虚拟社区漫游系统的设计与实现

河南科技大学本科毕业设计（论文）I虚拟社区漫游系统的设计与实现(场景建模)摘 要虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。虚拟现实建模语言VRML被用来描述三维物体及其行为，可以构建虚拟世界。VRML的基本目标是建立互联网上的交互式三维多媒体。 VRML的出现使得虚拟现实像多媒体和互联网一样逐渐走进我们的生活。本文主要研究基于VRML的虚拟场景建模、交互、漫游技术，根据虚拟设计及其主要特点，结合3D MAX和Cosmo Worlds，对基于VRML的虚拟现实技术在人们生活领域的应用进行了研究，着重阐述了如何利用VRML 语言以生动的模型来模拟和显示现实三维空间，最终以人机交互方式来实现社区三维景观的实时漫游。对建筑楼群的建模采用3D MAX三维造型工具和VRML相结合的方式，对这些模型进行优化。同时为了增加真实性，在虚拟社区中加入树木、游人、汽车等模型。这些模型共同构建整个虚拟三维场景，为市政规划建设提供一个科学简便、形象直观的可视化人机交互平台。关键词：虚拟现实，VRML，场景建模，虚拟漫游河南科技大学本科毕业设计（论文）IIDESIGN AND IMPLEMENTATION FOR THE VIRTUAL COMMUNITY ROAMING SYSTEM(SCENARIO MODELING)ABSTRACTVirtual reality is a result of computer development, it may create some scenery that includes senses of sight, hearing and touch. Its characteristics are multi-sensation, existent sense, interaction and independence. VRML can descript three dimensional objects and their behaviors, thus can build virtual world. Because of the appearance of VRML，Virtual Reality comes to our life such as multimedia and Internet.The researches of this paper focus on the modeling, the interacting and the browsing of the VRML-based virtual scene. According to the virtual designing and the main features, unifying the 3D MAX and Cosmo Worlds, based on the VRML virtual reality technology , we have researched the application in the field of peoples life. The paper focuses on how to use VRML language to construct in the model vividly to simulate and display realistic three-dimensional space. Finally, we achieved the real-time roaming in the Three-dimensional landscape of the community by human-computer interaction. We have modeled these buildings by the combination of 3D MAX threedimensional modeling tool and VRML. At the same time, we put other models such as trees， humans and cars into the 3d scene to intensify the sense of the facticity. We use these models to build a virtual three-dimensional scene together, to provide a scientific and simple, intuitive image visualization platform for construction of municipal.KEY WORDS：virtual reality，VRML ，scenario modeling，virtual tour河南科技大学本科毕业设计（论文）III河南科技大学本科毕业设计（论文）IV目 录前 言 .1第 1 章 虚拟现实建模语言 .31.1 虚拟现实建模语言概述 .31.2 基于 VRML 的虚拟场景构造工具及 VRML 浏览器 .51.2.1 文本编辑工具 .51.2.2 三维建模工具 .51.2.3 VRML 浏览器 .6第 2 章 虚拟场景建模分析 .72.1 场景的建模 .72.1.1 节点 .72.1.2 造型节点的层次结构 .82.1.3 节点之间的关系 .82.1.4 大型场景的数据组织 .92.1.5 建模流程 .112.1.6 场景的建立 .112.2 场景对象的优化 .132.2.1 建筑物的二次建模方法 .132.2.2 建模环节的其他优化方法 .142.2.3 文件编辑环节的优化 .15第 3 章 虚拟社区漫游系统的实现 .173.1 开发环境 .173.2 系统结构设计 .173.3 场景模型的建立 .183.3.1 地面建模 .183.3.2 建筑物建模 .193.3.3 植物建模 .213.3.4 其他设 施建模 .23河南科技大学本科毕业设计（论文）V3.4 碰撞检测的建立 .233.4.1 替身的建立 .233.4.2 碰撞的触发 .243.5 视点的建立 .243.6 场景的链接 .24第 4 章 系统测试 .264.1 测试的目标 .264.2 系统测试过程 .264.2.1 单元测试 .264.2.2 集成测试 .28结 论 .29参考文献 .30致 谢 .32河南科技大学本科毕业设计（论文）1前 言随着虚拟现实技术和计算机网络技术的发展，以及数字地球和数字城市概念的为前提的大背景下，虚拟现实技术已经成为计算机领域研究、开发和应用的热点，广泛应用到教育、军事、建筑、医疗、工业设计等各个领域。这一名词是由美国VPL 公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在80 年代初提出的，也称灵境技术或人工环境 1。