（机械设计及理论专业论文）基于vrml的建模技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 以虚拟现实( v i r t u a lr e a f i t y ) 技术当前的发展现状为背景，分析了虚拟现实模 型语言v r m l 在实现虚拟现实的过程中的优点和不足之处。考虑到互联网末端 用户对于虚拟现实具有充分沉浸感、交互性及构想性的要求，而直接运用v r m l 语言难以构建复杂场景，因此以基于v r m l 的虚拟模型创建工具为基础，提出 了一种基于v r m l 的建模技术的实现方法。 鉴于v r m l 的虚拟模型以表面模型为基础，在分析了现有基于表面模型的 几何造型方法以及基于边界表示的数据结构的前提下，选择并建立了以半边数 据结构为基础的建模系统的数据结构，据此建立了长方体、圆柱体、圆锥体、 圆球和圆环等五种基本形体的离散模型。 从计算机图形学中几何求交的基础理论出发，考虑到基于v r m l 的建模技 术的特点，设计了一系列用于几何求交的规则和算法，建立了一个用于几何运 算的动态链接库( b r e p d l l ) 。通过对空间几何形体的位置以及三维状态下交、 并、差三种布尔算子之问的内在联系的分析，研究了三维状态下形体交、并、 差运算中求交过程以及点归并过程的实现原理，提出了一种适用于虚拟模型创 建工具的、通过基本体两两布尔运算产生复杂形体的模型创建方法。利用这种 方法，可以产生多种空间状态或不同离散面片数的几何形体，能够将所选基本 形体通过交、并或差运算产生新的形体、并用o p e n g l a p i 预览及动态观察，可 以将新形体的数据转换v 则l 文件格式。 实现的虚拟现实建模模块突破了v r m l 在复杂建模技术上的局限性，可以 直接生成供w e b 浏览的较为复杂的虚拟模型，在一定程度上提高了v r m l 构造 复杂虚拟场景的工作效率。由于采用动态链接库技术将几何运算部分集成为 b r e p d l l ，提高了建模模块的可移植性，同时有利于建模功能的进一步拓展和 完善。 关键词：虚拟现实，v r m l ，布尔运算，几何造型，建模技术 a b s t r a e t a b s t r a c t b a s e do nt h ec u r r e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o no f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r a n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dt h ed e f i c i e n c yo fv 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 ( v r m l ) i nt h ec o u r s eo fi m p l e m e n t i n gv i r t u a lr e a l i t y c o n s i d e r i n gt h ec l i e n t s n e e d f o rv i r t u a lr e a l i t yw i t hi m m e r s i o n i n t e r a c t i o na n di m a g i n a t i o na n dt h ed i f f i c u l t yt o c o n s t r u c tc o m p l e xs c e n e sb yv r m ld i r e c t l y , o nt h eb a s i so ft h eb u i l d e ro fv i r t u a l r e a l i t ym o d e l sb a s e do nv r m l ，t h i sp a p e rp r o p o s e sam e t h o do fi m p l e m e n t i n g m o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nv r m l b e c a u s et h ev i r t u a lm o d e l sb a s e do nv r m lg r o u n do ns u r f a c em o d e l ，o nt h e p r e c o n d i t i o no fa n a l y z i n gt h ec u r r e n tm e t h o d sb a s e do ns u r f a c em o d e lf o rg e o m e t r y m o d e l i n ga n dt h ed a t a s t r u c t u r e sb a s e do nb o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，t h i s p a p e r c h o o s e sa n ds e t su pt h es y s t e m sd a t as