（教育技术学专业论文）基于本体和x3d技术的文物景观建模研究.pdf

基于本体和x 3 d 技术的文物景观建模研究 教育技术学专业 研究生杨永艳指导教师何建 摘要：随着计算机技术和互联网的飞速发展，虚拟现实在日常工作、学 习、生活中的运用越来越广泛。传统的虚拟现实技术虽具备强大的三维场景 建模和交互控制能力，但也逐渐凸显出一些不足，如：无法有效支持分层开 发、不便于错误检测与场景优化、资源可重用性较低、网络传输受带宽限制 等，从而无法为领域专家介入三维建模、场景模型的验证与优化、移动终端 上的广泛应用等方面提供有效支持。这在一定程度上制约了传统虚拟现实技 术的广泛应用。目前，该领域研究的焦点主要集中在两个方面：一是为团队 协作提供技术支持；二是为提高传输和浏览速度提供优化方案。 近年来，随着本体理论的发展，一些研究者开始利用领域本体实现基于 语义的概念层次建模，从而使得不熟悉具体建模工具的领域专家，可以通过 领域知识建立三维场景的概念模型。此外，x 3 d 技术的发展和成熟，为三维 建模提供了一种基于x m l 规范的几何体和行为文本描述方式。同时，由于 具有平台无关性、易扩展性、实用性和灵活性等特征，其己被应用于不同的 硬件设备和应用领域。 本文在充分的文献调研、理论学习和工程实践基础上，结合“虚拟景观 的自适应发布平台 项目需要，采用本体建模方法实现了文物景观的概念层 次建模，构建了领域本体库；采用j a v a 技术结合j e n a 、d o m 4 j 、s w t 等工具 包，开发了一个能解析o w l 文件和x 3 d 文件的软件工具。最后，运用x 3 d 和3 d s m a x 建模技术创建了锦里古街的一个分场景，用于方案验证。研究成 果为项目后期的场景优化与自适应发布平台的构建提供了理论和技术支持。 关键词：本体；x 3 d ；虚拟现实；文物景观；锦里古街 四川师范大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h em o d e l i n go fc u l t u r a lr e l i c s l a n d s c a p eb a s e d o nt h et e c hn o l o g i e so fo n t o l o g ya n d x 3 d m a jo r ：e d u c a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u c a t e ：y a n gy o n g y a ns u p e r v i s o r ：h ej i a n a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e r n e t ， v i r t u a lr e a l i t yi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nd a i l yw o r k ，s t u d ya n dl i f e t h e t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e so fv i r t u a lr e a l i t yw h i c ha r ev e r yp o w e r f u li nm o d e l i n g 3ds c e n ea n dc o n t r o l i n gi n t e r a c t i o n , b u ta l s og r a d u a l l yr e v e a ls o m ed e f i e n c i e s ， s u c ha s 。n os u p p o r tf o rc o l l a b o r a t i v ew o r k ，n o tc o n v e n i e n tf o re r r o rd e t e c t i o n ，l o w r e s o u r c er e u s a b i l i t ya n do p t i m i z a t i o n , c o n s t r a i n t so ft r a n s i m i s s i o no nn e t w o e ke r e s o ，t h e yc a n tp r o v i d es t r o n g s u p p o r t s f o rd o m a i ne x p e r t si n v o l v i n gi nt h e m o d e l i n g ，t h ec o n s i s t e n c yc h e c k i n g ，a c h i e v i n gw i d ea p p l i c a t i o n s i nt h em o b i l e t e r m i n a l t h e s ed i s a d v a n t a g e sr e s t r i c tc e r t a i n l yt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e su s i n