基于X3D的虚拟三维场景漫游系统设计与实现.doc

地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2009 年 6 月第 7 卷第 3 期Jun., 2009Vol. 7, No. 3基于 X3D 的虚拟三维场景漫游系统设计与实现王方雄 1，李洋 1，韩飞 2（1. 辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029；2. 中海石油基地集团有限责任公司 通讯网络分公司，广东 深圳 518067）摘 要：X3D 是新一代的互联网 3D 图形规范, 为构建基于 Web 的虚拟三维场景及其人机交互提供了一种新的途径。提出了基于 X3D 的虚拟三维场景的建模方案，采用了地理信息系统的图层化方法将虚拟三维场景数据划分为独立地物、植被、 交通、建筑物和数字地形等数据层，介绍了各数据层的三维建模及实现方法，并以一个典型的城市小区为例阐述了虚拟三 维场景的优化与整合技术。关键词：X3D；虚拟三维场景； 三维建模中图分类号：P228文献标志码: B文章编号: 1672-4623 (2009) 03-0021-03Modeling and Implementing Virtual 3D Scene Based on X3DWANG Fangxiong1，LI Yang1, HAN Fei2（1.School of Urban and Environmental Sciences, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China;2. Communication Net Branch of CNOOC Oil Base Group, Shenzhen 518067, China)Abstract：X3D is the next generation of Internet 3 D graphics standard. It provides a new way to build a Web-basedvirtual 3D scene and human-computer interaction. The modeling solution of virtual 3D scene based on X3D was proposed. Using layers method of geographic information system, a virtual 3D scene was divided into a series of data layers including individual feature, vegetation, transportation, building, and digital terrain. And then 3Dmodeling and implementing methods of every layer is presented. Finally, optimization and technologies for virtual3D scenes was stated for a case study of a city district.Key words: X3D; Virtual 3D Scene; 3D ModelingX3D (Extensible 3D) 是 Web3D 联盟提出的新一代互联网三维图形标准（ISO/IEC 19775）1，它继承并发 展了 VRML 技术，整合了 Java、XML、流媒体及多媒 体等技术，使其具有更好的跨平台性和动态性，更强大 高效的 3D 计算能力、渲染质量和传输速度。由于 X3D 基于 XML 标准，其扩展性和跨平台性大大增强2。X3D 采用 XML 编码结构使得 X3D 浏览器使用 DOM (文档 对象模型) 来存取数据成为可能，X3D 浏览器通过对 树形结构各结点的操作，来实现虚拟三维场景的浏览 与控制。X3D 为虚拟三维场景的建模与实现提供了结 点支持，主要有空间造型组节点、纹理效果结点、空 间信息节点、场景优化效果结点以及事件处理结点等3。和数据层构成。数据层由存贮 X3D（*.x3d、*.wrl）文件、XML DB 和空间属性信息的数据库组成。逻辑层 由 Web 服务器和应用服务器组成。Web 服务器接收浏 览器传来的 Http 请求并传给应用服务器，应用服务器 将 Web 服务器传来的 Http 请求转换成数据库识别的语 句，并向数据库发出请求进行查询。数据服务器接收 请求后执行相应的操作并将查询结果集返回给应用服 务器，应用服务器把结果集进行分析处理并以浏览器能接受的形式（HTML 和 X3D）发送给 Web 服务器，最后 Web 服务器把结果通过 Http 应答返回给 Web 浏览器。客户层用户通过浏览器向服务器 (Web 服务器、应 用服务器) 发出请求，请求下载用户请求的 X3D 三维 场景文件，然后利用嵌入在浏览器 (例如 IE) 里的 BS Contact 插件显示虚拟三维场景。客户层的交互主要通 过 JavaScript 的 API 访问 X3D 文件, 从而实现用户与虚 拟现实漫游系统的交互。1 虚拟现实漫游系统的架构及实现方案1.1系统架构虚拟三维场景采用 B/S 结构，由客户层、逻辑层收稿日期：2008-11-07项目来源：教育部高校博士点专项科研基金资助项目 (20070165001)。