（计算机软件与理论专业论文）基于虚拟现实的三维漫游技术研究与实践.pdf

摘要 l 自2 0 世纪9 0 年代以来，虚拟现实技术一直是信息领域研究、开发和应用 的热点方向之一。它借助计算机构建出一个与现实环境十分逼真的虚拟环境，而 且支持用户使用自然的技能亲身感受它。目前已经广泛应用于军事、科学计算可 视化、教育与培训、设计与规划、虚拟测试、虚拟游览、购物、交互式娱乐、工 程技术、科技探索等多方面领域。 虚拟现实建模语言v r m l 被称为继h t m l 之后的第二代w e b 语言，它本身 是一种建模语言，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 境界( v i r t u a lw o r l d ) ，可以集成文本、图像、声音、m p e g 影像等多种媒体类型， 还可以内嵌用j a v a 、j a v a s c r i p t 等语言编写的程序代码。v r m l 的基本目标是建 立互联网上的交互式三维多媒体。v r m l 的出现使得虚拟现实像多媒体和互联 网一样逐渐走进我们的生活。 利用虚拟漫游技术来进行虚拟浏览，小区或城市的规划与设计是虚拟现实应 用中的新热点。漫游系统包括一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟 环境，它是一个真实空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备 以自然的方式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中的虚拟对象进行观察， 从而产生身临其境的感觉，同时也可以对其中的物体进行规划和操作。虚拟漫游 系统是虚拟现实技术的综合应用，具有广阔的发展前景。j 一一7 本文在对虚拟现实、v r m l 等相关技术作了介绍后，重点对虚拟漫游的实 现方法进行了研究，包括三维场景的模型构建，场景优化等。最后设计与实现一 个基于p c 机的桌面式校园虚拟漫游系统。全文组织如下： 第一章绪论先简要介绍虚拟现实的基本概念和虚拟现实系统的特性。然后阐 述本课题的研究背景及意义、研究内容与目标。 第二章介绍了虚拟现实建模语言v r m l 的核心原理和体系结构，并对 v r m l 中的一些重要概念如节点、场景图结构、事件体系、扩展机制等作了详 细介绍。 第三章讨论虚拟漫游技术。先介绍漫游系统的概念；然后对目前实现虚拟漫 游的两大类技术( 基于几何建模的虚拟漫游和基于图像的虚拟漫游) 进行了分析 比较；最后对三维场景的建模技术和优化技术作了重点探讨，深入分析了相关的 算法，为f 一章的实现漫游系统作好了理论准备。 第四章详细描述了一个基于v r m l 的虚拟校园漫游系统的设计与实现。重 点讲述了坳潦的建模和为提高场景消嫩速度而采椒的一些优化措施。 第蠢肇缕论。霹实验嬉暴逡行黎然，著曩羹。歹迸一步鼹王捺e 燕蕤嚣：纛嚣l 溪窭v r m l 漤漆 三淫瑟豢莲模 a b s t r a c t s i n c et 9 9 0 sv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u eh a sb e e n o n eo f t h eh o t s p o t si ni tf i e l d i t c r e a t e sa l i v i n g v s r t u a le n v i r o n m e n tb y u s i n gc o m p u t e ra n da l l o w st h eu s e r s c o m m u n i c a t ew i t hi t f i e e t y + n o wv r i sw i d e l yu s e di nt h em i l i t a r y ，m e d i c i n e ， e d u c a t i o n ，v i r t u a lt r a v e l ，s h o p p i n g ，i n t e r a c t i v ee n t e r t a i n m e n te r e 。 a sam o d e l i n gl a n g u a g e tv r m li sr e g a r d e da st h es e c o n dg e n e r a t i o no fw e b l a n g u a g ea i m i n ga tc o n s t r u c t i n gi n t e r a c t i v e3 d m u i t i m e d i ao ni n t e r n e t 。i tc a nb e u s e dt od e s c r i b ea t t r i b u t e sa n db e h a v i o r so f3 do b j e c t s ，c r e a t ev i r t u a lv v o r l d ， i n t e g r a t et e x t s ，p i c t u r e s ，s o u n d s ，m p 藐g a n ds oo n 。