（计算机应用技术专业论文）基于vrml的虚拟校园交互式漫游系统.pdf

中文摘要 虚拟校园是虚拟现实技术在数字化校园中的具体应用。虚拟校园 再现真实校园的景观，使人们通过虚拟现实设备，可以在计算机上进 行漫游，规划设计校园场景，还可以在此基础上建立三维虚拟大学， 提供相应的网上教育等。通过虚拟校园，可以使那些没有机会实地参 观的人获得身临其境的感受。 本文对虚拟校园漫游系统所涉及的技术问题进行了比较系统的研 究，并在微机环境下，以虚拟现实建模语言( v r m l ) 结合3 d sm a x 的 方法，实现了一个室内外结合、强调人机交互的虚拟山西财贸职业技 术学院实时漫游系统。主要在以下三方面进行了研究与探讨： 1 建造具有真实感的虚拟三维场景是整个校园漫游系统的基础工 作，本文利用3 d sm a x 、v r m l 进行三维虚拟校园的构建，探讨了降低 场景复杂度的多种方法，并采用这些方法真正实现了降低场景复杂度 的要求。 2 由于v r m l 文件的大小决定了它在网上的传输速度和装入内存 后的浏览速度，所以在创建场景的同时必须考虑对场景的优化，为提 高场景的浏览速度，本系统采用了多种优化v r m l 文件的策略，达到了 减小文件容量的目的。 3 本文利用v r m l 人机交互机制不仅实现了在漫游过程中对虚拟 实体进行操纵的基本功能，而且还实现了动态改变实体表面颜色和纹 理图案的交互。 本系统具有较好的实时性、交互性和良好的视觉效果。用户不仅 可以浏览校园，而且可以在浏览过程中对场景进行一些简单的实时交 互。只不过是交互的形式比较单一，有待日后改进。 关键词：虚拟校园；三维建模技术；漫游；v r m l ；3 d sm a x a b s t r a c t t h ev i r t u a lc a m p u si st h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g yi nt h ed i g i t i z e dc a m p u s v i r t u a lc a m p u sc a ns h o wt h er e a l i s t i c c a m p u s ，p e o p l ec a ns u r fo nn e ta n dd e s i g nt h es c h o o ls i t u a t i o nb yt h e v i r t u a lc a m p u sr e a l i t ye q u i p m e n t t h et h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a l u n i v e r s i t yc a nb eb u i l ti nt h i sf o u n d a t i o n ，s oo t h e rc o r r e s p o n d i n go n l i n e e d u c a t i o nc a nb eo f f e r e dt o o t h r o u g ht h ev i r t u a lc a m p u s ，p e o p l ec a n v i s i ta n dp l a nt h es c e n eo ft h er e a lc a m p u so nt h ec o m p u t e r t h i sp a p e rs t u d i e st h ev i r t u a lc a m p u sr o a m i n gs y s t e mf o rt h e t e c h n i c a li s s u e si n v o l v e di nam o r es y s t e m a t i c a l l y ，a n du n d e rt h e c o m p u t e re n v i r o n m e n t ，t or e a l i z eac o m b i n a t i o no fa ni n d o o ra n do u t d o o r s y s t e ma n de m p h a s i z ei n t e r a c t i v ev i r t u a lr e a l - t i m er o a m i n gs h a hx i v o c a t i o n a la n dt e c h n i c a lc o l l e g eo ff i n a n c ea n dt r a d es y s t e mb y 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 ( v r m l ) a n d3 d sm a x t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e si nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t so ft h ee x p l o r a t i o n ： 1 t oc o n s t r u c tar e a l i s t i cv i r t u a lt h r e e - d i m e n s i o ns c e n es y s t e mi st h e