比较28-32
  • 2.2 HTML532-33
  • 2.2.1 HTML5概述32
  • 2.2.2 HTML5 Canvas32-33
  • 2.3 WebGL技术33-35
  • 2.3.1 WebGL网页结构33
  • 2.3.2 WebGL坐标系统33-34
  • 2.3.3 WebGL程序流程34-35
  • 2.4 Three.js35-38
  • 2.4.1 Three.js概述35
  • 2.4.2 Three.js场景的构建35-37
  • 2.4.3 Three.js外部模型的导入37-38
  • 2.5 WebVR38-39
  • 2.5.1 头戴式显示器38
  • 2.5.2 WebVR介绍38-39
  • 2.6 本章小结39-41
  • 第3章 基于WebGL的EAST可视化系统设计41-50
  • 3.1 需求分析41-42
  • 3.2 系统目标42
  • 3.3 系统功能42-44
  • 3.4 系统结构设计44-45
  • 3.5 界面布局设计45-46
  • 3.6 数据库设计46-49
  • 3.7 本章小结49-50
  • 第4章 EAST Wiki系统50-63
  • 4.1 技术背景50-52
  • 4.1.1 wiki简介50
  • 4.1.2 wiki的特点50
  • 4.1.3 Mediawiki的介绍50-52
  • 4.2 需求分析52
  • 4.3 系统设计52-53
  • 4.4 系统实现53-62
  • 4.4.1 Mediawiki的安装与配置53-55
  • 4.4.2 扩展功能的设置55-60
  • 4.4.3 页面的创建60-61
  • 4.4.4 页面展示61-62
  • 4.5 本章小结62-63
  • 第5章 Web模型编辑器63-70
  • 5.1 需求分析63-64
  • 5.2 技术背景64-65
  • 5.2.1 Three.js编辑器64
  • 5.2.2 结构组成64-65
  • 5.2.3 存在的问题65
  • 5.3 Web模型编辑器的实现65-69
  • 5.3.1 功能描述65-66
  • 5.3.2 场景的预设66
  • 5.3.3 STL模型的导出66-68
  • 5.3.4 模型上传68-69
  • 5.4 本章小结69-70
  • 第6章 基于WebGL的EAST可视化系统的实现70-106
  • 6.1 概述70-71
  • 6.2 模型建立71-80
  • 6.2.1 EAST主机模型72-73
  • 6.2.2 真空室内模型73-76
  • 6.2.3 电磁测量模型76-78
  • 6.2.4 诊断模型78-80
  • 6.3 模型优化80-83
  • 6.3.1 CATIA优化81
  • 6.3.2 3DSMAX优化81
  • 6.3.3 Deep Exploration优化81-82
  • 6.3.4 VRML优化82
  • 6.3.5 模型对比82-83
  • 6.4 虚拟场景的构建83-85
  • 6.4.1 引入Three.js库文件83-84
  • 6.4.2 初始化渲染场景84
  • 6.4.3 模型的导入84-85
  • 6.5 虚拟场景的交互85-94
  • 6.5.1 场景的控制85-86
  • 6.5.2 模型的拾取及右键菜单86-90
  • 6.5.3 树形目录90-92
  • 6.5.4 控制栏92-94
  • 6.6 实验数据的可视化显示94-101
  • 6.6.1 Webscope的显示94-95
  • 6.6.2 等离子体位型显示95-96
  • 6.6.3 放电视频的显示96-100
  • 6.6.4 导心轨迹的显示100-101
  • 6.7 系统演示101-104
  • 6.7.1 web页面101-102
  • 6.7.2 WebVR显示102-103
  • 6.7.3 历史模型显示103-104
  • 6.8 本章小结104-106
  • 第7章 总结与展望106-108
  • 7.1 总结106-107
  • 7.2 展望107
  • 7.3 本章小结107-108
  • 参考文献108-110
  • 致谢110-111
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果111

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