l tc a r la l s ob ee m b e d d e dw i t h c o d e sp r o g r a m m e db yj a v a 、j a v a s c r i p tl a n g u a g e sa n dm a k e st h ed e s i g no fv r b e c o m em o r ee f t c i e n t ， i ti sv e r yp o p u l a rt ou s ev ri nd e s i g n i n g 碰艇哦连s ，c i t yp l a n sb yv i r t u a lr o a m i n 鐾 t e c h n i q u e 。r o a m i n gs y s t e m i sav i r t u a le n v i r o n m e n ti ns p e c i f i cr a n g e sw h i c hi n c l u d e s v i v i dv i s i o n ，h e a r i n ga n d f e e l i n gi no n e u s i n g s o m e n e c e s s a r ye q u i p m e n t s ，l a s e r s c a t w a l k t h r o u g hi nt h i sv i r t u a lw o r l do ro b s e r v e v i r t u a lo b j e c t sf r o m a n ya n g l ea n dt h e y w i l lf e e ll h e m s e l y e si nt h es c e n e 。t h e yc a r la l s oo p e r a t et h eo b j e c t si n s i d ev i r t u a l e n v i r o n m e n t v i r t u a lw a l k t h r o u g hs y s t e m st h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fv i r t u a l r e a l i t ys k i l l s ，w h i c h h a sa p r o m i s i n g f u t u r e ， i nt h i sp a p e r ，w eb r i e f l yi n t r o d u c es o m er e l e v a n tt e c h n i q u e so f v ra n dv i g i l , t h e np u t0 1 1 rf o c u so nt h er e s e a r c ho fv i r t u a lw a t k t h r o u g h ，i n c l u d i n g3 ds c e a e m o d e l i n g ，s c e n eo p t i m i z i n ge t c 。f i n a l l yw ed e s i g na n di m p l e m e n t av i r t u a lc a m p u s w a k k t h r o t 壤hs y s t e m b a s e do np c ，t h e f o l l o w i n g i st h ec o n t e n to f t h i s p a p e r ： c h a p t e r ib r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i c c o n c e p t o fv i r t u a l r e a l i t y a n d c h a r a c t e r i s t i co f i t 。t h e n e x p a t i a t e t h eb a c k g r o u n d ，m e a n i n g ，c o n t e n ta n d g o a l o f o u r p r o d o c t c h a p t e r2 i n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n d s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fv 袋m l ，e s p e c i a l l y f o c u so nt h ei m p o r t a n tc o n c e p t s , s u c h8 sn o d e ts c e n eg r a p hs t r u c t u r e , e v e n ts y s t e m a n de x t e n d e dm e c h a n i s m c h a p t e r3d i s c u s sv i r t u a l 摊a l k t h r o u g ht e c h n i q u e 。