（机械设计及理论专业论文）三维交互式虚拟校园系统的研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕十1 、能论文 摘要 本文首先对虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术进行了概括性介绍，阐述了虚拟现 实系统的基本要素、基本特征以及虚拟现实的硬件实现和软件实现。概括介绍 了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 n g u a g e ) 即虚拟现实建模语言的发展历史及 其工作原理与特性，展望了v r m l 的发展前景，对虚拟现实技术在地理信息系 统中的运用进行了分析，由此基础上提出了本课题的背景、意义以及研究内容。 在虚拟现实系统的研究与实现方面，首先对原型系统进行需求分析及功能 设计，确定以v r m l 与j a v a 相结合的技术方式为主要开发手段。接着对几何建 模技术、基于图像的建模技术、混合建模技术进行分析和比较，并阐述了虚拟 校园系统的三维模型的建立与系统总体模型的整合及性能优化。本文重点阐述 了虚拟校园系统交互性的研究与实现，其中包括系统漫游、视点控制、室内场 景的浏览、二维地图与三维场景的交互、碰撞检测及j a v a 浯言与场景通信等功 能的实现。最后阐述了j d b c 的结构及其存储数据的原理，详述了基于j d b c 的 数据库系统的实现模式，并通过j d b c 实现了虚拟校园系统数据库的设计与应 用。 本文最后对全文进行了总结与展望，拓展了虚拟现实系统的研究思路。在 研究之后制作了三维交互式虚拟校园系统，论证了j a 、，a 与v r m l 建立虚拟现 实系统的可行性及实用性。 关键词：虚拟现实，v r m l ，j a v a ，j d b c ，e a i ，虚拟校园，三维场景 三维交互式虚拟校 司系统的研究与实现 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e dv i r t u a lr e a l i t ys y n o p t i c a l l ya tf i r s t i te x p a t i a t e do nt h e b a s i cf a c t o r sa n dc h a r a c t e r so ft h ev rs y s t e m i t e x p o u n d e dt h e h a r d w a r ea n d s o f t w a r er e a l i z a t i o n so fv ra l s o t h ep a p e ri n t r o d u c e ds y n o p t i c a l l yt h eh i s t o r yo f v r m la n di t sw o r k i n g t h e o r ya n ds h o w e dt h ee x p e c t a t i o no fv r m l i ta n a l y z e dt h e e x e r t i o nt h a tt e c h n o l o g yo fv i r t u a lr e a l i t ya c t e do ng i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) t h ep a p e rp u t t e d f o r w a r dt h eb a c k g r o u n d 、s i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c h f u l c o n t e r r so f t h i st a s ko nt h eb a s i c i nt h ea s p e c to fr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fv r s y s t e m ，t h em e t h o d s a r ed e p a r t e d i n t os e v e r a l s t e p s a tf i r s t ，t h ep r o t o t y p es y s t e ms h o u l d b e i nt h ep r o g r e s so f r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n df u n c t i o nd e s i g n t h e nw ec o m b i n e dv r m la n d1 冰k t o r e s o l v et h i st a s k i nt h es e c o n ds t e p sw es h o u l da n a l y z ea n dc o m p a r et h e s ed i f f e r e n t m o d e l i n gt e c h n o l o g i e sa n dr e a l i z et h eb u i l d i n go f 3 dm o d e l w es