t r u c t u r e sb a s e do nh a l f e d g ed a t as t r u c t u r e s a n df o u n d st h ed i s p e r s e dm o d e l sf o rf i v eb a s i cb o d i e sn a m e l yb o x ，c y l i n d e r , c o n e ， s p h e r ea n dr i n g a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fc o m p u t i n gt h ei n t e r s e c t i o ns e to fg e o m e t r i c a l e l e m e n ti nc o m p u t e rg r a p h i c s ，a n dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm o d e l i n g t e c h n o l o g yb a s e do nv r m l ，t h i sp a p e rd e s i g n sas e to fg u l e sa n da l g o r i t h m so f c o m p u t i n gt h ei n t e r s e c t i o ns e to fg e o m e t r i c a le l e m e n ta n dad l l ( b r e p d l l ) f o r g e o m e t r yo p e r a t i o n b ya n a l y z i n gt h el o c a t i o n so fg e o m e t r i c a lb o d i e si ns p a c ea n d t h er e l a t i o na m o n gt h r e eb o o l e a no p e r a t o r sn a m e l yi n t e r s e c t i o n ，u n i o na n dd i f f e r e n c e i nt h r e e d i m e n s i o n a lc o n d i t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l et oi m p l e m e n tt h e c o u r s eo fc o m p u t i n gt h ei n t e r s e c t i o ns e to fg e o m e t r i c a le l e m e n ta n dt h ec o u r s eo f p o i n t s m e r g e ri nt h r e e d i m e n s i o n a lc o n d i t i o n ，a n dp r o p o s e sam e t h o d ，w h i c hc a nb e a p p l i e di nt h eb u i l d e ro f v i r t u a lr e a l i t ym o d e l s ，o f c o n s t r u c t i n gc o m p l e xm o d e lb yt w o s e l e c t e db o d i e s b o o l e a no p e r a t i o n u s i n gt h i sm e t h o d ，c l i e n t scanc r e a t ea g e o m e t r i c a lb o d yi nm a n yc o n d i t i o n so rw i t hd i f f e r e n tn u m b e ro fd i s p e r s e df a c e s ，c a n c o n s t r u c tan e wm o d e lb ys e l e c t e db o d i e s b o o l e a no p e r a t i o ns u c ha si n t e r s e c t i o n ， u n i o no rd i f f e r e n c e ，c a nb r o w s ea n dd y n a m i c a l l yv i e wt h en e wm o d e lb yo p e n g l ，a a b s t r a c t c o m m o n g r a p h i ci n t e r f a c e ，a n dc a l lt r a n s f o r mt h ed a t ao f n e wm o d e li n t ov r m lf i l e f o r m a t b r e a k i n gt h r o u g ht h el i m i t a t i o no fv r m lt oc o n s t r u c tc o m p l e xm o d e l s ，t