（计算机应用技术专业论文）基于vrml的三维场景生成工具的设计与实现.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 v r m l 是i n t e m e t 上标准的三维文件格式。由于v r m l 文件格式很复杂，对于普 通的非专业用户( 比如刑侦人员) 来说，直接通过编辑文本来书写文件创建v r m l 场 景是很困难的。同时，案件现场的三维表现比二维图或静态的图片、文字的现场描述更 加直观、形象、全面，有利于案件的汇报、交流、进一步分析、破案指挥。本文根据 案件三维现场再现的需求以及刑侦人员试用后的新的需求，设计并实现了一个可视化的 所见即所褥的三维场景搭建工具。任何不了解v r m l 文件格式的用户都可以很快掌握 这种搭建工具，只用鼠标就可以快速搭建场景，生成能够用v r m l 插件浏览的v r m l 场景文件，对用户完全屏蔽了关于v r m l 的操作。通过本课题设计的工具，用户能够 所见即所得的快速再现案件现场。 本文主要内容包括：v r m l 的基本特点及相关的技术背景，并论述了本文开发工 具的背景及意义，从软件工程的角度描述了本工具的功能、设计与实现。 本文主要工作是三维场景生成技术的研究，所开发工具的目标是为用户提供了非编 程的积木搭建式的交互创建三维场景的所见即所得用户界面。场景创建者通过对场景的 图形进行想要的操作，以图形驱动的方式在运行时交互的创建和操纵v r m l 场景中的 对象，场景的编辑功能由本软件的后台程序完成。系统实现了在v r m l 插件中对物体 的拾取和拖放，以方便用户的搭建操作。另外，实现了基于v r m l 的物体运动路径的 所见即所得的交互创建方式，以模拟案件三维现场的动态信息描述。实现了对v r m l 场景的动态生成和管理以及实时保存，即对场景文件的持久化。 本课题是沈阳市科学技术局的纵向课题一案件三维现场再现技术研究的研究 内容，将应用于公安部门刑事侦破工作。 关键词：v r l v i l ，可视化，交互，所见即所得 沈阳工业大学硕士学位论文 d e s i g n i n g a n d i m p l e m e n t i n g o f3 - d i m e n s i o ns c e n e sb u i l d i n gt o o l a b s t r a c t v r m li st h es t a n d a r df o ri m c m e t3 dm ef o r m a t t h ef i l ef o r m a t i sv e r y c o m p l e x ，s o i ti s v e r y d i f f i c u l tf o rc o m m o nu s e r sw h oa r en o tt h ep r o f e s s i o n a l ss u c h a sp o l i c e m e nt oc r e a t e v r m lf i l eu s i n gc o m m o nt e x te d i t o r a n dt h e3 - d i m e n s i o nd e s c r i p t i o ni sm o r ev i s u a l ， i n t u i t i o n i s t i ca n d c o m p r e h e n s i v et h a n2 dp l a n ，s t a t i cp i c t u r e s o rw o r d s t h i sb e n e f i t st ot h e r e p o r t ，i n t e r c o m m u n i o n , f u r t h e ra n a l y s i sa n dd i r e c t i n g o f c r a c k i n gc r i m i n a l c a s e s t h i s p a p e r w i l li n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faw y s i w y g b u i l d i n gt o o lf o r3 一d i m e m i o n v r m l s c e n e a n y u s e rw h od o e s n tk n o wa b o u tv r m l c a nm a s t e rt h i sb u i l d i n gt o o la n d c r e a t ev r m lf i l ew h i c hc a nb eb f o w s e db yv r m l p u l g i nq u i c k l ys i m p l yb y m o u s e a n da l l t h e s eh i d et h ew o r ko f e d i t i n g v r m l f i l ed i r e c t l y t h eu s e r sc a n q u i c k l y r e b u i l dt h es p o ts c e n e w i t h3 d s p o ts c e n er e b u i l d i n gs y s t e m