b a s i cw o r ko ft h ee n t i r ec a m p u s u s i n g3 d sm a x ，v r m l3 dv i r t u a l c a m p u sa n de x p l o r ew a y st or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es c e n ea n dt r u l y u s e dt h e s em e t h o d st or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es c e n ed e m a n d s 2 w em u s tc o n s i d e rt h eo p t i m i z a t i o no ft h es c e n e s ，w h e nw ec r e a t e t h es c e n e s b e c a u s eo ft h es i z eo ft h ev r m lf i l ed e c i d e dt h et r a n s m i s s i o n s p e e da n dl o a di to nt h ei n t e r n e tb r o w s i n gs p e e do ft h em e m o r y t o i m p r o v et h ev i s i t i n gs p e e d ，t h es y s t e mu s e sav a r i e t yo fv r m l f i l e o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yt oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo fr e d u c i n gp a p e rc a p a c i t y 3 t h i sp a p e ri sn o to n l yr e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o n so fv i r t u a le n t i t i e s m a n i p u l a t e db yu s i n gv r m lah u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m si n t h ec o u r s eo fr o a m i n g ，b u ta l s or e a l i z ead y n a m i ce n t i t yt oc h a n g et h e c o l o ra n dt e x t u r eo fi n t e r a c t i v ed e s i g n t h es y s t e mi sar e a l t i m e ，i n t e r a c t i v ea n dag o o dv i s u a le f f e c t u s e r s n o to n l yc a nv i s i tt h ec a m p u s ，b u ta l s oc a nv i s i tt h es c e n e so fs o m es i m p l e r e a l - t i m ei n t e r a c t i o n i n t e r a c t i v ei si nt h ef o r mo fr e l a t i v e l ys i m p l e ，s ow e w i l li m p r o v ei tf o rf u t u r e k e yw o r d s ：v i r t u a lc a m p u s ；3 dm o d e l i n gt e c h n i q u e ； r o a m i n g ； v r m l ； 3 d sm a x 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他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。 学位论文作者签名：专萨格签字日期：哆年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定； 特授权墨鲞盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鸯矿殆 导师签名：芗枕张季 签字日期砂矿7 月节日 签字日期 哆年月可日 第一章绪论 i i 虚拟校园简介 1 1 1 虚拟现实技术 第一章绪论 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，即v r ) 技术是二十世纪九十年代初 发展起来的一门新兴技术，它是计算机图形学、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和人的 行为等学科的综合。