（农业机械化工程专业论文）基于web的虚拟校园系统的构建.pdf

山东农业大学硕士学位论文捅要随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展，虚拟现实的仿真技术也日益成为当前研究的热点。通常传统的校园三维立体图内容单一，缺乏实体感，实用价值受到限制，而虚拟校园是将虚拟现实技术引入到“数字校园”的研究中，为校园的规划和设计提供了一种全新的手段。虚拟校园三维模型不仅能自然、真实、形象地表达现实世界的对象，而且拓展了现实校园的时间和空间维度，从而扩展其功能。本文在分析了虚拟现实( v i r t u n r e n i t y ) 技术的概念、基本特征及其在国内外发展应用情况的基础上，结合校园的具体情况，构建了基于w e b的v c s 虚拟校园系统，包括虚拟校园的三维建模、漫游、多媒体播放及实时交互，并实现了v c s 虚拟校园系统的网上发布。( i ) 采用图形与图像混合建模技术，实现了v c s 虚拟校园系统的三维建模，并对虚拟世界中复杂物体建模技术进行了探索，总结出了树木、花草等复杂对象建模的一般方法，分析并解决了几何体的纹理映射问题，极大地减少了场景制作的工作量。( 2 ) 以v r m l 与j a v a 语言相结合作为系统的主要开发工具，利用v r m l 场景的两种扩展机制，实现了可供浏览的、实时交互的v c s 虚拟校园系统场景，并采用自动漫游和交互漫游两种方式进行场景漫游。( 3 ) 将多媒体技术整合到v c s 虚拟校园系统中，实现了在三维虚拟环境中多媒体课件的播放、控制。( 4 ) 利用重用和原型机制简化代码及减轻浏览器的负担等技术来实现系统的优化，总结出了一些提高浏览速度的方法，解决了大型场景的浏览速度问题。( 5 ) 采用a s p 技术进行数据库的链接，将v c s 虚拟校园系统在网上发布，实现了具有真正意义的分布性、三维性、交互性、多媒体集成性和境界逼真性的虚拟校园系统。关键词：w e b ，虚拟校园，三维建模，交互性基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n do t h e rr e l a t i v et e c h n o l o g y , t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yi sah o tr e s e a r c hi s s u ea tp r e s e n t t h et r a d i t i o n a lc a m p u s si l l u s t r a t i o ni sa l w a y st o os i m p l ea n dl a c k st h er e a l i t y a sar e s u l ti t sp r a c t i c a lv a l u ei so f t e nl i m i t e d i n t r o d u c i n gv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi n t ot h er e s e a r c ho fn u m e r i c a lc a m p u sc a np r o v i d ean e wm e t h o df o rc a m p u sd e s i g na n dp l a n n i n g v i r t u a lc a m p u s3 dm o d e ls p a c en o to n l yo f f e rt h en a t u r a l ，r e a l ，v i s u a la n dv i v i dr e p r e s e n t a t i o no fr e a lw o r l db u ta l s oc a nd e v e l o pt i m ea n ds p a c eo fc a m p u s ，s e q u e n t i a l l ye x t e n di t sf u n c t i o n t h i sp a p e re x p a t i a t e so nc o n e e p ta n dc h a r a c t e r so ft h ev i r t u a lr e a l i t ys y s t e m i te x p o u n d st h es t a t u so ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv ra l s o t h ev i r t u a lc a m p u ss y s t e mb a s e do nw e bi sr e a l i z e da c c o r d i n gt os o m ec o n c r e t ec o n d i t i o n so fc a m p u s i ti n c l u d e s3 dm o d e l i n g ，r o a m i n g ，m u l t i m e d i ap l a y i n ga n dr e a lt i m ei n t e r a c t i o n t h ew e bp u b l i c a t i o no ft h es