t h i s d i s s e r t a t i o n m a i n l y i n c l u d e s ：t h e c h i e f t r a i ta n d o f v r m l a n d s o m e v r m l - r e l a t e d t e c h n i q u e s ；d e s c r i b i n gt h em e a n i n g o f d e v e l o p i n g 3 - d i m e n s i o ns c ) e n e sb u i l d i n gt o o l ； d e s c r i b i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g t h i st o o lf r o mt h e p o i n tv i e wo f s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ， c o v 盯i n gf u n c t i o n sd e s e r i b i n g ，d e s i g n i n ga n di m p l e m e m i n g t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h es t u d yo f3 一d i m e n t i o ns c e n e sb u i l d i n g t e c h n i q u e s t h ea i mo f d e v e l o p i n g t h i ss y s t c mi st op r o v i d et h ew y s i w y gi n t e r f a c ef o ru s e r s , w i t hw h i c h u s e r sc a nb u i l d s c e n e si n t e r a c t i v e l yw k h o u t p r o g r a m m i n gj u s tl i k eb u i l d i n gb l o c i 【s t h i st o o l s h i e l d su s e r sf o r mt h ee d i t i n go f t e x t s c e n eb u i l d e rn e e d n tk n o wa b o u ta n y s y n t a xo f v r m l o rt h ed e t a i l s w h a t t h e yh a v e t od oi st om a n i p u l a t et h eg r a p h i c ss h o w ni nt h ei n t e r f a c e t h e u s e sc a nb u ms c e n e sa n dc o n t r o lt h e o b j e c t so f v r m l s c e n e sw i t ht h ed r i v ef r o m g r a p h i c s d u r i n gt h er u n n i n gt i m e a n dt h ed e t a i l so f t h e s ef u n c t i o n sw i l lb ei m p l e m e n t e d b y t h e b a c k s t a g ea p p l i c a t i o n s t h es y s t e mp r o v i d e st h ep i c k i n ga n dd r a g g i n go b j e c t si nv r m l p l u g i n w h i c hi su s e dt os h o w nt h e3 一d i m e n t i o ns c e n e a n dt h i sp r o v i d e sc o n v e n i e n t m a n i p u l a t i n g m e t h o df o ru s e r s i na d d i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns e a r c h e sf o rt h ei n t e r a c t i v e w a y s t oc r e a t i n g o b j e c t sm o v i n gr o u t e ，w h i c hc a n b ea p p l i e dt od e s c r i b et h ed y n a m i ci n f o r m a t i o no f3 d s p o t s c e n ew i t haw y s i w y gi n t e r f a c e i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ei n t e r a c t i v ec r e a t i n ga n d c o n t r o l l i n go f s c e n e s , t h es y s