它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统， 它利用计算机通过创建一个对现场真实环境进行仿真的模拟环境，使 用户仿佛置身于一个逼真的，具有视觉、听觉和触觉的虚拟环境，并 可以借助必要的设备( 如特制的服装、头盔、手套和鞋) ，以自然的方 式与虚拟环境中的实体对象进行交互式地观察和操纵。v r 技术对科学 技术进步和社会发展产生了深远的影响，它具有以下三个主要特征【l j ： 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 ) 、想象力( i m a g i n a t i o n ) 。 目前v r 技术已广泛应用于教育培训、科学研究、军事、医疗、建筑设 计、气象、商业、影视和娱乐等领域。 1 1 2 虚拟校园 1 数字校园 “数字城市 作为“数字地球 的引申，已经引起了各级政府和 相关行业的关注。所谓“数字城市 就是综合运用地理信息系统、遥 感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术对城市进行多时空、多尺 度、多分辨率和多种类的三维描述，即利用信息技术手段将城市的过 去、现在和将来的全部内容进行虚拟实现。 建设部提出的“城市规划、建设、管理和服务的数字化工程”推 动了国内“数字城市的建设。“数字校园”的建设是“数字城市建 设的一个层面。“数字校园是在传统校园的基础上，利用计算机技术、 网络技术、通讯技术对学校与教学、科研、管理和生活服务有关的所 第一章绪论 有信息资源进行全面的数字化，即将现实校园的各项资源数字化形 成一个数字空间：井用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集 成，以构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制；把 学校建设成面向校园内，也面向社会的一个超越时间、超越空问的虚 拟大学f 2 。 2 虚拟校园 目前，虚拟校园存在两种定义；一种是以网络为基础，利用先进 的信息化手段和工具实现从环境( 包括设备、教室等) 、资源( 如 图书、讲义、课件、信息等) 、到活动( 包括教、学、管理、服务、 办公等) 的全部数字化，在传统校园的基础上构建一个数字空间以拓 展现实校园的时间和空间维度，从而提升传统校园的效率，扩展传统 校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化。达到提高教学质量、 科研和管理水平的目的【3 1 。另一种是从因特网、虚拟现实技术和3 s 技 术( 遥感r s 、全球定位系统g p s 、地理信息系统g i s ) 的发展角度，虚 拟校园被定义为对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化， 是基于现实校园的一个三维虚拟环境，用于支持对现实大学的资源管 理、环境规划和学校发展【”。本文研究的虚拟校园主要是基于第二层 含义。 虚拟校园与数字校园的关系如图卜1 所示 2 1 。由图可见，现实校 园是数字校园的基础，数字校园是现实校园通过信息技术在时间和空 间上的扩展和延伸，使得现实校园中的一切活动在更广的时问和空间 中方便地进行，从而扩展了传统校园的功能，提升了传统校园的效率。 虚拟校园是数字校园的扩展，使得学校成为一个无围墙限制的校园。 图i l虚拟校园与数字校园关系圈 章 第一章绪论 1 1 3 虚拟校园的国内外发展状况 随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展，以及数字地球概 念的提出和广泛的实践，对现实大学校园的数字化和虚拟化，即对虚 拟校园的研究与构建也越来越多。 1 9 9 3 年，美国政府制定了国家信息基础设施的行动纲领【5 1 ，从此 i n t e r n e t 在美国特别是大学校园得到了广泛的应用，并逐渐渗透到教 学科研、管理、学习和日常生活中，开始成为衡量一所大学教学科研 与管理水平高低的重要标志之一。目前，美国大学校园的信息化建设 已经涉及到图书馆信息管理、教学科研活动、学生生活管理等多个方 面，取得了很大的成绩。 u cb e r k e l e y 建筑漫游工作室是世界上从事几何式建筑漫游研究 较早并取得突出成果的科研机构之一，他们1 9 9 0 年开始进行复杂模型 的实时漫游策略研究【6 】。1 9 9 6 年，在s g ip o w e rs e r i e s3 2 0 工作站上 实现了北卡大学伯克利分校计算机系楼s o d ah a l l 的实时漫游。s o d a h a l l 模型由1 4 1 8 8 0 7 个多边形构成，占据2 1 5 兆的硬盘空间，模型使 用了4 0 6 种材质及5 8 种不同纹理。由于研究小组采用了高效的数据存 储结构、多级动态l o d ( l e v e lo f d e t a i l ，l o d ) 技术、场景调度算法、 实时可视区域判定算法及预计算处理等多种技术，使得s o d ah a l l 的实 时仿真率( 每秒钟刷新频率) 恒定在每秒2 0 帧左右r 7 1 。在多年的研究 工作中，u cb e r k e l e y 建筑漫游工作室提出并不断完善了u n i g r a f i x 视 景数据库，开发了一些软件工具包，如a u t o c a dd x f 数据格式转为 u n i g r a f i x 格式的数据转换器、对象多级l o d 自动生成器和简易场景自 动生成工具等。 