（教育技术学专业论文）基于vrml的可视化图书馆系统的设计与实现.pdf

摘要 随着网络技术的不断发展，虚拟现实技术作为二十世纪末的新兴技术已经广泛应用于 虚拟旅游、虚拟校园、虚拟展示等方面。笔者在对目前虚拟现实相关技术对比的基础上， 以v r m l ( 虚拟现实建模语言) 作为技术依托，以曲师大r 照校区图书馆为虚拟原型，致力 子打造一个虚拟可视化并同时具有一定实际功能的图书馆。 本文的研究工作主要包括四个部分：第一，阐述了虚拟现实技术的基本概念、特征以 及国内外研究现状。在此基础上提出了本课题的背景、意义，目的以及研究内容。第二， 根据实际情况，采用3 dm a x 和v r m l 相结合的方式完成可视化图书馆的建模工作，并对整个 模型进行整合优化。第三，探讨了编程交互和基于感知器的非编程交互，实现了基于v r m l 感知器和3 a v a s c r i p t 对场景中对象行为的控制，从而实现了可视化图书馆系统的各种交互 功能。第四，进行系统试用调查，了解系统的不足和不完善之处。 本研究重点阐述了可视化图书馆系统的建模和交互的实现。其中交互功能主要包括： 自动漫游的实现、三维图书检索的实现、可视化图书的实现、新生借书模拟系统的实现四 个方面。可视化图书构想的提出以及通过多次交互实现的新生借书模拟功能是本研究的难 点和创新点所在。 本文主要采用文献研究和调查的方法，文献研究主要用于对虚拟现实概念和国内外研 究现状的阐述，调查分为问卷调查和口头调查，主要用于了解图书馆工作人员对该系统的 建议和用户的使用感受。 可视化图书馆系统的设计和制作，真实再现了曲师大日照校区图书馆的风貌，同时对 可视化图书等功能进行了初步的探索，是虚拟现实技术应用于图书馆的一次有益的尝试。 关键词：虚拟现实；v r m l ；可视化图书馆；建模；功能； a b s t r a c t a l o n gw i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p i n go fn e t w o r kt e c h n o l o g y , a st h ee m e r g i n gt e c h n o l o g y , a t t h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u r y , v i r t u a lr e a l i t yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv i r t u a lt o u r i s m s ，v i r t u a l c a m p u s e s ，v i r t u a le x h i b i t i o n sa n ds oo n b a s e do nt h ec o m p a r i s o na m o n gk i n d so ft h et e c h n o l o g y r e l a t e dt ov i r t u a lr e a l i t y , u s i n gv r m l ( 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 ) ，t a k i n gt h el i b r a r yo f q u f un o r m a lu n i v e r s i t yi nr i z h a oc a m p u sa sp r o t o t y p e ，t h ea u t h o ra t t e n d e dt oa tb u i l dav i r t u a l l i b r a r yw i t hs o m ep r a c t i c a lf u n c t i o n s t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d sf o u rp a r t s ：f i r s t l y , i te x p a t i a t e so nt h eb a s i c c o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s e n tr e a s e r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d t h ep a p e rp u t sf o r w a r d t h e b a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c e ，d e s t i n a t i o n a n dr e s e a r c h f u lc o n t e n t so ft h i st a s ko nt h e b a s i s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o n ，c o m b i n i n g3 dm a xa n dv r m l ，t h ea u t h o r c o m p l e t e st h em o d e l i n gw o r ko fv i s u a ll i b r a r ya n do p t i m i z et h em o d e l t h i r d l y , t h ea r t i c l e e x p l o r st h ep r o g r a m m i n gi