t e m p r o v i d e st h ed y n a m i cs a v i n go f av r m l s c e n e ，t h a t st os a y t h ep e r s i s t e n c eo f as c e n ef i l e 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h i s s t u d y i st h ep o n r a i tt a s ko f s h e n y a n go f f i c eo f s c i e n c e t e c h n o l o g y t h es u b j e c ti s t h es t u d yo f 3 d s p o tr e b u i l d i n gt e c h n i q u e t h i ss y s t e mi sa p p l i e dt oc r a c k i n gc r i m i n a lc a s e s f o rt h ep o l i c e k e y w o r d 5 ：v r m l ，v i s u a l i z e , i n t e r a c t i v e , w y s l w y g ( w h a ty o us e ei sw h a t y o ug e t ) 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：煎日期：递垃兰：! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校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循此规定) 签名：塑导师签名：塑日期：型兰型兰 沈阳工业大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题应用背景 本课题是沈阳市科学技术局的纵向科研项目，以案件三维现场的再现为背景。 在刑事案件侦破过程中，刑侦人员要从案件现场获得尽可能多的线索和证据。传统 的描述案件现场的信息包括：照片、文字、现场的痕迹、录像等多方面采集总结的综合 资料。使用这些资料对案件现场的进一步的更加详细地分析可能发现更多隐蔽性的线 索；在重大案件中，各部门之间可能需要通过照片和平面图互相交流汇报信息。但是人 们更加习惯于观看三维世界，而无论照片还是平面图表现现场情况都存在一些不足，这 些信息不够宜观、不够形象。录像提供了多角度的观察画面，但是观察角度和距离完全 是摄像者掌握的，对于摄像者没有拍摄到的细节，观察者是只能够想象和猜测。二维平 面图虽然能够表现现场的整体结构，没有人们习惯的三维图直观，而照片它只能够描述 特定角度位置的现场，很可能遗漏某些重要的线索。对于没能亲临现场的人来说，所以 对现场的印象不清晰，仅能停留出过现场的人员的口头描述上，给串并带来一定困难。 如果使用三维信息来描述案件现场，那么无论是去过现场还是没有亲临现场的其他人 员，都可以通过观看“现场”有一种身临其境的感觉，再与案件信息配合使用，将大大 加强技术人员的临场感觉，给案件的串并提供极大的便利。 三维图的表现能力虽然优于二维图，而且计算机的发展为我们提供了描述三维世界 的中介，我们可以通过某些软件来创建现场描述。但是三维生成技术和生成过程对于一 般的刑侦人员来说是很难掌握的，因为他们只具有简单计算机应用知识，但却具有专业 的刑侦知识的人员。本课题就是面向非计算机专业人员的用户群，研究并实现了基于 v r m l 三维场景的非编程生成技术。本课题的目标是开发非编程的、所见即所得的交互 创建案件现场三维世界的软件一案件现场再现软件。 课题组已经开发完成了案件三维现场再现软件的第一版，该版本中已经实现了非编 程、可视化的操作环境。正在几个刑侦部门应用( 沈阳市公安局刑侦二处、沈阳市公安 局铁西分局刑警队和鞍山市公安局刑警队) 。经过用户的使用，反馈效果良好，验证了 1 沈阳工业大学硕士学位论文 软件的确易学易用而且具有较高的实用性，提高刑侦工作的科技水平。同时用户也提出 了一些改进意见。 本人参与了案件现场再现软件第一版开发工作，参与该版本生成技术研究以及一些 细节工作。本课题根据案件三维现场再现的需求，针对用户的需求以及试用后提出的方 便性、易用性等新的需求，经过的文献的查找和分析，采用不同的技术核心设计实现了 案件三维现场再现软件的v 2 0 。 该软件是针对快速再现案件现场，协助案件的侦破工作而开发的。它的用户是那些 不具备编程经验的刑侦人员，他们不需要了解描述场景的语言本身，只需要通过简单的 鼠标和键盘输入操作，可以实现交互的生成场景并与场景进行交互，而且用户能够随时 看到场景的变化。根据用户的需求，为方便操作，实现了通过鼠标操作交互的创建三维 现场及现场动态描述的功能 该软件的最终目标是为用户提供非编程交互式操作的、可视化的操作环境，即所见 即所得的用户界面，这对一般刑侦人员易学易用，并且三维场景生成快捷。针对用户提 出的颞的需求，提供更加方便、直观的交互式操作环境。另外，该软件是面向互联网 的，生成的场景可用w e b 浏览器显示，且数据量小，便于网络传输，利于案情交流。 对于综合案件信息如现场的痕迹、照片、文字说明都集成到现场模型中。