h e m o d e l i n gm o d u l ec a nb eu s e dt oc o n s t r u c tm o r ec o m p l e xv r m lm o d e l sd i r e c t l y , w h i c hc a nb eb r o w s e db yw 曲b r o w s e r i nas e n s e i tr a i s e st h ee f f i c i e n c yo f c o n s t r u c t i n gc o m p l e xv r m ls c e n e s o w i n gt ou s i n gd l lt e c h n o l o g yi nt h ec o u r s e o fd e s i g n i n ga n di n t e g r a t i n ga l lo ft h eg e o m e t r i c a lo p e r a t i o n sa sb r e p d l l ，t h e m o d e l i n gm o d u l eh a sg o o dt r a n s p l a n t a b i l 时w 汕i t sd e f i c i e n c yi m p r o v e da n di t s f u n c t i o ne x p a n d e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ，v r m l ，b o o l e a no p e r a t i o n ，g e o m e t r ym o d e l i n g m o d e l i n gt e c h n o l o g y 独创性声明 、厂 7 2 0 6 2 8 i - 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：纽日期：堡皇：21 望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：啦导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 虚拟现实技术 第一章绪论 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2 0 世纪6 0 年代发展 起来的一门涉及众多学科的高新技术。它集成计算机技术、传感与测量技术、 仿真技术、微电子技术于一体。而理想中的虚拟现实技术是利用这些方面的技 术，通过计算机创建一种虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) ，通过视觉、听觉、触 觉、味觉、嗅觉等作用，使用户产生和现实中一样的感觉，这样用户就会产生 身临其境的感觉，并可实现用户与该环境直接进行交互【l j 虚拟现实技术从本质上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、味觉、嗅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，而不再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。可以说一个好的虚拟现实环境是由包括计算机图形 学、图像处理、模式识别、多传感器、语音处理、网络等技术所构成的大型综 合集成环境。为了尽可能实现虚拟现实技术的基本特征，达到自然逼真的效果， 虚拟现实系统通常需要配备适当的软硬件设备，包括：虚拟现实发生器，声音 合成器，3 d 声音定域器，语音识别器，跟踪器，触、动觉系统，头盔显示器 ( h e a d m o u n t e dd i s p l a y ) ，数据手套( d a t ag l o v e ) 等硬件设备，以及虚拟现实境界 构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。 虚拟现实技术有三个基本特征( 即3 1 特征) ：沉浸感( i m m e r s i o n ) 、交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 和构想性( i m a g i n a t i o n ) 2 1 。其中，沉浸感是指v r 系统不再象传统的 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，就象现实中人 与自然交互一样，完全沉浸在通过计算机创建的虚拟环境中；交互性是指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 或者是旁观者。而是能够使用交互输入设备来操作虚拟物体，以改变虚拟世界： 构想性是指用户利用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 第一章绪论 理性的认识，从而深化概念和萌发新意。虚拟现实的3 i 特征的相互关系如图 1 1 所示。 