g o naw i d er a n g e a tp r e s e n t ，t h ei s s u e so ft h i sd o m a i nf o c u so nt w oa s p e c t s ：o n ei s t op r o v i d ea d e v e l o p m e n tt o o l so ri n t e g r a t e de n v i r o n m e n t ，t h eo t h e ri s t or e d u c e t h ef i l es i z eo fr e s o u r c ei no r d e rt oi m p r o v et h eo n l i n et r a n s m i s s i o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h en e wd e v e l o p m e n to fo n t o l o g y , s o m er e s e a c h e s b e g a nt oa p p l yo n t o l o g yt or e a l i z et h es e m a n t i cc o n c e p to fs c e n c e ，b yt h ew a y , t h o s ed o m a i ne x p e r t sw h oa r en o tf a m i l i a rw i t hs p e c i f i ct o o l sc a l li n v o l ei nt h e m o d e l i n g w o r k t h r o u g he s t a b l i s h i n gc o n c e p tm o d e l i n g m o r e o v e r , t h e 。 d e v e l o p m e n to fx 3 dt e c h n o l o g yp r o v i d e sat e x td e s c r i p t i o nf o rg e o m e t r ya n d b e h a v i o rb a s e do nt h ex m l s p e c i f i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tc a nb ea p p l i e dt o d i f f e r e n th a r d w a r ed e v i c e sa n da p p l i c a t i o n sb e c a u s eo fi t sp l a t f o r mi n d e p e n d e n c e ， i i 四川师范大学硕士学位论文 e a s ye x p a n s i b i l i t y , p r a c t i c a l i t ya n df l e x i b i l i t y i nt h i s p a p e r , b a s e do l l t h ef u l l i n v e s t i g a t i o n s ，t h e o r e t i c a ls t u d i e sa n d e n g i n e e r i n gp r a t i c e sa n dt h es p e c i f i cr e q u i m e n t so ft h ep r o je c t “t h ea u t o m a t i c a l a d a p tp l a t f o r mo fp u b l i s h i n gv i r t u a ll a n d s c a p e ”，if i n i s h e dt h ec o n c e p tm o d e l i n g o f3 ds c e n e ea n dc o n s t r u c tad o m a i no n t o l o g y ；u s i n gt h et e c h n o l o g i e so f j a v a + j e n a + d o m 4 j + s w td e v e l o p e dat o o l sw h i c hc a np a r s eo w l f i l e sa n dx 3 d f i l e s a tl a s t , c r e a t eav i r t u a l l a n d s c a p eu s i n gx 3 da n d3 d s m a xm o d e l i n g t e c h n o l o g y t h ew o r ka n de f f o r t sp r o v i d et h e o r ya n dt e c h n i c a ls u p p o i r t sf o rt h e l u t h e rt a s k so f o p t i m i z i n gs e e n c ea n db u i l d i n gt h ep u b l i s h