瑞士政府于1 9 9 6 年即正式提出建立瑞士虚拟校园的构想，并授权 由瑞士大学联席会议瑞士大学的协调和指导机构全面负责【s 】。在 2 0 0 0 - - - 2 0 0 3 年期间，瑞士联邦政府就以特别财政补贴方式为州立大学 拨款3 0 0 0 万瑞郎，以鼓励在高等教育领域应用新的信息与通信技术， 建立“瑞士虚拟校园”。瑞士的两所联邦高工和7 所高等职业学院也参 加实施了“瑞士虚拟校园计划。瑞士大学联席会议委托弗里堡大学的 新技术与教学中心建立了国家高等教育和新信息技术网 3 第一章绪论 ( w w w e d u t e c h c h ) 。 德国的r o s t o c k ，s t u t t g a r t 大学建立了模拟系统，对城市的一些 基础设施提供相关的查询、分析和显示功能。 日本电信与京都大学、s t a n f o r d 大学合作开发网上虚拟东京，发 布城市信息，为社会提供服务。 在国内，北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室开发 了虚拟北航校园项目【9 】，并设计实现了虚拟环境漫游引擎。在配置 v o o d 0 0 2 图形加速卡的p i l 2 6 6 微机平台上，漫游引擎驱动了一个由1 0 万个三角形构成的北航校园模型，其交互仿真率保持在1 5 帧秒以上。 为了验证漫游引擎的通用性，还先后将漫游引擎用于房地产项目虚拟 恒昌花园及虚拟珠穆琅玛峰等漫游应用中。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环 境实时漫游系统【l o 】。该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技 术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的 实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了 在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算 法。浙江大学开发的虚拟紫禁城项目就是虚拟环境漫游的研究成果。 在国家8 6 3 成果展上，浙江大学展出了它们的虚拟校园，对虚拟现实 技术与教育的结合，起到了很好的推广与促进作用【1 1 1 。 天津大学在1 9 9 6 年就在s g i 硬件平台上基于v r m l 国际标准开发了 虚拟校园【1 1 1 。让没有去过天津大学的人，好好领略了一下近代史上久 负盛名的大学。随着信息技术的发展，尤其是宽带网络将大规模应用 的今天，国内一些高校己经开始逐步推广和使用虚拟校园模式，先后 有上海交通大学、北京大学、西南交通大学、杭州工业大学等多所院 校采用虚拟现实技术建设了虚拟校园，但这些虚拟校园的功能仍以实 现浏览功能为主。吉林农业大学、海南大学、渭南技术学院、郑州轻 工业学院、西北农林科技大学等采用三维全景图的方法建立了虚拟校 园漫游系统。 还有其它大学也在建设虚拟校园方面做出了成绩，在此不在一一 赘述。 由于缺乏较全面的考虑，大胆的尝试，虚拟校园的实际用途还比 4 第一章绪论 较单一。网络状况、硬件情况也客观地阻碍其推广与普及。因此，目 前的虚拟校园的实际功能仍以浏览功能为主。 1 2 虚拟校园的研究意义和研究方法 1 2 1 虚拟校园的研究意义 虚拟校园为校园规划、管理提供了最直观的表现形式，它采用虚 拟现实技术，在计算机环境中，虚拟再现真实校园的景观，通过虚拟 现实设备，使用户可以进入到虚拟校园中进行漫游。通过这个途径， 可以使那些没有机会实地参观的人获得身临其境的感受，使更多的人 对整个学校有清晰的认识，树立良好的院校形象，提高校园的知名度； 同时又可以作为校园规划的辅助工具，对于校园内部的发展规划及交 通、环境等方面有更明确的目标【1 2 1 。如果在规划设计阶段采用虚拟现 实技术，不但可以全面展示建筑物的外观和周边环境，以任意视角观 察建筑物的内部结构、布局和内部设施，而且可以快速、直观地展现、 评价各种建筑规划方案和室内装饰装修、采光等效果；可在设计过程 的最初阶段发现可能存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费，缩短开 发周期；减少昂贵的实物模型所需要的费用。 各级院校可用虚拟校园进行以下各方面的工作：校园网站建设中 展示校园风光、重点实验室、校园文化等；宣传学校各方面的资源： 环境和校园规划建设、风景和环境展示项目规划报批；建筑学院、设 计学院进行虚拟现实教学；旅游学院教学中进行虚拟旅游及各旅游景 点的讲解；虚拟实验室的构建及地理信息系统应用，计算机图形图像 研究；数字博物馆网上虚拟现实的全面展示；制作多媒体教学c a i 课 件和多媒体教学光盘；构建文物、生物标本，教学模型，工业设计产 品，模具，电子产品，医学器官等造型展示。 总之，虚拟校园设计具有如下重要意义：实施全方位、多方式、 自由控制的场景漫游；为校园规划设计创建逼真的虚拟场景；多种校 园规划设计方案的比较；不同阶段、不同时期校园发展变化比较；满 足公众参与校园规划方案的需求；实时展示规划设计方案；形成标准 的三维校园信息平台，为校园管理服务。 第一章绪论 1 2 2虚拟校园漫游的研究方法 目前，在建筑物室内外漫游的前沿形成了两个不同的研究方向， 即基于模型的几何式虚拟现实和基于图像的虚拟现实【5 1 。 