（计算机应用技术专业论文）vr系统中模型优化、交互及信息查询技术研究.pdf

北京工商大学学位论文 摘要 虚拟现实技术在许多不同的领域有广泛的应用，具有极大的发展潜力和良好 的发展前景。目前，网上的虚拟现实系统不同程度地存在模型复杂度、绘制的真 实感和实时性三方面的问题。一种较为理想的范式是：用户所进入的虚拟系统， 能提供有强烈真实感的虚拟环境，可以顺畅地浏览，能实现动作交互，对用户提 交的查询请求，系统能自动执行并给出查询结果。 本课题主要研究网络虚拟系统的场景建模、交互、漫游及信息查询技术。作 者通过阅读大量国内外相关文献资料，深入地研究了虚拟现实技术和现有构造三 维场景的语言，在此基础上，确定了基于v r m l 及浏览器插件技术的虚拟现实系 统架构方案。 首先，以虚拟场景的构造为线索，研究了校园虚拟场景建模的分类和虚拟场 景构造的流程，实现了对复杂场景数据的有序组织；采用3 0 s t u d i om a x 和v r m l p a d 实现虚拟场景对象的建模、添加节点、校验和测试；其次，探讨了场景中的各种 交互技术，包括漫游，视点控制，碰撞检测等，并且实现了基于v r m l 感知器和 j a v a s c i r p t 对场景中对象行为的控制，重点探讨了j a v a 与v r m i ，的两种交互方 法；第三，研究了三维场景信息查询的方法。为了便于场景中实体对象的捕捉， 提出了建立空间对象包围盒的概念；提出了利用i d b c 和j a v aa p p l e t 实现空间 数据向属性数据的查询。除此之外，还探讨r 模型纹理贴图、多分辨率层次模型 ( l o ) ) 、代码重用( d e f u s e ) 、原型封装( p r o t o ) 以及用a n c h o r 和i n l i n e 节点实 现场景切换和调度等v r m l 场景优化技术。最后我们综合以h 研究工作，设计并 实现了一个基于v r m l 技术的虚拟校园系统，并对浏览效果进行了测试。测试结 果表明：除了场景的丰富性有待进一步提高外，其他部分均较理想。这在某种程 度上表明，虚拟现实系统兼顾真实性与可交互性的架构方案是可行的。 本文采用的研究方法也可用于数字城市的三维重建及旧城改造等项目。从长 远来看，我们将研制一些通用的v r m l 可视化集成开发工具，使得建模、贴图、 交互设定、动画、效果预览、网上发布等虚拟现实系统的开发：亡作更加便捷高效。 关键词：虚拟现实，虚拟现实建模语言，虚拟场景，三维建模， 垦至竺! 堡型垡些：窒兰墨堕：垦垄塑垫查里壅 信息查询 i i 北京工商大学学位论文 a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yd i f f e r e n tf i e l d s ，i t h a sl a r g ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a l i t ya n dg o o dp r o s p e c t a tp r e s e n t ，t h ev i r t u a lr e a l i t y s y s t e mi ni n t e r n e te x i s t st h r e ep r o b l e m st os o m ee x t e n di n c l u d i n gm o d e lc o m p l e x i t y , r e a l i s t i cr e p r e s e n t a t i o no fd r a w i n ga n dr e a lt i m e ar e l a t i v e l yp e r f e c t e rm o d e li s ：w h e n e n t e r i n gt h ev i r t u a lr e a l i t ys y s t e m ，u s e r sc a nb ep r o v i d e dav i r t u a le n v i r o n m e n tw i t h i n t e n s i v er e a l i s t i cr e p r e s e n t a t i v e ，a n du s e r sc a ni n t e r a c tw i t hs y s t e m w h e nu s e r s s u b m i taq u e r yr e q u e s t ，t h es y s t e mc a ne x e c u t ei ta n ds h o wt h eq u e r yr e s u l t a u t o m a t i c a l l y t h ep u r p o s eo ft h i s s t u d yi s t od i s c u s st h es c e n em o d e l i n g ，i n t e r a c t i o n ，w a l k t h r o u g ha n di n f o r m a t i o ns e a r c ht e c h n o l o g yi nv i r t u a ld e s k t o ps y s t e m t h ea u t h o r s t u d i e dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yd e e p l y , a n a l y z e da n dc o m p a r e dv a r i o u ss o r t so f m o d