i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：o n t o l o g y , x 3 d ，v i r t u a lr e a l i t y , c u l t u r a ll a n d s c a p e ；j i n l is t r e e t i i i 四川师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 虚拟现实的基本概念及应用 2 0 世纪8 0 年代初，美国v p lr e s e a r c h 公司创始人j a r o nl a n i e r 提出了 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 这一概斜1 1 。所谓“现实”，是指现实世界和环 境；所谓“虚拟”，是指一个由人工创建并存在于计算机内部的虚拟世界， 浏览者可以借助于相应工具或平台“进入”这个虚拟世界，从而产生身临其 境的感受。虚拟现实技术，即是指以计算机技术为平台，使用虚拟现实相关 的硬件、软件资源，实现一种极其复杂的人与计算机之间交互和沟通过程【2 】。 运用虚拟现实技术创建的虚拟场景，可以实现人与三维实体的交互和智能感 知。浏览者可以自主地选择角度进行浏览，并能得到自然的视觉、听觉、触 觉、嗅觉和导航漫游的效果，使人在虚拟场景中得到一致甚至超越于现实世 界的丰富体验。正因为如此，虚拟现实技术具有多感知性、沉浸性、交互性、 想象力( 简称3 i ) 特性。 从2 0 世纪5 0 7 0 年代的探索阶段，到2 1 世纪初的多元化发展阶段，我 们可以明显看出，随着计算机技术和互联网的飞速发展，虚拟现实在日常工 作、学习、生活中的运用越来越广泛。人们对虚拟现实的关注度不断提高， 同时也发展了一批虚拟现实交互感知设备，如数据手套、数据头盔、数据衣 及人们常见的三维立体眼镜等。虚拟现实辅助行业的迅猛发展，代表着虚拟 现实技术在人们日常工作和生活中的需求度不断提高。当前，虚拟现实技术 不仅运用于航天领域，模拟航天器的发射、运行、回归等过程，还广泛运用 于医学实验、军事演习、城市规划、产品展示、教学实验等涉及工业、农业、 商业、教学、科研、娱乐等方面1 3 j 。 1 1 2 项目开发面临的现实困境 目前，随着国家和各级地方政府对各类文物景观( 如古街、古镇、风景 名胜等) 保护重视度的提升，政策支持不断加强，重建力度不断加大，建设 成效逐步显现。许多有名的文物景观都被精心设计、维修、重建，打造出各 种独具特色的商业、文化、旅游等服务。其中，运用虚拟现实技术和计算机 四川师范大学硕士学位论文 网络技术为这些文物景观建立三维虚拟场景，并运用于网络发布与浏览，成 为重建工程中一个重要的项目任务和研究课题。此项工作具有如下两个主要 特点： 1 团队协同是主要工作方式 文物景观的三维场景建模是一个系统工程，要完成这一项目任务，需要 大量的专业技术人员参与进来。他们可能来自不同的学科领域，具备不同的 专业知识和技能。根据在这一工程中具体角色功能的差异，我们可以大致将 其分为两类：一是领域专家( d o m a i ne x p e r t ) ，如学者、设计师、工程师、 管理人员等。他们熟悉具体领域的基本情况，知道某个文物景观的历史背景、 地理布局、知名景点等信息。换言之，他们熟知其中有哪些实体，清楚它们 的特性及相互关系；二是虚拟现实专家( v i r t u a lr e a l i t ye x p e r t ) ，如三维建模 人员、贴图制作人员等。他们熟悉某种甚至几种三维建模工具或平面图形处 理工具，知道具体的实体应该如何通过这些工具来表现。两者往往不具有相 同的知识和技能，即是说，领域专家一般不会正好也是虚拟现实专家，反之 亦然。所以，真实的项目开发情景是这些来自不同领域的专业人员需要通过 团队化、协同式的工作模式来开展工作。 熟悉领域知识 了解实体属 性与关系 清楚项目需求 反复地沟通需求 最终确认成品 图1 - ! 传统的虚拟现实项目开发过程示意图 熟悉具体技术 知道如何表现 清楚项目需求 2 沟通效率与成本是主要瓶颈 既然领域专家和虚拟现实专家的工作模式是团队化、协同式的，那么他 2 四川师范大学硕士学位论文 们之间信息传递的有效性就成为影响项目效率和成本的重要因素之一。在具 体的工作情景中，他们不得不面对大量纸质或电子的文档、图像资料；多次 召开项目会议沟通项目需求，交流进展情况，论证技术方案；不断反复地对 场景设计和项目方案进行确认和修改。加之团队人员众多且知识结构各异， 项目本身的复杂性难以确定和把握，其成本可想而知。此外，在现有的三维 场景建模软件方面，由于缺乏相应的工具支持，领域专家和虚拟现实人员无 法协同工作，项目方案与最终设计之间的一致性也无法得到有效验证。最终， 开发出的三维场景往往难以很好地满足具体应用需要。 1 1 3 课题项目面临的具体问题 本研究所属项目“虚拟景观的自适应发布平台 的主要任务是实现 文物景观场景在各种移动终端上的发布。除了面临与传统虚拟现实项目开发 同样的困境外，该项目还存在诸多新的挑战。一方面，更多的专业技术人员 需要参与进来，除了领域专家和虚拟现实专家，还有本体建模人员、场景优 化人员和自适应发布平台建设人员。