f i r s t o fa l li n t r o d u c et h e c o n c e p to f w a l d & r o u g hs y s t e m ，t h e na n a l y z e a n d c o m p a r e t h et w o t e e t m i q u e s o f h o w t oi m p l e m e n tv i r t u a lw a l k t h r o u g h ( g e o m e t r y - b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e 鹕g g b m r 揪 a n di m a g e _ b a s e dm o d e l i n ga n d r e n d e r i n g - - i b m r ) ，a t l a s tp r o b ei n t ot h et e c h n i q u e s o f 3 ds c e n em o d e l i n ga n d o p t i m i z i n ga l g o r i t h m ，p r e p a r i n gf o r t h en e x tc h a p t e r c h a p t e r 4d e s c r i b ea d e s i g n i n g a n d i m p l e m e n t a t i o n o fv i a u a l c a m p u s w a l k t h r o u g hs y s t e m b a s e do nv r m li nd e t a i l ，e s p e c i a l l yf o c u s0 1 2t h es c e n em o d e l i n g a n ds o m e o p t i m i z i n gm e a s u r e s o f h o wt oi m p r o v es c e n e r e n d e r i n gs p e e d c h a p t e r5 c o n c l u s i o no ft h er e s u l to f e x p e r i m e n t sa n dl o o k i n gf o r w a r dt ot h e n e x tt a s k 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 ，w a l k t h r o u g h ，3 ds c e n e ，m o d e l i n g 独创性声明 本人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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学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 确的说明并表示谢意。 签名：王蔽 日期：2 阳1 l 年c 1 【月露日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：王法导师签名： 日期：2 一叶年十月可日 一 墨二主堡鲨 第一章绪论 1 1 虚拟现实技术概述 1 1 1 虚拟现实的基本概念 虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集，这 些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术 以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现 实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术的更高层次的集成和渗透。它能给 用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便 于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利。由于它的诱人前景，一经问 世就立即受到了人们的高度重视。有专家认为，8 0 年代是个人计算机的年代， 9 0 年代是多媒体计算机的年代，2 1 世纪初将是虚拟现实技术的时代。 按照当今国际上流行的定义，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： 能够给用户以三维立体的虚拟环境。 应当给使用者第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由。 用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变用户所进入的虚拟环境。 由于人视觉的作用，在现实生活中，我们观察到的都是有景深、有立体感的 三维世界，因此要做到完全模拟现实，仅仅靠简单的平面二维图形是不够的，只 有用三维系统才能真正意义地模拟三维世界，才能给用户一种身临其境的感觉。 也就是说，生成一种三维立体的虚拟境界是构成虚拟现实的一个最基本元素。 在实现了三维场景后，虚拟现实中很重要的一点就是必须给用户一种第一人 称的感觉。所谓第一人称感觉，就是用户能够在场景中体会到一种与现实生活一 样的感觉。就如在三维的游戏过程中，视点的设置就好像用户亲身经历前进、后 退、转弯钻隧道。这种感觉是至关重要的，只有拥有了这种感觉，用户才能够 真正体会到亲身参与，而不只是简单地看见自己操纵的一个小人上蹦下跳。 