n t e r a c t i v ea n dn o n p r o g r a m m i n gi n t e r a c t i v e ，b a s e do nv r m ls e n s o r a n dj a v a s e r i p t ，a c h i e v e sc o n t r o l l i n gt ob e h a v i o ro fo b j e c t s ，a n dt h e nr e a l i z e sa l lk i n d so fv i s u a l l i b r a r ys y s t e m si n t e r a c t i v ef u n t i o n s f o u r t h l y , c o n d u c tat r i a li n v e s t i g a t i o ni no r d e rt ou n d e r s t a n d t h ed e f i c i e n c i e sa n di m p e r f e c t i o n so fs y s t e m t h i ss t u d yf o c u s e so nt h ea c t u a l i z a t i o no fm o d e l i n ga n di n t e r a c t i v i t yo fv i s u a ll i b r a r y t h e i n t e r a c t i v ef u n c t i o n si n c l u d e ：t h e r e a l i z a t i o no fa u t o m a t i c r o a m i n g ，t h e r e a l i z a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lb o o k s r e t r i e v a l t h er e a l i z a t i o no fv i s u a lb o o k sa n dt h er e a l i z a t i o no ft h e s i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h ef r e s h m e nt ob o r r o wb o o k s t h ei d e ao fv i s u a lb o o k sa n dt h ef u n c t i o no f s i m u l a t i v eb o o k - b o r r o w i n gw h i c hi sr e a l i a z e dt h r o u g hn u m e r o u si n t e r a c t i o n s ，a r ed i f f i c u l t ya n d i n n o v a t i o no ft h es t u d y i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d so fl i t e r a t u r er e s e a r c ha n di n v e s t i g a t ei su s e d ，l i t e r a t u r er e s e a r c hi s m a i n l yu s e di ne x p a t i a t i n go nt h ec o n c e p t so fv i r t u a lr e a l i t ya n ds t a t u so fv i r t u a lr e a l i t yr e s e a r c h a th o m ea n da b r o a d i n v e s t i g a t i o ni n c l u d e sq u e s t i o n n a i r ea n dv e r b a ls u r v e y ，t h em a i np u r p o s eo f t h ei n v e s t i g a t i o ni st ou n d e r s t a n dt h ea d v i c eo fl i b r a r ys t a f ft ot h es y s t e ma n do ft h ef e e lo fu s e r t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fv i s u a ll i b r a r ys y s t e mr e p r o d u c e st h es c e n eo fl i b r a r yi n r i z h a oc a m p u so fq u f un o r m a lu n i v e r s i t yv i v i d l ya n de x p l o r e st h ef u n c t i o no fv i s u a lb o o k s p r e l i m i n a r i l y i t sau s e f u la t t e m p tf o ra p p l y i n gv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt ot h el i b r a r y k e y w o r d ：v i r t u a lr e a l i t y ；v