其工作情景示意图如下： 熟悉领域知识 了解实体属 性与关系 清楚项目需求 熟悉优化规则 熟悉优化工具 不清楚项目需 图1 - 2 本研究所属项目面临的工作情景 从上图可以看出，不但参与项目的人员结构变得更加复杂，虚拟场景建 模的技术要求也在提高，项目管理和组织的难度相应加大。为了有效地提高 四川师范大学硕士学位论文 沟通和交流效率，降低项目开发成本，团队协作的工作模式必须得到技术层 面的支持，从而为开发人员找到一条有效的信息表达与传递的途径。 另方面，鉴于本项目的客观需要( 虚拟文物景观场景必须能够满足移 动终端上的发布与浏览) 。如果无法找到有效的平台和技术支持，不仅意味 着更大的开发成本，甚至直接影响到项目最终能否顺利完成，建立的场景能 否达到应用的需要。 1 1 4 现有技术及本文思路分析 传统的虚拟现实技术( 如：3 d s m a x 、m a y a 、v i r t o o l s 等) 虽然具备强 大的三维场景建模与交互控制能力，但也逐渐凸显出一些不足，如：无法有 效支持分层开发、不便于错误检测与场景优化、资源可重用性较低、网络传 输受带宽限制较大等，从而无法为领域专家介入三维建模、项目需求与场景 模型的一致性验证、实现在移动终端上的广泛应用等提供有效支持。如前所 述，在真实的项目开发过程中，领域专家一般不同时也正好是虚拟现实专家， 反之，虚拟现实专家往往也不同时具备足够的、有关某一特定领域的知识， 传统的虚拟现实开发工具，并不能为两者的协同工作提供有效支持。这就意 味着，即使有前期的项目沟通和方案设计，虚拟现实专家创建的三维场景也 并不总是能很好地满足特定领域的具体需求，加之缺乏有效的验证机制和工 具支持，这就需要领域专家对创建好的场景进行反复多次的检查，再反馈给 虚拟现实专家进行不断地修改甚至重建。这样一来，项目周期势必不断延长， 大量的时间、人力、物力、财力浪费于多次迭代与纠错，这已成为传统虚拟 现实技术发展的一个瓶颈。 此外，移动计算机和互联网技术的飞速发展，正极大地改变着我们的信 息获取和沟通方式。各式各样的手持终端出现在我们的生活中，并且计算能 力、图形图像及多媒体信息处理能力逐渐增强，性价比不断提高，越来越多 的用户开始利用移动终端体验科技带来的便利。但就三维虚拟现实场景而 言，其资源文件数据量一般较大，加之网络传输带宽的限制，在移动终端上 浏览三维虚拟场景或进行更多的交互体验，很难达到理想的效果，这成为传 统虚拟现实技术面临的一个技术难题。随着研究工作的深入，问题的焦点主 4 四川师范大学硕士学位论文 要集中到两个方面：一是提供便于多方人员协同工作的集成工具或环境；二 是提供有效提高传输和浏览速度的优化方案。 近年来，一方面，本体理论的发展为三维场景建模脱离具体几何细节提 供了新的观点和思路。一些研究者开始利用本体理论和方法实现基于语义的 三维场景概念层次建模，从而使得不熟悉具体建模工具的领域专家通过领域 知识建立三维场景的概念模型成为可能。另一方面，随着x 3 d 技术的发展和 成熟，其所提供的强大的三维建模、交互导航、自定义对象、脚本等功能， 为虚拟场景建模提供了一种基于x m l 规范的几何体和行为文本描述方式。 同时，由于其平台无关性、易扩展性、实用性和灵活性，使其可应用于不同 的硬件设备和应用领域。使用x 3 d 技术来构建三维虚拟场景成为研究和应用 的热点。 本文在充分的文献调研、理论学习和工程实践基础上，结合“虚拟景观 的自适应发布平台 项目要求，采用本体建模方法实现了三维文物景观的概 念层次建模，构建了领域本体库；建立了领域规则和优化规则，并使用 p r o t 9 6 3 4 6 软件形式化本体信息；在领域知识的解析与提取环节，采用 e c l i p s e 加j e n a 、d o m 4 j 、s w t 等工具包开发了一个可视化的支持工具，它不仅 能解析o w l 本体文件并自动生成带有语义信息的x 3 d 元文件，也能供开发 人员用于手动建立o w l 本体文件中的语义信息与x 3 d 场景文件中的造型节 点之间的联系，为领域专家和虚拟现实专家的协同工作提供了有效的解决方 案；最后，运用自主开发的软件工具，结合x 3 d 和3 d s m a x 技术建立了一 个三维文物景观场景( 锦里古街分场景) 用于方案验证。本文的研究成果为 项目后期的场景优化与自适应发布平台的构建提供了理论和技术支持。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 随着虚拟现实技术的发展和语义网理论研究的深入，三维虚拟场景逐渐 出现在各种网络应用之中，如：在线教育( 学习) 、协同工作、社交网络等。 尽管如此，虚拟现实技术在发展进程中却遇到一个较大的瓶颈，通过对国外 学者所做研究的综述来看，基于互联网环境的三维场景建模的研究课题最终 四川师范大学硕士学位论文 集中在探讨两个方面的问题：一是为虚拟现实专家和领域专家协同工作提供 工具支持；二是为虚拟现实场景在网络环境中的显示优化提供策略支持。就 第一个问题而言，目前尽管有大量的虚拟现实建模工具，女 1 3 d s m a x 、m a y a 、 v i r t o o l s 等，但现实的问题是虚拟现实专家很少同时也是领域专家，这就意味 着他们缺乏足够的特殊领域的知识，他们所设计和制作出的虚拟现实场景就 可能与实际情况存在诸多冲突，无法满足用户的实际需要。