同 时，对于第一人称感觉十分重要的一点，就是要求我们必须能够把视点移到所构 造的三维场景中的任何一点，就像在真实世界中您可以随意前进、后退、转弯、 蹲下、跳起以得到不同的视角，不同的视角才会造成不同的场景。 虚拟现实系统的第三个基本要素是在前两个要素的基础上提出来的。这种对 虚拟境界的操作能力必须能够实时实现。任何系统，只要满足了以上的三个要素， 1 一 墨= 皇些笙 我们就可以称其为个虚拟现实系统。 1 1 2 虚拟现实系统的特性 从本质上醴，趱拟现实就怒一种先进的计算机用户接i l l ，它邋过给用户间时 提供诸如视、昕、触觉等各种赢观丽又自然的实时感知交互手段，最大限度地方 蠖鼹户躲操俸，默穗减轻罴户瓣受撵、提麓整个系统豹工傣效率。根据虚掇现实 所应用的对象的不间，虚拟现实的作用可以表现为不间的形式，例如将某种概念 设计或构思成可视化和可操作化：实现逼真的现场效柒：达到任意复杂环境的廉 徐模援训练基豹等。 从概念上讲，任饵一个虚拟现实系统都可以忍三个“p 来描述其特性，这就 是“沉浸( i m m e r s i o n ) ”、“交赢( i n t e r a c t i o n ) ”和“想象( i m a g i n a t i o n ) ”。川如 图1 一 所示： 圈1 1 虚拟现实的三个“i ”特性 其中沉浸感是指虚拟现实系统不再像传统的计算机接d 技术一样，用户与计 冀橇懿交互方式已经是盎然鳃，就像现实中久鸟叁然交互一棒，宠全流浸杰透过 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，用户不荐是被幼地接受计算机所给予的信息或者是旁观者，1 可是能够使用交 互输入设备采操缎虚掇物体，以致炎鑫熬整爨；怒象力莛 警翔户滠浸奁多维信息 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，罨求 解答，从而深化概念和萌发新意。 “沉浸性”和“交互性”遮两个特性，可戳说是虚拟现实投米区剐子任何一 毒孛英悠楣关技术( 如三缨动囊、仿冀、遥现与邋终、秘学视化以及传统的多媒 体图形阁像技术等) 的本质区别。 1 2 课题的研究背景及意义 2 第一章缝论 网络技术的发展，尤其是豆联网的磷速发展，正改变人们的生活，网上购物、 阔上媛乐、嘲上教育、硝上逶倍，我稿费边的访傍镶帮麓在瓣上筏翔。交互式 艘羧现蜜技术在潮络上的应熏 蠢隧之褥翻成熟鞠获疑。强翦，交互式纛撼躐实技 术也匿撼越寒熬多麴丽上齑臻黢造鼹奏难藐3 d 场豢，馊麟，邑裔久搦镑以更搽 接近现实世界的方式向购物者推销商品。此外，类似“廉拟城带，虚拟校嗣”这 样以交互式纛裂现安技术为竣，穗造3 d 场爨，离入们袋示鬣器酌麓点逛正在 兴起。网民们可以在网上看到个三维城市，三维校园。到那时，世界各地的人 l 不必豢稿疆场，哭嚣在阏上裁缝襁游蔟霾，方便a 们夔聪蘧缝了解壤泰袋校溺 钓清况，。交互式虚羧飘实技术的茨震赫将更紧整遗与磐媒薄、麴络、数攒库凝 结起来。霹强说，袁拟联实懿麓天在爨络，疆缀静骥天在建拟现实。寝拟瑷实技 术必将成为今扁阚络多媒体技腱方向的主流，而基于网络的大规模虚拟场景漫游 姆藏为磷究蕊黪热点。 肇秀秘密赣翁入壤交甄嚣凌，寝羧瑷实接零涉淡澍人工 餐能、计算枧图形学、认知秘学、人类行为学、机器人学、多媒体按术、传感横 技术、人极王穗学、飒电工稔秘潮络技零等多个学科和鞭域，综合髂现了这些学 科本赛及其檑关交叉学料酌教溅帮应蹋水平，并将绘人裳带来融大豹敷观。露前， 发达辫窳熟夔、爨、英、法、德等瓣政府郄设立基金来资助虚姒现实技术及其应 用系统的研究，我国的8 6 3 计划也将该技术作为关键技术展开研究。该技术蕊 已瘸予军拳、嚣疗、媛乐、潮造敛、教裔、靛天、逶僚、橇器入等镁域。焱程鼹 通道、# 税觉设铸、高速网络、人盼感知模型、v r 软件、工糕、医学等方丽静 研究也段褥进腥。+ 廉拟现实技术是督o 年代为科学界u 靳工程界所蓑注铜技术。它酶袋超，为入 瓿交夏器餮魏教震开铡了蓊熬磷突镶域；巍智能工程懿斑用撼供了辫鲍豢蕊二f = 具：为各类工程的大觏模的数糖可视化提供了新的描述方法。返种技术的特点在 于，计冀枫产生一静人为虚拟懿环境，这静虚缀的环域怒通遭计算枫翻形构成瀚 三维空淄，戏楚把其它现实繇壤编裁到计算飘中去产擞遥龚鹣“寝毅环凌”，斌 题使得用户在视觉上产生一蕈申沉没于艘拟环蟪的感觉。这种技术的威用，改进了 人们剃用计算祝进行多： 摇数据簸疆瀚方式，尤其在慧嚣对大整摘蒙数据遘 予处 瑾窝；溷辩，宅在许多不霹镤壤鹣瘦蹋，迸皴攀拳，科学诗黧可视化，敦窝与壤 谢，浚诗与蕊划，虚拟潮试、攫瓤游览、赡鞣、交嚣式媛乐、工程技零、释投搽 索等多方面都可以带来巨大的经济效藏。 纛拟溪游系统怒康拉琥蜜技术酶缀合或蠲，其海广阕静发矮裁豢秘惑翳鹬章主 会、经济效蕊。在此鼗聂下，我们的漩题确立对虚数漫游技术的研究嶷鸯十分黧 要的懑又。 1 。3 课题酌婿究内容与嗣豁 3 筵章缝论 在本漾题中，遗过对虑拟现灾及虚拟现实建模语蠢v r m l 蜘系统掌习：分 狮了虚撤漫游系统的应爝特点，对蟊葡国内井虚撇场豢漫游髂实聪援术避行了分 辛厅比较，对三维漤游中的菜些关键羧术进行理论分辑帮瘟羯磺究，特剩楚对场景 建摸帮俄纯技术以及稳关舞法避行深入磷褒。最矮蓬予v r m l ，j a x , , a s c r i p t 帮j a v a 谗言实现个基于p c 机的桌面式虚拟校园漫游系统。