y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sr e s e a r c ha r et h ef o l l o w i n g ：( 1 ) t h et e c h n o l o g yo fg r a p h i ca n di m a g e b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n gi sa d o p t e d ，a n d3 dm o d e lo fv i r t u a lc a m p u ss y s t e mw e r ea c c o m p l i s h e d t h eg e o m e t r ym o d e l i n go fc o m p l e xo b j e c ti se x p l o r e di nv ra n dc o m m o n l ym e a n sw e r es u m m e du ps u c ha sf e e s f l o w e ra n dg r a s se t c t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt e x t u r em a p p i n gp r o b l e m so fb i ga n ds m a l lg e o m e t r yo b j e c t ，w h i c hc a nr e d u c ew o r k l o a do f b u i l d i n gs c e n e ( 2 ) t h ec o m b i n a t i o no fv r m la n dj a v aw a su s e da sm a i ne x p l o i t a t i o ni n s t r u m e n ti nv i r t u a lr e a l i t ys y s t e m t w ok i n d se x t e n dm e c h a n i s mo fv r m ls c e n ew e r ea d o p t e dt or e a l i z et h ef u n c t i o no fb r o w s ea n di n t e r a c t i o n a u t o m a t i s mr o a m i n ga n di n t e r a c t i o nr o a m i n gw e r eu s e di nt h es c e n er a m b l es y s t e ma l s o ( 3 ) t h em u l t i m e d i at e c h n o l o g yw a ss y n c r e t i z e di nv i r t u a lr e a l i t ys y s t e m ，w h i c hc a na c h i e v et h ef u n c t i o no f p l a ya n dc o n t r o lo f c o u r s e w a r e ( 4 ) u s i n gm e c h a n i s m so fd e f u s ea n dp r o t o t y p er e d u c e dt h eb r o w s e rb u r d e nt t山东农业大学硕士学位论文t oa c h i e v eo p t i m u ms y s t e m t h i sp a p e rs u m m a r i z e ds o m em e t h o d sw h i c hc a l li m p r o v eb r o w s i n gr a p i d i t ya n da c c o m p l i s hb i gs c e n eb r o w s i n g ( 5 ) t h el i n kb e t w e e nv i r t u a lc a m p u ss y s t e ma n dd a t a b a s ea d o p t e dt h ea s pt e c h n i q u e v i r t u a lc a m p u ss y s t e mw a sp u b l i s h e di nw e ba n da c h i e v e dt h ei n t e n t i o no fd i s t r i b u t e d ，3 d ，i n t e r a c t e d ，m u l t i m e d i aa n dv i v i dv i r t u a lc a m p u ss y s t e m k e y w o r d s ：w e b ，v i r t u a lc a m p u ss y s t e m ，3 dm o d e l ，i n t e r a c t i o ni i iy9 0 5 9 g $关于学位论文原创性和使用授权的声明本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名导师签名日期：盈丘彳阳山东农业大学硕士学位论文1 引言1 1 虚拟现实概述虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y , v r ) 又称灵境技术，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感与测量技术、人机交互技术、网络技术、微电子技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。