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体” ，给人一种“身临其境”的感觉。虚拟社区(Virtual Community)是基于地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等高新技术，将社区地理空间信息和其属性信息相结合，构建一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉的虚拟社区景观，用户可以利用计算机网络远程访问这个全新的社区景观，通过终端计算机在虚拟社区中漫游，而且可以进行查询、分析、评价等操作，使用户足不出户也可以有身临其境的感觉 1。虚拟社区漫游系统是数字社区建设的基础，它的研究和创建对以后数字社区的建设有重要的现实意义。它是一个三维可视化的、有声有色的仿真社区景观，既可以为市政建设树立良好的形象，提高社区的知名度，宣传社区文化；还可以作为市政规划的辅助工具，在对社区内部的建筑物、道路、辅助设施进行修建规划时，可以在这个虚拟三维环境中动态交互的对未来社区环境进行全面的审查，为社区规划和设计提供更明确的目标；同时也提高了社区管理的效率和科学化水平，促进远程监控，加快社区建设。总之，它是数字校园建设的基础。河南科技大学本科毕业设计（论文）2本论文研究的虚拟社区漫游系统，是以现实中功能社区为虚拟空间，根据VR技术原理，创建出社区里基本的建筑物、道路、广场、车辆、人物、树木等虚拟模型，然后以VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)为核心，结合3D MAX等建模工具，实现基于 TCPIP 协议和因特网的逼真虚拟校园漫游系统，使得用户更加方便、灵活的在虚拟社区中漫游三维模型；使真实性、交互性和动态性得到了更充分的体现。河南科技大学本科毕业设计（论文）3第 1 章 虚拟现实建模语言1.1 虚拟现实建模语言概述虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language ，VRML）是第二代WWW 的标准语言，是一项与多媒体、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术 1。熟悉 3W 的人们都知道，由于 HTML 语言的局限性，VRML 之前的网页只能是简单的平面结构。尽管借助 Java 技术可以实现一些三维的效果，可是要完全构造出一个三维的环境是不可能的。而 VRML 的诞生恰恰弥补了这一缺陷。VRML 是一种基于文本的通用语言，是 HTML 的三维模型。它定义了当今 3D 应用中绝大多数常见概念，如变换层级、光源、视点、几何、动画、雾、材质属性和纹理映射等。一个 VRML 的三维立体景象一般是由成百上千个多边形组成，这些多边形是构建计算机三维景象的基本材料。VRML 规范是 1994 年在瑞士日内瓦召开的万维网（ WWW）会议上，由Mark Pesce 和 Tony Parisi 首先提出的。它的 1.0 版本只允许建立一个可以探索的环境，不能提供交互功能，也没有声音和动画。VRML2.0 规范于 1996 年 8 月通过。它在 1.0 的基础上进行了很大的补充和完善。VRML2.0 改变了 1.0 版本中只能创建静态 3D 景物的限制，增加了行为，可以让物体旋转、行走、滚动、改变颜色和大小。它提供了梯度和纹理映射背景、与地点相关的声音以及可以将MPEG-II 视频映射到任意对象上的节点。它还提供了带轮廓的地形、突出、碰撞检验、模糊效果以及常见的文本。VRML 文件通常包括 4 个主要部分：文件头(Header)，原型(Prototypes)，场景图(Scene graph)，事件路由(Event routing) 2。文件头部分是必须且唯一的。后 3 个部分没有严格的先后次序要求，只要求后者使用的对象在前者中已经定义，并且这 3 个部分可以有任意多个。另外，可以在 VRML 文件内添加注释。VRML 定义了 54 种节点，新增了 3 种数据类型，而且几乎所有的节点都被或多或少地增加了功能，至少可以发送或接收消息。简单地说，VRML2.0 的全部功能可以分为二大部分：创建三维实体及对对象的编程。这二部分是密不可分河南科技大学本科毕业设计（论文）4的，因为在 VRML 中，任何一个创建的实体都可以发送和接收消息，并通过JavaScript 与外部 Java 进行交换，从而实现真正的交互功能。此外， VRML2.0 还改进了编程格式，使之更加符合面向对象编程的思想，增加了交互的功能，具体表现在一些新增的节点，如 Sensor Interpolator 等。同时，VRML2.0 还有支持声音、动画等功能。VRML2.0 的节点主要分成以下 20 大类：（1） 造型尺寸、外观节点：Shape、Appearance 、Material（2） 原始几何造型节点：Box 、Cone 、Cylinder、Sphere（3） 造型编组节点：Group、Switch、Billboard（4） 文本造型节点：Text、FrontStyle（5） 造型定位、旋转、缩放节点：Transform（6） 内插器节点：TimeSensor、PositionInterpolater、OrientationInterpolater、ColorInterpolator、 ScalarInterpolator、 CoordinateInterpolator（7） 感知节点：TouchSensor、CylinderSensor 、PlaneSensor 、SphereSensor 、VisibilitySensor、ProximitySensor、Collision（8） 点、线、面集节点：PointSet、IndexedLineSet、IndexedFaceSet 、Coordinate（9） 颜色、纹理、明暗节点：Color、ImageTexture、PixelTexture 、MovieTexture、Normal（10） 控制光源的节点：PointLight 、DirectionalLight、SpotLight（11） 背景节点：Background（12） 声音节点：AudioClip、MovieTexture、Sound（13） 细节控制节点：LOD（14） 雾节点：Fog（15） 空间信息节点：WorldInfo（16） 脚本节点：Script（17） 控制视点的节点：Viewpoint、NavigationInfo河南科技大学本科毕业设计（论文）5（18） 海拔节点：ElevationGrid（19） 挤出节点：Extrusion（20） 用于创建新节点类型的节点：PROTO 、EXTERNPROTO、IS通过这些节点的相互组合和协调，几乎可以模拟现实世界中的任何对象。1.2 基于 VRML 的虚拟场景构造工具及 VRML 浏览器1.2.1 文本编辑工具VRML 用 ASCII 文本格式来描述境界和链接。因此，可以用写字板或其它的文本编辑器来编写 VRML 程序(保存时要以