h o u l dr e a l i z et h e c o n f o r m i t ya n df u n c t i o no p t i m i z eo fs y s t e mm o d e la l s o t h ee m p h a s i so fp a p e ri st o r e s e a r c ha n dr e a l i z et h ea l t e m a t i n nf u n c t i o no fv i r t u a lc a m p u ss y s t e m i ti n c l u d e st h e r e a l i z a t i o no ff u n c t i o ns u c ha sc r u i s e 、c o n t r o l l i n gv i e w p o i n t s 、v i e wi nr o o m 、t h e a l t e r n a t i o nb e t w e e n2 d m a p a n d3 dm o d e l 、c o l l i s i o n 、c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nj a v a a n ds c e n ee t c a tl a s tt h ep a p e r e x p a t i a t e do n t h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo fj d b c a n d r e a l i z et h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no f t h es y s t e m d a t a b a s et h r o u g hj d b c o nt h ee n do f p a p e ri tg i v e sac o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o na n dw i d e n st h ei d e a s a b o u tv r s y s t e m t h eb u i l d i n go f3 d a l t e r n a t i o nv i r t u a lc a m p u s s y s t e md e m o n s t r a t e s t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yt h a tw ec a nb u i l dv r s y s t e mt h r o u 曲j a 、穗a n d v r m i k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i f f ，v r m l ，j a v a ，j d b c ，e a i ，v i r t u a lc a m p u s ，3 ds c e n e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：徐明指 同 期：塑! 壁! 塑g 南京航空航天大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 9 9 8 年1 月美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念之后，引起了世界范 围的极大关注。中国学者意识到“数字地球”战略将是推动我国现代化建设和 社会经济、资源环境可持续发展的重要手段。数字城市、数字校园成为数字地 球重要的研究点。其基础之一为地理空间数据，数字地球的空间数据包括二维 数据和三维数据。二维数据的可视化问题已基本解决，但是三维数据的可视化 或者说虚拟现实技术目前仍是一个难点。数字城市及虚拟校园的研究离不开三 维景观模型( t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l ) 的建立。3 d m 的构建与应用是目前国际上 r s 、g i s 及其相关学科研究的热点。数字摄影测量与遥感技术的发展，为数字 城市及虚拟校园的数据获取提供了既经济又快捷的方法【2 l 。遥感影像具有地面景 观的全部要素，所含的信息量非常丰富，现实性好，是三维景观重建的主要数 据源。我们不仅可以从航空遥感影像中提取地面景观目标的三维坐标，而且可 以获取地面景观的“纹理”这些纹理是建立三维景观模型的重要信息。 由于通常所用的遥感影像数据量极大，三维景观模型的生成对计算机的图 形、图像处理能力提出了很高的要求。因此，基于普通p c 机快速生成高度真实 感的数字城市及虚拟校园是摄影测量领域和计算机图形学领域的一个挑战性课 题，具有非常广阔的发展前景。 近十年来，计算机图形学取得了突飞猛进的发展，在二十一世纪的今天， 则更是呈现出日新月异的景象。随着大量新型算法的不断提出，计算机生成的 图像也越来越逼真；随着各种图像交互新技术的产生，用户操作计算机的方式 也越来越自然：随着计算机性能的不断提高，图形图像的生成速度也成倍提高； 随着互联网技术的不断发展，更多的图形图像得以让全世界的人共享。