1 1 2 虚拟现实模型语言v r m l 及其与虚拟现实的关系 随着计算机硬件技术和网络技术的飞速发展，以及3 d 技术的曰益成熟，人 们已不再满足于w e b 上二维空间的交互特性，而是希望将w e b 上的二维空间 交互特性变成一个三维立体空间，从 而以更自然、更符合人性化的导航方 式引导用户进入这个虚拟的三维空 间，从中获取所需的信息。这样的三 维网页是依靠虚拟现实模型语言 v r m l 来实现的，v r m l 类似于超文 本标记语苦h t m l ( h y p e rt e x t m a k e u pl a n g u a g e l ，它也是一些 a s c i i 码文件，由浏览器解释执行， 浏览器通过对这些代码进行解释生成 三维模型空问，并且完成交互操作。 图1 - 1虚拟现实3 i 特征的相互关系 v r m l 不等同于虚拟现实，但将对虚拟现实技术产生重要的影响。典型的 虚拟现实意味着用户可借助复杂的设备( 如数据头盔、数据手套等) 进入虚拟环 境，获得沉浸式的体验。而v r m l 作为一种描述虚拟场景的语言独立存在，它 与设备无关。另一方面，虚拟现实技术迫切需要一个通用性强的构建虚拟环境 的系统架构，而v r m l 正好可以很好地满足v r 应用的需要。 v r m l 为虚拟现实技术在互联网的普及和应用提供了得天独厚的有利条 件。v r m l 是一种三维造型和渲染的图形描述性语言，其目的主要是为了在网 页中实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互功能1 4 j 。它同h t m l 一样， 也是一种a s c i i 的描述性语言，且都支持超链接。但v r m l 的强大功能远远超 出h t m l ，由于h t m l 的局限性，v r m l 之前的网页只能是简单的平面结构， 就算通过利用j a v a 语言及j a v a s c r i p t 脚本，能够为w w w 增色不少，但也仅仅 停留在平面设计阶段，更不要说动态交互了。v r m l 则改变了原来w w w 上单 调、交互性差的弱点，将人的行为作为浏览的主体，所有的现象都随着用户的 言一行而改变。v r m l 创造的是一个可进入、可参与的世界。使用v r m l 第一章绪论 创造用户需要的虚拟世界，发布到互联网上，而用户端只要安装有v r m l 浏览 器插件即可欣赏到生动逼真的虚拟场景，从而实现基于w e b 的虚拟现实技术， 使得虚拟现实象多媒体和因特网一样逐步走进人们的生活。 1 2v r m l 在国内外的应用现状 从2 0 世纪6 0 年代初至今，随着计算机科学技术的飞速发展，国内外在虚 拟现实技术的应用上取得了很大的进展，同时在与之相关的基础科学和技术领 域也获得了很大的进步，这些科学和技术共同推动了虚拟现实技术的不断成熟 和发展。 1 2 1 国外的应用现状 国外针对虚拟现实技术的应用主要有以下几个方面： 制造领域：在虚拟环境中进行制造技术的虚拟模拟，已经在国外许多研究 机构广泛开展。现在人们已经能够成功地在机械制造业中运用虚拟现实技术， 主要体现在虚拟装配、协同设计等阶段；此外，人们在基于网络的c a m 系统 和c a d c a m 技术的开发和应用方面也取得了很大的进步。 医疗领域：该领域主要使用虚拟现实技术来建立合成药物的分子结构模型、 各种医学实验的模型并进行解剖外科手术教学。另外，医疗的可视化和脑系疾 病的虚拟诊断也是虚拟现实技术的应用，包括基于o p e n g l 和v r m l 技术的 c t 可视化技术，通过应用该技术，医生可以十分方便直观地观察到病人大脑 等身体重要部位具体的工作情况，以判断其相应功能是否正常以及查出致病的 主要原因。 建筑领域：虚拟现实技术在建筑领域的应用具有很强的现实意义。国外有 些机构开始尝试在网上进行协同交互式室内设计，即通过互联网使不同部门的 设计人员和客户共享设计资源，并实时地对设计效果提出反馈信息以及时进行 修改。 文化和艺术：主要是实现了一些地球科学的虚拟模型和网上虚拟文化空间， 例如三维虚拟画廊的构建、古文化遗址的虚拟重建以及虚拟城市的构建等，这 样就可以使一些不可能或难以用现实的角度来观察的场景直观化，以满足人们 研究或娱乐的需求。通过网络，也可以让多个用户在一个三维虚拟场景中进行 第一章绪论 交流、协作、共享资源等活动。 科学可视化：对科学数据进行建模还原，来增强研究的可理解性，如美国 的火星探测器就是地面控制人员通过地面的虚拟现实系统，依靠探测器传回的 信息搭建火星地表的模拟场景，并在此场景中控制火星上的探测器进行科考活 动( 看起来很像玩电子游戏) 。此外，可以对多媒体数据进行可视化处理，并可 以进行基于特定功能的三维可视化，使科学研究更有针对性。 商业领域：该领域中的网上购物系统是比较突出的应用。通过创建虚拟的 s h o p 使消费者能够在网上触摸所需的商品，不使消费者产生与传统购物方式的 隔阂。另外随着i n t e r n e t 用户急剧增长，三维广告也纷纷出现，如3 d 购物商场、 旅馆和景点等休闲设施的3 d 展示、公司的3 d 主页等，这些都推进了虚拟现实 技术在商业领域的广泛应用。 教育领域：远程教育是虚拟现实技术在教育领域最为突出的应用，一些科 研机构已经可以将许多相关的教育课程以三维软件的形式发布在网络上，学生 可以交互地进行学习，并可以自主掌握学习的时间、进度和内容。 