虚拟现实已经被人们公认为是2 1 世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。t1 1 虚拟现实技术的概念及特征虚拟现实技术采用以计算机技术为核心的现代高科技手段构造出逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互并相互影响，从而产生等同于真实环境的感受和体验1 2 j 。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为的虚拟环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉【3 】。从本质上说，虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界( 环境) ，是一种高级的人机交互系统。根据上述定义，虚拟现实由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界( 环境) ，另一部分为介入者( 人) 。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界的体验，这样，我们可以得到虚拟现实的概念模型如图1 - 1 所示【4 j 。g r i g o r eb u r d e a 和p h i l i p p ec o l f r e t 在他们的著作l 矗r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y 中指出，v r 具有三个重要的特征，就是人们熟悉的“3 i ”特征1 5 】：( 1 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) ，是指v r 系统不再像传统的计算机接口技术一样，用户与计算机的交互方式已经是自然的，就像现实中人与自然交互基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建一样，完全沉浸在通过计算机所创建的虚拟环境中，使用户成为系统中的一部分，有身l f 缶其境的真实感觉。( 2 ) 交互。 生( i n t e r a c t i o n ) ，是指v r 系统区别于传统三维动画的特征，用户不再是被动地接受计算机所给予的信息或者只是旁观者，而是能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体，以改变虚拟世界。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓取的物体也立刻随着手的移动而移动。( 3 ) 想象力( i m a g i n a t i o n ) ，是指用户利用v r 系统可以从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。图1 1 虚拟现实的概念模型f i g 1 1ac o n c e p t u a lv i r t u a lr e a l i t ym o d e l1 1 2 虚拟现实系统的分类实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类1 6 】：( 1 ) 沉浸式虚拟现实系统高级的沉浸式虚拟现实系统提供完全身临其境的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的虚拟感觉空间，利用位置跟踪器、数据手套或其它手控输入设备以及声音、图像等使参与者产生一种身临其境的感觉。常见的沉浸式虚拟现实系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。( 2 ) 增强现实型虚拟现实系统增强现实型虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强在山东农业大学硕士学位论文现实中无法或不方便获得的感受。典型的实例是战斗机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力观察敌人的飞机和导航偏差。( 3 ) 分布式虚拟现实系统如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时进入一个虚拟空间，共同感受虚拟的经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。( 4 ) 桌面型虚拟现实系统桌面型虚拟现实系统利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟世界的窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实环境的充分交互，这些外部设备包括鼠标、键盘、追踪球、力矩球等。它允许参与者通过计算机屏幕观察3 6 0 度范围内的虚拟境界。