e l i n gt e c h n o l o g yb yr e a d i n gag r e a td e a lo fc o r r e l a t e dd o c u m e n tf r o mh o m ea n d a b o a r d b a s i n go nt h i s ，t h ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo fv i r t u a lr e a l i t ys y s t e m ，w h i c h a d o p t st h et e c h n o l o g yo fv r m l a n db r o w s e r l sp l u g i n ，i sp r o p o s e d f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec l u e so fv i r t u a le n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o n ，t h ea u t h o r s t u d i e st h ee n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o nr e g i m e n t a t i o na n dt h ef l o wo fe n v i r o n m e n t c o n s t r u c t i o n ，p u t sf o r w a r dw a y so fo r d e r l yp r o c e e d i n gf o rc o m p l i c a t e ds c e n ed a t a ， c o m p l e t e st h es c e n eo b j e c tm o d e l i n g ，n o d ea d d i n g ，e m e n d a t i o na n dt e s t i n gu s i n g3 d m a xa n dv r m l p a d ，s e c o n d l y , t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ei n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi nt h e e n v i r o n m e n ti n c l u d i n gc r u i s e ，t h ec o n t r o lo fv i e w p o i n t ，t h ed e t e c to fc o l l i s i o ne t c ， f i n d so u tw a y so fo b j e c tc o n t r o l l i n gb a s e do nv r m ls e n s o ra n dj a v a s c r i p t ，d i s c u s s e s t w oi n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y b e t w e e nv r m la n dj a v ao ne m p h a s i s t h i r d l y , t h e i n f o r m a t i o ns e a r c h i n gm e t h o d si n3 de n v i r o n m e n ta r er e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e ，s u c h a se s t a b l i s h i n go u t e rs u c c e s s o rf o r3 di m a g eo b j e c t sf o rc a t c h i n gt h eo b j e c t si nt h e e n v i r o n m e n t ，p u t sf o r w a r dt h em e t h o do fr e a l i z i n gt h ei n f o r m a t i o ng e t t i n gf r o ms p a c e t oa t t r i b u t eb yj d b ca n dj a v aa p p l e t a d d i t i o n a l l y , m o d e lt e x t u r em a p p i n g ，l o d t e c h n o l o g y ，c o d e - r e u s i n g ( d e f u s e ) ，a n t i t y p e c o n c e a l i n g ( p r o t o ) a n df a v o r a b l e i n v r 系统中模型优化、交互及信息查询技术研究 s c e n et e c h n o l o g i e sb a s e do na n c h o ra n di n l i n ef o re x c h a n g e sa n df o r m u l a t i o no f s c e n e sa r ed i s c u s s e d b a s i n go nt h i s ，t h ea r t i c l ep r o p o s e st h ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo f v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m ，a n dt e s t st h eb r o w s i n ge f f e c t s t h er e s u l ti m p l i e s ：e v e r yp a r t o fs y s t e mg o e sw e l le x p e c tt h ee n r i c h m e n to fs c e n e r ya r r a n g e m e n t ，w h i c hn e e d st ob e m o r ea b u n d a n t ，t h es y s t e mt e s t i f i e st h a tt h ef a c t i c i t ya n di n t e r a c t i o ni nt h es c h e m ei s f e a s i b l et oac e r t a i nd e g r e e t h i ss y s t e ma l s oa d a p t st ot h e3 dc o n s t r u c t i o no fv i r t u a lc i t i e sa n dr e c o n s t r u c t i o n o fo l dc i t i e s f r o mt h el o n gv i e w , w ec a nd e v e l o ps e v e r a lv r m li n t e r g r a t e di t e m sf o r c o m m o nu s e s ，t h u s ，m o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n td e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t y s y s t e ms u c ha sm o d e l i n g ，m a p p i n g ，i n t e r a c t i v es e t t i n g ，a n i m a t i o n ，e f f e c tp r e v i e w , w e b p u b l i s h i n gw i l lb e c o m ep o s s i b l e k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , v r m l ，v i r t u a le n v i r o n m e n t ， 3 dm o d e l i n g ，i n f o r m a t i o nd e m a n d i n g 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位敝储槐立峰牟隰慨占月 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名： 导师虢础旺隰懈细1 日 北京工商大学学位论文 绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 本课题是得到北京市优秀人爿诸养专项基金项目资助，开展对使用虚拟现实 技术来构建虚拟校园环境的分析和创新性研究，重点研究基于v r m l 的三维场景 的建模及优化技术，场景中的实时交互技术和空间三维查询技术。 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 作品比较单一，且从网络速度考虑，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。所以，v r m l 在国内具有很大的发展潜力。 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。 本课题着眼于建立一个北京工商大学良乡校区的虚拟校园。在v r m l 与j a v a 结合的基础上建立良乡校区的建筑群，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三维模型，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，还要在此基础上实现用户与场景的交互功能。 实现北京工商大学良乡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自观。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 虚拟北京工商大学良乡校区可以说是虚拟浏览方面的一个应用系统。北京 工商大学良乡校区虚拟现实场景包括良乡校区现有的主要建筑和绿化景观。作为 北京工商大学对外交流的一个窗口，虚拟现实场景可以帮助浏览者身临其境地全 面地了解学校的整体情况，给参观者留下深刻的印象。 3 建模优化，场景中的实时交互及三维查询等技术的实现，都是对v r m l 的 积极探索，将促进v r m l 的应用。 v r 系统中模型优化、交互及信息查咖技术研究 1 2 虚拟现实v r 介绍 随着信息技术的发展，人们己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、人上智能技术、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 展提供了物质基硎 。