r m l ；v i s u a ll i b r a r y ；m o d e l i n g ；f u n c t i o n ； 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士论文基于v r m l 的可视 化图书馆系统的设计与实现，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读 博士口硕士囱学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部 分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签名：卅茎日期：o 罗一3 7 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于v r m l 的可视化图书馆系统的设计与实现系本人在曲阜师范大学攻读 博士口 硕士。学位期问，在导师指导下完成的博士口硕士口学位论文。 本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位 的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文， 可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 州藿 j ， 即弋 | 日期：d 7 ，3 日期：d 7 ， 第一章绪论弟一早珀y 匕 1 1 论文的选题依据 1 1 1图书馆网站缺乏对图书馆结构的形象化展示 随着网络应用的同益广泛和深入，图书馆网站已经成为人们认识、了解、使用图书馆 的网络界面，成为用户与管理员之间相互交流的窗口。但纵观各大图书馆网站，其内容更 多的是围绕知识信息的收集和存储、相关通知的传达、电子资源的利用，对于图书馆本身 的地理位置、真实结构、馆内环境等的介绍较为简单，多为一些文字和图片性的说明，缺 乏新颖性、形象性、沉浸性及深度的交互性。在读者走进真实图书馆之前，无法提供预先 的引导和支持。如何使用户可以通过网站更好的了解图书馆的真实情况，是当今图书馆网 站建设中忽视的一隅。 1 1 2 虚拟现实技术为构建可视化图书馆提供了有力支撑 虚拟现实技术是2 0 世纪术兴起的综合性信息技术，目前已经广泛应用于军事、医疗、 城市规划、g i s 、教育和娱乐等领域。它为用户提供一种模拟现实的操作环境，利用计算 机生成逼真的三维的感观( 视觉、听觉、触觉) 世界，使用户既能体验虚拟世界的沉浸式 交互环境，又可以以自然的方式与虚拟环境中的对象交互影响，从而产生等同真实环境的 感受和体验。交互性、沉浸感和想象性被称为虚拟现实技术的“3 i 特征，而这些特征正 是当今基于二维网站的图书馆建设中缺少的。虚拟现实技术的快速发展和应用，能在一定 程度上解决这一问题，能够通过计算机创造出逼真的仿真效果，使浏览者可以自由交互并 获得身临其境的体验。 1 1 3 可视化图书馆具有真实性、交互性、沉浸性的特征 网络实现了异地信息的传输，而虚拟现实技术则是利用网络实现了三维空间信息的传 输。与使用文本和静态图形描述图书馆的效果相比，基于v r m l 的可视化图书馆更加生动 逼真。它不仅提供了真实形象的三维空间，而且使读者与三维空间之间的交互也成为了可 能，使用户身临其境感受信息资源。 一个功能完善的可视化图书馆系统，可以使用户了解图书馆的地理布局和真实环境， 掌握图书馆的使用规则，这也恰到好处的弥补了当今图书馆网站在描述图书馆构造时缺乏 真实性、形象性的的不足。将可视化图书馆系统嵌入到相关图书馆网站内，用户使用时可 以通过视觉、听觉、手势或口令等参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验。这 不仅能够从视觉上感染读者，愉悦读者心情；还能够激励读者产生吸取知识的欲望，进而 可能把用户从潜在读者发展成为显在读者。 1 2 国内外发展现状 1 2 1国外现状 虚拟现实作为一种技术，其发展主要是围绕如何应用而展开的。美国作为v r 技术的 发源地，侧重于感知、用户界面、后台软件和硬件的设计与开发。美国宇航局a m e s 实验 室将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。北卡罗来纳大学( u n c ) 主要进行分 子建模、航空驾驶等研究。美国密执根大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 利用v r m l 建设 了一门课程( e e c s 4 9 8 ) ，学生可以游历一个虚拟的“校园艺术博物馆 ，可以自主的选择 参观路线，也可以从容地漫步于一个名为“房子 的虚拟世界中，研究它的结构，品味它 的陈设。 日本主要致力于建立大规模v r 知识库的研究，但是它主要用于游戏方面，在教育方 面的应用并不突出。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性 化界面。京都的先进电子通信研究所( a t r ) 正在开发一套系统，它能用图像处理来识别 手势和面部表情，并把它们作为系统输入。东京大学的广獭研究室重点研究虚拟现实的可 视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。 现在他们己经有了4 项成果：一个类似c a v e 的系统、用h m d 在建筑群中漫游、人体测量和 模型随动、飞行仿真器。 