用户可以使用输入设备与虚拟场景进行交互，并操纵其中的物体，但仍然会受到周围现实环境的干扰，因此参与者缺少完全的沉浸感。由于桌面型虚拟现实系统成本相对较低j 因而应用比较广泛。常见的桌面型虚拟现实有：基于v r m l ( 虚拟现实建模语言) 的虚拟现实、基于静态图像的虚拟现实q u i c k t i m e v r 、桌面三维虚拟现实、m u d 等i s 。1 1 3 虚拟现实系统的关键技术虚拟现实的关键技术主要包括以下几个方面1 7 】：( 1 ) 环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，环境建模的目的是获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用c a d 技术( 有规则的环境) ，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。( 2 ) 实时三维图形绘制。三维图形的生成已经较为成熟，实时三维图形绘制技术其关键是如何实现“实时”生成。传统真实感图形绘制算法追求的是图形的真实感和高质量，而对每帧画面的绘制速度并没有严格的限制。而虚拟现实系统要求的实时图形绘制本质上是一种限时计算技术，即基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建要求算法必须在给定的时间内，完成对场景的绘制。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于1 5 帧秒，最好是高于3 0 帧秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。( 3 ) 立体显示和传感器技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交互技术己经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。( 4 ) 应用系统开发工具。v r 应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了达到这一目的，必须研究v r 的开发工具。例如，v r 系统开发平台、分布式v r 技术等。( 5 ) 系统集成技术。由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等【8 】。1 2 虚拟现实技术的发展及国内外研究现状1 2 1 国外虚拟现实技术的发展过程及研究现状虚拟现实技术的发展大体上可以分为四个阶段：有声、形、动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段( 1 9 6 2 年以前) 、虚拟现实萌芽为第二阶段( 1 9 6 2 年一1 9 7 2 年) 、虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段( 1 9 7 3 年一1 9 8 9 年) 、虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段( 1 9 9 0 一至今) 。( 1 ) 虚拟现实技术的前身虚拟现实技术是一种有效地模拟生物在自然环境中的视、听、动等行为的交互技术，其概念是发展和变化的。虚拟现实技术与仿真技术的发展是息息相关的，当人们在放风筝时，就可以看见栩栩如生的模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景。风筝的拟真、拟声、互动的行为是仿真技术4山东农业大学硕士学位论文从古至今在人们生活中的应用，这一阶段历经了漫长的历史。后来该技术传到西方，西方人称风筝为飞行器，利用风筝的原理发明了飞机。具有2 7 项专利的发明家e d w i n a l i n k 于1 9 2 9 年发明了飞行模拟器，使乘坐者的感觉和坐在真的飞机上是一样的。1 9 6 2 年，美国m o r t o nh e i l i g的专利“全传感仿真器”的发明，有振动、声的感觉。该专利也蕴涵了虚拟现实技术的思想。人们由动物飞的行为得到了启发，产生了丰富的想象力，它推动了仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身，蕴涵了虚拟现实的思想。仿真和计算机的发展促使了虚拟现实技术的萌芽【9 】。( 2 ) 虚拟现实技术的萌芽阶段2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代初是虚拟现实思想萌芽阶段。第一个具有虚拟现实思想的装置是由m o r t o nh e i l i g 在1 9 6 2 年研制成功的称为s e n s o r a m a 的具有多种感官刺激的立体电影设备。事实上，这是一种只供给个人观看的立体电影设备，具有立体声功能，能产生不同气味。座椅根据剧情而摇摆和震动，观看者还能感受到风的吹动，这是一项电子模拟技术与娱乐业相结合的全新技术。但观众只能看不能改变所看到的和所感受到的环境，即无交互操作功能。1 9 6 5 年计算机图形学的奠基者i v a ns u t h e r l a n d 发表了“t h eu l t i m a t ed i s p l a y ”论文，提出了一种全新的图形显示技术0 1 。