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 一 虚拟现实 t 一 构想 v i r t u a lr e a l i t y 软件实现 n 支撑技术体系 f l 图像数字 计算 奠唑a a 2 _ 多传沏峨网络并行 机图 形学 与模智能感陡与遥扬r盘唑 式识技术术感陂技术 别术 图1 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。虚 北京工商大学学位论文 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觉，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、人上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。该技术为人机交互 界面的发展开创了新的领域，为智能工程的应用提供了新的界面上具，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，现在己在商业、 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置实时地操纵和改变用户所进入的虚拟境界。 可以浣，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 。 1 2 2 虚拟现实的特征 虚拟现实技术从本质上来况就是一种先进的计算机用户接h 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 v r 系统中模型优化、交互发信息查询技术研究 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 个系统的上作效率。 虚拟现实技术有三个基本特征：沉浸感，交互性，构想1 。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) 。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。 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。口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没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问。 4 北京工商大学学位论文 1 3 课题研究内容 本课题着眼于建立一个初步的良乡校区虚拟校园，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，用户可以在三维场景中采用多种方式漫游： 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 o 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、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 研究了场景中对象的优化问题。针对网上三维视景仿真中实时性的要求， 在保留一定视景真实感的基础上，探讨了一些场景对象( 包括建筑模型等) 的优 化问题，以减少场景中的数据量，提高浏览速度。 3 讨论了虚拟环境中的交互技术。包括漫游，碰撞检测，室内场景的浏览等。 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，即用户白行设定条漫游 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。本文重点实现了自动漫游以及交互式漫游的设计。 4 结合j a v a 与v r m i 。之间的交互接1 3 ，研究了对三维场景中的物体进行实时 编辑，如平移、旋转，材质变换等操作。 5 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性查 诒】。 v r 系统中模型优化、交互及信息查询技术研究 2 1 概述 第2 章v r m l 语言 v p 4 1 l 是虚拟实境描述模型语言( 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 ) 的简 称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，利用它可以在i n t e r n e t 建立交互式 的三维多媒体的境界。v r m l 的基本特征包括分布式，交互式，平台无关，三维， 多媒体集成，逼真自然等，被称为“第二代w e b ”，其应用范围相当广泛，包括 科学研究，教学，工程，建筑，商业，娱乐，广告，电子商务等，己经被越来越 多的人们所重视，国际标准化组织1 9 9 8 年1 月正式将其批准为国际标准。 v r m l 是一种建模语言，其基本目标是建立i n t e r n e t 上的交互式三维多媒体，也 就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟环境，其基本特征包 括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。v r m l 的出现使虚拟现 实像多媒体和i n t e r n e t 一样逐渐走进我们的生活。