该软件可以恢 复被破坏或改变的现场，这些功能给案件交流、分析、汇报，尤其对大案的分析和破案 指挥提供了很大的方便，提高刑侦手段信息化和现代化的水平。 1 2 采用v r m l 的意义 随着w l v l v 的迅速发展，人们可以方便的从世界的任何角落获取信息，但是目前网上 的交流方式一般是通过字符、文本和图片，人机交互一般通过超级链接实现，这使人们 感觉仍然被置身于计算机之外。人们更习惯也更喜欢交互的、逼真的、动态的虚拟三维 环境，它使用户沉浸于这个虚拟的空间中，就像在真实世界中一样。 而v r i c l ( v i r t u a l r e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是适用于w e b 环境的虚拟现实建模语 言，它为用户提供一种模拟现实的方式。v r m l 文件像h t m l 一样，用a s c h 文本描述世 界和链接，保证在各平台上的通用，同时降低数据传输量，因此便于网上的传输。且使 2 沈阳工业大学硕士学位论文 用v p , y l 我们可以将多种案件信息的查询集成到案件现场模型中，加强现场的描述，有 助于案情的交流与分析。比如在刑侦破案过程中，一般的交流方式是通过照片、文字报 告、录像等等，在网上发布的信息与一般的网络信息类型相同。如果刑侦人员希望察看 或进一步分析案件的信息，只能获取一些文字或图片信息。对于流串作案的侦破工作， 可能需要异地协同甚至是国际合作破案，如果使用v r 蝴l , 描述的案件现场信息，它能够 实现与和h t m l 网页或数据库的互相链接，这可以为用户提供详细的案件说明信息，将 多种案件信息的查询集成到案件现场模型中，有利于辅助案情的交流和破案工作的进 行。 使用传统的案件现场描述方式，刑侦人员不能像亲临案件现场那样任意改变观察角 度，从不同的位置来观察、分析现场。但如果这些案件信息是采用v r m l 描述的，刑侦 人员就可以通过控制鼠标、键盘等设备按照自己的意愿，控制显示在v r m l 插件中的虚 拟的案件现场中前进、旋转，从任意角度观察，碰到重要的线索时，可以拉进或拉远视 点的位置从任意角度，任意位置来观察它。通过多角度的观察有助于细致的分析案情， 查找重要线索。 而且v r m l 场景的浏览工具不需要开发者来实现，不同于j a v a 3 d 。j a v a 3 d 场景必须 要自定义一个三维场景的浏览器来解释场景文件，从而显示场景，在自定义三维浏览器 的浏览功能来浏览场景8 1 。对于v r m l 场景的浏览用户可以使用现成的v r m l 插件，不必 安装其它专用软件，只要在配置有该插件的w e b 浏览器中就可以浏览场景，目前多家公 司都提供了免费插件供用户使用，该插件为用户提供了多种浏览场景的方式，让用户就 像置身于真实世界中一样，可以任意角度的观察场景。 另外，v r m l 语言本身为场景创建人员提供了许多可用于构造体的节点类型，不同 于o o e n g l 。o p e n g l 只有点线面的信息，没有体的类型，构造三维体是非常的复杂“s 。 使用v r m l 可以不必考虑由图形基本信息到图形的显示这一过程的复杂的图形技术，只 要利用配置有v r m l 插件的w e b 浏览器实现图形的显示。而且有多种三维建模工具 ( 3 d m a x ，m a y a 等) 具有很强的建模能力，直接使用这些工具创建三维物体和现场工作 量可想而知，对于刑侦人员来说不但难于掌握而且建模过程较长，但是可以将使用这些 3 沈阳工业大学硕士学位论文 工具生成的物体模型文件通过某种转换导出为v r m l 格式的物体模型文件，然后再用于 搭建v r m l 场景文件。 根据上述分析，由于v p , m l 语言本身的特点以及用于显示v r m l 场景的插件的方便 性，本系统采用v i g i l 来描述三维案件现场场景。 1 3 本课题技术背景及主要工作 1 3 1 技术背景 案件三维现场再现技术的研究已经通过鉴定，被评定为国内领先。该软件为用户提 供了非编程的交互操作方式及可视化的操作环境，即所见即所得的用户界面，这对一般 刑侦人员是易学易用的，并且三维场景生成快捷。另外，该软件是面向互联网的，生成 的场景可用w e b 浏览器显示，且数据量小，便于网络传输，利于寨睛交流。对于综合 案件信息如现场的痕迹、照片、文字说明都集成到现场模型中。该软件可以恢复被破坏 或改变的现场，这些功能给案件交流、分析、汇报，尤其对大案的分析和破案指挥提供 了很大的方便，提高了刑侦手段信息化和现代化的水平。该软件正在由沈阳市刑警支队 刑侦二处、沈阳市铁西区刑警大队和鞍山市刑警支队试用，用户反馈良好，经试用验证 了软件的确易学易用和具有实用性，而且提高了刑侦工作的科技水平。用户在应用过程 中提出一些改进意见，比如生成速度、界面安排、具体功能( 拾取、拖动物体) ，模拟 移动路线等。 本文的主要工作是针对刑侦人员搭建案件三维现场的需求以及试用软件v 1 0 后提 出的新的需求，采用不同于第一版本的自动化接口技术，设计并实现更加方便、易用、 功能更加完善的案件三维现场再现软件v 2 0 。 经过文献的分析，由于v r m l 的纯文本性i ”，用户首先面临的一个问题是，使用 v r m l 描述一个复杂的三维场景必然要处理大量的文本和数据，对于一个复杂场景中的 物体以及物体之间的相对关系的计算量非常大，不但耗时而且准确率低f 4 “。