并狂此漫游系统中合理使 搿了场豢髓钱纯消减蓑晦，镶诞了实漪浸游懿磁最渲潦筷遮。在察践中灏诧了理 论知识。 4 一蔓三至堕垫堡塞堡塑堕童塑些 第二章虚拟现实建模语言v r m l 2 1 互联网与v r m l 互联网将世界各地的计算机、局域网通过t c p i p 协议连接起来，人们能够 通过e - m a i l 、f t p 等手段达到信息共享。利用h t m l ，以其优美的图形界面和丰 富的超链接，可获得直观的效果，很快便得到了人们的认可。各大公司、企业甚 至个人都纷纷建立起自己的主页，并引发了i n t r a n t 的出现。目前，几乎所有的 网页都是由h t m l 或以其他程序语言嵌套在h t m l 中编写的。h t m l ( h y p e r t e x t m a r k u pl a n g u a g e ) 即超文本标记语言，是一种用于编写超文本文档的标记语言， 具有平台无关性。 h t m l 是目前网页编辑的主流语言，虽然在不断完善，但始终是一种平面 结构的信息表达手段。什么时候可以在i n t e m e t 上看到一幅幅生动、逼真的三维 立体世界，而我们可以在其中的场景里自由地游览呢? v r m l 创造的正是这样 一个人们梦寐以求的可以进入、可以参与的三维互动网站三维虚拟网上世 界。 虚拟现实与w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 结合，衍生出了虚拟现实建模语 言( 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 ，简称v r m l ) 。v r m l 是一种用于 建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无 关性。是目前i n t e r a c t 上基于w w w 的三维互动网站制作的主流语言。v r m l 虽然还很不成熟，但已经表现出其百折不挠的强大生命力。它必将成为w w w 服务的新一代标准。 但是熟悉w w w 的人们都知道，受h t m l 语言的局限性，v r m l 之前的网 页只能是简单的平面结构，就算j a v a 语言能够为w w w 增色不少，但也仅仅停 留在平面设计阶段，而且实现环境与参与者的动态交互是非常烦琐的。 于是 v r m l 就应运而生了。尤其是新的v r m l 9 7 标准，被称为第二代w e b 语言，它 改变了原来w w w 上单调、交互性差的弱点，将人的行动作为浏览的主体，所 有的表现都随操作者行为的改变而改变。v r m l 创造的是一个可进入、可参与 的世界。你可在计算机网络上看到一幅幅生动、逼真的三维立体世界，你可以在 里面自由地邀游：你可以将网络上流行的m u d 游戏转换成为图形界面；你可以 将你的公司主页改变为三维主页，让操作者领略到你公司的实貌，而不仅仅是简 单的文本，表格 三维互动网站，顾名思义，就是三维的、动态的、交互性的网上虚拟世界。 第二章虚拟现实建模语言v r m l 它妁“髑页”是螺幅立体的壤雾。凌套 瑷实生活中黝世界是一个三终立体黔空 间，v r m l 可以帮助我们将这个世界复制到i n t e m e t 上，在网上建立各种各样活 生生的现实懋界场景的模型，躐者构造现实生活中不存在的，入们想象的瘟叛立 奉世界。构建的这秘虚拟照界或模型不但是三缭的，疆且是动态蛇，躲这个嶷拟 世界里有风吹草动的地面，行驶的车辆，迮动的人群辑等。对于浏览三维互动网 站的用户来说，还能够送行第一入称的交互性体验：您可以在三维互动两站中随 意地走动，斡进、爆退、转弯，当您向前幸亍走或者转头时，您赝褥见的景象也会 随之改变，您可推开面前的门，穿过大厅，拿起桌子上的玻璃杯子；而您在虚拟 商店中选购商品时，您甚至可戳上下左右、星受夕 井仔细蛾蕊察。您能够在 嘲站中体验到一弛与现实生活一样的感觉。您甚至可以到感幻的三维壤界中体验 缫缈的天上人间的理想感觉。照然三维互幼网贴在逼真性、沉浸性等方面，离完 全意义上的纛毅现实还裔一段距离。但是，在不远韵将来，入类实现纛叛魂实这 一理想终将会实现。 2 。2v r m l 的核心原理和体系结构 v r m l 楚瓣建模添言，也是一秘攒述i n t e m e t 上交曩式3 多攥俸黢共享 虚拟世界的开放标准。v r m l 语言不是一般意义上象c + + - - 样的编程语言， j a v a s c r i p t 一样的脚本语言或象h t m l 一样的标记描述语言。它是一种描遮3 d 场景中对象及其行为戆援景攒述语蠢。 从概念上讲，每个v r m l 文 牛都是个蘩于时间的三维空间，它包含了可 通过多种机制动态变化的图形对象和听觉对象。v r m l 文件的一个熬要特性是 能够通过包含关系把文件缰绞在一超，并能够遥过越链接把文牟联系在一趣。 v r m l 翔文本信怠寒接述三绝场景，在i n t e m e t _ l z 传辕，然压在本遮撬上由 v r m l 浏览器解释生成三维场景，这种工作机制，避免了在网络上囊接传输图 形文件，把复杂任务交给本确机器从而减轻了网络的负担。使褥在i n t e m e t 上的 三维交甄残巍可钱。 