科学研究领域：虚拟实验室、虚拟太阳系c y b e r a s t r o n o m y 、用于火星登陆 和全球数据分析的协同网络设备、具有反馈功能的机器人模拟，都是虚拟现实 技术在科学研究领域的应用。 另外，作为v r m l 的积极推动者，p a r a u e l g r a p h i c s 公司在许多方面都走在 前列，除了创作工具i s a 、i s b 、i c a 和编辑工具v r m l p a d 以及浏览器插件 c o n o n a 外，他们还制作了大量的v r m l 应用实例。 1 2 2 国内的应用现状 由于虚拟现实技术在我国还处于起步阶段，所以与国外丰富的应用相比， 国内v r m l 的应用相对落后一些。目前，国内许多科研机构和院校在许多方面 对于v r m l 的应用都作了试验和努力，而且取得了一定的成果，某些方面还取 得了较为突出的进步。国内的应用现状主要体现在以下几个方面： 制造领域：我国在产品协同设计、虚拟制造和虚拟装配等方面的进展是比 较迅速的 5 j 。山东大学的研究人员实现了一个基于v r m l 的交互式虚拟装配平 台，借助这个平台，用户只需输入零件的拆卸路径，后台程序就会对静态装配 体的v r m l 文件进行处理，从而生成一个交互性强的动态虚拟装配文件。同时， 关于产品的协同设计和可视化的关键技术正在日臻完善，重庆大学的研究人员 d 第一章绪论 已经提出了解决相关问题的有效途径1 6 刀。 场景展示：虚拟场景是虚拟现实技术在国内应用较多的一个方面，已经实 现的有数字航空博物馆、虚拟校园、数字城市等复杂v 州l 场景以及软家装展 示系统 8 1 0 】。由于使用了基于w e b 的v r m l 造型技术，所以能够实现虚拟场景 的多用户麸享。 教育领域：用于教育领域的虚拟现实技术主要体现在多媒体课件、远程教 学、虚拟远程实验室。借助利用v r m l 制作的用于工程制图方面软件，学生可 以随时随地、以任意角度和方位观察虚拟模型，从而克服了使用实物模型的局 限性，提高了学生学习的趣味性和积极性，增强了教育的效果【q 4 1 。 虚拟仿真和漫游：利用一些交互技术实现了网络虚拟仿真和虚拟漫游，通 过设置不同的观察视点从而引导漫游者在自己的计算机前也能欣赏这些虚拟场 景。 虚拟网站：这些网站大部分是一些虚拟现实爱好者所建立的，包括虚拟作 品的展示、有关网上虚拟现实的论坛等内容。 此外，人们在基于w e b 的三维造型技术、v r m l 与j a v a 的交互技术、 v r m l 浏览器的设计、v r m l 文件中对数据库的访问和平面剖分等技术上都有 了较为突出的成就。基于w e b 的地理信息系统是虚拟现实技术比较系统的一个 应用。 1 3 设计动机、主要研究内容及应用前景 1 3 1 设计动机 v r m l 语言是一种用来描述交互式3 d 对象和环境的文件格式，它的应用 平台是因特( i n t e r n e t ) 、局域网( i n t r a n e t ) 和本地客户系统。借助v r m l 语言， 用户可以构造出自己所需的虚拟场景，从而将虚拟现实引入互联网，发布三维 网页【拍l 。但是，由于自身规范的复杂性，v r m l 在造型方面存在不足。即使构 造一个简单的三维场景也需要较多的数据录入工作，用户在将其所需的空间几 何形体直接用v r m l 规范的数据格式实现时存在较大的困难。而要构造一个复 杂的、规模庞大的虚拟场景，编程人员必须深入了解和掌握v r m l 语言的造型 特点，尤其是它的内部场景树结构( s c e n eg r a p h ) 、节点重用机f b i j ( d e f u s e 机 一5 第一章绪论 制1 、事件路由机带1 ( e v e n l r o u t e 机制) 、动态交互性的实现方式、场景结构的优 化等，这些都是v r m l 语法规范中的核心，比较难以掌握。虽然v r m l 语言 中提供了一些简单的基本几何造型节点，但v r m l 的造型不支持体素之间的布 尔运算，因而，若要构造一个带孔的复杂形体或自由瞌面，v r m l 统一使用索 引面集节点( i n d e x e d f a c e s e t ) 近似表达。可见，v r m l 造型的结果不是实体模型 而是面模型。 3 d m a x 是当今世界流行最广的三维动画造型软件，它可以较好地把三维 模型和动画输出成v r m l 格式，但在实际应用中也有一些缺陷( 毕竟3 d m a x 主要应用方向不是v r m l ) ，如：3 d m a x 与v r m l 的单位不匹配，3 d m a x 中对物体描述的精度对于v r m l 来说是太高了，v r m l 只是视觉的东西，没 有必要有这么高的精度，这样使得文件无形中大了很多；v r m l 建模中诸多简 便方法在3 d m a x 中不成立；v r m l 中的许多行为、事件在3 d m a x 中无法实 现；3 d m a x 的丰富材质不能完全导出到v r m l 中1 1 7 j 。 一些c a d 软件可以直接输出v r m l 格式文件：如p r o e ，它输出v r m l l 0 格式，可以利用一些格式转换工具如c r o s s r o a d 转换为v r m l 2 0 格式，然 后在装有v r m l 插件的浏览器中进行浏览。