即使用 户得到了准确的描述场景的文字和数据信息，输入也是用户将要面临的问题。用户必须 输入符合v r m l 规范的文本，就像没有出现网页创作工具以前，人们必须直接编写 h t m l 文档来制作一个网页一样，所以编写代码相当的费时。接下来的问题是，由于 - 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 v p , m l 规范本身的特点，用户必须正确的匹配节点和节点域的有效范围，才自t i e 确显示 场景，所以调试一个纯文本v r m l 文件也是一件费时的工作。如果要改变v r m l 场景 显示的内容，那么用户必须去修改源代码，这样才能改变场景的内容。但是无论熟悉 v r m l 语言的程序员或不了解v r m l 的普通用户，都不希望面对满是字母和数字组成 的源代码。所以修改工作不但是一件费时的工作，而且繁杂无味的修改v r m l 文本也 浪费了设计者大量的精力。由于上述原因，直接对v r m l 源文件进行修改将大大降低 生成场景的效率，也是设计者不能把全部的精力放在场景的创建中。所以为用户提供一 个非编程式的交互的创建工具是必要且有意义的。 v r m l 文件必须经过v r m l 插件的解释才能在配置有v r m l 插件的h t m lw e b 浏览器中显示和浏览场景。为用户提供的交互式生成工具必须能够让用户向场景中添加 删除物体，改变物体的属性等功能。 v r m l 规范发展到z o 以后，通过传感器( s e n s o r ) 节点和脚本( s c r i p t ) 节点实现 为用户提供了简单的交互浏览功能1 1 ”j ，增加了动画功能和编程功能【1 0 l 。使用s e i 】s o r 节 点提供的事件，可以使用户的行为作用于场景，比如，选中场景中的一个物体，对它进 行拖动操作，那么用户可以看到场景的即时的变化。用户也可以在s c r p t 节点写入包含 v r m l s c r i p t ，j a v a s c r i p t ，j a v a 编写的函数，通过简单的编程来实现比s e n s o r 更多的事件 处理【1 8 1 。文献【邶8 4 1 】通过v r m l s c r i p t 实现交互，文献【1 1 】通过j a v a s c r i p t 实现交互，文献 f 1 2 j 通过j a v a 实现交互。 虽然在s e n s o r 节点和s c r i p t 节点中构造了以事件为基础的交互机制。然而在s c r i p t 节点中，只能实现按照预定规则改变场景节点数据的函数，然后将这个函数输出路由到 目标节点【6 】。这种交互功能对场景的改变是暂时的，它并没有真正实时的改变v r m l 节 点中的数据，v r m l 场景的文件并没有改变，因此这种交互只是对场景的浏览。 而用户希望能够根据自己的需要动态的生成和编辑场景，动态的生成v r m l 场景 必须要实时的读写v r m l 场景中节点的数据，采用v r m l 的e a i ( e x t e r n a la u t h o r i n g i n t e r f a c e ，外部程序接口) 方法能够实现外部应用程序的数据与v r m l 文件的节点数据 进行实时交互【6 ”。然而，它必须依赖网络浏览器( i e 或n e t s c a p e ) 以及一个与v r m l 浏览器相联系的j a v a 包的支持，开发语言只局限于j a v a s c r i p t 或j a v a a p p l e tt ”。而通过 5 沈阳工业大学硕士学位论文 p a r a l l e l g r a p h i c s 公司c o r t o n a s d k 提供的v r m l a u t o m a t i o n 技术，它是v r m le a i 的 替代升级技术，它被设计成一种通用的a u t o m a t i o n 接口，允许应用程序脱离浏览器环 境直接使用c o r o n a a c t i v e x 控件，使虚拟现实应用系统的开发者可以通过多种高级语 言与v r m l 对象进行交互，从而交互的生成和管理虚拟现实场景中的各种对象p “”。 根据文献【8 “珥的分析，c o r t o n a s d k ( 后面简称s d k ) 是p a r a u e l g r a p h i c s 公司的 c o r t o n as o f t w a r ed e v e l o p e r sk i t 简称，它提供一个应用程序的接口( a p i ) ，它使得创 作者和开发者可以把p a r a u e l g r a p h i c s3 d 技术集成到其他引用程序中，如v b ，h t m l 脚本等，这个工具只能用于操作显示于p a r a u e l g r a p h i c s 公司的c o r t o n av r m l c l i e n t 插 件中的场景。c o r t o n a v l ：l m l c l i e n t l 4 0 1 插件为用户提供了同步的交互技术，对显示在 c o r t o n a 插件中的场景，用户能够看到用户发出的，在s d k 控制下场景的即时改变，这 个插件可以用于任何支持c o m 和o l e 技术的环境中，应用非常方便，灵活。 