由于以 上各项技术的不断发展，也使人们对计算机图形学产生了更浓厚的兴趣，因为 他们知道只有计算机图形学的发展才能使和谐的人机交互真正成为可能。虚拟 现实技术正是适应这种要求而产生的，其目标就是让人机交互产生如同在真实 世界中活动的感受，也即“身临其境”的沉浸感，从而达到人机交互的最高境 界吼 三维交互式虚拟校园系统的研究与实现 1 2 虚拟现实 随着信息技术的发展，人们已经不满足于从外部观察信息处理的结果，而 是希望能通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及形体、手势或口令，参与到信息处理 的环境中去，获得身临其境的体验。虚拟现实技术就提供了这样一种既能创建 又能体验虚拟世界的沉浸式交互环境，使用户可以以自然的方式与虚拟环境中 的对象交互影响，从而产生等同真实环境的感受和体验。正是这一强烈的需求 成为虚拟现实技术兴起的巨大牵引力。信息技术中的分支技术如计算机图形学、 图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处 理与音响技术。网络技术、并行处理技术等为虚拟现实技术的发展提供了技术 基础。同时计算机硬件技术的迅猛发展及硬件价格随时间的大幅下降也为虚拟 现实技术的发展提供了物质基础。近年来，虚拟现实技术取得了令人瞩目的成 就，被认为是2 1 世纪可能使世界发生巨大变化的几大技术之一。虚拟现实技术 实现框架如图1 1 所示。 沉浸感 硬件实现 交互性 虚拟现实 二 厂_ v i r t u a lr e a l l t y y 构想 软件实现 。t 一 。 弋夕 支撑技术体系 一南广厂门七一 厂l 非恬悱刚i ! ! 图i 1 虚拟现实技术实现框架 虚拟现实又称灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统【4 l 。 虚拟现实主要是在图形学的基础上发展起来的，与图形学的主要区别在于具有 可操作性，它不仅要逼真地再现真实环境的景物，还需要模拟真实环境中各种 形体之间的关系以及它们自身具备的特征和规律性。“虚拟现实”一词中的“现 实”是泛指在物理意义上或在功能意义上存在的世界上的任何事物或环境，它 南京航空航天大学硕士学位论文 可以是实际上可以实现的，也可以是难以实现的或是根本无法实现的。“虚拟” 一词是指用计算机生成的，也就是非现实的。这一对矛盾的词汇代表着用计算 机生成的特殊环境，通过视觉、听觉、触觉、等作用于用户，使之产生身临其 境的感赏，同时人们可以通过各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中去操 作，控制环境，实现特殊的目的。 虚拟现实技术是高度发展的计算机技术在各领域的广泛应用过程中的结 晶，它不仅仅包括上面所说的计算机图形学、图像处理、模式识别、网络技术、 并行处理技术、人工智能等高性能等计算机技术，还涉及数学、物理等学科领 域，甚至与气象学、美学、地理、生物、心理学及社会学科等相关【5 】。该技术为 人机交互界面的发展丌创了新的领域，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的数据可视化提供了新的描述方法。其应用是广泛的，现 在已在商业、设计、教学、军事、医疗和娱乐等领域得到了广泛应用，并带来 了巨大的经济效益。 1 2 1 虚拟现实的基本要素 一个能够真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要素： 1 能够给用户以三维立体的虚拟境界； 2 应当给使用者以第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由； 3 用户能够通过一些装罨实时地操纵和改变用户所进入的虚拟境界。 可以说，任何系统，只要满足了以上的三个要素，我们就可以称其为一个 虚拟现实系统。 1 2 2 虚拟现实的特征 虚拟现实技术从本质上来说就是一种先进的计算机用户接口技术，它通过 给用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等各种直观而又自然的实时感知交 互手段，最大限度地方便用户的操作，而不需要进行繁琐的敲打键盘输入，以 提高整个系统的工作效率。 虚拟现实技术有三个基本特征：沉浸感，交互性，构想。其中沉浸感是指 虚拟现实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一样，完全沉浸在通过计算机所创建的 虚拟环境中；交互性是指虚拟现实系统区别于传统三维动画的特征，用户不再 二维交且2 式虚拟校园系统的研究与实现 是被动地接受计算机所给予的信息或是旁观者，而是作为能够使用交互输入设 备来操纵虚拟物体，以改变虚拟世界：构想是指用户利用虚拟现实系统可以从 定性和定量综合集成的环境中得到感性的理性的认识，从而深化概念和萌发新 意。 因此，b u r d e ng 提出了一个“灵境技术的三角形”，即：三个“i ”，它们是 i m m e r s i o n - - i n t e r a c t i o n - - i m a g i n a t i o n ( 沉浸一交互一构想) 6 1 。它较简洁地说明 了虚拟现实系统的基本特征。