他在论文中指出：“计算机屏幕犹如一个窗口，通过这个窗口，我们就可以看到一个虚拟世界 “】。随后的1 9 6 6 年，美国m i t 的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。1 9 6 8 年i v a ns u t h e r l a n d 研制成功第一台头盔式显示器h m d ( h e a d m o u n t e dd i s p l a y ) “】。该头盔式显示器由两个阴极射线管( c r t )组成，可显示计算机生成的立体图像。并发表了题为“a h e a d m o u n t e d3 dd i s p l a y ”的论文，对头盔式三维显示装置的设计要求、构造原理进行了深入的讨论，并绘出了这种装置的设计原型，成为三维立体显示技术的奠基性成果f 1 3 1 。( 3 ) 虚拟现实概念和理论的初步形成1 9 7 3 年到1 9 8 9 年为虚拟现实技术的第二阶段。1 9 7 3 年，m y r o nk r u e g e r 提出“a r t i f i c i a lr e a l i t y ”的思想，展示了称基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建之为v i d e o p l a c e 的“一种并非存在的概念化环境”。7 0 年代，计算机图形学以及相关技术的飞速发展，为计算机仿真系统提供高质量的、实时交互作用的三维图形奠定了理论基础i l4 j 。2 0 世纪8 0 年代初到中期，美国国家航空和宇航局( n a s a ) 及美国国防部开始研究外层空间环境。1 9 8 4 年，n a s a a m e s 研究中心虚拟行星探测实验室的m m c g r e e v y 和j h u m p h r i e s 博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。随后n a s a 又投入了资金对虚拟现实技术进行研究和开发。1 9 8 5 年以后，由于f i s h e r 的加盟在j a r o nl a n i e r 的接口程序的基础上作了进一步的研究。随后在虚拟交互环境工作站( v i e w ) 项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器等设备。1 9 8 6 年，研制成功了第一套基于h m d 及数据手套的v r 系统v i e w( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n tw o r k s t a t i o n ) 。v i e w 是一个通用的、由多传感器组成的个人模拟器和遥现( t e l e p r e s e n c e ) 装置【1 5 。1 9 8 7 年，美国s c i e n t i f i ca m e r i c a n 发表论文，报道了一种称为d a t ag l o v e 的虚拟手控器。d a t ag l o v e 是由v p l 公司制造的一种光学屈曲传感手套，手套的背面安装有三维跟踪系统，这种手套可以确定手的方向以及各手指的弯曲程度，该文引起了公众的极大兴趣i l “。1 9 8 9 年，v p l 的创始人之一j a r o nl a n i e r ，创造了“v i r t u a lr e a l i t y ”( 虚拟现实) 这个名词，意指“计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是投入到这个环境中去的”。根据他创造的这个名词的意思，v r 的一种定义是：v r 就是让用户在人工合成的环境里获得“进入角色”的体验。从此“d a t ag l o v e ”和“v i r t u a lr e a l i t y ”便引起新闻媒介极大的关注和丰富的想象f 2 】。( 4 ) 虚拟现实理论的完善和全面应用1 9 9 0 年至今为虚拟现实技术的第四阶段。1 9 9 2 年s e n s e 8 公司开发了“w t k ”开发包，为v r 技术提供更高层次上的应用。b u r d e ag 和c o i f f e t 在1 9 9 4 年出版的虚拟现实技术一书中描述了v r山东农业大学硕士学位论文的三个基本特征，这是在j a m e s d f o l e y 教授1 9 8 7 年提出的三个关键元素的基础上作了进一步完善。1 9 9 4 年3 月在日内瓦召开的第一届w w w 大会上，首次正式提出了v r m l 这个名字。后来又出现了大量的v r 建模语言，如：x 3 d ，j a v a 3 d等。迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场，而这些都为虚拟现实技术的发展打下了良好的基础【1 7 】。人机交互技术是虚拟现实早期研究的关键，也是热点，为了构造虚拟现实世界，实现虚拟现实的三个基本元素和特征，人们在鼠标和键盘的基础上发明了数据手套、立体眼镜、头盔式显示器、语音识别器等，直至现在虚拟窗口立体显示器、多屏立体显示器等。另外，多通道同步立体投影虚拟现实系统的应用、多管道图形加速卡的问世为虚拟现实技术的应用提供了更好的硬件技术和低的成本【1 8 】 。