v r m l 的访阅方式是基予客户服务器模式，其中服务器提供v r m l 文件 及支持资源，客户通过网络下载希魍访问的文件，并通过本地平台上的v r m l 潮笕器交互式访闻该文俘攒述的虚藏场景，透为澍凳耱是本笼平台提供豹，麸焉 实现了与硬件平台的无关性。 v r m l 的应用框架如图2 1 。 6 第二章 虚拟现实建模语言v r m l 图2 - - 1v r m l 应用的一般框架 2 3v r m l 节点和场景图结构 v r m l 定义了一组用以描述三维图形的对象，这些对象称为节点。v r m l 有 许多对象类型，最简单的对象称为原始对象，这些原始对象可以用很简单的术语 进行描述。v r m l 提供以下几种非常有用的原始对象：立方体、圆锥体、圆柱 体和球体。尽管它们每一个个体都显得很平常，但组合到一起将形成非常有意思 的图形对象，而且复杂的对象可以由这些简单对象构成。v r m l 中节点被组织 成一种分层的结构，称为场景。使用场景图( s c e n eg r a p h ) 数据结构来描述3 d 场景，场景图是一种代表所有3 d 世界静态特征的节点等级：几何关系、质材、 纹理、几何转换、光线、视点以及嵌套结构。境界中的对象及其属性都用节点 ( n o d e ) 描述，节点按照一定规则构成场景图，也就是说，场景图是境界的内部 表示。场景图中的第一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象，它们按照层次体 系组织起来，反映了境界的空间结构。另一类节点参与事件产生和路由机制，形 成路由图( r o u t eg r a p h ) ，确定境界随时间的推移如何动态变化。 v r m l 的场景图结构是一种有向无环图，如图2 2 所示。 7 笫二章虚拟现实建模语言v r m l l o c a l e 粥f l # g l n v # “盎摇空勰 l o c l e = 螭所 粼：数0 善篡。b g ： 卜b g t b r m g m 呻l 转撵莓 j ， 尊 7“r s h a p e 3 d ：慧堆形伴 i a p p e a r a n c e t 井厩ii g # # m q la 赢形状，j u 量 州h “州癌囊串静j t g j i t g ，s 、i 一、，、譬、 ，一、一 一_ l 、 a p p e a r a n c e 一 g e o m e t r y ) 图2 2 场景翻结构 鼙颈层节点楚v i r t u a l u n i v e l s e ，它是场景辫熊墓磊鑫。每一令场景蠲只靛窍一 个v i r t u a l u n i v e r s e 。在v i r t u a l u n i v e r s e 下蕊，就是l o c a l e 节点。可以认为l o c a l e 对象就是一个决定可视物体在虚拟徽界中方位的路标，也可以理解为怒一个局部 登标系。每个程痔可良蠢一个或多个l o c a l e ，讴离辩足能有一令l o c a l e 照予显 示状态。就好像一个三缎世晃非常大，有很多个景点，但我们一次只能观察其中 的一个景点。该对象在编写大型的复杂三维场景时非常有用。 每一个l o c a l e 下面有一个或多个b r a n c h g r o u p 节点，一个b r a n c h g r o u p 对象 楚一个子场凝麴黪攫节点。奁它下露建立一个基准坐标系t m n s f o r m g r o u p ，就可 以相对这个坐标系摆放所需要的形体( s h a p e 3 d 等) 。摆放时需要给出形体的外观 ( a p p e a r a n c e ) 几何信息( g e o m e t r y ) 等。要指出的是，t r a n s f o r m g r o u p 中不仅可以 撰放s h a p e 3 d 等鼹象，还可以教入其毽戆t r a n s f o r m g r o u p ，也靛是谖，父坐摭 系可以嵌套予坐标系，从而有能力构造复杂的物体。在安放好三维形体之后，还 需要设定人的观察位置，用v i e w p l a t f o m a 指定，它也是建立在t r a n s f o r m g r o u p 节点之下豹。 用v r m l 编粳，就是把许多对象安放到这个虚拟空间的过程。我们可以设 餐这些物体各方面的属性，如形状、位置、外观、贴图、遴明效果等；还可以在 三维环境中设置灯光、雾、臀景、声音等；最衢，定义我稍鸯己靛蕊察角澄，焉 褥到这个三维世爨“真实”的影像。 由此可见，v r m l 的虚拟世界是根据场景图来创建的。场景图是由组具 有父子关系的节点对象形成的树状结构，即一个场景图是由以方位对蒙为根节点 8 第二章虚拟现实建模语言v r m l 的若干棵树构成的。从树根到每一个树叶只有一条路径；因此从场景图的根节点 到每个叶节点也只存在条路径。从场景图的根节点到指定的叶节点之间的路径 是这个叶节点的场景图路径。由于一个场景图路径仅指向一个叶子，因此在场景 图中每个叶节点只存在个场景图路径。而它完全可以指明叶节点的状态信息。 状态信息包括可视对象的方位、方向和尺寸。从而，每一个可视对象的可视属性 只取决于它的场景图路径。 2 4 世界坐标系与变换层系 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，都隐含拥有自己 的坐标系。根节点所在的坐标系称为世界坐标系。