（服装设计与工程专业论文）基于X3D的虚拟校园交互式漫游系统[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

a b s t r a c t d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa n i n t e r a c t i v ev i r t u a lc a m p u sr o a m i n gs y s t e mba s e do nx 3 d 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 yt e c h n o l o g yi nt h e d 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 l ls h o wt h er e a l i s t i cc a m p u s ，p e o p l ec a i ls u r fo nn e ta n d d e s i g nt h es c h o o ls i t u a t i o nb yt h ev 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 l v i r t u a lu 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 ee d u c a t i o nc a nb e o 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 nv 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 s o 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 et e c h n i c a li s s u e si n v o l v e di na m o r es y s t e m a t i c a l l y , a n du n d e rt h ec o m p u t e re n v i r o n m e n t ，t or e a l i z ea no u t d o o rs y s t e ma n d e 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 gb e i j i n gi n s t i t u t eo ff a s h i o nt e c h n o l o g yo f s y s t e mb yx 3 da n d3 d s m a x t h i sp a p e rm 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 e e 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 eb a s i cw o r ko ft h e e n t i r ec a m p u s t h ep a p e ru s e3 d sm a xa n dx 3 dt oc o n s t r u c tt h ev i r t u a lc a m p u 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 et h es c e n e s b e c a u s eo f t h es i z eo ft h ex 3 df i l ed e c i d e dt h et r a n s m i s s i o ns 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 g s p e e do ft h em e m o r y t oi 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 fx 3 df 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 f r e d u c i n gc a p a c i t yo ff i l e 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 ym a n i p u l a t e db yu s i n g x 3 dah 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 nt 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 em o r e p o w e r f u li n t e r a c t i v ef u n c t i o nb yu s i n gv b n e tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n da c c e s sd a t a b a s e k e y w o r d ：v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a lc a m p u s ，x 3 d ，r o a m i n g , i n t e r a c t i v e i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 有任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：) 名a 希挈 日期：7 咱唧 学位论文授权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用授权书。 