s d k 由两部分组成：c o n o n a 控制和c o r t o n a a u t o m a t i o n 驱动器。通过c o r t o n a a u t o m a t i o n 驱动接口，使我们对3 d 模型的操作简单化。c o r t o n a a u t o m a t i n 接口定义了 一个对象模型( v r m l a u t o m a t i o n 对象模型) ，它对c o r t o n a 插件的访问类似d h t m l 对象模型对h t m l w e b 浏览器的访问。它不需要j a v a 脚本来控制场景，把v r m l 文件 中的节点看作对象，通过v r m l a u t o m a t i o n 对象模型中的e n g i n e 对象直接操作场景中 对象的属性、事件和方法，便于对v r m l 文本进行实时的控制，可以大大提高运行速 度。 通过这接口，用户可以访问v r m l 场景中的任何节点，它允许图形驱动的应用 程序在运行时交互的创建和操纵v r m l 场景中的对象，实现真正实时的改变场景中的 节点对象的属性值，从而达到动态的生成和改变整个场景的目的。 经过上述分析，s d k 是一种应用在三维应用程序的有效的快速开发中的工具。它 可以替代e a i 来控制v r m l 场景中的节点，当然，无论通过哪种接口生成场景都要求 用户具有专业计算机使用和编程的能力，这对于大多数的非专业编程人员，几乎是不可 能在短时间内所能掌握的。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 本文将针对上述问题在v b 6 0 环境下，开发基于图形对象的案件现场再现软件 v 2 0 ，实现场景的生成和编辑；物体的拾取、拖放、拷贝；平面图中绘制二维线时，实 现线的拾取；运动路径的编辑等功能。 1 3 2 主要工作 本人在此课题的研究开发过程中，根据软件工程开发方法，使用面向对象的思想分 析和设计实现基于图形用户界面的三维场景生成软件。这个软件为用户提供了非编程式 的用户界面，用户不需要掌握v r 札语法，只需要直接操作场景完成场景的搭建。本文 主要完成了以下一些工作： ( 1 ) 本人在文献和实践中消化、吸收了s d k 之后，根据再现案件三维现场的需求 以及刑侦人员的新需求，设计实现了非编程的、所见即所得的三维案件现场再现软件。 在第一版中系统的实现完全是基于文件操作的，它是针对磁盘文件的操作，对于场 景的实时改变的显示是通过重新关闭和打开文件实现的，不能够在v r m l 插件中实现 物体的拾取和拖放操作。本文使用了s d k 提供的访问v r m l 插件的接口，并遵循其对 象模型的约定处理场景中的所有节点，通过对p a r a l l e l g r a p h i c s 公司的v r m l 插件显示 的场景及插件本身的控制，编程实现了三维场景的动态编辑工具。 ( 2 ) 对三维场景中的物体的拾取和拖放操作的设计与实现。根据用户的需求，经 过对s d k 的消化和吸收，它为场景三维应用程序开发者提供了方便的访问v r m l 节点 的手段，一种e a i 的替代技术，它将很多复杂的图形操作封装了起来，很大程度上简化 了开发者的工作，但是有时这也为开发者带来了一些困扰，本文对遇到的一些问题进行 了尝试性的解决。 ( 3 ) 对场景的多个物体进行分组，并能够按组进行物体的拖放操作。 ( 4 ) 根据用户的需求，重现的案件三维现场不但要能够表现三维静态的信息还要 能够模拟物体的动态运动过程，本系统初步实现了物体运动路径的所见即所得的交互式 创建功能。运动路径相邻关键帧距离的安排来保证物体沿路径均匀运动。 ( 5 ) 案件现场物体的多方向复合旋转的实现。 ( 6 ) 对场景的持久化，实时的保存场景的动态改变以及再次编辑场景中物体的功 能的设计与实现。 一7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 另外，本文设计开发的系统，减少了场景文件的冗余，缩小了文件的大小；简化了 平面搭建的操作方式等。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 2 相关技术介绍 2 1 虚拟现实介绍 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y 简称为v r ) 技术是通过计算机硬件、软件及各种传感器 构成三维信息的虚拟环境的人机界面技术。它综合了它综合了计算机图形学、图像处理 与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计 算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、 听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为做出动态的交互反应。根据用户参与 v r 的不同形式以及沉浸的程度不同，实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类：桌面 虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统和增强现实性虚拟现实系统 1 9 】。