v r m l 支持局部坐标系的概 念，局部坐标系在祖先坐标系中定义，和祖先坐标系之间存在变换关系( 采用 t r a n s f o r m 节点) 。坐标系的单位是米。t r a n s f o r m 节点是形成v r m l 场景层次结 构的基础性节点。在t r a n s f o r m 节点中可以放入多个子节点，而这些子节点本 身也可以是有许多个子节点的t r a n s f o r l i l 节点，这样就形成一个层次图。在现实 世界中，很多复杂对象都是由这样的层次结构组成的。一个复杂的虚拟世界也是 由很多的原始对象按照层次结构一级级地组织起来，最后形成一个整体，这就是 v r m l 构造虚拟世界的基本原理。 在虚拟世界中具有一个或多个特定空间位置的根节点和后代节点构成变换层 系，变换层系是场景图的于图，坐标变换随变换层系的深入而不断累积( 复合变 换) 。变换层系描述了虚拟世界中能够直接感觉到的部分，v r m l 浏览器把v r m l 文件呈现给用户，事实上是把变换层系呈现给用户。 2 5 v r m l 事件体系 v r m l 2 0 与v r m l l 0 相比，最大的改进就是增加了交互性和动态能力， 这是通过事件体系实现的。我们知道，节点是由域和事件组成的，其中域的取值 决定了节点的取值，从而决定了世界的当前状态，事件则为节点提供了接收外界 消息以及向外界发送消息的能力。节点通过事件入口( e v e n t l n ) 接收事件，通过事 件出口( e v e n t o u t ) 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( r o u t e ) ，通过路由联系起来的节点组成事件体系。 如图2 3 所示。事件体系是场景图除层次体系之外的另一基本组成部分，通过 事件体系，事件可以蔓延传播从而引起其它节点的变化。 产生事件的最初原因是环境变化、用户交互或时间的推移，检测器节点 ( s e n s o r ) 能够检测到这种变化并发出初始事件。事件一旦产生，就按时间顺序向 9 第二章盎叛现实建搂语言v r m l a 攀传 网2 3 场景图事件体系中的事件流程 路由日栎节点发送，并被目标节点处理，这种处理可能改变节点状态，产生其它 事舞，缓蠹罄改场景鳎懿结擒，鼓嚣为登赛据貘了动态整。 事件由事件值和时间戳组成。时间戳有两个作用：首先，它是描述事件机制 时序流程的种概念激置，虽然理想的事件模型能够按照事件产生顺序及时处理 辨鸯事传，毽实际懿搬赛实理必然存在处理延遮潋及与终熬设餐麴买步交互，逐 过时间戳可以确保得到确定结果；熊次，时闻戳也可供s c r i p t 节点使霜，脚本可 以根据用户的动作顺序或事件之间的时间间隔采处理事件。 2 。6 扩震v r m l 场景的两种枧制 v r m l 9 7 提供了两种扩展v r m l 并和外部程序实现连接的机制，即s c r i p t 节点和外部创作接口( e a i ) 。v r m l 浏览器附带的j a v a v r m l 类库提供了改变 v r m l 场景中夔对象鞠短尧靛功熬暖及在v r m l 场景中测黢、添熬薮对象敬爱 力。这种与外部程序的接口能力扩展了v r m l 晌潜在功能，尤其当需要与局部 数据库进行连接时就特别有用。 2 6 ， 到蘧e a i 扩瀑v 瑚场爨 v r m l 虽然为3 d 虚拟环境的设计提供了极大方便，但仍有其不足之处。单 单使用v r m l 所设计出来的场景无法和使用者立即进行有效的互动。为r 解决 这拿翔鬈蠢嚣有了e a i ( e x t e r n a la u t h o r i n gi n t e r f a c e ) 静产生。e a i 最主嚣粒功 能就是提供j a v a 语言和v r m l p l u g ，i n 闻一个双向动态沟通的桥梁，j a v a 程序通 过v r m l p l u g i n 提供的e a i 界面可以取得3 d 场景中的物体信息，也能够潮e a i 控制场爨中的物体，闲此要剥用v r m l 作出即时互动的效果，e a i 是不可或缺 的。 1 0 第二章虚拟现实建模语言v r m l e a i 是一种介于v r m l 世界与外部环境的创作接口。简单地说，当我们的 v r m l 作品上传到i n t e m e t 网上，被用户所浏览，此时，用户不仅仅是想作为一 名观众，他更想作为一名参与者，借助于自己的想象力，去改变所看到的世界。 我们通过e a i 为v r m l 与外部世界建立一个通信接口，用户通过这个接口能真 正成为v r m l 中的一个角色，一个参与者。 事实上，e a i 之所以能成为这样一个创作接口，是因为它定义了一套针对浏 览器的类。通过这些类，外部环境可以访问当前运行的v r m l 世界，从而在外 部直接操作、控制和修改v r m l 世界内部的场景。 在v r m l 的事件模型中，一个节点的e v e n t o u t 事件可以通过路由r o u t e 被 传递至另一个节点的e v e n t i n 。当个节点产生一个e v e n t o u t 事件时，与之相关 联的输入事件e v e n t i n 将会收到信息并进行处理。e a i 在v r m l 的事件模型的基 础上，实现了三种类型对场景的访问。 ( 1 ) 访问v r m l 场景中的节点； ( 2 ) 发送e v e n t l n 事件给场景的某一节点； ( 3 ) 读取场景中某一节点的e v e n t o u t 事件。 s c r i p t 节点从v r m l 场景内部提供了与j a v a 的连接，而e a i 定义了与h t m l 页面中的a p p l e t 通信的接口。a p p l e t 主要利用封装在v r m l e x t e r n a l 包中的 b r o w s e r 类访问场景。b r o w s e r 类的基类是b r o w s e r 接口类，该类封装了v r m l 场景，在j a v a a p p l e t 中建立b r o w s e r 对象后即标识了一个唯一的v r m l 场景， 并由此获得对v r m l 场景中已定义节点的引用，通过直接指定引用节点的域值 而达到动态效果。e a i 与系统的关系如图2 4 所示。 r 一i fl = 型 ；i 竺型! ! i + 一 皇竺! ! ! 1 s c r i p tn o d e ： j a v a s c r i p t i n g 图2 - 4e a i 与v r m l 虚拟现实系统的关系 2 6 2 利用s c r i p t 节点扩展v r m l 场景 1 1 第二章虚拟现实逭模语言v r m l 在v r m l 9 7 中的s e n s o r 节点已具有基本交互l 力。健仅仅依靠v r m l 本身 的对象交互机制是无法构建一个应用系统的。因它缺乏普通程序设计语言的转 移、分支、循环等蘩本特征。穰魏在实际疲藤系统设计中，应由s c r i p t 节点对应 的j a v a 类来完成这螳复杂功能。特定j a v a 的类在对艘的节点接受事馋时，将产 生一系列动作。同时，它也可以修改节点的域或使节点产生事件。这样，相应对 蒙与普通节点、传臻器节点、s c r i p t 节点和r o u t e 福互谤 譬，摘威一个完整豹事 件体系。 v r m l 的s c r i p t 节点是一种控制传感器和内插器的节点，通过它可以定义和 改变场撩对象的外观和行为。s c r i p t 节点包含一个j a v a 文件，当s c r i p t 初始化时 潺怒。s c r i p t 节点可戥将攀牛黎节点麸v r m l 传递至# j a v a 程痔 通过e v e n t i n ) ， 而命令从j a v a 程序传递到v r m l ( 幽e v e n t o u t ) 场景中。事件( e v e n t ) 在v r m l 场景中被检测到并传递给j a v a 程序，由j a v a 程序作出响应，或者反向邂行传递。 瘸雩亍失添翅熨v r m l 中要利越s c r i p t 繁点，s c r i p t 节点本赛没有经键动 荤，蔟稳 作是由襁序脚本来实现的。 事实上，对于j a v a 与v r m l 的结合，简要地说就是： 通过e v e n t i n 将事件传到s c r i p t 节点中的脚本。 将s c r i p t 节点中的辫本进行处理。 遂过e v e n t o u t 凝结果送露s c r i p t 节点。 在s c r i p t 节点与j a v a 程膨代码之闻肖两葺申方式霹以进行遭诹。一耪方式是 通过事件从s c r i p t 节点传递数据到j a v a 程序中去。另一种方式则是将数据从j a v a 穆序返阐到v r m l 场景中。s c r i p t 节点通道e v e n t i n 将数据由v r m l 传递至j a v a 中。 2 6 3e a ：与s c r i o t 节点的异同 虽然e a i 和s c r i p t 节点程某些方面是相似的( 例如二者都用于改变v r m l 中的场景) ，但是它们是绝对不同的。首先，s c r i p t 节点依然是v r m l 的一部分， 玄楚一个v r m l 节点。德e a i 是v r m l 溺菱嚣与努都j a v aa p p l e t 程渗透信瓣揆 粱。第二，s c r i p t 节点只能访问那些包含予s c r i p t 节点内的节点。然而一个j a v a h p p l e t 通过e a i 可以访问场景中所有的物体。第三，s c r i p t 节点通常用于定义物 零静蒹鍪，瑟e a i 剜可以把v r m l 与其它静媒体有税建缀合起来e 跌上瑟分氍霹以囊爨：委突或发投场景款麓摹交互功能，可以利髑终感器节 点实现；要实现复杂的交互功能，需要j a v a 与s c r i p t 节点以及e a i 的相互配合 才能实现。 第三章虚拟漫游系统的研究 第三章 虚拟漫游系统的研究 3 1 漫游系统的概念 漫游系统包括一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。它是 一个真蛮空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备以自然的方 式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中的虚拟对象进行观察，从而产生身 峋其境酌感觉，同时也可以对其中的物体进行规划和操作。一般来说，虚拟场景 漫游系统具有图3 - 所示的总体框图。 目3 一