在大多数情况下， 项目自身的特点加之缺乏有效的验证机制和工具支持，虚拟现实专家和领域 专家需要经过多次的沟通和磨合，针对创建好的场景进行反复多次的检查， 再反馈给虚拟现实专家进行不断地修改甚至重建，这样一来，项目的周期势 必不断延长，大量的开发时间被用于迭代修改甚至返工，造成巨大浪费。 为了解决这一问题，一个有效的途径是：在项目沟通阶段，找到一种方 法来采集领域专家提供的关于特殊领域的知识，并能对知识进行存储、推理、 加工、查询和提取，然后用于对虚拟现实专家的场景设计进行自动检测与验 证，确认是否符合具体领域需求。这样一来，就可以最大可能地节约开发时 间和成本，也有利于虚拟现实专家和领域专家的协同工作。 h a i t h e mm a n s o u r i ，f r e d e r i ck l e i n e r m a n n 和o l g ad et r o y e r 合作的研 究论文d e t e c t i n gi n c o n s i s t e n c i e si nt h ed e s i g no fv i r t u a l e n v i r o n m e n t so v e rt h ew e bu s i n gd o m a i ns p e c i f i cr u l e s h 3 在这一问题 上提供了一个解决方案。他们通过对啊一盯距方法的扩展应用及面向特殊领 域术语和本体的虚拟现实概念层次建模，实现了将领域知识引入三维场景建 模工作中，并开发了能够有效支持知识采集、规则采集与形式化、场景生成 与验证的工具软件，为领域专家开发了友好的操作界面，从而为将本体技术 和x 3 d 建模技术相结合应用于三维虚拟场景建模，提供了有益的探索。下面 对其研究框架和基本方法做简要介绍。图1 - 3 为v ? - i f 距方法系统框架示意 图，图1 - 4 为该文研究框架示意图。 6 s f e d1s p e c i f i c 韵o n s t e p2m a p p i n g 7 i 下。n v 呷r t u 渊a lr 等e a l i 删t y 嗍卜 、 曩j l l 一母i 啊静。l。黪蝉s l ! ! 确矗j 、 巨枣翁i i ：j | 辫。二 ；“m。x# e ， 硒。t 型i f簿黪黪裂j ； 嘞j 一卜卜$ 画e d f c 纳嘲 珊h _ r _ 睁坶嗍伽即 ， 、 s t e p3c _ , o d eg e n e r a t i o n 图卜3v r w i s e 方法系统框架。5 s t e p1s p e c i f i c a t i o ns t e p2 m a p p i n g 厂 , - t d o m d n 融i i e th 、 ；一9 磐吨9 租_ ! 秽v “黪嘲唧唧 、 v r t u a i r e a h t y 溪牵蒸辫爹 。褥燃j - 忙o n c e p t u a fm o d e h n g i m l o n t o l o g y b * s区裹 囊唧嘲钿! 少l 一 丫 l 嘛谳j 。，。i ，i 稿翔。一j 、睃黟搿；_舅捌g睁il獬鲫嚼嘲 ，乓渊釜r “隧簿酾 s t e p3c = l o c l eg e n e r a t i o n 图卜4 引入领域规则模块( d o m a i ns p e c i f i cr u i e sm o d u l e ) 的系统框架m 1 该文研究成果的主要特点是在隋一盯s 防法的基础上引入了领域 ( d o m a i nr u l e s ) ，从而实现了领域专家能够介入到三维虚拟场景建 规则 模工作 四j i f 师范大学硕士学位论文 中，具体方法包括如下内容： 1 采集虚拟场景知识 虚拟场景知识( v i r t u a le n v i r o n m e n tk n o w l e d g e ) ，为了实现对一个特 定虚拟现实场景的推理验证，首要工作是采集不同对象的属性和它们之间的 联系。使用w e b 本体语言( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) ( o w l ) 来表示概念 ( c o n c e p t s ) 及其属性之间的语义联系，并存储为o w l 文件。例如：可以将 两者的关系简化为“i s - p a r t - o f 或者“j s _ a ”。 2 采集语义注释 语义注释( s e m a n t i ca n n o t a t i o n s ) ，是为了采集一个特定领域的抽象 信息而引入的。就特定领域的某个具体对象( o b j e c t ) 而言，除了具有长、 宽、高、位置等具体的信息外，还有一些抽象的信息，例如它的重量、价格、 历史、品牌、需遵循的特殊分类等。在某些应用中，仅仅只是一些物理属性 是远远不够的，这些抽象信息可能显得非常重要。该文通过扩展啊一盯s 防 法，来加入这些概念描述。 3 采集语义规则 语义规则( s e m a n t i cr u l e s ) ，v r - w i s e 已经提供了一些高级的关系描述， 例如表示空间关系的“l e f t o f “r i 助t o f _ 以及表示概念之间关系的 “工s - a ，、 p a r t - o f ”等。