英国在v r 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备( 包括触觉反馈) 设计 和应用研究方面，领先于欧洲的其他国家。在教育应用中，英国也是很好的，尤其在帮助 残疾入学习方面，更是处于世界领先水平。英国的b r i s t o l 有限公司发现v r 应用的焦点 应该集中在软件与整体综合技术上，他们在软件研究和硬件开发的个别方面在世界处于领 先地位。 1 2 2 国内研究现状 虚拟现实高昂的成本和使用费用多年来限制了虚拟现实技术在我国的研究和应用，我 国对虚拟现实的研究始于上个世纪九十年代。 ( 1 ) 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究、最有权威的单位之一，他 们首先进行基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理： 在虚拟现实中的视觉接口，开发出了部分硬件并提出了有关算法及实现方法；实现了分布 式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提 姜学智，李忠华国内外虚拟现实技术的研究现状川辽宁工程技术大学学报，2 0 0 5 ，2 3 9 2 4 0 2 供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供丌发虚拟现实应用系统 的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 ( 2 ) 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室重点研究开发一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游 系统。 ( 3 ) 清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。 ( 4 ) 哈尔滨工业大学计算机系重点研究虚拟人的高级行为以及人机交互方面。 在虚拟现实的漫游作品中，1 9 9 6 年，天津大学在s g i 硬件平台上，基于v r m l 国际标 准，最早开发了虚拟校园，从此开启了虚拟现实在我国教育领域应用的序幕。继天津大学 推出虚拟校园后，上海交通大学、西南交通大学、中国人民大学等高校相继推出了虚拟校 园。尤其是中央广播电视大学远程教育学院推出的虚拟校园，极大的方便了学生的学习， 有助于提高教学质量。 1 2 3 存在的问题 虚拟现实技术在我国起步较晚但发展较快，研究水平基本上代表了应用水平。其中， 将虚拟现实应用于教学的例子也屡见不鲜，如：虚拟校园、虚拟实验、虚拟演播室等。但 将虚拟现实技术应用于图书馆的例子则并不多见，笔者在百度( h t t p ：w w w b a i d u c o m ) ， g o o g l e( h t t p ：w w w g o o g l e c n ) 。雅虎( h t t p ：c n y a h o o c o m ) ，搜狐 ( h t t p ：w w w s o h u t o m c n ) ，新浪( h t t p ：w w w s i n a c o m c n ) 等著名搜索网站上，以 “虚拟现实图书馆”或“可视化图书馆 作为关键词进行查询，查询得到的真正与本文提 到的可视化图书馆有关的网站或主页寥寥无几。检索中国期刊全文数据库、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库1 9 9 0 年至2 0 0 7 年文献，输入关 键字“虚拟现实图书馆，搜索到五篇文章；输入关键字“可视化图书馆 ，搜索到一篇 文章。在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中，以v r m l 和图书馆为全文的关键字进行 检索，可以检索出九篇硕士论文。 通过笔者对以上论文的阅读分析，可以看出虚拟现实技术在图书馆的应用还是非常有 限的，相关文章也屈指可数。即使少数文章中提到了虚拟现实技术在图书馆中的应用，也 大多局限于对整个图书馆的建模、漫游以及简单的图书检索。仅有一篇硕士论文中提到了 对于虚拟书库的漫游，以及简单的图书可视化技术。v r m l 中深度交互技术的优势，图书的 形象性以及读者的沉浸性，几乎没有在以上论文中体现。由此可见如何更好的将虚拟现实 技术应用于网络图书馆，值得进一步的研究探讨。 柯育龙攮于v r m l 的虚拟校园建模的研究【d 】四川：西南交通大学，2 0 0 6 0 5 1 3 论文研究的内容及目标 1 。3 1可视化图书馆的建模 场景建模是构建可视化图书馆系统的基础，也是工作量最大的部分。预计工作主要包 括一楼大厅的建模，二楼电子阅览室的建模( 机房) ，三楼借阅区和四楼阅览室的建模四 部分，主要使用了v r m l 和3 dm a x 等三维建模工具。 1 3 2 三维图书检索功能的实现 图书的检索是当今网上图书馆最主要的功能之一，目前图书的检索仅仅停留 在书目的文本信息的提供上。本系统旨在提供图书的三维信息，使读者能够更 形象的了解图书的名称、内容、藏书地点等。 1 3 3 自动漫游和手动漫游的实现 手动漫游在基本场景构建完毕后通过安装相应的浏览器插件即可完成。而自动漫游实 际上就是可视化图书馆中的动画演示，对于导航路线的指定、运动控制和视点控制等主要 是利用触发器和插值器技术柬实现的。 