几何式虚拟现实发展较早，随着计算机技术的高速发展，无论是 硬件方面的图形加速卡，还是软件方面的三维建模工具、三维图形环 境，都有众多的公司、科研机构推出了多种解决方案，如s g i 、 i n t e r g r a p h 公司的图形加速卡性能价格比不断地大幅度提升； m u l t i g e n 公司的建模软件m u l t i g e ni ip r o 及其数据库格式 o p e n f li g h t 几乎已成为仿真界的工业标准；v e g a 、p e r f o r m e r 、o p e n g v s 、 w t k 等图形系统已发展为功能强大、易于使用的商业软件。 基于模型的方法，是以几何实体建立虚拟环境。几何实体可采用 计算机图形技术绘制，也可采用建模工具等建立模型，然后通过加入 事件响应，实现移动、旋转、缩放、视点变换等操作，从而实现对虚 拟环境中虚拟实体的交互式操纵。基于模型的几何式方法的主要优点 是：场景中的物体可以操纵，使得虚拟环境具有很好的交互性。缺点 是：前期虚拟实体建模烦琐，所建模型存在着真实性与实时性之间的 矛盾。 基于图像的绘制( i m a g e d - b a s e dm o d e l i n g ，i b r ) 1 1 3 1 是近几年发 展起来的全新的虚拟场景构造方法。通过对场景范围内进行拍摄采样， 获得各浏览位置下的真实效果，而未采样的位置通过插值或形变得到。 或者将一系列的采样结果拼接成全景图( p a n o r a m a ) ，完成3 6 0 度的 场景绘制。这种方法的好处是： ( 1 ) 消除了建立几何模型的烦琐复杂过程。 ( 2 ) 可以实现包含大量细节的真实环境。 ( 3 ) 显示的图像质量与图像的复杂程度无关。 正是由于这些特点，使它在三维视频游戏中被大量应用。这种系 统可以方便地创建空间场景，实现三维浏览功能，如在校园，图书馆， 教室中漫游，创设虚拟情境等。基于图像的绘制虽然浏览速度快，但 不能实现自主浏览，且不具有交互性。其主要研究方向是降低几何式 v r 的场景建模的复杂度及人工强度，降低v r 系统对硬件性能的苛刻 6 第一章绪论 要求。其优点是表示方法简单，绘制速度快，绘制效果非常真实，而 主要缺点是采样数据量很大；只能实时浏览，而不能实时操纵；不能 对场景进行编辑修改，当现实场景发生改变时，需要重新建立场景， 无法表现现在不存在的规划场景。 因为第二种建模方法交互性差，所以本系统采用几何式建模方法。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题的预定目标是在微机环境下实现一个具有一定人机交互能 力的，并能在i n t e r n e t 上对校园进行实时交互漫游的系统。课题以山 西财贸职业技术学院的校园环境为虚拟空间，以虚拟现实建模语言 ( v r m l ) 结合3 d sm a x 的方法，在计算机中建造教学楼、图书馆、实训 楼、操场、宿舍区、道路、树木等室外场景及实训楼室内逼真场景， 使用户通过鼠标，在二维显示器或大屏幕投影仪上实现虚拟财院的校 园漫游，特别是实训楼室内漫游及人机交互。 基于虚拟现实的特性和校园观赏的需要，财院虚拟校园漫游系统 的设计目标是：在财院校园漫游系统中的访问者，可以随意选择校园 中的景点和参观路线，并通过鼠标键盘来漫步并且改变视点；可以做 出象在真实世界一样的动态行为，如可以推门入室，凭窗远眺、开关 窗门、移动桌椅等；系统应具有碰撞机能，杜绝“穿墙而过 类违背 现实的情况。 本课题定位于实现一个能在网上浏览的校园漫游系统，并对校园 漫游所涉及的一些虚拟现实关键技术进行研究，强调漫游系统的优化 策略及动态场景交互设计，为数字校园的应用奠定技术基础。 本文着重于虚拟校园的室内漫游及人机交互实现的讨论，主要开 展了以下四方面的研究工作： ( 1 ) 场景的三维建模技术 建造具有真实感的虚拟三维场景是整个校园漫游系统的基础工 作。三维场景的逼真程度不仅取决于虚拟建筑物的各个组成部分是不 是具有真实的几何尺寸，还取决于虚拟建筑物在色调、材质、光照、 音响效果等多方面在整体上是否与真实场景更为近似或更能表达设计 7 第一章绪论 者的设计思想。在追求建筑细节完整表现的同时，还必须考虑最终的 系统运行平台对场景复杂度的支持限度。本文在确保场景真实感的前 提下，对如何进行场景模型简化等有关问题进行研究。 ( 2 ) 漫游场景的优化策略 v r m l 文件的大小决定了它在网上的传输速度和装入内存后的浏览 速度。由于v r m l 浏览器要根据浏览者的行为进行实时渲染，所以无法 支持“流式播放( 即边下载边播放) ，网上所有文件都要完全下载后 才能显示。所以在创建场景的同时必须考虑对场景的优化。本文给出 了减小文件容量及对场景的优化的方法。 ( 3 ) 虚拟实体操纵技术 本文实现的校园漫游系统强调人对虚拟场景中实体的操纵能力。 实训楼内的几乎所有的门、窗都可由漫游者控制打开、关闭。对某些 特定对象，漫游者还可以对其实施平移、旋转、缩放等基本变换。本 文实现了虚拟实体操纵的基本功能。 ( 4 ) 动态场景交互设计技术 在本文实现的漫游系统中，漫游者可以对所见的虚拟场景做一些 简单的改变，比如墙面的颜色、重新摆放室内的办公设备等。用户通 过简单的交互设计，对多种室内设备布局和装饰装修方案做出评价。 以上研究内容将在下面的章节中做较为详尽的论述。 