1 2 2 国内虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国在虚拟现实的研究方面还有一定的差距，但已经引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，我国制定了虚拟现实技术的研究规划，国内一些重点院校，也加大投入力度，积极展开这一领域的研究工作雎。从1 9 9 6 年开始，在8 6 3 计划的资助下，以北京航空航天大学计算机系、国防科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、浙江大学、北航仿真所和解放军测绘学院等关键技术研究单位，开展了分布式虚拟战场环境的研究开发工作，到2 0 0 0 年底该项目取得阶段性成果。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的单位之一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛【2 l j 。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建境实时漫游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和嘴唇动作的合成，并正在研究人说话时头和手势动作，语音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法【2 2 j 。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术一立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性【l2 j 。国防科技大学多媒体实验室是国内最早开展基于图像的虚拟现实技术研究的单位之一，1 9 9 4 年研制成我国第一个基于图像的虚拟信息空间生成平台h v s ，在几十家部队与地方单位得到很好的应用，1 9 9 5 年又成功地研制了协同虚拟现实系统虚拟空间会议系统v s t l 2 3 1 。另外，西北工业大学c a d c a m 研究中心，上海交通大学图像处理及模式识别研究所，华东船舶工业学院计算机系，安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试【6 l 。利用虚拟现实技术开发的“虚拟故宫”系统就是根据故宫真实大小用实时软件建立三维模型，运行仿真程序用头盔显示器的方式骑自行车在虚拟故宫中进行漫游。“虚拟故宫”的开发有力地推动了国内虚拟现实技术的发展【2 4 1 。、虚拟现实技术在最近十年的飞速发展已经把早期科幻小说家的梦想变为现实，它不再仅是美国宇航局的一项高科技项目，还普遍应用于商业、游戏厅、家庭等平民化场所。只要有一定的所需硬件，在一台大型计算机上就可以实现一个可编辑的三维空间，而通过尖端的计算机图形技术就能使三维空间和它的内容可视化，而且用户可以通过某些设备进入到这个三维世界中。山东农业大学硕士学位论文1 3 虚拟现实技术的应用虚拟现实技术是计算机技术发展到一定阶段的产物，它可应用到各个领域，如在军事、工程建筑、医学、科研、金融、娱乐、信息管理、危险及恶劣环境下的遥控操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等诸多方面，其广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。虚拟现实技术最早应用于军事模拟上，如训练让飞行员在一个虚拟的飞行环境中熟悉和掌握各种飞行情况，做出反应，也可用其它的模拟舱来培训操纵各种武器装备的军事人员。美国军方建成了一个名为s i m n e t 的联机网络，将分布在世界各地的2 0 0 多个模拟舱连接在一个实时的虚拟环境中，如模拟一个虚拟战场，模拟舱可以分别模拟各种武器，像坦克、战车、战机、战斗人员或小组等，所有的参战者和各种军事目标都沉浸在同一虚拟战场展开军事演习。这种做法不但效果显著，而且节省费用 2 5 】。建筑业是受到虚拟现实技术影响的另一个领域。设计师可以取得一幢建筑物的c a d 三维数据，进行一次仿真，在仿真过程中可以修改各种设计内容，包括空间结构、室内设施等。通过头盔显示器，他还可以引导客户进入仿真的建筑物漫游，利用手持指点设备修改门窗的位置、高度及其它室内设施参数。医学方面，虚拟现实技术的使用范围包括建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，进行模拟人体解剖和外科手术培训等。如g r o p ei i i虚拟现实仿真器可用于测试新药物的特性，研究人员可以看到和感受到药物内的分子与其它生化物质的相互作用。虚拟现实技术还可将c t 或核磁共振图像与体视图像组合起来，医生利用头盔显示器或立体眼镜观看这些合成图像，进行诊断治疗【2 6 j 。科研和金融方面的应用主要是利用虚拟现实技术将大量的字母、数字、数据转换成更直观、更容易理解的各种图像、图形、可见物体，并允许参与者在虚拟现实的时空上前后移动。虚拟现实已用于分子建模、天体物理学、大型工程和环境保护研究等方面。在虚拟股票市场上，经纪人可获取来自不同地区的大量实时的行情信息，考察股票与市场之间的关系，决定其操作行为 2 7 】。