图 2 虚拟三维场景的数据组织22地理空间信息第 7 卷1.2实现方案虚拟现实用三维的方式表达地形地物，从人眼见 的地物实体出发，将三维对象和基础图形、图像形成 的复合影像，在计算机环境下实现三维实体的再现。三 维场景中需要表达三维实体的位置信息、属性信息和 三维模型数据三个部分。虚拟三维场景的建模路线如 图 1 所示。以二维电子地图作为三维场景建模用的底 图来表达三维实体的位置信息，利用 3DS Max 等三维 建模软件来建立地物实体的三维模型，实现虚拟三维 场景的三维构建。三维模型数据需要加入纹理并与属 性信息相关联，纹理可以真实地反映地物的表面特征， 通过外业采集图像，利用 Photoshop 等工具进行处理后 导入模型。地物三维模型通过可视化处理将外形与颜 色融合成为一个整体，所有模型建立于数字地形之上， 然后结合地理位置、偏转角度、缩放比例就形成了一 个完整的虚拟三维场景。为了便于三维场景数据的显 示与传输，利用可视化的 X3D 编辑器（VRML Pad、 X3D-Edit 等）对场景进行编辑和优化处理，以最小的 数据量达到最优的可视化显示效果。三维场景的人机 交互是通过 X3D 提供的可视化对象编辑加入事件的处 理过程实现的。2 虚拟三维场景的建模实现三维场景中的地形、建筑物、交通要素、植独立地物基于 X3D 及三维建模软件分别建模，植被和独立地物的建模方法相同。2.1 地形建模地形的建模方法主要有三种：基于离散点的建模，基于三角网的地表建模和基于等高线的地模。基于离散点的地表建模是通过离散点的三维数据，利用 X3D 的坐标生成器节点导入转化后的数据真接生成数字地形。但这种方法无法保证精据转换过程中有些数据的坐标会丢失，而且修改比较繁琐，开发的效率低下。基于三角网的建模整个区域表面建模为一系列相互连接的不规则三基于等高线的地表建模是使用 3DS Max 等三维建件的地形工具对矢量化的等高线采用曲面建模直成，具有精度高、生成快、维护方便的特点。所文采用了基于等高线的数字地形建模方法，数字的 X3D 代码片段如下：2.2 建筑物建模图 1 虚拟三维场景的建模路线虚拟三维场景的数据采用图层化思想来组织实现， 根据三维场景中的地形地物特征，划分为数字地形、建 筑物、交通、植被和独立地物等数据图层，如图 2 所示。建筑物建模是虚拟三维场景中虚拟表达的重分，也是虚拟现实再现真实地物的一个重要的环实性的程度直接影响着可视化的最终效果。利用化建模工具（3D Max 等）建模建筑物可分为三个远景建筑模型的构建可以采用贴图纹理的方式，景建筑抽象为一个对象的属性值；数字地形范围建筑（不提供室内漫游效果的）可以通过外景体带室内景观漫游的建筑则采用精细模型构建。2.3 交通层建模第 7 卷第 3 期王方雄等：基于 X3D 的虚拟三维场景漫游系统设计与实现23的 X、Y 坐标数据，一般可分为道路、人行道及道路两侧的栅栏层三个层次进行建模。由于形体的单一，可 以使用简单几何形体造型，例如在 3DS Max 中利用长 方体、柱体等加入旋转角度可以快速的组建, 或是采用 建立交通的模型体库，将相似的道路及人行道利用引 用单体的方式进行组建。栅栏层的组建除简单形体建 模外主要依靠贴图的纹理来实现，纹理的精细程度决 定栅栏层的表达效果。2.4 植被层建模与建筑物建模相比，植被层的建模方法要复杂。 目前植被的建模主要采用基于规则几何体的建模方法 和三维造型建模方法。前者采用简单的几何形体来表 示植被（树）的大小及大体形态，然后在几何形体上 加入植物纹理的贴图。该方法只支持简单形体的植物 表达，无法表达复杂植物和形体。基于重用技术的三 维造型建模方法可以很好地表达各种复杂的植物及形 体，首先利用简单几何形体构建出植被实物的单体模 型，然后在三维场景中找出所有相似物的分布位置 X, Y 坐标数据，最后在 X3D 编辑器中用单体模型去替换 对应坐标位置上的规则形体。独立地物也采用相同的 建模思路与方法。植被层的 X3D 代码片段如下：图 3 虚拟三维场景漫游系统的效果图4 结语X3D 技术标准作为 VRML97 的发展成为下一代的网络三维图形的传输标准，采用 XML 编码方式，以更 小的内核来实现网络条件下的虚拟三维图形的传输，有 着不可取代的技术优势。X3D 技术在实现网络环境下 三维图形的传输与显示方面具有体积小，实现容易，数 据的压缩比高等特点，这些都为三维图形在网络环境 下传输创造了便利的条件。本文以一个典型的城市小 区为例，给出了基于 X3D 的虚拟现实漫游系统的设计 以及图层化的数据组织方案，介绍了各数据层的三维 建模及实现方法，并将图层化的思想引入虚拟三维场 景较好的解决了前台的延迟滞留问题。参考文献1Web3D Consortium. ISO-IEC-19775: 2004 EB/OL. /x3d/specifications/ISO-IEC-19775-X3DAbst- ractSpecification，2008-3-17刑爱凤. 基于 X3D 的虚拟现实际上建模技术J. 电子工程 师，2008，36 (4):67-70张金钊，张金锐，张金镝. X3D 虚拟现实设计第二代立体 网络程序语言M. 北京: 电子工业出版社, 2007李成名，王继周，马照亭. 数字城市三维地理空间框架M.北京: 科学出版社，2008李大伟，王昊鹏，赵文杰. 基于 X3D 的房屋实体构造的实 现方法J. 计算机时代，2008，2: 49-51 谢文达，冯开平，左宗义，等.基于 X3D/VRML 在线室内装饰 设计系统的研究 J. 武汉大