1 3 4 可视化图书的实现 可视化图书也即三维立体书，当读者打开浏览室内摆放的图书，便可以走进图书中所 描述的新的三维场景，同时利用a u d i o c l i p ，m o v i e t e x t u r e 和s o u n d 节点加入声音和视频， 增加场景的真实性和读者的沉浸感。 1 3 5 新生借书模拟系统 通过本系统可以形象化的诠释图书馆网页中的图书借阅规则，使新生能够真实的体验 借书的整个过程，了解借书板、一卡通等借书工具的具体使用方法。 1 3 6 研究目标 由于个人能力、时间、和硬件的限制，本系统只是属于一个初级的桌面式虚拟现实系 统，即系统的开发和使用仅限于普通p c 机，只需要一个支持j a v a 的浏览器即可在任意地 点、平台、机器上进入可视化的虚拟图书馆畅游。读者通过该可视化图书馆系统能够了解 图书馆的位置与布局，对检索到的图书有形象的了解，掌握借阅室的使用方法，从而增加 网上图书馆的真实性，沉浸性和新颖性。 4 第二章虚拟现实及v r m l vm 概述 弟一早腽亍以珧头仪 t 眈尬 2 1 虚拟现实概述 2 1 1 虚拟现实的含义 在信息技术高速发展的今天，虚拟现实v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 不仅是信息领域科技 工作者研究的热门，而且是各种媒体争相报道的热点。它使我们匪夷所思的设想变为现实， 乏味的体验变得精彩，枯燥的学习变得有趣，困难的工作变得容易究竟什么是虚拟现 实呢? 在此首先对虚拟现实的概念进行阐述： 虚拟现实最早是在1 9 6 5 年由s u t h e r l a n d 博士提出的，他在论文“t h eu l t i m a t e d i s p a l y 中对虚拟现实做出经典描述： ( 1 ) 计算机生成看起来象真的、听起来象真的、触摸起象真的虚拟世界( 又称模型世 界) ，也就是说计算机生成的模型世界将向介入者人，提供视觉、听觉、触觉等多种 感官刺激。 ( 2 ) 计算机生成的虚拟世界应给人一种身临其境的沉漫感。 ( 3 ) 人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作，即不用键盘鼠标等常规输 入设备，而强调使用手势( 数据手钧、体织数据衣服) 和自然语言等自然方式的交互操作。 根据以上定义，我们可以把虚拟现实分为两部分：创建的虚拟环境和介入者。虚拟现 实的核心就是强调二者间的交互，即反映出人在虚拟环境中的体验。由此可以得出虚拟现 实的概念模型，如图2 1 所示。 感官刺激信号 介 感知世界 入 虚拟环境 石 反应动作 反应系统 图2 1 虚拟现实的概念模型 2 1 2 虚拟现实的基本特征 美国科学家b u r d e ag 和p h i l i p p ec o i f f e t 曾在1 9 9 3 年世界电子年会上发表了题为 “v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m sa n da p p l i c a t i o n s 一文，其中提出了代表虚拟现实的三个 最突出的特征：沉浸感( i m m e r s i o n ) ，交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 和构想性( i m a g i n a t i o n ) ， 也就是我们所熟悉的“3 i 特征，如图2 2 所示。 石教英虚拟现实墓础及实用算法f m j ，科学出版社，2 0 0 2 年4 月，i _ 4 曾芬芳虚拟现实技术【m 】，第一版，上海：上海交通人学出版社，1 9 9 7 , 2 1 2 51 4 8 1 6 8 沉浸性：又称临场感，指用户感到 作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 以往用户只能在计算机外部去观测计算 机处理结果，v r 则能使人沉浸到计算机 所创建的虚拟环境中。理想的虚拟环境 应该达到使用户难以分辨真假的程度， 例如可视场景应随着视点的变化而变化， 实现比现实中更逼真的照明和音响效果。 交互性：是指用户与虚拟场景中各 种对象相互作用的能力，它是人机和谐 7 一、 7 、 i m m e r s i o n 、 图2 2 虚拟现实的基本特征 的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用， 用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出相应的响应。交互性包含用户对虚拟物体在虚 拟环境中可操作的程度和从环境得到反馈的自然程度，例如与虚拟的敌人搏斗，拳头可以 感觉到击打在对方身上的力回馈，对方也会随着你的动作进行反应，让你获得最大的真实 感与趣味性。 想象性：指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知 识，发挥主观能动性，寻求答案并做出判断。想象性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想 象空间，拓宽人类认知范围，不仅要能使沉浸于此环境中的学习者获取新的知识，提高感 性和理性认识，而且要能使学习者产生新的构思。 2 1 3 虚拟现实的关键技术 虚拟现实的关键技术包括：实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术3 个主要方 面。 