i 4 论文的组织 本论文主要由以下几部分组成：第二章对v r m l 的特点、工作原理 和核心体系做了简单介绍。第三章在介绍三维场景建模基本理论的基 础上，阐述了虚拟校园漫游建模准则，论述了本系统所采用的场景复 杂度控制策略和技术，最后给出了v r m l 场景的优化策略。第四章讨论 了对虚拟实体的操纵的实现。第五章探讨了动态场景交互设计的基本 方法，并给出了特定对象的交互设计实现。 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 2 1v r m l 概述 2 1 1v r f l l 的发展 v r m l 的前身是s g i 公司o p e ni n v e n t e r 系统使用的一种文档格式， 后经m a r kp e s c e 、t o n yp a r i s i 和g a v i nb e l l 等人的改进和努力，最终发 展成第二代w w w 的标准语言。自1 9 9 4 年开发出三维浏览器l a b y r i n t h 到目前为止，v r m l 标准的发展经历了以下三个阶段【1 4 】f 15 1 。 1 v r m l l o 1 9 9 4 年1 0 月在芝加哥召开的第二届w w w 大会上公布了规范的 v r m l l 0 草案。v r m l l 0 非常简单，它只定义了3 6 种节点类型，涉 及的对象也只有静态对象，而没有声音、动画等动态对象。它的主要 功能是完成静态的3 d 场景，并与h t m l 链接。实际上，由于v r m l l 0 近似h t m l 的“3 d 版本，因此，当时称v r m l 为虚拟现实标记语言 ( v i r t u a lr e a l i t ym a r k u pl a n g u a g e ) 。现在，v r m l l 0 已基本被淘汰。 2 v r m l 2 0 1 9 9 6 年8 月在新奥尔良( n e wo r l e a n s ) 召开的优秀3 d 图形技术会 议- s i g g r a p h 9 6 上公布通过了规范的v r m l 2 0 第一版。v r m l 2 0 名义 上是v r m l l 0 的修订版，但两者从内容到文档结构上都很不相同。在 v r m l 2 0 中，节点类型扩展为5 4 种，支持的对象包括动态和静态两 类。这时的v r m l 语言，已经完全脱离h t m l 的影响，被正式命名为t 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 ) 。 v r m l l 0 和v r m l 2 0 并不是真正的国际标准。直到1 9 9 7 年1 2 月，v r m l 才被国际标准化组织i s o 和国际电子工业协会i e c 正式接 纳为国际标准，国际标准号i s o i e c l 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ，习惯上称为 v r m l 9 7 。v r m l 9 7 是在v r m l 2 0 的基础上，进行了少量功能性调整 而形成的，对用户而言，两者完全样。可以认为，v r m l 9 7 是v r m l 2 0 的国际正式名称。 9 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 3 x 3 d 1 9 9 8 年，v r m l 组织把自己改名为w e b 3 d 组织，同时制订了一 个新的标准，e x t e n s i b l e3 d ( x 3 d ) ，到了2 0 0 0 年春天，w e b 3 d 组织完 成了v r m l 到x 3 d 的转换。x 3 d 整合正在发展的x m l 、j a v a 、流技 术等先进技术，包括了更强大、更高效的3 d 计算能力、渲染质量和 传输速度。 在v r m l 发展的过程中，不断与相关技术进行融合，充分显示了 v r m l 的包容性和创新性【16 1 。 2 1 2v r m l 的特点 v r m l 具有4 大特点【1 7 】： 1 v r m l 具有强大的网络功能，可以通过运行v r m l 程序直接 接入i n t e r n e t 。可以创建立体网页与网站。 2 具有多媒体功能，能够实现多媒体制作，合成声音、图像以达 到影视效果。 3 创建三维立体造型和场景，实现更好的立体交互界面。 4 具有人工智能，主要体现在v r m l 具有感知功能。可以利用 感知检测器节点来感受用户及造型之间的动态交互感觉。 2 1 3v r m l 与h t m l 的区别 从某种意义上来说，v r m l 是h t m l 的扩展和更新，它们都是网 页描述语言，都可以连接和处理文字、图形、图像、动画和视频等多 媒体信息。但它们之间存在明显的差别：h t m l 是二维的、静态的， 虽然可以播放动画，用户却不能与动画中的对象进行交互，不能从不 同的方向和距离对场景中的对象进行观察，而v r m l 创建的是三维的 逼真场景，用户可以从不同角度和距离对场景中的对象进行观察，并 可与场景中的对象进行交互，因此v r m l 是动态的。 2 2v 砌江l 的工作原理 v r m l 使用场景图( s c e n eg r a p h ) 数据结构来建立3 d 实境。