学位论文作者签名：7 飘奔驾同期：z 7 年卢f j 7 - z 4 n 导师签名： 钏否，辱 j 日期：弘叩年，t 月- 泊 北京服装学院硕士学位论文 1 1 研究背景及研究意义 第1 章绪论 虚拟现实( v i a u a lr e a l i t y ，v r ) 是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、 人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算 机领域的新技术i l i ，目前所涉及的研究应用领域已经包括军事、医学、心理学、教育、科 研、商业、影视、娱乐、制造业、工程训练等。 虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域中的一个重要应用。它是将现实中学校的教学环 境和校园的三维景观利用先进的技术在计算机中虚拟的再现出来1 2 i 。虚拟校园不仅能够构 建一个全三维的逼真的校园环境，还能够挂到校园网上，让远程用户下载或者直接参看。 有了虚拟校园，学校的对外宣传就不再仅仅局限于文字、图片等传统的宣传方式，能够更 加直观的将学校的情况展现在用户的眼前1 3 i 。 1 1 1 研究背景 目前，许多学校为了更好的宣传自己，都开始建设虚拟校园，通过一些先进的技术把 真实的校园在网络上进行立体的重现，让更多的人通过网络更加直观的了解校园风光1 4 l 。 随着教育事业的发展，北京服装学院的教育环境和教学质量都在不断提升，然而，学校 的对外宣传力度还不够。想要报考我院或者已经被我院录取的新生，在没有来到学校之前， 只能从文字材料中了解学校情况，无法亲自来到学校对校园做一个直观的参观了解。为了弥 补这个缺陷，虽然学校已经在招生简章上加入了很多图片，并且拍摄了关于校园风光和教学 活动的光盘，但是图片不能够生动的展示校园环境，而视频则是按照事先定义好的步骤播 放，不能让学生或者家长自由的选择想要参观的景点，不具备交互性。学生和家长没有办 法对校园的整体情景进行事先的掌握，也不能够准确的知道学校各基础设施的位置。此外， 为了更好的借助于网络宣传我校。可以通过把学校优美的校园环境，教师的精彩课程内容， 学校良好的学习气氛等真实的再现于互联网上，让所有不知道北京服装学院、没有来北京 服装学院的人通过网络清楚的了解我们的学校、我们的教学和我们的学习环境。 第1 章绪论 1 1 2 研究意义 三维虚拟校园技术对大学的对外宣传、招生就业、校容校貌的展示等具有非常重要的 作用，是校园信息化平台建设的重要组成部分。三维虚拟校园系统可实现以下功能： 1 、方便浏览者直观的了解校园 虚拟校园提供了一个高清晰度、生动、逼真的优美校园空间，可以使浏览者从不 同角度遍历真实的反映了校园的教学楼、实验楼、宿舍楼等各个部分，真实的反映了校 园的建筑风格、布局特点及绿化情况，空间的次序的视觉理解和感知变得非常容易，使 浏览者有身临其境的感觉更能给许多不能亲临校园参观的浏览者一种新的选择和高度逼 真的视觉体验i 引。 2 、方便师生尽快的熟悉校园生活 三维全景虚拟校园使教学楼、实验楼、宿舍楼、食堂等公共设施以全彩色主体景 象，生动、形象的画面，配合虚拟环境中的音响，亦即人以与感受真实世界一样的( 自 然的)方式来感受计算机生成的虚拟世界1 6 i 。三维全景给人真实感强，交互性强，可 随意拖动鼠标浏览场景，帮助师生全面的了解校园的布局，了解校园信息。为了更好的适 应学习生活提供方便。特别是新生在入学前就可以通过学校网站的虚拟校园了解校园风 光、校园文化、尽快的熟悉校园文化、熟悉校园。 3 、是校园文化，校容校貌的展示平台、是校园信息化建设的重要组成部分。 校园是师生生活、学习、活动的场所，浓郁丰厚的校园文化所渗透弥漫的精神氛围， 潜移默化地影响着我们每一个人。三维全景虚拟校园作为校园文化、校容校貌的展示提 示，有利于学生健康人格的塑造。 4 、有利于学生树立和提高学校的形象，扩大学校知名度吸引更多的生源 高校招生的生源质量，直接影响着学校培养人才的质量，直接关系着学校的生存前 途和命运以及是否能实现可持续发展。因此如何提高学校宣传的质量，增强宣传的有效 性提高学校的知名度和认可度，已成为各院校发展的头等大事。基于网络，建立三维 全景虚拟校园现已成为宣传非常有效的手段，有助于健全宣传工作，提高宣传能力，扩 大宣传覆盖面，更好的体现其办学特色，学校特点，展示学校实力，也有助于考生、 家长直观、社会更好地体会到、感受到校园的情况，帮助考生、家长直观、形象的了解学 校和选择专业，从而吸引更多的生源。 5 、对现实校园的虚拟效果，是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等 2 北京服装学院硕士学位论文 所不能达到的。 在互联网空间中，建立起三维全景虚拟校园，实现现实校园在时问和空间上的扩展与 延伸，为校园规划设计提供了一种最直观的表现形式，对于校园规划设计了一种最直观 的表现形式，对于校园信息管理、新建楼宇及风景展示项目规划、报批、管理等提供了一 种有效地手段，也可以拓展为学校规划发展的一种历史纪念，记录学校的变迁和发展。 6 、将基于全景图像的虚拟现实界面应用到校园网网页设计中，可以改变传统的单纯基于 文本和图形设计的简单平面结构。 三维全景虚拟校园，大大地改变了原来万维网上单调的、交互性差的2 d 平面世界， 实现环境与参与者的互动交互，创造一个具有沉浸感、交互性的虚拟三维世界，增强信息 的直观性、流通性、交互性、协同性和有效性，使浏览者真正通过网络在生动、逼真的三 维世界里邀游。 根据我院的实际情况，建立三维虚拟校园是有其必要性的。基于以上几个方面，制作 北京服装学院虚拟校园漫游与交互系统由此产生。北服虚拟校园不仅可以在网络上为用户 提供三维虚拟的北服校园，让更多的人通过网络来到我们北京服装学院，游览北服，了解 北服。同时，可以提高学校校园规划管理的现代化水平以及促进远程教育的发展，并且最 终在教育领域广泛应用并发挥其重要作用。 1 2 研究现状 目前，虚拟校园的研究与实现方法主要分为两类： 1 、基于图形软件的开发 基于图形软件的开发是指利用三维图形程序接口软件结合面向对象的可视化编程工 具来开发i 7 i ，三维图形程序接e l 软件主要有o p e n g l ，d i r e c t 3 d 和j a v a 3 d 。