实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空 间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得虚拟世界真实感的生 成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术： ( 1 ) 三维计算机图形技术：它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世 界的对象物体在相应的3 d 虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。如果时 间充分的话就可以实现不同光照下各种物体的精确图像，但这里要注意“实时性 的实现。 ( 2 ) 空间跟踪技术：主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用交互设备上 的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3 d 虚拟环境中的位置和方向。 ( 3 ) 声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声 压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分。 石教英，虚拟现实笙础及实用算法 m 】，科学出版社，2 0 0 2 年4 月，1 _ 4 6 ( 4 ) 视点感应：使用从视频摄像 j l - nx - y 平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影 平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。视点感应必须与显示 技术相结合，采用多种定位方法以确定用户在某一时刻的视线。 虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力 觉和触觉等感官认知的关键技术。用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的 反作用力，从而产生触觉和力觉是参与者是否有成就感的关键因素。力觉感知主要由计算 机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和 大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法 来实现的。 高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成 与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数 据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模 式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。 2 2 系统开发工具的比较与选择 2 2 1 当前流行开发工具的比较 当前虚拟现实开发平台有s e n s e 8 公司开发的w t k ( w o r l dt o o lk i t ) 、美国a l b e r t a 大 学开发工具包m r ( m i n i m a l r e a l i t y ) 、s u p e r s c a p e 公司开发的v r t 系统等高水平专业级的 开发平台和当前已经成熟并被广泛应用的o p e n g l 、v r m l 、j a v a 3 d 、c u l t 3 d 、d i r e c t 3 d 等。 鉴于w t k 、m r 、v r t 等专业性强的开发平台对硬件要求较高、开发难度较大，在这罩不被 列入笔者的选择范围，下面对o p e n g l 、v r m l 、j a v a 3 d 、c u l t 3 d 等开发工具做简要介绍。 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 即开放的图形库，是由s g i 公司开发的底层三维图 形a p i 。它没有提供任何几何实体图元，不能直接用以描述场景，因此在开发项目时工作 量会比较大，但它是功能强大的3 d 数据库，可以将a u t o c a d 、3 d s 等3 d 图形设计软件制 作的d f x 和3 d s 模型文件转换为o p e n g l 的顶点数组，一旦积累足够的o p e n g l 软件模型块， 会使程序开发变得非常容易。o p e n g l 是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如 w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s n t 、o s 2 、u n i x 之间进行移植，具有较好的移植性。但目前o p e n g l 的发展处于一种较为迟缓的状态，每次版本的提高新增的技术很少，大多只是对其中部分 做出修改和完善。 j a v a3 d 是j a v a 语言在三维图形领域的扩展，是一组应用编程接口( a p i ) 。它从高层 次为开发者提供对三维实体的创建、操纵和着色，具有强大的是三维功能，这使得它在网 宋凯，虚拟现实技术与电大远程教育【n 】陕西广播电视大学学报，2 0 0 5 ( 4 ) 7 络世界，特别是在游戏中能大展姿彩。j a v a 3 d 的低级a p i 是依赖现有的三维图形系统的， 这种体系结构既可以是其丌发的程序可移植性强，又可以充分利用系统的三维特性。 