这些规则可以被形式化并被推理引擎用于验证某 个设计。但是这些规则与具体的场景密切相关并且与物体的物理属性联系紧 密。因此，该文扩展的这种方法，使得这些规则能被领域专家提供并引入。 尽管o w l 也提供了相应的推理方法，但对大规模本体推理，该文则推荐采用 语义网络规则语言( s e m a n t i cw e d e n a b l e dr u l el a n g u a g e ) r u l em a r k u p l a n g u a g e ( r u l e m l ) 或s e m a n t i cw e br u l el a n g u a g e ( s w r l ) 。 4 形式化( f o r m a li z a t i o n ) 语义规则 该文运用f l o g i c 对语义规则进行形式化，并给出了四个规范的形式化 定义。 5 扩展o n t o w o r l d 工具 为了测试该文提到的方法，该文作者扩展了o n t o w o r l d - f 具，加入了领 域规则采集和验证功能。具体做法是：在信息存储上采用三层结构，即定义 g 四川师范大学硕士学位论文 了元数据级描述( m e t a - l e v e ld e s c r i p t i o n ) 、领域描述( d o m a i n d e s c r i p t i o n ) 和世界描述( w o r l dd e s c r i p t i o n ) 。元数据级描述是一个用 于表示某一领域或世界的专门术语本体，用作定义如下一些概念：如注释、 关系、位置和方向等。领域描述是由领域专家提供的、用于表示某个特定领 域信息的本体，例如一个城市由很多建筑组成，一些是用来居住的，一些是 用于商业的，又如街道、路标、车辆、公园等。这些信息应该具有一般性从 而确保其开放性和可重用性。世界描述主要包括虚拟场景中的具体物体的信 息。由于世界描述要继承领域描述中的类和属性，如果多种来源的本体被应 用，它的信息将非常丰富。该文在o n t o w o r l d 基础上，创建了用户界面，让 领域专家可以手动建立这些规则。 6 验证和代码生成 ， 领域规则被引入后，通过使用f - l o g i c 和r e a s o n e r 进行推理验证便可以 保证虚拟现实专家设计的三维场景可以很好地满足具体需求。最后，使用 o n t o w o r l d 就可以自动生成x 3 d 格式的代码，这种x 3 d 文件也可以被不同的x 3 d 浏览器显示。 1 2 2 国内研究现状 通过查阅各类研究文献，国内方面在运用本体理论进行知识管理、信息 检索、特定领域本体构建、语义网络等方面有较多的研究。但将本体理论和 x 3 d 技术结合运用于三维虚拟场景的建模研究方面，可以参考的资料较少， 缺乏较为清晰的解决方案，尤其是在大型的、复杂的虚拟场景建模方面的研 究更是不足。 经过文献研究，有两位研究者的理论和方法对本研究有一定参考意义。 其中上海交通大学的吴益尔的硕士学位论文基于语义的概念层次三维场景 建模研究m ，通过引入本体理论为三维场景的建模脱离具体的几何细节提 供了一种思路。该文的主要任务基于语义的三维场景概念层次建模，采用面 向领域专家且与平台无关的模型描述方法，定义和设计了三维场景模型的层 次结构、特征、语义信息以及场景中各组成元素之间的关系，从而实现将底 层几何造型与上层业务建模过程相分离。在此基础上，该文设计并实现了一 四川师范大学硕士学位论文 个系统框架，从而为上层用户提供可视化的、统一的三维场景建模界面，消 除了不同建模工具的异构性，并且将语义信息应用到实际建模过程中。 1竺：竺兰竺竺竺l 圉圉 l 数训f 输 i 饪砸匏i 黻秘 三 雏 饶 渊 j 设 x m l r d fs c h e m a 数捌格式硷馘 规则摊l 约糸榆l 鼍维模掣i 淤义数谯喑 埒l 验 i 枷。l ： i 经l 裟 图卜5 基于语义的概念层次建模系统框架8 1 与v r - w f s e 系统相比而言，该文提供的语义模型是基于本体概念的，是 通过领域本体的构建为模型提供领域知识，并以本体层次结构对应模型层次 关系。另外，该系统的模型还可提供横向和纵向的信息获取，不但能获取该 四川师范大学硕士学位论文 场景的本体信息，也可以获得本体层次结构中上一层次的信息，甚至与该本 体相关联的本体信息。另一方面厢一w i s e 的造型操作过程与语义添加过程是 相分离的，两者在建立映射的过程中才相互结合。该文所提出的框架通过以 本体及其相互关系作为解析器和组装器的重要依据，把约束和语义融合在模 型组装和分解过程中，降低了对结果模型进行人工检验和专家评审的成本。 另外，汕头大学的翁承志在其硕士论文基于本体的三维场景智能交互 应用研究扣3 中也研究了在使用x 3 d 进行三维场景建模的过程中引入本体理 论来描述语义信息的问题。其基本方法是运用p r o t 6 9 6 来制作本体，并使用 j e n aa p i 对本体进行解析，获取其中的类、属性、实例等，存储为一颗类层 次树，接着使用p e l l e t 推理机实现基于属性的推理。