当用户投入到虚拟现实环境中，可以与它进行交互，有身临其境的体验，因此虚拟 现实技术可理解为多媒体技术的更高境界【6 】。随着相关技术的迅猛发展，v r 技术也日 趋成熟，成为被众多专家学者所预见的2 1 世纪的热门技术。 2 2 几种桌面虚拟现实技术 桌面虚拟现实是利用个人计算机和低级工作站综合立体图形、自然交互等技术，以 营造与客观世界高度类似的逼真、虚拟的环境，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界 的应用系统。该系统通过鼠标，追踪球，力矩球等各种输入设各实现与虚拟现实世界进 行交互。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察3 6 0 度范围内的虚拟境界并 操纵其中的物体。但在这种系统中，参与者会受到周围现实环境的干扰因而缺少完全的 沉浸。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但其成本也相对较低而应用比较 广泛。 2 2 1v r m l 技术 随着w w w 应用的迅速扩展，人们开始觉得现有基于h t m l 的万维网技术已经不 够完善，不能够达到他们想要的效果，不如多媒体的产生，就显得网络的支持不够。网 络必然要向前发展的同时，人们不再满足于二维的网页活动，而希望能在网上看到近似 真实的三维图形信息，与网络中的三维环境进行交互，随着图形学技术的发展，v r 技 一9 沈阳工业大学硕士学位论文 术日趋成熟，三维空间被引入了网络【1 1 。v r m l - v i r t u a l r e a l i t y m o d e l i n g l 丑n g u a g e 虚 拟现实建模语言就应运而生了。正如文献1 2 l 中所说，v r m l 为i n t e m e t 增加了一维空 间。因此，v r m l 是第二代w w w w e b 技术( 多个文献中提及这一观点) 。v r m i _ 2 0 自1 9 9 7 年1 2 月正式成为国际标准之后，在网络上得到了广泛的应用，这是一种比 b a s i c 、j a v a s c r i p t 等还要简单的语言。脚本化的语句可以编写三维动画片、三维游 戏、计算机三维辅助教学。它最大的优势在于可以嵌在网页中显示。 v r m l 文件存储的是描述场景的模型，它本身是a s c i i 码格式的纯文本文件，所 以它的文件长度远小于其它格式的文件( 如使用3 dm a x 构造的三维场景) ，因此， v r m l 文件更适合网上的传输【1 】【4 】f 2 1 j 。用户要想浏览一个v r m l 场景，必须把专用的 v r m l 插件配置为h t m lw e b 浏览器的插件，这样w e b 浏览器在接受到v r m l 信息 时才能自动的由v r m l 浏览器显示f “”1 。 v r m l 为用户提供了6 0 多种类型的节点，这些节点是可以互相嵌套使用的 3 1 1 3 0 l ， 无论v r m l 节点本身还是v r m l 场景中的父节点和子节点都构成一种层次的结构，就 像一棵倒置的树。通过这些节点可以构建复杂的v r m l 场景，如文献【7 3 1 中实现的虚 拟现实系统。开发者可以不必考虑由图形基本信息到图形的显示这一过程的复杂的图形 技术，只要利用配置有v r m l 插件的w e b 浏览器实现图形的显示。 2 2 2 其他桌面虚拟现实技术 2 2 2 1o p e n g l o p e 硒l 【1 5 1 6 1 ( o p 髓g r a p h i cu b r a 吼开放性图形库) ，是最近几年发展起来的一个非常 优秀的开放式图形库。它是由s i l i c o n g r a p h i c s 公司( 即s g i ) 开发的。它的前身是由s g i 公司为其i 虱形工作站开发的i r i sg l ，当s g i 公司向其它平台移植时遇到了问题，为改 进其移植性，开发了o p e n g l 。o p e n g l 是业界最为流行也是支持最广泛的一个底层3 d 技术，几乎所有的显卡厂商都在底层实现了对o p e n g l 的支持和优化。o p e n g l 同时也 定义了系列接口用于编程实现三维应用程序，有运行效率高、稳定性强、跨平台等特 点，可运行在几乎所有平台包括u n i x 、w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 、l i n u x 、0 s 2 ，也可被 大多数编程语言调用，如c 、c + + b u i l d e r 、v b 、v c 、d e l p h i 。 一1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 由于o p e n g l 的跨平台特性，许多人利用o p e n g l 编写三维应用程序，但是这些接 口使用c ( c + + ) 语言实现并且很复杂。掌握针对o p e n g l 的编程技术需要花费大量时 问精力。对于一个非计算专业的人员来说，利用o p e n g l 编写出复杂的三维应用程序 是比较困难的，且不说c ( c + + ) 语言的掌握需要花费大量时间精力，当我们需要处理 复杂问题的时候，我们不得不自己完成大量非常繁琐的工作。