c u l t 3 d 是c y c o r e 公司的一个面向电子商务的交互三维软件，主要应用于主流操作系 统和应用程序的交互三维渲染软件，使用c u l t 3 d 技术，用户可以在线浏览、观察可交互 的三维产品模型，同时c u l t 3 d 文件可以应用于网页、o f f i c e 文档、a c r o b a t 文档以及支 持a c t i v e x 的开发语言如v b 等。c u l t 3 d5 2 浏览器和制作软件可以从w w w c y c o r e c o m 免费下载。尽管软件是免费的，设计者必须从c y c o r e 购买一个许可证在网络上发布c u l t 3 d o b j e c t s 。 d i r e c t 3 d 是微软公司1 9 9 6 年为p c 开发的a p i ，与w i n d o w s n t 和p o w e r m a c 操作系统 兼容性好，可绕过图形现实接口( g d i ) 直接进行支持该a p i 的各种硬件底层操作，提高 了程序的运行速度，而且基本上是免费使用。d i r e c t 3 d 是d i r e c t x 技术的组件之一，它随 着d i r e c t x 的升级而不断更新，但由于平台的局限性等原因，d i r e c t 3 d 应用主要集中于游 戏和多媒体方面。对于v r m l ，笔者会在本章的第三小节做详细介绍。我们可以从表2 1 中 直观的看出各种开发工具的异同。 表2 13 d 开发技术对照表 3 d 开发技术对照表 希 v l u v i lj a v a 3 dc u l t 3 dd i r e c t 3 d o p e n g l 、 底层( 操作系 实现层次上层( 网页)中层( j v m )上层( 网页)底层( 显砖) 统) j a v a 、j a v a 、 脚本语言j a v ac + +c 、c + + j a v a s c r i p tj a v a s c r i p t 交互程度好 好 好较差 较差 开发速度快一般快慢慢 开发难度容易较易容易较难 难 一般插件支持j 2 s e 标准扩w i n d o w s 平台w i n d o w s 平符人厂商支 可扩展性 ( 一般)展( 好)( 一般)台( 差)持( 较好) 虚拟现实、三维网上显示商品展示、示电子商务、三三维设计软 最佳应用 w 曲3 d实现教维游戏件 。陈锐菊基于j a v a 3 0 的虚拟现实场景创建丁具的研究和实现 d 河北：杠家庄铁道学院，2 0 0 7 0 1 2 2 2 开发工具的选择 从表2 1 的分析可以看出，不同的开发工具或平台各具优缺点，分别适合不同的应用 领域。作者之所以选择v r m l 作为自己的主要开发工具，主要考虑了以下几个方面的因素： ( 1 ) 考虑到开发者的承受能力，成本不应太高，开发平台具有通用性。 ( 2 ) 由于撰写论文时间限制，系统开发周期不应太长。 ( 3 ) v r m l 和h t m l 一样是一个完全开放的标准，普及范围较大，可利用的资源丰富。 ( 4 ) v r m l 生成的文件较小，即使是实现了动画和交互后的文件也比g i f f l a 要小很 多，利于网络传输。 ( 5 ) 考虑到作者的个人兴趣和能力，最终选择使用v r m l 开发本系统。 2 3v r m l 概述 2 3 1v r m l 的发展 v r m l 的发展历史可以追溯到2 0 世纪的最后1 0 年，1 9 9 1 年w e b 的投入运行是v r m l 发 生和发展的源动力。1 9 9 4 年5 月，m a r kp e s c e 和t o n yp a r i s i 在瑞士日内瓦召开的第一 届万维网国际会议上介绍了他们开发的可以在w e b 上运行的虚拟现实界面，获得广泛好评， v r m l 是在这次会议上由惠普公司欧洲研究实验室的r a v ar a g g e t t 首先提出的。会议后， 以m a r kp e s c e 等人为主的相关人员经过讨论，决定采用美国硅图公司( s i l i c o ng r a p h i c s i n c ，s g i ) 的o p e ni n v e n t o ra s c i i 码文件格式制订v r m l 标准。 1 9 9 4 年l o 月，在芝加哥召开的第二届万维网国际会议上，v r m l i 0 规范正式出台。 该方案是一个经过修改的o p e ni n v e n t o r 三维图形文件格式的子集，并扩充了其网络功能。 但由于时间仓促，v r m l l 0 所表现的只是一个静态的三维世界，相对于h t m l 并无什么过人 之处。 1 9 9 6 年初，v r m l 委员会审阅并讨论了若干个v r m l 2 0 版本的建议方案，其中有s g i 的动态境界( m o v i n gw o r l d s ) 提案、太阳微系统( s u nm i c r o s y s t e m ) 的全息网( h o l lw e b ) 、 微软公司( m i c r o s o f t ) 的能动v r m l ( a i c t i v ev r m l ) 、苹果公司( a p p l e ) 的超世境界( o u to f t h ew o r l d ) ，以及其他多种提案。结果，m o v i n gw o r l d s 以7 0 选票赢得了绝对多数。 1 9 9 6 年5 月，v g a ( v r m l 设计小组) 决定采纳m o v i n gw o r l d s 方案作为v r m l 2 0 规范， 并于8 月在新奥尔良举办的s i g g r a p h 9 6 会议上公布。