改变了在传统的信息处理环境中一直以计算机为 主体的情况，实现并强调人的主导作用，也就是将数字化的单维信息改变为人 能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现 形式的多维信息。 1 2 3 虚拟现实的实现 虚拟现实可以通过硬件实现和软件实现【7 l 。 硬件实现就是利用视觉、嗅觉、触觉、听觉等人类最基本的感觉器官，做 出和人在现实生活中感觉一样的硬件设备，使人不必到现场也会有身临其境的 感觉。常用的硬件设备有图像生成器、3 d 鼠标、数据手套、头盔、声音发生器 等，但这些硬件设备都很复杂，而且价格也十分昂贵。目前大都仅仅运用于军 事和航空航天等方面，用以训练和测试有关人员的驾驶、控制水平。商业上只 有一些简单的演示系统。 软件实现主要是指通过一些基本的硬件环境，如常用专用处理器、输入输 出设备、磁记录设备等，利用软件编程的方法在输出设备如显示器上输出逼真 的三维场景。用软件实现的虚拟现实系统虽然还有一定的缺陷，如只能用二维 平面来表示三维立体，但由于其价格低廉、易于实现而受到更多人的重视。v r m l 这种崭新技术的出现，为软件实现网上虚拟现实系统提供了极大的展示空间。 1 3 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 n g u a g e ) 即虚拟现实建模语言，是在w w w 上创建3 d 图形的工具，是一种用于描述3 d 交互环境的简单的文本语言，是一 种可以发布3 d 网页的跨平台语言，是一种能够提供更自然的体验方式包括交互 性、动态效果、延续性以及用户参与探索的语言 8 1 。 南京航空航天大学硕士学位论文 v i k m l 的出现使得虚拟现实像多媒体一样逐渐走进我们的生活，出现了第 二代万维网，可以表示为多媒体+ 虚拟现实+ 因特网。以v r m l 为核心的第二 代万维网将使用户如处真实世界，在一个三维环境里随意探寻因特网上无比丰 富的巨大信息资源。v r m l 的基本目标是建立因特网上的交互式三维媒体，具 有分布式、三维式、交互性、多媒体集成性和境界逼真性等特点。人们可阻从 不同的路线进入虚拟世界，和虚拟物体交互，以习惯自然的方式访问各种场所， 在虚拟场所直接交往和交谈。v r m l 提供了6 + l 度的自由，即可以沿着三个方 向移动、三个方位旋转，同时还可以建立与其他3 d 空间的超链接。可以说，v r m l 是超空间的。 1 - 3 1v r m l 的发展历史 1 9 9 4 年5 月，在瑞士日内瓦召开的万维网( w w w ) 会议上，m a r kp e s c e 和 t o n yp a r i s i 在会上介绍了他们开发的可在万维网上运行的虚拟现实界面【9 1 。因 为这是第一次在w e b 上呈现出三维的界面，所以受到特别的关注。b o f 小组产生 并决定开发一种场景描述语言，它可以连接w e b 网。并在现有的基础上，制定 了v r m l 标准。决定采用s g i ( 硅图公司s i l i c o ng r a p h i c si n c ) 的o p e ni n v e n t o r a s c i 的文件格式。其主要原因是因为它的文件格式完全支持有关三维场景的描 述。 1 9 9 4 年1 0 月在芝加哥召开的第二次w w w 会议上公布v r m l i 0 的规范草 案i i 。主要功能是完成静态的3 d 场景，以及与h t m l 链接的功能和措施。然而， v r m l l 0 缺少一些关键性特征，如动作、交互和行为，需要进行重大修订。1 9 9 6 年初，v r i v l l 委员会审阅并讨论了若干个v r m l 2 0 版本的建议方案，s g i 的动 态境界提案获得了大多数选票，成为v r m l 2 0 规范的工作文档。 t 9 9 6 年8 月，在新奥尔良的s i g g r s p h 9 6 会议上公布了v r m l 2 0 规范 的第一版。1 9 9 7 年1 2 月，v r m l 作为国际标准正式发布。1 9 9 8 年一月，正式 获得i s 0 批准，国际标准号为i s 0 i e c l 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ，v r m l 9 7 是该标准的通称， 它是v r m l 2 0 经编辑性修订和少量功能性调整后的结果。作为i s o 、i e c 国际 标准，v r i v i l 的稳定性得到保证，推动了因特网上交互式三维应用的迅速扩展。 l3 2v r m l 的工作原理及特性 v r m l 用文本信息描述三维场景，在i n t e m e t 网上传播，在本地机上v r m l 二维交互式虚拟校园系统的研究与实现 的浏览器解释生成三维场景。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【“1 。 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，其中服务器提供v r m 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 描述的虚拟世界进行访问；即v r m l 文件包含了v r 世界的逻辑结构信息，浏 览器根据这些信息实现许多v r 功能。