在娱乐方面，可以提供各种不同类型的娱乐，包括家庭的桌面游戏、基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建交互式电子游戏、在公共虚拟娱乐中心的各种仿真、艺术品展示等等。美国世纪广场饭店的虚拟现实系统可使客人在客房中用头盔显示器畅游想象空间，进行各种娱乐活动1 2 。教育是虚拟现实最有发展前途的应用领域。虚拟现实的特色技术，将给教育带来一场深刻的革命。目前，许多教学内容落后于高速发展的科学技术水平，学生掌握的知识往往不能适应社会的需求。网上数字化信息更新快、资源丰富，如果建立网上虚拟学校，将会使学生获得更多的学习主动权，并可按社会需求调整自己的知识结构。在网络上，一个优秀教师面对的不只是几十、几百人，而是成千上万的学生。在虚拟课堂上，学生可以身临其境地接受一流学校和一流教师的良好教育【3 0 】。1 4 课题的目的和研究内容随着信息技术的发展和应用的不断深入，信息管理的数字化和实物的虚拟化成为当今信息技术重要的应用领域。本课题的研究正是在这种背景下提出来的，在虚拟现实技术应用的基础上研究和试验网络教学与三维虚拟环境( 校园环境和教学环境) 的集成和融合，这正是本课题提出的主要目的。本课题所做的v c s 虚拟校园系统是在现实校园的基础上，利用先进的信息化手段和工具，构建一个虚拟空间以拓展现实校园的时间和空间维度，扩展其功能，从而促进教育过程的全面信息化。采用三维成像和虚拟现实技术构建的v c s 虚拟校园系统，将学校环境和学校有关信息有机结合起来，既可以为学校树立良好的形象，让来访者足不出户就可浏览校园风光，并获得有关介绍信息，也可以作为校园规划的辅助工具，提供给师生一个三维可视化的、有声有色的信息介绍与查询环境。而在与多媒体教学功能相结合后，学生可以身i 临其境地感受学习的氛围，接受良好教育，使学生获得更多的学习主动权，并可按社会需求调整自己的知识结构，特别适合我们的国情，虚拟现实技术的推广和普及具有重要意义。本课题主要研究利用基于w e b 的虚拟场景建模技术、交互技术、场景的优化技术和数据库的连接技术来构建v c s 虚拟校园系统的方法。虚拟场景的建模技术主要探讨对复杂对象的建模技术，例如：复杂建筑物的o山东农业大学硕士学位论文建模，植物模型的建模，声音文字的建模等。交互技术主要是研究怎样通过v r m l 场景的两种扩展机制和j a v a 相结合来实现虚拟现实系统的交互技术。场景的优化技术主要从场景设计的角度，利用纹理映射技术、使用重用机制、设定合适的可视距离、简化对象描述和优化碰撞检测等技术来减小场景文件的大小，从而加快场景的浏览速度。在h t m l 语言中有多种方法可以访问数据库，在v r m l 文件中可以采用锚点和脚本两种方式来访问多媒体数据库。1 5 本文的组织结构本文第一章简单介绍了虚拟现实的基本概念、特征以及虚拟现实技术的发展和应用领域，介绍了相关工作在国内外的研究现状，并提出了本课题研究的目的及主要研究内容，最后给出论文的组织框架。本文第二章介绍了v c s 虚拟校园系统的总体设计结构，主要在系统的分析、系统功能、系统总体设计及开发语言方面进行了详细规划和设计。本文第三章介绍了v c s 虚拟校园系统的三维建模，首先简要介绍了v c s 虚拟校园场景建模技术的理论基础，讨论了用v r m l 与3 d s m a x的建模方法，提出了快速建模原理：详细介绍了系统场景模型的实现，其中包括场景背景、楼体、植物等模型的实现，本章最后介绍了总体模型的整合。本文第四章详细论述了v c s 虚拟校园系统三维交互性的研究和实现，着重介绍了系统实现动画与交互的v r m l 节点和系统交互性的实现，阐述了系统中扩展v r m l 场景的两种机制和分析了系统漫游的实现方法；简单介绍了使用a s p 开发本虚拟漫游系统的数据库技术，最后对将虚拟漫游系统的优化和网上的发布做出了初步探讨。本文第五章是对全文的结论与展望，以及今后可能继续的研究方向。基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建2v c s 虚拟校园系统的分析与设计2 1 系统的设计目标v c s 虚拟校园系统能将二维校园平面图拓展为三维空间，能更逼真、更形象地呈现校园的自然文化风貌。访问者能自主地领略校园的文化、生活氛围。为了能真实地反映校园状况，v c s 虚拟校园系统的设计目标如下：( 1 ) 访问者可以随意选择校园中的景点和参观路线，通过鼠标、键盘改变视点，进行v c s 虚拟校园系统场景的漫游：也可以按照某一设定的路线自动进行场景漫游；( 2 ) 校园中各重要建筑及景点可以配有音频解说和文字介绍；( 3 ) 访问者可以模拟一些像推门移物等在真实世界中的动态行为；( 4 ) 系统应具有一定的真实力学性质。比如碰撞检测机能，杜绝“穿墙而过”这类违背现实的情况；( 5 ) 访问者可以进入多媒体教室自主进行资源浏览、视频点播、课件播放等操作，或进入虚拟实验室进行实验。2 2 系统的结构功能分析v c s 虚拟校园系统从结构上可划分为虚拟校园漫游子系统和虚拟多媒体教室子系统。其漫游系统是个规模较大的三维场景，旨在通过网络展示校园风貌，访问者可以走入校园中，观赏校园的自然风光，领略校园的文化、生活氛围。为了比较真实地反映校园状况，可以通过三个方面来表现这个虚拟境界：首先，要根据实际的自然场景对校园内各个对象进行建模，这些对象包括道路、楼群、校门、运动场、花草树木及其它一些建筑物。通过对这些对象的建模构建出v c s 虚拟校园系统的基础框架，并且实现一定的交互能力，如大门、灯等的开启与关闭，这是建立v c s 虚拟校园系统的基础。