简单地说，以v r m l 为基础的 第二代w w w = 多媒体+ 虚拟现实+ i n t e r n e t ”1 。 2 2v r m l 的特性 总的说来，v r m l 具有以下特性”1 ： ( 1 )分布式：v r m l 能够通过包含关系把文件组织在一起，并能通过超连接把文 件联系在起。 ( 2 )交互性：交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和用户从虚拟 环境中得到反馈的自然程度。v r m l 的图形渲染是实时的，这是它与动i 面制 作软件的最大区别。这种实时性导致了在虚拟场景中的人机可交互性。在 感受虚拟环境的同时，能够通过自己的行为改变或影响虚拟环境，就如同 在现实中改变自己周围的环境一样。 ( 3 )平台无关性：v r m l 的访问方式是基于客户n 务器模式的，其中服务器提 供v r m l 文件及支持资源，客户通过网络卜载希望访问的文件，并通过本地 平台上的v r m i 。浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟境界。由于浏览器是 本地平台提供的，从而实现了平台无关性。 北京工商大学学位论文 ( 4 ) 超媒体集成：v r m l 可以支持包括3 d 声音以及各种音频、视频和动画等多种 多媒体格式，还可以内嵌用j a v a 和e c m s c r i p t 等语言编写的程序代码，v r m l 同其他标准格式文件也有很好的兼容性。 ( 5 ) 可重组性：v r m l 中通过定义相关的机制( 如原型机制等) 使得用v r m l 生成的 模型可被重复使用。 ( 6 ) v r m l 具有可伸缩性：首先，对v r m l 浏览器来说，从理论上讲应该能够处理 许多个对象组成的分布在因特网上的境界。其次，v r m l 在极其强大的机器 和价格便宜的机器上都工作的更好，它允许浏览器为了提高性能而降低图 像或仿真质量。而在硬件性能增强时质量可以变得更好。最后，v r m l 境界 可以相对于网络性能伸缩。 2 3v r m l 的应用 v r m l 能在不同的应用领域以三维形式输出可视化数据。v r m l 提供了新的用 户界面，使用者能以更直观的方式与三维世界中的对象交互。三维数据表达比二 维数据更直观和更易理解。采用v r m l 能给人以更大的启发、营造更为逼真的三 维虚拟世界。v r m l 在教育、娱乐、工程和商业方面已得到应用”1 。 ( 1 ) 教育应用 s g i 已经把v r m l 用于建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示 等领域。由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习 兴趣，学习效果十分显著。随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的结合、 相互促进和发展、能够提供更加协调的人机对话途径。 ( 2 ) 娱乐应用 娱乐领域是v r m l 的一个重要应用领域。v r m l 是一个功能十分强大的在 i n t e r n e t 网| 二交换三维场景的描述性语言。它能提供更好的多人之间的交互。 提供更加逼真的虚拟环境，从而使得人们能够享受其中的乐趣，带来更多更好的 娱乐感觉。v r m l 正朝着实体通信，大规模用户交互方向发展。 ( 3 ) 工程应用 当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便均显示各种产品。某些设法 提高生产率并削减成本的公司特别需要那些能通过全球网或内部田按协作方式 v r 系统中模型优化、交互及信息查询技术研究 使用v r m l 建立三维模型的工程人员。 ( 4 ) 商业应用 对于那些期望与客户建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客 户发送电子广告的公司，全球网具有特别的吸引力v r m l 有可能大幅度改善顾客 购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然 后通过全球网办理付款手续、商店及时把商品送到顾客手中。 2 4v r m l 体系结构 v r m i 。定义了一种把三维图形和多媒体集成在一起的文件格式。从语法角度 看，v r m l 文件是显式地定义和组织起来的三维多媒体对象集合，从语义角度看， v r m l 文件描述的是基于时间的交互式三维多媒体信息的抽象功能行为。 2 4 1v r m l 文件格式和特点 v r m l 文件可以包括下列四个主要成份：v r m l 文件头、原型、造型和脚本、 路由。并不是所有的文件都包括这些要素，唯一必须的是v r m l 文件头。v r m l2 0 标准的文件头为# v r m l v 2 0u t f 8o 这不同于1 o 标准中的文件头，1 0 标准中 文件只支持a s c i i 字符集，所以文本头为# v r m l v1 0a s c i i 。为了向下兼容，v r m l 2 o 文件格式兼容l ，0 文件格式。这个文件头有三个含义：第一、表明这个文件 是一个v r m l 文件；第二、符合v r m i 2 0 版本；第三、文件使用的是u t f 8 字符 集( 这是多种语言中键入字符的一种标准方式，包括英语，也支持朝鲜语、f | 语 和阿拉伯语的字符) 。 v r i l 注释允许在不影响v r m l 空间外观情况下，在v r m l 中包括其他信息。 可以加入对文件内容、文件绘制的不同部分的注释。