这种由服务器提供统一的描述信息，客户 机各自建立v r 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，从而实现了虚拟现实的平台无关性。基于 c l i e n t s e r v e r 模式的v r m l 访问方式如图1 2 所示。 图1 2 基y - c l i e n t s e r v e r 模式的v r m l 访问方式 传统的虚拟现实中使用实时3 d 着色引擎在v m l 中也得到了很好的体现。 这一特性把v r 的建模以及访问更明确的隔离开来，这也是虚拟现实不同于直接 的三维建模和动画的地方。后者预先着色，因而不能提供交互性。 v r m l 所具有的功能如下：存在感、多感知性、交互性、动态显示、立体 感的视觉效果、立体感的听觉效果、动态显示与网络无关、脚本功能、多重使 用者、全球资讯网参考节点、超链接功能。 v r m l 作为一种标准，不可能满足所有应用的需要。有的应用希望交互性 6 南京航空航天大学硕士学位论文 更强，有的希望画面质量更高，有的希望v r 世界更复杂。这些要求往往是相互 制约的，同时又受到用户平台硬件性能的制约，因而v r m l 是可扩充的，即可 以根据需要定义自己的对象及其属性，并通过j a v a 语言等方式使浏览器可以解 释这种对象及其行为。 1 3 3 v 眦的发展前景 首先，我们将会看到v r m l 开发工具的极大丰富。而且这些工具对v r m l 的支持也将是越来越完善，特别是支持交互式v r m l 应用开发的工具。 另外，v r m l 和j a v a 的兼容问题也日渐改善。目前我们只能通过s c r i p t 节 点插入一些简单的j a v a s c r i p t ，而且很多v r m l 浏览器还不支持其中一些特性。 这使得v r m l 虚拟世界设计复杂的交互行为难以实行。如果我们能够直接在 s c r i p t 节点中插入j a v a 的话，情况就会变得大不一样了。 v r m l 的主要发展方向有b 2 1 ：动画工作组( a n i m a t i o nw g ) 、色彩保真工作 组( c o l o rf i d e l i t yw g ) 、面向对象扩展工作组( o b j e c t - o r i e n t e de x t e n s i o n sw g ) 、 数据工作组( d a t a b a s ew g ) 、外部创作接e l ( e x t e r n a la u t h o r i n gi n t e r f a c ew g ) 、界 面组建工作组( w i d g e t sw g ) 、二进制压缩格式工作组( c o m p r e s s e db i n a r y f o r m a t w g ) 、通用媒体库工作组( u n i v e r s a lm e d i al i b r a r i e sw g ) 、活动境界工作组 ( l i v i n gw o r l d s ) 、键盘输入工作组( k e y b o a r di n p u tw g ) 、v r m l 脚本工作组 ( v r m ls c r i p tw g ) 、v r m l d h t m l 集成工作组( v r m l d h t m li n t e g r a t i o n w g ) 。 1 4 虚拟现实技术在地理信息系统中的运用 目前虚拟现实技术在地理信息系统中的运用中存在着三个发展方向，一个是 基于图像的地理信息系统，它是通过一系列的相互联系的图像来组建一个虚拟 环境，通过视点的旋转可以进行图像的连续浏览就如同置身于一个真实的环境 中一样。其规划对象是一个较小的覆盖在背景上的图像，用户可以通过规划对象 的引入，编辑来进行环境规划，除了静态的规划对象外，还可以在背景中引入连 续的相关图像建立动画。这一技术的一个成功运用就是日本东京大学研究的虚 拟现实环境下的地理信息交通系统【”】。采用这一技术的优点在于有着很好的视 觉效果，但是由于视点的位置移动受到限制所以其运用也受到了制约。 二维交且式虚拟陵园系统的研究与实现 另外的一个应用研究方向就是在地理信息系统中引入三维模型，建立个三 维世界，这种三维技术的引入大大加强了地理信息系统的真实性、扩展了用户的 操作范围。它允许用户可以在近似于真实的环境中进行浏览的同时对规划对象 进行操作而且实时的显示出规划后的场景效果。尽管这一应用研究方向受到目 前硬件技术发展的制约但是它的运用潜力却是巨大的。 还有的一个研究方向就是分布式的虚拟现实环境c v e ( c o l l a b o r a t i v e v i r t u a le n v i r o n m e n t s ) ，它可以实现网络上的资源共享。用户可以通过服务器 提供的三维图形平台和下载的工具包对网络资源进行操作从而达到异地合作规 划的目的。挪威的d o v r e 演示系统就是一个这样的例子【i ”，它可以利用网络模型 资源建立一个地理信息的方案，同时提供多个用户共同进入共享的虚拟空问进 行规划。尽管这个系统现在没有投入实际的运用，但是它已经表现出了很高的应 用价值。 1 5 课题研究的背景与意义 v r m l 是一项全新的技术，国内外的应用也不多，在很多方面几乎还是空 白。