另外，通过a u t o c a d 软件来进行 三维造型，然后导出为3 d s 格式文件，再导入到3 d m a x 中，转为w r l 格式同 样可以获得v r m l 模型。这种方法是目前所见到的构建复杂三维对象的常用方 法，但不同的软件差异较大，能够支持的v r m l 版本也不相同，有的只能支持 较低版本的v r m l ，无法在较高版本的i e 上浏览，因此还需要作多次转换， 而且转换后的文件通常较大【l ”。 另外，有一些v r m l 的可视化造型软件如i n t e m e tc h a r a c t e ra n i m a t o r ( i c a ) 、 i n t e m e ts c e n ea s s e m b l e r ( i s a ) 、i n t e r n e ts p a c eb u i l d e r l 7 i s b ) 等，这些软件在建立 简单的虚拟场景时比较方便，但对于复杂形体与场景的建立有点力不从心，而 且对形体的精确尺寸不好控制，也较难掌握。i c a 仅侧重于动画，i s a 侧重于 场景组合，i s b 侧重于建筑空间建模的制作。 石家庄铁道学院冯桂珍已经对几种目前比较常见的基于v r m l 的虚拟模 型的建立方法进行了比较和论证，证明通过纯文本编辑工具、三维建模工具( 如 3 d m a x 或a u t o c a d ) 或者可视化开发工具在模型建立方面都存在不足和缺陷， 并进行了基于w e b 的虚拟现实模型创建工具的研究，构建了一个基于v r m l 的虚拟模型创建工具v r m b 【1 7 】。v r m b 能够实现基本形体和简单复合形体 一6 第一章绪论 的创建，但对复杂模型和场景的构建功能还有待完善和加强。 本论文f 是基于此背景提出的。根据计算机图形学的理论，任何复杂形体 都可以看作是简单基本形体集合运算的结果。考虑到v r m l 造型的结果是面模 型，为了避免通过直接录入数据来构建v r m l 复杂形体，设想可以先将生成该 复杂形体所需的基本形体用边界表示法离散，如果可以通过两个基本形体各个 面之间的求交运算得到新形体各个表面的数据、并将数据按照v r m l 语言格式 输出，便可构造出可以在互联网上浏览的相对复杂形体。 1 3 2 主要研究内容 本论文以构建虚拟现实场景的基础模型为应用背景，探讨基于v r m l 的参 数化建模的过程、方法和相关技术，完善基于v r m l 的虚拟模型创建工具 ( v r m b ) 。石家庄铁道学院冯桂珍已经在基本模型的构建和建模工具的总体框 架等技术和方面进行了研究，本论文继续讨论复杂形体和复杂场景构建的途径。 本论文的主要研究内容如下： ( i ) 选择种合适的数据结构并据此建立基本形体( 长方体、圆柱体、圆锥 体、球体、圆环体等) 的离散模型，改造程序的结构以实现离散数据的动态存储。 ( 2 ) 建立一个用于建模的动态链接库，其中包含与几何运算有关的程序代 码，其中包括点的定位、线线求交、线面求交、面面求交以及各种几何元素之 间位置关系的确定等。 ( 3 ) 考虑到几何形体空间的位置的任意性，系统地分析基本形体在空间相 交的各种情况，规范表示几何元素的各种信息并建立适合算法的交点归并原则， 以确保算法的稳定性。 1 ，33 应用前景 虚拟现实技术就是利用计算机系统生成逼真的三维视觉、昕觉、触觉等感 觉，并在一定专业装备的辅助下，利用人类自然技能对虚拟环境中的实体进行 交互考察与控制的技术1 1 8 。要真正创建一个能够在多种感观上达到与现实世界 逼真的效果的虚拟世界，需要涉及很多学科的知识，对三维图形处理技术的要 求特别高。如何方便、快捷、逼真地构建出虚拟世界中的三维模型是虚拟现实 技术实现的一个重点问题，关系到交互等其它环节实现的程度和效果。本论文 1 第一章绪论 以建模工具v r m b 为基础，探讨复杂形体与场景的参数化建模技术，并且最终 直接输出模型的v r m l 格式文件，从而在装有v r m l 浏览器插件的i e 浏览器 中进行浏览。采用参数化驱动建模的手段不但减轻了虚拟模型创作者的劳动量， 而且利用该建模工具创建的复杂形体，可以用来模拟现实世界中纷繁复杂的场 景，最终必将加快创建复杂虚拟场景的进程，对实现虚拟现实将有较大的促进 作用。所以，本论文的研究具有重要的实际应用价值和现实意义。 1 4 v r m l 语言对复杂造型的支持f 1 9 】 v r m l 语言提供了系列的节点，包括形态和几何节点、几何属性节点、 外观节点、组节点以及其他节点的子节点等。其中，几何节点包含了b o x 、c o n e 、 c y l i n d e r 和s p h e r e 等基本形体节点，可以通过组节点和作为其予节点的几何节 点来构建相对复杂的场景，但这样的场景仅仅是各个形体的相互嵌套，不是真 j 下意义上的并，更不可能谈得上交与差。对于一些带有复杂表面的形体，v r m l 提供了三个节点即：索引面集( i n d e x e d f a c e s e t ) 节点、标高网格( e l v a t i o n g r i d ) 节 点和拉伸面( e x t r u s i o n ) 节点。