当然，对于编程高手来 说，o p e n g l 是他们发挥才能的非常好的工具。 o p e n g l 的优点是库函数比较多，可以绘制具有真实感的3 d 图形。另外，因为它是 低层技术，因此在显示图形速度的性能上比较快，。但作为开发交互式的3 d 图形应用 软件，图形显示只是一部分，更多的工作集中在场景数据结构、图形对象、三维交互算 法和图形用户界面的设计上。还有，0 p e n g l 中没有体的概念，只有点、线、面，如果 实现一个三维的体，需要用面来封装，而且它没有提供可复用对象库或者应用程序框 架。因此同样的功能如果用o p e n g l 来实现，就要求熟练掌握o p e n g l 和大量图形学基础 知识，因此开发效率低，周期长。 2 2 2 2d i r e c t 3 d d i r e c t x 是m i c r o s o f t 公司推出的三维图形编程a p i “，它主要应用于三维游戏的编 程，是专为p c 游戏和其它高性能多媒体应用而开发的较低层次的a p i ，它支持2 d 和3 d 作图、声音和音乐、输入、力反馈、多游戏玩家间的网络通讯等。在d i r e c t x 7 0s d k 中共包括几个组件：d i r e e t d r a w 、d i r e c t 3 d 、d i r e c t i n p u t 、d i r e c t m u s i c 、 d i r e c t p l a y 、d i r e c t s e t u p 。其中d i r e c t o r a w 组件主要提供对显示内存的直接操纵，还 提供了极快的画面速度和翻页，以及和g d i 的兼容性。d i r e c t 3 0 组件包含两种模式： 立即模式i m ( i m m e d i a t em o d e ) 和保留模式p 蝴( r e t a i n e dm o d e ) 。保留模式跚是较高 层次的3 da p i ，立即模式i m 是较低层次的3 da p i ，删建立在i m 之上。d i r e e t 3 d 保留 模式是微软为p c 机上实现实时、三维图形而提供的解决方案。它主要是与d i r e c t d r a w 技术相结合，快速建立所需的3 d 场景，并实时操纵。在d i r e c t 3 d 中主要是利用 d i r e c t 3 dr e t a i n e dm o d e 来绘甫! i 三维数据场并进行消隐操作。d i r e c t 3 d 主要应用于三 维游戏的编程，目前相关的学习资料难以获得。众多优秀的三维游戏都是由这个接口实 沈阳工业大学硕士学位论文 现。与o p e n g l 一样，d i r e c t 3 d 的实现主要使用c + + 语言，v c 等编程工具进行编程， 需要编程人员具有较高的c + + 等高级语言的编程功底。 2 2 2 3j a v a 3 d 1 1 6 1 j a v a3 d 是j a v a 语言在三维领域扩展的一组a p i ，j a v a 3 da p i 是s u n 定义的用于 实现3 d 显示的接口。3 d 技术是底层的显示技术，j a v a 3 d 提供了基于j a v a 的上层接 口。j a v a 3 d 把o p e n g l 和d i r c c t x 这些底层技术包装在j a v a 接口中。这种全新的设计 使3 d 技术变得不再繁琐并且可以加入到j 2 s e 、j 2 e e 的整套架构，这些特性保证了 j a v a 3 d 技术强大的扩展性，它是在o p e n g l 基础上发展而来，因而j a v a3 d 的数据结构 也和0 p e n g l 一样，采用的是场景图的数据结构。j a v a 3 d 中可以用来编写三维形体，但 和v r m l 不同，j a v a 3 d 没有基本形体，不过可以利用j a v a 3 d 所带的u 1 1 u t y 生 成一些基本形体如立方体、球、圆锥等，也可以直接调用一些软件如a l i a s 、 l i g h t w a r e 、3 d sm a x 生成的形体，也可以直接调用v r m l 2 0 生成的形体。可以 具有交互作用，如点击形体时会使程序发出一个信号从而产生一定的变化。j a v a 3 d 可应用在三维动画、三维游戏、机械c a d 等多个领域。对编程人员的要求比较高。 而且j a v a 3 d 没有特定的三维场景浏览器，因此对于j a v a 3 d 构建的场景需要使用大 量的图形学知识将图形显示在计算机屏幕中。 2 3 国内外v r m l 生成工具现状 2 3 1 国外v r m l 生成工具 ( 1 ) p a r a u e l g r a p h i c s 公司的v r m l 文本编辑器v r m l p a d ：它是一个非常优秀的 纯文本的字符编辑器，要求用户具有一定的编程调试能力并掌握v p , m l 语法规 则，通常适用于专业的三维场景者使用。但是要将普通的文本和三维场景中的 点坐标或空间位置直接联系起来，尤其是构造复杂的几何体和场景时，是相对 比较困难的。更困难的是v r m l 没有提供高级的几何造型，需要用户利用几种 基本的几何体搭建完整的虚拟环境，其过程是繁琐无味的，更会浪费