在国内，第一本全面介绍v r m l 的资料于1 9 9 8 年出版，应用相对更少。相 关的v r m l 作品多数单一、零散，且从网络速度的考虑，以静态的场景为主。 其他关于v r m l 的文章多是介绍基本概念和语言结构。由此可见，v r m l 在国 内具有极大的发展潜力。在这种背景条件下，从事v r m l 综合应用系统的建立 及研究将是一件很有意义的事情。因此，我们提出了以南京航空航天大学明故 宫校区为背景建立虚拟校园的方案。 本课题着眼于建立一个南航明故宫校区的虚拟校园。在v r m l 与j a v a 结合的 基础上建立南航校区的建筑群，实现对校区的基本规划及交互功能。在该任务 中，不仅要建立校区建筑的3 d m a x 模型，更重要的是结合虚拟现实技术建立一 个有限的校园虚拟场景实现模型的引入、场景的规划与浏览和环境元素( 包括 植被、地面、天空) 的设置等功能。 实现南航校区虚拟校园的建立及研究主要意义在于： 1 虚拟校园的建筑外型以及地理方位更加直观。用户可以根据视觉感受在 三维场景中找到需要查询的模型对象，并对其进行相关操作。 2 虚拟南航校园可以说是虚拟浏览方面的一个应用系统。用虚拟境界展示 南京航空航天大学硕乇：学位论文 南航校园风貌，可以让更多的人通过网络了解南航。 3 动态交互以及运动仿真等多种三维展现造型实体技术的实现，将促进 v r m l 在国内工程及教育方面的应用。 1 6 课题研究内容 本课题着眼于建立一个初步的南航虚拟校园，针对传统的二维地理信息系 统对虚拟校园研究的局限性，在该系统中采用虚拟现实技术和三维可视化技术 相结合生成了真实的三维校园景观，用户不仅可以在三维场景中采用多种方式 漫游，可在二维地图和三维场景中任意切换，而且可以对场景进行编辑；并在 结合应用实践的基础上实现了3 d m a x 模型在虚拟现实环境下的显示问题， 同时提供给用户对虚拟校园场景进行浏览和实现动态交互的功能。在该系统中 还采用了s q l 关系数据库管理系统，建立了楼群建筑信息查询系统，可以添加、 删除、修改、查询任意一座楼群建筑的信息。本课题的具体工作如下： 1 讨论了三维楼群建筑模型的构造工程，其中包括地形数据、数字化地图 数据、模型数据、纹理数据的获取、处理，三维建筑模型的生成、整合及场景 复杂度的消减策略。 2 实现了大场景的实时切换。期间模型是采用了实时调用的方法，切入新 场景时旧场景被实时删除，从而避免了内存中的模型数据和纹理内存中的纹理 数据冗余影响帧速率。 3 讨论了虚拟环境渲染方式的选择及其实现，并完成了虚拟环境中的漫游。 其中漫游有三种方式：其一是自动漫游，即用户可以按照事先编辑好的路径进 行漫游，在漫游中任意转头、调速；其二是查询式漫游，即用户自行设定一条 漫游路径，然后沿着该路径完成漫游；其三是交互式漫游，即用户用鼠标或键 盘实时控制漫游方向、视点高度。重点实现了自动漫游以及交互式漫游的设计。 4 二维和三维交互操作的实现。实现了依靠二维窗口的输入对三维场景的 操作：实现了把二维地图上任意选择的路径实时地转化为三维场景的漫游视点： 实现了在二维地图上实时显示三维场景中的视点。 j 结合计算机图形学的基础知识以及j a v a 与v r m l 的外部编程方式的实 现，实现丁对三维场景中的任意物体进行实时编辑，如平移、旋转、添加、删 除、材质变化以及缩放等操作。 三维交互式虚拟校园系统的研究与实现 6 采用s q l 数据库技术以及j d b c 数据库技术，建立虚拟校园信息系统， 实现了对楼群建筑属性数据等的管理和操作。可以随时对场景中的实体进行属 眭查询。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统的总体结构与需求分析 2 1 原型系统的需求分析及功能设计 2 1 1 虚拟现实系统在应用、开发和实践方面的需求特点 近年来，虚拟现实开发系统发展极为迅速，除了功能更加强大的硬件以外， 高层开发库和工具包如w o r l dt o o l k i t 等极大的方便了虚拟现实系统的开发，这 些技术的最终目的在于增强人机交互功能i l ”。特别是在很复杂的问题空间里， 沉浸的虚拟环境能增强人们的洞察力，激起人们的思维灵感。在诸如建筑设计、 装配设计和工程流体动力学等大型复杂的应用中，计算机生成的世界使人产生 强烈的沉浸感。有两种趋势可能驱使虚拟现实技术不断向前发展。第一，虚拟 现实系统将集成更多的输入输出通道，除了视觉、听觉之外，还会有触觉和力 反馈，这样沉浸感变得更真实。第二，虚拟环境会更注重于内容，也就是使虚 拟世界更生动、更灵敏。这不但在一些要求高质量媒体输出的应用领域更为明 显，在高度交互如装配设计也是如此。其中的现实行为比可视质量更重要。虚 拟现实系统发展至今可能仍有很多不够完善之处，但是它们在应用、开发和实 践方面有许多共同的特点。 在应用方面，首先必须支持多传感器输出，当今的虚拟现实系统集中于视 频和音频输出通道，为了获得更高程度的沉浸感和直接交互功能，集成更多的 感觉通道很有必要，如触觉、力反馈等：为了与其他输出设备无缝和灵活集成， 系统必须提供标准接口：其次，要支持各种不同的输入方式，将不同的输入方 式集成到虚拟环境的接口结构是很有必要的。比如：可以实现语音识别、手势 识别、用户的位置和姿势的跟踪等等，它们对理解用户空间和虚拟空间很有帮 助。