注释以一个# 符号开始，结 束于该行的最后。 v r m l 中包含描述空间中造型及其属性的节点，这些是v r m l 的构件。单个节 点描述造型、颜色、光照、视点、以及造型、动画定时器、传感器、内插器等的 定位和朝向等等。节点一般包括：节点的类型( 必需) 和一对括号( 必需) 。括号 中的一定数目描述节点属性的域( 可选) 和域值。括号将节点的域信息组织在一 起。组织在括号中的域是属于节点的。由节点及其相关域定义的造型或属性在空 北京工商大学学位论文 间中被视为一个整体。所有的域类型，要么是单值类型，要么是多值类型。单值 类型是单一的值，如一种颜色和一个数字，该类型命名以”s f ”开始。多值类型可 以很有值，比如颜色和数字的列表，命名以“m f ”开始。当指定多值类型时，使 用括号将值的列表扩起来。v i g i l 文件以扩展名w r l 或w r z 结尾，表示这是一个 包含v p n l 空问的文件“1 v p c i l 文件具有以下特点： a 复用性好 在v r m l 文件中可以内嵌其它v r m l 文件，以实现文件的复用。 b 扩展性强 v r m l 支持i s o 标准的其它文件格式，可在多种操作系统平台运行。 c 易编写 v r m l 文件结构清晰，编写容易、转换方便，可用普通的文本编辑器编写。 2 4 2 节点 虚拟境界由对象构成，对象及其属性用节点( n o d e ) 描述，所以节点是构成 v r i v i l 文件的基本单元。从层次结构上可以把节点分成三种类型，组节点、子节 点和属性节点。节点的语法结构举例如下： t r a n s f o r m ( t r a n s l a t i o n200 c h i d r e n s h a p e ( g e o m e t r yb o x s i z e421 ) ) ) 以上几条语句描述了一个长4 米、宽1 米、高2 米的三维立方体，并相对坐 标原点沿x 轴正方向移动2 个单位即2 米。其中t r a n s f o r m 为组节点，s h a p e 为 子节点，b o x 为属性节点。而t r a n s l a t i o n ，g e o m e t r y ，s i z e 分别为t r a n s f o r m ， s h a p e ，b o x 节点的域，节点名的首字母大写，而域名都用小写字母表示。 v r 系统中模型优化、交互及信息备询技术研究 节点可以通过d e f 语句命名，一个经过命名的节点可以通过u s e 语句被引用， 类似面向对象的封装机制。v r m l 的每个节点都属于特定的某种类型，如s p h e r e ( 球体) 、c o l o r ( 颜色) 、g r o u p ( 组) 、s o u n d ( 声音) 、p o i n t l i g h t ( 点光源) 等。v r m l 定义了5 4 种基本节点类型( 内部节点类型) ，此外，用户可以通过原型 ( p r o t o t y p e ) 定义自己的节点类型。 v r m l 的每一个节点都有零或多个域( f i e l d ) ，域值决定了该种节点类型的对 象在虚拟场景中的状态。节点类型大都具有接收和发送的事件( e v e n t ) 的能力， 其中事件入口是节点接收事件的逻辑接收器，从事件入口进入的事件成为入事 件，入事件将导致节点状态的改变为出事件。事件的出口是节点产生事件的逻辑 输出端，从事件出口送出的事件称为出事件。外露域( e x p o s e d f i e l d ) 是域、入事 件、和出事件的统一体，它既可作为域确定节点的状态，又作为事件入口接收事 件，还能把变动的值送往其它节点。 2 4 3 造型节点的层次结构 在构造三维场景图时，最基本的节点就是造型节点( s h a p e ) ，造型节点的层 次结构如图2 1 所示。 北京工商大学学位论文 图2 1 造型节点的层次结构 造型节点( s h a p e ) 包含外观( a p p e a r a n c e ) 属性和几何( g e o m e t r y ) 节点； a p p e a r a n c e 节点包含材质( m a t e r i a l ) 节点和纹理( ( t e x t u r e ) 节点；每个节点又 包含若干个域；如g e o m e t r y 节点既包含有规则几何体造型节点( b o x c o n e 等) ， 同时又包含构造复杂造型的点( p o i n t s e t ) 、线( i n d e x e d l i n e s e t ) 、面 ( i n d e x e d f a c e s e t ) 造型节点。通常，i n d e x e d f a c e s e t 节点用于不规则的三维物 体造型，它包含法向量( n o r m a l ) 、纹理坐标( t e x t u r e c o o r d i n a t e ) 、色彩( c o l o r ) 及造型体的坐标( c o o r d i n a t e ) 。 通过上述分析得出，我们可以用s h a p e 节点创建虚拟场景中的全部三维造型。 这些造型包括基本几何造型以及文本、点、线、面方式构造的任意几何造型。 2 4 4 场景图 场景图由描述对象及其属性的节点组成。它的第一类节点用于从视觉和听觉 角度表示对象，它们是按照层次体系结构组织的，反映了境界的空间结构。另 类节点参与事件产生和路由机制，形成路由图，确定境界随时间推移如何动态变 化。 场景图是有向无环图，有些节点有s f n o d e 或m f n o d e 域，从而能够包含其它 节点，上层节点称为下面各层节点的祖先，下层节点称为它以上所有节点的后代。 