v r m l 文件的解释、执行和呈现通过浏览器实现，这与利用浏览器显示h t m l 1 0 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 文件的机制完全相同。浏览器把场景图中的形态和声音呈现给用户， 这种视听觉呈现即所谓的虚拟境界。用户通过浏览器获得的视听觉效 果如同从某个特定方位体验到的，境界中的这种位置和朝向称为取景 器( v i e w e r ) 。 v r m l 的访问方式是基于客户服务器模式，其中服务器提供 v r m l 文件( w r l ) 及支持资源( 图像、视频、声音等) ，客户通过 网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的v r m l 浏览器交互式 访问该文件描述的虚拟境界，因为浏览器是本地平台提供的，从而实 现了和硬件平台的无关性。图2 1 描述了v r m l 的工作方式。 构建 交互、声音 客户端呈现与交互 图2 一lv r m l 的工作方式 由于v r m l 是一个三维造型和渲染的图形描述性语言，复杂的3 d 术语转换为动态虚拟世界是高速的硬件和浏览器，又由于其交互性强 和跨平台性，使虚拟现实在i n t e r n e t 上有着广泛的应用，例如远程教 育、商业宣传、娱乐等等。 2 3v r m l 的核心体系 v r m l 定义了一种把3 d 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3 d 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3 d 多媒体信息的抽象功能行为。v r m l 文件描述的基于时间的3 d 空间 称为虚拟境界，所包含的图形对象和听觉对象可通过多种机制动态修 改。 虚拟境界由对象构成，而对象及其属性用节点描述，节点是v r m l 的基本单元。每个节点由类型、域、事件、实现、名字组成，节点按 一定规则构成场景图( s c e n eg r a p h ) ，也就是说，场景图是境界的内部 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 表示。场景图中的节点分两类，第一类节点用于从视觉、听觉角度表 现对象，它们按层次体系组织，反映境界的空间结构，提供颜色、灯 光、超链接、材质、化身、重力、碰撞、地形随动、飞行等功能，支 持局部坐标系；第二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。 d i r e c to u t p u te v e n t s 图2 - 2v r m l 的事件体系结构 创建的v r m l 场景应具有实时交互的特性。人机交互是建立在事 件的基础上的。事件包括一些数据的信息，它被用来作为状态改变的 触发器。随着环境的变化、用户与场景中物体的交互或时间的推移将 会产生事件。场景节点通过事件入口( e v e n t i n ) 接收事件，通过事件 出口( e v e n t o u t ) 发出事件。这样一个节点的事件出口和另一个节点 的事件入口之间就建立了联系，用于传递事件的通路称为路由 ( r o u t e ) 。因此，v r m l 通过路由将节点联系起来组成事件体系，使 得v r m l 具有动态交互能力的机制，如图2 2 所示。 对于场景中较复杂的交互行为的处理则必须利用脚本( s c r i p t ) 节 点，它包含一组脚本描述语言编写的函数，s c r i p t 节点收到事件后， 将执行相应的函数，该函数可以通过常规的事件路由机制发送事件或 直接向s c r i p t 节点指定节点发送事件，脚本也能动态增、删路由。 1 2 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 2 4v r m l 与h t m l 的结合 虚拟财院漫游系统设计的目的是为了在网络环境中使用，所以设 计好整个场景后最终要把它发布在网上。本系统直接采用v r m l d a d 发 布，因为它不需要手工辅助，同时还可以对代码压缩。为了方便参观 者网上浏览虚拟财院系统，特制作一个“虚拟校园 的网页，使浏览 者足不出户就可以通过网络访问虚拟财院并能进行远程浏览和交互操 作。 虚拟校园页面结构包括五部分。 ( 1 ) v r m l 介绍这一部分是介绍虚拟现实的理论知识和v r m l 的基础知识。 ( 2 ) 浏览器下载这一部分主要是为用户提供一个良好的界面 而设计的，对于本地机上没有安装浏览器的用户，不必到网上寻找， 直接在此下载安装免费的浏览器。 ( 3 ) 相关链接这一部分主要是为对v r m l 感兴趣的用户提供 一些有用的资料信息和相关网站。 - 一 ( 4 ) 校园漫游对于已经安装了浏览器的用户通过这一部分进 入虚拟校园漫游。 ( 5 ) b b s这一部分主要是为用户提供发表意见和交流经验的 场所的。 v r m l 语言的设计目的是在因特网上实现三维世界，当整个场景全 部设计好后，我们将把作品发布到因特网上。通过e m b e d 元素可以十分 方便地把v r m l 嵌入到h t m l 文档中【1 8 】【19 1 。e m b e d 是用于引入各种对象的， 包括声音、视频、v r m l 等，用 将会在一个w e b 页面中产生一个6 0 0 4 0 0 大小的v r m l 场 景。 