第三，具有设备独立性，用户经常期望同一应用软件能在不同的硬件配置 下运行，所以，应用软件开发人员应了解相同或相似功能的输入输出设备。第 四，支持多用户，如将虚拟环境移植到更一般的工作环境，那么支持协同设计 工作是一个不可避免的挑战；其关键的特点是系统的灵活性，即不限制参与者 的人数、分布式的数据库和仿真方式也就是虚拟环境位于在不同计算机上实现 不同功能的计算机网络上：第五，快速交互和动作建模，为了使虚拟环境系统 三维交互式虚拟校园系统的研究与实现 反应更快且更具有商业价值，其交互和动作的定义是重要的一环。在虚拟环境 中，对象必须根据当前的情况对一系列的真实世界事件做出反应，如用户的输 入，更一般来讲就是真实世界的任何数据。现有的一些系统支持碰撞检测和物 理或几何约束的定义，然而更复杂的对象很难用c 或c + + 编码：至少高性能的 图形计算机足以对付较馒的软件，满足实时性的要求；特别的，虚拟环境中的 行为描述用解释性的脚本语言编写也是有可能的，这使得快速建模成为可能 也就是用户可以在运行时调整和改变部分动作丽不需重新编译，理想情况下， 一个虚拟现实系统应具备如下的特点：1 可用一种或多种解释性语言详细描述 之：2 可用编程语言逐渐替代其某些部分。 在开发方面，先要对虚拟环境的高度抽象，虚拟世界及其接口由不同的软 硬件组件共同组成，由于虚拟现实系统的应用领域又具有多样性，所以应定义 一个通用的虚拟环境抽象模型，如现有的抽象模型有3 d 互联网标准v r m l 2 ，0 ( 虚拟现实建模语言) 和j a 、慵3 d ( 基于平台独立性语言j a v a ，建立3 d 环境的 a p i ) ，现有的虚拟现实系统的一个主要缺点在于缺乏标准的通讯和事件产生机 制。其次要建立高度独立模块之间的同步机制，因为要集成各种不同的输入输 出设备，考虑到延迟和刷新频率，减少具有不同时间结构的模块是很有必要的。 为了应付这种情况，应该支持多处理机制，这样还可以避免过于频繁的上下文 切换。系统应具有自动将不同任务分配给不同处理器的能力，而不应由编程人 员来完成，在一些系统中，此服务由操作系统提供，如i r i sp e r f o r m e r 。所以， v r 系统的一个重要特点是支持具有不同时间机制模块之间的同步。第三，要设 计好多层应用编程接口，如今某些虚拟现实开发系统只提供单层应用程序编程 接口，他们对程序员完全隐藏了底层的软硬件信息以便提供一个统一的a p i ，尽 管这有利于大型软件开发的一般化和增大了可携性，但不适合虚拟现实系统的 开发。利用现有的工具我们可以访闻某些硬件特有的特性，在快速硬件开发中 往往要求如此，而这在统一的a p i 中是行不通的。所以应提供一个分层的高度 模块化的a p i ，编程人员可以根据其实际需要进行选择。此外，系统不能过于依 赖某种特定的输出设备。 在实践方面，系统需要设计成高度模块化的和具有可扩展性，因为虚拟现 实应用领域具有多样性，所以它不可能是一个封闭的单一程序模块。会出现新 的设备、特定的应用需要专业的设备等表明了需要一个开放的模块化的系统体 系结构。虚拟现实系统应与一个操作系统相似，要具有高度的平台独立性。 南京航空航大夫学颂十学位论文 2 1 2 功能要求及应用技术 在规划本文具体展开的工作的基础之上，虚拟校园具体需要实现的功能有： 构建系统的总体完整的框架，采用面向对象的软件开发工具，使系统具有较好 的丌放性、可扩展陛和可靠性等；采用小型的桌面虚拟系统，支持立体显示、 碰撞检测等功能；根据用户需求修改虚拟环境的结构和外观如添加灯光、更换 背景色、编辑材质、以多种方式操纵实体等；实现j a v a 与v r m l 的多种交互方 式，建立动态的虚拟校园等等。结合实际情况开发虚拟校园需要采用如下技术： 1 面向对象的技术：面向对象技术是计算机应用科学中富有革命性的进展， 它通过对现实世界进行识别和抽象，并提供封装，继承和多态等特性，为计算 机应用问题的解决提供了强大的思想武器和具体方法。面向对象的方法为构造 一个稳定的解决问题的计算机应用系统打下了基础。本系统希望通过采用面向 对象技术来增强易用性、柔性、开放性及实现与其他应用系统的无缝集成。 2 计算机图形技术：引入三维图形技术，建立一个虚拟的可以使用户沉浸 其中的场景将会使得整个系统更加具有说服力和实际意义。尤其是在结合了高 性能的显示硬件以后，图形技术得到了飞速的发展。这些进步大大的方便了图 形系统的开发。 3 数据库技术：数据库作为所有实际数据或信息的物理存储容器，对系统 的建立有重要的影响。 4 虚拟现实技术：虚拟现实技术从本质上来说就是一种先进的计算机用户 接口技术，它通过给用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、昧觉等各种直观而又 自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，而不需要进行繁琐的 敲打键盘输入，以提高整个系统的工作效率。 因此在开发虚拟校园时提出了以下的建设目标：采用计算机图形技术，面向 对象技术和虚拟现实技术进行虚拟校园的开发，实现对三维模型的显示，操作 和管理的功能；采用数据库技术进行三维模型数据的管理，使虚拟校园系统具 有较强的实用功能并具有一定的应用潜力。 2 2 系统开发平台的选择及解决方案 随着软件系统的规模和复杂性的增加，软件体系结构的选择成为比数据结 构和算法更重要的因素7 “1 。