在三维场景的交互控 制上，通过x 3 d 提供的场景创作接口s a i 来获取用户输入，通过在s c r i p t 节点中加入j a v a s c r i p t 程序代码调用外部j a v a 程序，从而实现对虚拟场景 中的对象的控制。其系统原理示意图如下。 幽卤曲曲 图卜6 基于语义和x 3 d 技术系统框架n 0 1 四川师范大学硕士学位论文 两篇研究文章都探讨了将本体理论与虚拟现实建模技术相结合的问题， 为本文提供了值得借鉴的一些观点和思路。但通过比较和分析可见，它们所 应用的场景都相对较简单，场景中物体的属性及相互关系都易于分析，反映 在本体的分析、创建、推理及三维场景建模方面都较为容易，而对于真实的、 相对复杂的虚拟景观三维场景建模而言，还必须进行更多的探索。 1 3 研究内容和意义 本文在综述国内外研究成果的基础上，以理论分析和工程实践为重点， 立足课题项目的具体需求，主要研究如下三个方面的问题： ( 1 ) 基于语义的三维文物景观的概念层次建模，构建具有开放性、可重 用性的领域本体库和优化规则。即为文物景观场景的主要特征和领域知识建 立语义模型。 ( 2 ) 为领域专家和虚拟现实专家的协同工作提供技术支持。即开发一个 能解析o w l 本体文件和x 3 d 场景文件并能实现本体语义信息与场景造型节点 相关联的软件工具。 ( 3 ) 实现基于x 3 d 和3 d s l d a x 技术的三维文物景观场景建模。即通过具 体场景的建模实践，验证方案的可行性。 通过以上三个方面的理论与技术研究，以此探讨将本体理论和x 3 d 技术 相结合来进行三维虚拟景观场景建模的问题。 1 3 1 文物景观的概念层次建模 在真实的应用案例中，由于所需设计和创建的虚拟现实场景自身的复杂 性、项目的开发周期要求、出错的可能性等因素制约，场景验证和返工的成 本很可能是成倍地增加。虚拟现实专家和领域专家有效的分工与协作显得尤 为重要。此外，本文所属项目的主要任务是要实现三维虚拟景观场景在移动 终端上的自适应发布，这从客观上对场景建模提出了很高的要求。引入本体 理论与技术来描述、存储、优化、提取和交流特定领域的语义信息成为必然 选择。本文将通过对诸多文物景观共同特征和领域知识的提取，建立可重用 的领域本体。 四川师范大学硕士学位论文 1 3 2 语义信息与x 3 d 节点的关联 为了使领域专家和虚拟现实专家可以协同工作，有多种解决途径。如： 提供一个集成开发环境，建立协作机制，使两者可以在同一平台上完成不同 的项目任务，以此达到协作的目的。但现有的虚拟现实建模软件并不具有这 样的功能，而开发一个这样的集成开发工具也有难度较大。加之现有的各种 建模软件原理各异，建模特点也各不相同，要为它们一一开发出相应的插件， 其可行性和适用性也还有待于深入研究。本文的思路是通过建立本体文件中 的语义信息与x 3 d 场景文件之间的关联，来实现将领域知识引入到虚拟现实 建模过程中。这样一来，既间接地实现了领域专家和虚拟现实专家的协同工 作，也不会较大地增加他们额外学习一种新开发工具的工作量。同时，原有 方案必须开发出一个协同开发平台，而本文提出的方案将问题简化为：仅需 解决解析两种基于x i v l l 语言结构的文本文件的问题。方案的可行性得以增强， 实现难度得以降低。 1 3 3 文物景观的三维场景建模 鉴于项目的具体需要，我们不仅要求建立的场景文件要足够小，以满足 在现有带宽条件下的网络传输与在线显示，更重要的是，还要能运用优化策 略，对创建的三维场景模型进行动态实时的显示优化，达到最佳的应用效果。 这就意味着，如果纯粹采用传统的三维建模方法，所得到的虚拟现实场景必 然无法满足这些需要。而x 3 d 三维建模技术作为w e b3 d 技术发展的最新成 果，其提供的诸多新特性和新功能为这一需要提供了有效的技术支持。本文 拟充分运用x 3 d 的这些新特性，并结合3 d s m a x 强大的建模技术，建立适合 于各种移动终端发布的三维文物景观场景并形成场景库。这些虚拟场景不但 较为真实地模拟的文物景观，而且还携带了具体的语义信息，可以在后期的 项目优化工作中使用。 通过以上对具体研究内容的界定和分析，无论是从理论探索、技术研究 的角度还是本研究在课题项目中的地位和作用来看，本研究都具有一定的实 用性和必要性，本文的理论和技术研究成果都将直接应用到项目后期的开发 工作中。 四川师范大学硕士学位论文 1 4 课题来源、研究目标及创新点 1 4 1 课题来源 该课题来源于可视化计算与虚拟现实四川省重点实验室应用课题：“虚 拟景观的自适应发布平台 。项目编号： y 2 0 i o n 0 1 。 1 4 2 研究目标 本研究主要有三个基本目标： 1 实现基于语义的三维文物景观场景的概念层次建模，建立具有开放 性、可重用的领域本体库及可用于后期优化的优化规则。 2 开发一个能解析o w l 文件和x 3 d 文件的工具，并能将o w l 文件中的语 义信息写入到x 3 d 场景文件中。 3 实现基于x 3 d 和3 d s m a x 技术的文物景观三维场景建模，建立合理的 场景结构框架，具有可重用性和可验证性的场景文件库。 