v r m l 2 0 在1 0 版的基础上增加了 交互感应器、动画插补器、事件、路由、脚本、原型等诸多功能，其目标在于建立一个使 用户可以彼此沟通的更真实的虚拟环境。 v r m l 的国际标准草案( d i s ，d r a f to fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) 就是以v r m l 2 0 为基 础制订的，于1 9 9 7 年4 月提交国际标准化组织i s oj y c i s c 2 4 委员会审议、依照惯例， 9 定名v r m l 9 7 ( i s o t e c1 4 7 7 2 一l ：1 9 9 7 ) ，在1 9 9 7 年1 2 月认定。 1 9 9 8 年1 月f 式获得国际标准化组织i s o 批准简称v r m l 9 7 ，并发表中文国标标准。 近几年，w e b 3 d 协会计划发行v r m l 的下一代国际标准x 3 d ( e x t e n s i b l e3 d ，基于 x m l 的新一代v r m l ) 。x 3 d 的目标是整合目前正在发展的x m l 、j a v a 、流技术等先进技术， 使之具有更强大、更高效的三维计算能力、渲染质量、传输速度和交互力，以及对数据流 强有力的控制等。由于x 3 d 可扩展，任何用户都可以根据自己的需求，任意扩展其功能。 2 3 2 v r m l 基本节点简介 在语法上，h t m l 以标记语言( t a g ) 指定文字样式、排版格式、多媒体档案、插入以及 超链接等功能。而在v r m l 中，则以节点( n o d e ) 作为基本单位。一个节点可以是一个单一的 3 d 造型，也可以是一个造型的材质，还可以是动画定时器、传感器等。每个节点一般包括 以下部分： ( 1 ) 节点类型： ( 2 ) 描述节点属性的域和域值。 通过v r m l 建模的虚拟环境专业上又称之为场景图( s c e n eg r a p h ) 。场景图由一系列无 序节点( n o d e ) 组成，节点则用以描述环境中的对象及其属性。在v r m l 2 0 中共定义了5 4 种节点类型，可以分为以下八种：造型节点、声音节点、光源节点、插补器节点、传感器 节点、编组节点、脚本节点和其他节点。 ( 1 ) 造型节点。s h a p e 节点，任何一个v r m l 虚拟场景中的空间造型都必须使用s h a p e 节点加以创建，场景造型包括基本几何体造型( r r 方体、球体、圆柱体、圆锥体) ，文本 造型以及以点、线、面方式构造的任意几何造型。 ( 2 ) 声音节点。v r m l 虚拟环境中立体音效的产生是通过在场景中添加s o u n d 、 a u d i o c l i p 以及m o v i e t e x t u r e 节点加以实现的。a u d i o c l i p 、m o v i e t e x t u r e 节点用以创建 音源，s o u n d 节点则用以创建声场并指定声音的播放方式。 ( 3 ) 光源节点。v r m l 中，添加光源并控制光照效果可通过点光源( p o i n t l i g h t 节点) 、 平行光源( d i r e c t i o n a l l i 曲t 节点) 、锥光源( s p o t l i g h t 节点) 进行设置。 ( 4 ) 插补器节点。v r m l 提供的p o s i t i o ni n t e r p o l a t o r 、o r i e n t a t i o ni n t e r p o l a t o r 、 c o l o ri n t e r p o l a t o r 和s c a l a ri n t e r p o l a t o r 四种插补器节点，用来实现对各种数据类型 变化过程的描述，如分别用来控制v r 环境中物体的位置和缩放、方向、颜色和透明度变 化。 ( 5 ) 传感器节点。传感器便是v r m l 中提供交互能力和状态行为的基元。它具体包括 c y li n d e r s e n s o r、p l a n s e n s o r、s p h e r e s e n s o r、t i m e s e n s o r、t o u c h s e n s o r、 v i s i b i l i t y s e n s o r 、p r o x i m i t y s e n s o r 、c o l l i s i o n 这八个节点。它们提供用户与虚拟世界 中的物体进行交互的机制。 1 0 ( 6 ) 编组节点。v r m l 提供了几种丰富的编组节点：g r o u p 节点、t r a n s f o r m 节点、s w i t c h 节点、b 订l b o a r d 节点、a n c h o r 节点、i n l i n e 节点等。 ( 7 ) 脚本节点。脚本节点可以看作是一个节点的外壳，它本身没有动作，创造者需 要通过脚本程序来赋予脚本节点动作。脚本程序实质上是一种简化了的应用程序，它要通 过编程语言如j a v a s c r i p t 或j a v a 编写。利用程序脚本和脚本节点，可以创建一些节点让 它们产生复杂的动作。 ( 8 ) 其他节点。包括b a c k g r o u n d 节点、f o g 节点、v i e w p o i n t 节点、n a v i g a t i o n i n f o 节点、w o r l d