第三章三维场景建模技术 第三章三维场景建模技术 3 1 三维场景建模基础 构造虚拟校园漫游系统的首要任务是利用三维场景建模技术在计 算机中生成逼真的、等同现实世界的虚拟世界，即通过三维建模过程 来构建虚拟场景。由于人对自然界的感知能力主要来自于视觉【2 0 1 ，而 且虚拟世界的逼真程度直接影响整个漫游系统的沉浸感，因此，三维 场景建模在虚拟现实系统中具有非常重要的地位。 3 1 1 三维场景建模基本原理 三维场景中的物体类型难以计数，如：人、动物、花、草、树木、 云、石、水、砖、木板、橡胶、纸、玻璃、塑料、钢、大理石等，不 同的场景下的物体又有不同的形态。为了使场景具有真实感，需要建 立物体特性的精确表示。 实体模型表示大致可分为三类 2 h ：一类是边界表示，即用一组曲 面( 含平面) 来描述物体，这些曲面将物体分为内部和外部；另一类 是构造实体几何表示，它将实体表示成长方体、圆柱体等基本体的组 合，可以采用并、交、差等运算构造新的实体；第三类是空间分割表 示，用来描述物体的内部性质，将包含一物体的空间区域划分成一组 小的、非重叠的连续实体。虚拟现实领域普遍采用的实体表示方法是 表面多边形( 三角形网格) 表示法，即以一组表面多边形来存储物体 的描述。由于所有实体表面以线性方程形式加以描述，可简化并加速 实体表面的绘制和显示。因此，用多边形描述的实体通常被称为“标 准图形物体”。 用顶点坐标集和相应属性参数可以给定一个多边形表面。多边形 的信息存放在多边形数据表中以支持对场景中物体的处理、显示和管 理。多边形数据表可分为两种来组织：几何表和属性表。几何表包括 顶点坐标和用来标识多边形表面空间方向的参数，属性表包括指明物 体透明度及表面反射度的参数和纹理、颜色等特征。 1 4 第三章三维场景建模技术 存储几何数据的典型方法是建立顶点表、边表和面表。物体中的 每个顶点坐标值存储在顶点表中，含有指向顶点表指针的边表用来为 多边形每条边标识顶点，面表含有指向边表的指针，用来为每个多边 形的面标识边。 为了将三维场景中的各种实体显示出来，必须对表示实体的多边 形数据进行处理。处理步骤包括从建模坐标和世界坐标到观察坐标及 设备坐标的变换、可见面识别、表面绘制等等。这些处理要用到多边 形的顶点数据以及多边形的空间方向信息。空间方向信息来源于多边 形所在的平面方程。 平面方程可以表示为下列形式： a x + b y + c z + d = 0 运用c r a m e r 规则，在己知多边形三个顶点( x l ，y l ，9 1 ) 、( x 2 ，y 2 ，z 2 ) 、 ( x 3 ，y 3 ，9 3 ) 的条件下，方程的解可用行列式表示如下： 彳= i l 三 三：ilb - l 三 i 三 lx 1 c ：i 工2 i x3 i 工t d = 一j x2 i x ， y lz ll i y 2 z2 l l y ， z 3i 平面的法向量n = ( a ，b ，c ) 。a ，b ，c ，d 及n 在多边形顶点确定 时由上述公式计算得出，并与其它多边形数据一起存储到场景数据库 中。 三维场景建模所构成的场景数据库除了需存储描述实体表面多边 形的几何数据及属性数据外，还必须按照一定的方式组织几何数据及 属性数据。数据组织应有利于场景中各种实体的查找、选择、操纵。 3 1 2 虚拟场景建模层次结构 虚拟场景的构造不仅要求所模拟的对象在外形上与真实对象相 -1_，l l 2 3 y y y 第三章三维场景建模技术 似，而且要求其在形态、光照、质感、色彩等方面都十分逼真。虚拟 场景中的建模分为几何建模和行为建模。几何建模由各个多边形和顶 点组成，行为建模由纹理、材质、颜色、光照等属性组成。图3 一l 为 虚拟场景建模层次结构图。 图3 - 1虚拟场景建模层次结构图 v r m l 支持场景建模过程的层次细节( l o d ) 、声音、动画控制、 场景光照、纹理映射、材质等基本概念。在建模过程中，采用层次技 术将场景数据划分成逻辑组，组成树状结构，树状结构由节点构成。 每一个节点可以有子节点或兄弟节点。v r m l 中定义的主要节点有： 组( g r o u p ) 、点( p o i n t s e t ) 、面( 1 n d e x f a c e s e t ) 、模型( s h a p e ) 、物 体外观( a p p e a r a n c e ) 、点光源( p o i n t l i g h t ) 、定向光源( d i r e c t i o n l i g h t ) 、 声音( s o u n d ) 、文本( t e x t ) 、变换( t r a n s f o r m ) 、层次细节( l o d ) 、 开关( s w i t c h ) 、内联( i n l i n e ) 、锚( a n c h o r ) 等。这些节点对成功建 模起着非常重要的作用。 3 1 3 虚拟校园漫游建模准则 虚拟校园漫游系统要求：真实的数据、与现实世界相同或相似的 规则、追求沉浸感等等。 1 6 冒囡 怜 嗲 第三章三维场景建模技术 用于虚拟校园漫游的虚拟环境中的模型是一种多边形密度很大的 模型结构，模型间相互完全遮蔽的状况时常出现；在虚拟校园漫游系 统中，漫游视点即为人眼的“化身 ，人可以忽停忽走、随意观察、无 限接近模型细部，所以建筑物室内建模就要做到“事无巨细”，在模型 的任何细部都必需给出几何尺寸及材料特性的详尽描述；用户要求虚 拟校