节点间的层次关系可分为两种类型：第一类是根据节点语义通过特定域包含 特定节点而形成的层次关系。例如，s h a p e 节点的a p p e r a n c e 域和g e o m e t r y 域 都是s f n o d e 类型，所以s h a p e 节点和a p p e r a n c e 节点之问以及s h a p e 节点和几 何节点之间都可以形成上下层关系。另一类层次关系是用编组节点把组子节点 组织起来，从而形成父子关系。组节点共八种：a n c h o r ，b i l l b o a r d ，c o l l i s i o n ， g r o u d i n l i n e ，l o d ，s w it e h 和t r a n s f o r m ，它们都有一个类型为m f n o d e 的子 节点域c h i l d r e n ，包含一组子节点。 2 4 5 事件体系与路由 事件为节点提供了接收外界消息以及向外界发送消息的能力。节点通过事件 v r 系统中模型优化、交互及信息查询技术研究 入口接收事件，通过事件出口发出事件，一个节点的事件出口和另一节点的事件 入口之间用于传递事件的通路称为路由，通过路由联系起来的节点形成事件体 系。 产生事件的原因是环境变化、用户交互或时间推移，检测器节点能够检测到 这种变化并发出初始事件。事件一旦产生，就按照时间顺序向路由目标节点发送， 并被目标节点处理，这种处理可能改变节点状态，产生其他事件，或者改变场景 图的结构，从而为境界提供了动态性。这些过程可用图2 2 描述”1 路由的作用是将各个不同的节点绑定在一起以使虚拟空间具有动感和交互 性。大多数的节点都有输入( e v e n t i n ) 和输出( e v e n t o u t ) 接口，一个节点通常具 、有多个不同的输入和输出接口。事件通过节点间的路由传递从一个节点传递到另 一个节点，达到交互。 在绑定路由中应该注意以下方面： a 绑定在一起的输入和输出接口具有相同的数据类型。 b 绑定节点的路由在没有触发前一直处于休眠状态，在被触发后才有事件 从输出节点的产生，通过路由传递到输入节点的接口，产生交互。 c 创建复杂物体时可以将多个节点绑定到一起，实现交互性。 入事件 图2 2 事件体系 北京工商大学学位论文 2 4 6 坐标系和变换层系 v r m l 文件中定义的所有对象以及文件包含的所有对象都隐式地拥有自己的 坐标系，坐标系符合右手法则”1 。 坐标系的主要包括以下内容： a 三个规定了正方向单位的坐标轴x ，y ，z ，其中x 轴指向右方，y 轴向上， z 轴朝外。 b 一个坐标原点。 c 三个坐标面，即x y 面、y z 面和z x 面。 坐标系可以旋转，旋转坐标系包括以下参数： a 旋转轴，即空间中一条直线，坐标系围绕其旋转。 b 旋转方向，坐标系围绕旋转轴旋转的方向。 c 旋转角度，坐标系围绕指定的旋转方向所转过的角度，单位是弧度。 v r m l 支持局部坐标系，局部坐标系随着所依附的对象的变换而变换。在虚拟 世界中具有一个或是多个特定空问位置的根节点和子节点构成变换层系，变换层 系是场景图的子图，坐标变换随变换层系的深入而不断积累，形成复合变换。变 换层系描述了虚拟场景中能够直接感觉到的部分，v r m l 浏览器显示v r m l 文件， 把变换层系呈现给用户。 2 5 构建v r m l 文件的方法 目前构建v r m l 文件主要有以下几种方法： 第一种方法是使用文本编辑器直接进行v r m l 文件的书写。这样做的不足之 处是只能创建比较简单的物体和场景。创建复杂场景的时候，几乎不可能使用文 本编辑器来直接编写。第一是因为场景之间相互关系和位置确定比较复杂，第二 是对于复杂物体的建模显得无能为力( 精确到小数位两位己经是计算的一个极限 了) ，第三对数学能力要求较高。v r m l p a d 是一个很出色的虚拟现实文件专用编 辑器，不仅有利于提高代码编写效率，而且还提供程序调试功能，是完成复杂虚 拟场景必不可少的利器之一。 第二种方法是使用可视化编辑器来建模。使用可视化编辑器避免了直接使用 v r 系统中模型优化、交互及信息查询技术研究 文本建模时的一些问题，例如不能生成复杂场景等。这些工具的一个突出的优点 就是使用起来相当方便，它不需要手工地输入大量的命令而只需要轻轻拖动鼠标 即可实现大量程序才可能完成的功能。如3 ds t u d i om a x ，m u l t i g e nc r e a t o r 。 第三种方法就是使用其它常见的图形格式进行转换。在w e b 上，存在着大量 的各种各样的三维文件格式，转换工具的作用就是在这些文件格式之间进行转 换。需要注意的是，所有的转换程序都有局限性，例如在转换特定文件中的光照 和纹理贴图时就会失败。 在本课题开发中是通过3 ds t u d i om a x 和v r m l p a d 相结合来进行的。 2 6 浏览v r m l 的方法及插件 浏览v r m l 的一般方法是使用v r m l 浏览器，也可以在i e 等通用浏览器上通 过v r m l 浏览器插件对v r m l 文件进行浏览。目前v r m l 浏览器主要有l i v e 3 d 、c o s m o p l a y e r 、w o r l d v i e w 、v i s c a p e 、c o r t o n a 等几种。c o r t o n a 是俄国w e b 3 d 公司 p a r a l l e l g r a p h i c s 发布的v r m l 浏览器，除很好地支持v r m l 9 7 外，还支持多种