从软件技术的进步和发展角度看，软件的开发手段是 三维交互式虚拟使崮系统的研究与实现 越多越好。但是每一种新的程序设计模式总是受编程和运行环境，开发工具及其 他因素的制约。使得在开发应用软件的同时总有一些特殊的问题需要考虑。在 本节中首先对当前的两种系统开发平台作了深入的介绍、对比和分析，然后从全 局上确立了适合虚拟校园系统的技术解决方案。 2 2 1 虚拟校园建模软件的比较与选择 因为虚拟校园涉及的场景很大，要求的交互也较多，特别是在虚拟校园开 发完成后的再开发中可能涉及到数据库的使用等问题，所以一般推荐虚拟校园 采用v r m l 或者x 3 d 作为开发首选技术，3 d m a x 等模型软件都支持v r m l 文件的 输出，并且可以在3 d m a x 中完成部分的v r m l 交互的设置，所以入门难度较低， 同时v r m l 文件为文本格式，脚本支持j a v a s c f i p t 脚本，在交互设置、修改中易于 实现；开发虚拟校园不宜使用c u l t 3 d 等技术，因为此类技术多作为产品展示的晟 佳方案，但是不适合表现较大而且复杂的场景：另步 - c u l t 3 d 对其他媒体的支持也 不是太好，面v r m l 技术支持大部分的多媒体文件格式，女t i f l a s h 、r e a i p l a y e r 、 m p e g 、a v i 、m p 3 等。s h o c k w a v e 3 d 也可以应用于虚拟校园的开发，但是它的入 门难度更高，多用于熟悉d i r e c t o r 的编程人员进行开发，该技术主要应用于网络 三维游戏的制伊17 1 。因此，虚拟校园的建模工具可分为： 1 模型制作软件：3 d m a x 、m a y a 、r h i n o 等常规建模软件，也可以使用c a n o m a 、 i m a g e m o d e l e r 等照片建模软件，其中3 d m m x 、m a y a 支持多种建模方式，如面片、 n u r b s 等，3 d m m x 不仅建模功能强大，而且其生成的三维模型可以转化到虚拟 环境中。r h i n o 为工业建模软件，支持n u r b s 建模方式，c a n o m a 适合建筑物场景 的模型重建，l m a g e m o d e l e r 支持复杂曲面物体的制作。 2 v r m l 专用开发工具：可使用v r m l 的可视化编辑工具c o s m o w o r l d ，为 s g i 公司的产品，可以制作可视化的v r m l 场景和添加部分交互。v r m l p a d 为 v r m l 的脚本编辑工具。可以和j a v a s c f i p t 脚本结合使用。 3 其他开发工具：c u l t 3 dd e s i g n e r 为c u l t 3 d 编辑软件，引入c 3 d 文件，输 出c o 文件。a t m o s p h e r eb u i l d e r 为a t m o s p h e r e 场景制作软件，是典型的低精度模 型制作软件。 通过对以上多种建模软件应用范围的比较，以及考虑到虚拟校园的楼群建 筑模型的开发，在本课题中选择3 d m a x 和v r m l p a d 作为进行楼群建筑模型的建 立和实现部分v r m l 交互的开发工具软件。 南京航空航天火学硕十学能论文 ：二2 虚拟校园系统开发工具 一个成功的虚拟现实环境是及其复杂的，它必须是面向对象的和实时的【i 。 虚拟环境的开发者无需从最基本的代码起步，而是在已有的虚拟环境开发工具 的基础上进行工作。虚拟现实开发系统是开发各种虚拟现实环境所需的工具和 环境的集合。目前v r 开发系统中的方法和工具几乎部是遵循面向对象的原则和 利用面向对象的编程语言。常用的有j a v a 、c h 、g l 图形库、p h i g s 图形库、 s e a r b a s e 图形库和面向对象的数据库等。 考虑到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，无需常常置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虚拟校园系统的开发和建立。因此，结合课题 的实际情况，本课题采用j a v a 语言作为系统的开发语言。j a v a 是一种简单的、 面向对象的、分布式的、解释性的、健壮的、安全的、结构中立的、可移植的、 性能优异的、多线程动态语言。在虚拟现实技术的应用中，j a v a 可以实现从 场景中获得用户所需的数据、使用户能够精确的设置场景的参数等深层交互功 能。本课题重点实现了v r m l 与j a v a 程序结合的方法，讨论了j a v a 和v r m l 的通信原理，用j a v a 实现了从场景中实时获得指定点的坐标、得到指定地点的 信息、动态控制场景等功能，可以实现在网上建立真正交互式的三维多媒体境 界，并在此基础上建立虚拟校园系统。 因为先天的语言优势，具有健壮性、安全性、可移植性、易理解、易使用、 可自动下载等特点，j a v a 已经成为一种非常好的数据库应用系统开发语言。j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，j a v a 数据