在事先预知面上点的坐标或相对于基准面的位置 的情况下，可以用上述三个节点来创建复杂形体的表面，并通过一定的域值使 相应的面封闭，最终形成一个体。 1 4 1 索引面集节点( i n d e x e d f a o e s e t ) i n d e x e d f a c e s e t 节点的语法如下： i n d e x e d f a c e s e t f # e x p o s e d f i e l d s f n b d ec o o r d # f i e l dm f i n t 3 2c o o r d l n d e x # e x p o s e d f i e l d s f n o d et e x c o o r d # f i e l dm f i n t 3 2t e x c o o r d l n d e x # e x p o s e d f i e l d s f n o d ec o l o r # f i e l d m f i n t 3 2c o l o r i n d e x # f i e l ds f b o o lc o l o r p e r v e r t e x # e x p o s e d f i e l d s f n o d en o r m a l # f i e l dm f i t a t 3 2n o r m a l i n d e x 一8 一 舢口口舰口口 第一章绪论 # f i e l d # f i e l d 捍f i e l d 拌f i e l d 拌f i e l d s f b o o l s f b o o l s f b o o l s f f i o a t s f b o o i n o i t r a l p e r v e r t e x c c w c o n v e x c r e a s e a n g l e s o l i d t r u e t r u e t r u e 0 0 t r u e c o o r d 域的域值提供了一个节点，这个节点列出了用来构造面的坐标，通 常包含坐标节点( c o o r d ) 。该域值的缺省值为n u l l ，表示一张空的列表，即不 创建任何面。 c o o r d l n d e x 域的域值为一张或多张面的边界列表，其域值都是整型的索引， 且每一个索引都对应c o o r d 域内的坐标列表中一个坐标。该域值的缺省值为 n u l l ，表示不创建任何面。一张坐标索引表可以提供一张或多张面的边界的 列表。每一张边界面的连接方式都是按坐标索引列表的索引值的顺序从前到后 排列的，直到索引表的末尾或者一个为1 的索引值为止，面的边界会通过将最 后一个在。l 前的索引值对应的坐标点和第一个索引值所定义的坐标点连接起来 而形成闭合。下一张边界面是从1 的索引值开始的，直到索引表的末尾或者另 外一个1 的索引值为止。 c o w 域的域值指定了面集中的面是按顺时针方向索引，还是按逆时针方向 或者未知方向索引。当该域值为t r u e 时，按顺时针方向索引；当该域值为 f a l s e 时，则按逆时针或未知方向索引，该域值的缺省值为t r u e 。 c o n v e x 域的域值表示面集中的面是否都是凸面。当该域值为t r u e 时， v r m l 浏览器不需要对这些面进行分割：当该域值为f a l s e 时，浏览器自动 将这些凹面分割为许多较小的凸面。该域值的缺省值为t r u e ，表示面集中的 所有面都为凸面，不必进行分割。 s o l i d 域的域值表示面集中的面是否组成了一个实体。当该域值为t r u e 时， 表明面集中的面构成了一个实体模型。组成一个实体造型的正面能够将组成这 个实体造型的背面挡住。该域值的缺省值为t r u e 。 c r e a s e a n g l e 域的域值指定了个用弧度表示的折痕角的阀值。两个相邻面 间的夹角如果小于所设定的阀值，那么这两个面的边界就会模糊，这就是所谓 的平滑绘制；如果两个相邻面间的夹角大于所设定的阀值，那么这两个面的边 一9 一 第一章绪论 界就会保持原来的样子，不再进行平滑绘制。该域值必须大于或等于0 0 ，其缺 省值为0 0 。 t e x c o o r d 和t e x c o o r d l n d e x 域值用于指定面集的纹理坐标及其索引。 c o l o r 、c o l o r l n d e x 、c o l o r p e r v e r t e x 域用于指定面集的颜色。 n o r m a l 、n o r m a l l n d e x 、n o r m a l p e r v e r t e x 域用于指定面集的法向量。 