1 4 3 创新点 本研究的创新点在于： 1 基于项目需要，本文运用本体相关理论和最新技术，建立了文物景 观场景的领域本体库，领域规则和优化规则，开发了o n t o x 3 d 解析工具，不 仅为文物景观领域知识的采集、描述、存储、推理、提取和运用提供了概念 建模参考和解析技术实现，也为项目后期的场景优化和平台创建工作奠定了 基础。 2 本文运用了x 3 d 技术的新特性，一方面避免了资源文件占用空间大、 不利于网络传输和在线浏览的问题，另一方面也实现了将场景语义信息引入 x 3 d 模型，为领域专家和虚拟现实专家协同工作、场景的验证和优化、场景 资源的可重用性等方面提供了有效支持。 1 4 四川师范大学硕士学位论文 第二章本体理论与x 3 d 技术概述 2 1 本体理论概述 2 1 1 本体的概念 本体论( o n t o l o g y ) 这一概念源于哲学领域，最初是形而上学理论研究 的一个分支，与认识论相对h 1 | 。其研究重点主要包括两个方面：一是研究存 在的本质；二是研究课题对象的理论定义，即整个客观世界的基本特征。经 过多年不断的演变发展，如今本体论已广泛应用于信息领域，主要用于知识 的组织、表示、共享与重用等方面。 1 9 8 6 年，a l x e n a d e r 发表的研究论文对本体理论的研究具有重要意义， 标志着本体理论在计算机领域开始得到应用并引起人们的重视。1 9 9 1 年， n e c h e s 等人最早给出了本体在人工智能领域中的定义： “a no n t o l o g y d e f i n e st h eb a s i ct e r m sa n dr e l a t i o n sc o m p r i s i n gt h ev o c a b u l a r yo f at o p i ca r e a ，a sw e l la st h er u l e sf o rc o m b i n i n gt e r m s a n dr e l a t i o n s t od e f i n ee x t e n s i o n st ot h ev o c a b u l a r y 即“一个本体给出构成相关 领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规则定义这些 词汇的外延规则n 引。随后，不少学者相继给出了在不同领域中本体的定义： 1 9 9 7 年w n b o r s t 认为“本体是共享概念模型的形式化规范说明”。j s t u d e r 则在此之上进行了补充，他认为“本体是共享概念模型的明确的形式化的规 范说明”。而最具广泛引用的则是美国斯坦福大学知识系统实验室g r u b e r ， 在1 9 9 3 年从信息科学领域的角度提出的“本体是概念化的明确的规范化说 明 n 扣，即本体是某个特定领域中的概念和用以描述概念的特征、属性、属 性的约束和概念间关系的一种表达形式。 通过对本体定义发展过程的追溯和分析可知，这些对于本体各不相同的 描述不仅是随着时间的推移，人们对本体的理解不断地进行着修正和补充， 也是由于本体理论在各个不同领域得到了新的发展与应用，从而得以不断完 善并赋予新的内涵。总的来看，尽管这些定义都是在不同时间，从不同的领 域和不同的角度提出的，但是它们都包含了一些最基本的含义和特点：如概 念化、明确化、形式化和共享性等，具体内涵如表2 - 1 所示： 四川师范大学硕士学位论文 表2 - 1 本体的四个基本特点 序号主要特点 内涵描述 通过对客观世界现象的相关概念进行抽象而得到的语义模型， l 概念化 其表示的含义独立于具体的客观存在。 2 明确化本体中的概念、相互关系和约束都被明确定义。 本体具有精确的数学描述与表达，能被计算机程序读取和理 3 形式化 解。 本体所体现的知识是被共同认可的，能反映相关领域特征的公 4 共享性 认概念集，而不是针对某些个体而言。 综上所述，虽然不同学者对本体定义的表述各不一样，但这些定义都是 围绕这样一个核心：认为本体是某个领域内主体间，运用语义进行交流的基 础。事实上，本体就是通过描述某一领域中的概念、知识、概念间的相互关 系和本质属性，来说明这一领域中的基本概念和知识体系n 引。 2 1 2 本体的分类 为了对本体理论有更进一步的认识，并能正确建立和应用本体，有必要 对本体的各种类型及其相互关系有充分了解。按照不同的分类标准，可以对 本体进行如下划分。 ( 1 ) 按照对具体领域的依赖程度划分。 表2 - 2 按照领域依赖程度划分本体 序号 名称本体描述 用于描述最普通的概念及其关系，如空间、时间、事件、行为 1 顶层本体 等。独立于特定的问题和领域，其它本体都是该类本体的特例。 2领域本体用于描述特定领域中的概念及概念之间的关系。 3任务本体用于描述特定任务或行为中的概念及其关系。 4应用本体用于描述依赖于特定领域和任务的概念及其关系。 四川师范大学硕士学位论文 从上表可知，领域本体和任务本体同处于一个分类层次，两者都能使用 顶层本体中定义的词汇来描述和表达自己的词汇。另外，应用本体既可以使 用领域本体中的概念，也可以采用任务本体中的概念。 ( 2 ) 按照不同细化程度划分。 表2 - 3 按照不同细化程度划分本体 序号 名称本体描述 1 参考本体详细程度高，对建模对象刻画较丰富。 2 共享本体详细程度低，对建模对象刻画较简单。 在创建本体时，需要根据具体应用需要决定是创