第二，通过声音、文字、图片、动画和视频等多媒体技术手段辅助性地介绍大学的概况、历史、学科设置等情况，从而能更真实地反映现实大学状况。第三，通过虚拟现实技术和多媒体技术，创设一个人性化的学习环境，使访问者能够在自然、亲切的气氛中进行学习，提高山东农业大学硕士学位论文教学的生动性、灵活性、趣味性。2 3 系统的总体设计2 3 1 虚拟校园漫游子系统的设计考虑到整个场景中的各个对象是通过空间相对位置关系组织到一起的，因此需要建立一个对象，以其为基准来确定其它对象的位置。道路作为v c s 虚拟校园系统中的一个对象，就可以起到基线的作用，所以首先在水平面内建立v c s 虚拟校园的道路不失为一个最佳选择，然后可以根据构建的v c s 虚拟校园系统中的道路为参照，对校园的主要建筑、楼群分别进行建模并安置到相应的位置上，最后将其拼接成一个整体，构成一个完整的v c s 虚拟校园系统场景系统。浏览者可以通过导航人，利用输入设备控制自己的视点和视角，对这个虚拟场景进行全方位的浏览和交互，具体建模步骤如下：( 1 ) 首先是对校园主干道路的建模，利用主干道路将校园划分成若干区块，确定各片分区中的主要建筑与景观；( 2 ) 对各区块中的主要建筑分别进行三维建模。楼群的制作可分为空心楼体( 只制作外部框架的楼体，如宿舍楼、综合楼、教学楼等) 和实心楼体( 内含细致场景的楼体) ，在实心楼体中重点制作图书馆和多媒体教学楼( 包括楼梯，走廊等) 。首先对空心楼体进行建模，然后对具有共同特征的建筑，选择有代表性的进行建模，利用它可改造得到其他建筑的模型，如一栋楼的两座或者两栋教学楼单体设计差异不大，可以选择一部分楼体进行详细建模，然后进行简单修改重复利用即可获得另一部分楼体或者其他楼体的模型。( 3 ) 对各区块的外部景观进行建模，包括树木、草地、路灯等。( 4 ) 对各组模型进行优化组织，然后按照平面图的位置将其整合到一起，组成总体场景模型。v c s 虚拟校园漫游子系统的结构设计框图如图2 1 所示。基于w e b 的v c s 虚拟校园系统的构建图2 1v c s 虚拟校园系统层次结构图f i g2 1f r a m eo f v i r t u a lc a m p u ss y s t e m2 3 2 虚拟多媒体教室子系统的设计虚拟多媒体教室子系统是指在计算机网络上利用多媒体和三维仿真技术构造的学习环境，使得身处不同物理位置的教师和学生可以更方便地进行学习和交流。利用实时通信功能实现传统教室中所能进行的大多数教学活动，并可利用异步通信功能实现前所未有的教学活动，如异步辅导、异步讲座等。在此基础上可以构造虚拟大学，最终实现现代远程教育。在该系统中主要分为虚拟多媒体教室的建模和多媒体播放、控制功能的实现两部分，访问者进入多媒体教室可以自主进行资源浏览、视频点播、课件播放等操作。2 4 系统开发工具考虑到v c s 虚拟校园系统是一个特殊的虚拟现实环境，其楼群建筑模型相对稳定，无需常常更换模型以及外观材质，而且要求的交互很多，需要动态交互以及静态交互相结合的方式来实现v c s 虚拟校园系统的构建【3 1 j 。因此，结合课题的实际情况，采用v r m l 和j a v a 作为系统的开发语言。1 4山东农业大学硕士学位论文2 4 1 虚拟现实建模语言v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a i l g u a g e ，虚拟现实建模语言) 是种与i n t e m e t 结合，用来描述三维交互虚拟世界的程序语言，可应用于创建虚拟现实的对象、场景和展示模型等【3 “。v r m l 提供了将三维空间、二维文字和多媒体集成为一个混合模型的技术。通过浏览器，i n t e m e t 用户可以观赏到由v r m l 创建的三维虚拟现实，而不再只是二维的图形或图像口3 1 。2 4 1 1v r m l 的工作原理及文件结构v r m l 用文本信息描述三维场景，并在i n t e m e t 网上进行传输，最后在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景口“，正是基于这种工作机制，使其在网络应用中有很快的发展。当初v r m l 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，从而减轻了网络的负荷【3 5 】。v r m l 的访问方式是基于c l i e n t s e r v e r 模式( 如图2 2 所示) ，其中服务器提供v 砌垤l 文件，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台的浏览器( v i e w e r ) 对该文件描述的虚拟现实世界进行访问，即v r m l文件包含了虚拟现实世界的逻辑结构信息，浏览器根据这些信息实现许多虚拟现实功能 3 6 。这种由服务器提供统一的描述信息，客户机各自建立虚拟现实世界的访问方式被称为统分结合模式，也是v r m l 的基本概念，由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了v r 的平台无关性【3 ”。v r m l 文件扩展名为w r l 或w r z ，使用更多的是w r l 文件。v r m l文件中的主要成份包括v r m l 文件头、原型、造型、脚本、路由等。v r m