1 4 2 标高网格节点( e i v a t i o n g r i d ) e l v a t i o n g r i d 节点的语法如下： e l v a t i o n g r i d # f i e l d # f i e l d 社f i e l d 撑f i e l d # f i e l d # e x p o s e d f i e l d # f i e l d # e x p o s e d f i e l d # f i e l d # e x p o s e d f i e l d # f i e l d # f i e l d # f i e l d s f i n t 3 2 s f f l o a t s f i n t 3 2 s f f l o a t m f f l o a t s f n o d e s f b o o l s f n o d e s f b o o l s f n o d e s f b o o l s f b o o l s f f l o a t x d i m e n s i o n x s p a c i n g z d i m e n s i o n z s p a c i n g h e i g h t 】 c o l o r c o l o r p e r v j r t e x n o r m a l n o r m a l p e r v e r t e x t e x c o o r d c c w s o l i d c r e a s e a n g l e 0 o o o o o n u l l t r u e n u l l t r u e n u l l t r u e t r u e 0 o ， x d i m e n s i o n 域和z d i m e n s i o n 域的值为x 和z 方向上的栅格的数量，其域 值必须大于或等于0 。而所创建的海拔栅格中点的总数量就是x d i m e n s i o n z d i m e n s i o n 个。这两个缺省值均为0 ，表示没有栅格创建。 x s p a c i n g 域和z s p a c i n g 域的值指定了栅格中行和列问的距离ax s p a c i n g 域 值为方向上计算的列问的距离，z s p a c i n g 域值为z 方向上计算的行间的距离。 它们的域值必须大于或等于0 0 ，其缺省值为0 0 。 h e i g h t 域的值指定了海拔高度，也就是j ，方向上计算的海拔。该域值中的 一1 0 第一章绪论 一个值对应个栅格点。为了形成z d i m e n s i o n 行，h e i g h t 是被一行行列出来的， 并每一行都有x d i m e n s i o n 个高度值，此高度值可以是绝对高度，也可以是相对 高度。该域值的缺省值为空的列表，表示不创建海拔栅格。一系y u - - 维坐标， 这些坐标定义了沿着挤出过程的脊线进行挤出的一个封闭或开放的轮廓。该域 值中的二维坐标第一个值为沿x 轴方向的距离，第二个值为沿z 轴方向的距离。 该域值的缺省值为一个正方形。 c c w 域的域值指定了海拔栅格创建的表面是按顺时针方向索引，还是按逆 时针方向或未知方向索引。当该域值为t r u e 时按顺时针方向定义，否则按逆 时针方向或未知方向索引。该域值的缺省值为t r u e 。 s o l i d 域的域值表示海拔栅格所指定的几何造型是否为一个实体。当该域值 为t r u e 时，表明这个几何造型为一个实体造型，一个实体造型的下面总是遮 掩了实体造型的背面。该域值的缺省值为t r u e 。 c r e a s e a n g l e 域的域值指定了一个用弧度表示的折痕角的阀值。栅格中两个 相邻面间的夹角如果小于所设定的阀值，那么这两个面的边界就会模糊，也就 是进行平滑绘制，如果两个相邻面间的夹角大于所设定的阀值，那么这两个面 的边界就会保持原来的样子，不再进行平滑绘制。该域值必须大于或等于0 , 0 ， 其缺省值为0 0 。 1 4 3 拉伸节点( e x t r u s i o n ) e x t r u s i o n 节点的语法如下： e x t r u s i o n # f i e l dm f v e c 2 f c r o s s s e c t i o n 1 01 0 ，1 0 - 1 0 ，1 0 - 1 0 ，一1 01 0 1 01 0 1 # f i e l dm f v e c 2 f s p i n e 000 ，01 00 】 撑f i e l dm f v e c 2 fs c a l e1 01 0 撑f i e l dm f r o t a t i o n o r i e n t a t i o n0 00 01 00 0 # f i e l ds f b o o l b e g i n g c a pt r u e # f i e l ds f b o o l e n d c a p t r u e # f i e l ds f b 0 0 1 c c wt r u e # f i e l ds f b o o ls o l i dt r u e # f i e l ds f f l o a t c m 越e a n g l e 0 一l l 第一章绪论 j c r o s s s e c t i o n 域的域值指定了一系列二维坐标，这些坐标定义了沿着挤出过 程的脊线进行挤出的个封闭或开放的轮廓。该域值中的二维坐标第一个值为 沿轴方向的距离，第二个值为沿z 轴方向的距离。该域值的缺省值为一个正 方形。 s p i n e 域的域值指定了系列的三维坐标，而这些坐标定义了一个封闭或开