可视化编程工具 如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e p h i ，j a v a 等。这种方法的特点在于开发周期长、工作量大、投 资大且数据兼容性差。 2 、基于v r m l 的方法 数字化信息社会最具代表性的三种新技术是多媒体、i n t e m e t 和虚拟现实，而这三种新 技术的交叉点是虚拟现实建模语言m i ( 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 ) 。它是一种可以发 布到3 d 网页的跨平台、简单的文本语言；也是一种能提供更自然地体验方式，包括沉浸 感、交互性、动态效果、延续性以及用户参与探索的语言。 在原v r m l 组织基础上成立的w e b 3 d 联盟，在2 0 0 6 年6 月制定了第三代v r m l 3 第1 章绪论 标准x 3 d ，x 3 d 结合了j a v a 3 d 和x m l 技术，已经成为三维世界的主要标准1 9 i 。 基于x 3 d 技术构建的方法与第一种方法比较，虽然在真实感、实时性、交互 功能、渲染速度等方面有些欠缺，但是它具有以下几方面的突出优点l m l ： ( 1 ) 简单易学、开发周期短、投资少收获多。 ( 2 ) v r m l 文件短小精悍，构造的是动态的虚拟场景，它尽可能的提供几何造型特 征，却包含了大量不属于造型语言范围的特性。且具有良好的跨平台性，能够 轻易地实现i n t e m e t 上的远程访问。 ( 3 ) 通过与j a v a s c r i p t 等脚本语言和j a v a 语言容易实现g i s 查询分析功能。 结合建立北京服装学院虚拟校园的实际情况，考虑目前的技术条件、时间、经费以及 实验条件等综合因素，本系统使用了基于x 3 d 的方法实现虚拟校园的构建。 1 3 研究内容和创新点 1 3 1 研究内容 本文主要研究建设虚拟校园的基本原理和关键技术，包括虚拟校园的系统设计、三维 建模、场景构建、用户交互功能等。最终实现一个具有漫游和多种交互功能的应用软件。 具体研究工作有： 1 、虚拟校园的场景建设 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 、漫游和交互功能 本文不仅实现了用户通过鼠标和键盘在虚拟校园的漫游，而且实现了用户与校园场景 的多种交互功能，如开门、开灯、季节和天气的自由变换等。最终提供给用户的是一个身 临其境的校园。 3 、场景优化 x 3 d 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x 3 d 浏 4 北京服装学院硕士学位论文 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。 本文在对系统的测试基础上给出了减小文件容量及对场景的优化的方法。 1 3 2 论文的创新点 与同类论文相比较，本文具有如下创新： 1 、目前大多数的虚拟校园都是基于v r m l 9 7 标准构建的，本文设计的虚拟校园是基 于功能更强大的x 3 d 标准构建的。 2 、目前大多数的虚拟校园只提供了基本的漫游功能、提供的交互功能较少；本文论 述的虚拟校园不仅提供了直接的交互功能，而且通过软件界面提供了更强大的界面交互功 能。 1 4 论文的章节安排 本论文共分为七章，各章节的主要内容如下： 第一章为绪论。简要的介绍了论文的研究背景和意义，明确了作者所做工作，最后阐 述了章节的安排。 第二章为论文研究的理论基础。对于完成本系统设计所需要的x 3 d 和图形学的理论知 识作了详细的介绍。 第三章为总体设计。对虚拟校园漫游与交互系统的开发和总体设计进行了描述。讨论 了虚拟校园漫游与交互系统的需求分析。对系统的总体设计目标，系统的总体设计流程等 进行了阐述。 第四章为虚拟校园场景建设的详细设计。这一部分是虚拟校园漫游与交互系统的基础 支撑部分，整章针对校园场景中不同类型的对象场景提出了多种建设思路，从效率和效果 两方面考虑，为每个对象选择最优的构建方法。最终实现了可以为用户提供漫游平台的虚 拟校园场景。 第五章为虚拟校园交互功能的详细设计。在建设好的虚拟校园场景基础上，详细的介 绍了多种用户与虚拟校园交互功能的实现过程。 第六章为系统的测试部分。通过对系统的测试发现了在浏览过程中出现的问题，并提 出了优化方案。 第1 章绪论 第七章为结论与展望章节。对本论文的研究工作进行了总结，并对研究的不足 1 5 本章小结 本章属于论文的绪论部分，主要介绍了本课题的研究背景及意义，并介绍了本论文研 究的主要内容和创新点，同时在本章的最后对整个论文的组织结构进行了说明。 6 北京服装学院硕上学位论文 2 1 从v r m l 9 7 到x 3 d 第2 章论文研究的理论基础 虚拟现实技术是当今计算机领域的研究热点之一，而h l t e n l e t 的发展更是对社会经济 和人类生活产生了巨大的影响。两种技术的结合，产生了虚拟现实造型语言( v i r t u ar e a l i t y m o d e l i n gl a n g u a g e ，简称删l ) 。 v r m l 始于2 0 世纪9 0 年代初期。1 9 9 4 年3 月在日内瓦召开的第一届w w w 大会上， 首次正式提出了v r m l 这个名字。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v r m l l 0 草案。1 9 9 6 年8 月在新奥尔良召开的3 d 图形技术会议s i g 黟a p h 9 6 上公布通 过了规范的v r m l 2 0 。1 9 9 7 年1 2 月v r m l 作为国际标准正式发布。1 9 9 8 年1 月正式获 得国际标准化组织i s o 批准简称为v r m l 9 7 1 1 。 v r m l 9 7 是一种用于三维造型和渲染的标记语言，它将每一个虚拟世界看作为一个场 景，场景由一个个对象组成。v r m l 的重大突破在于它描述的只是三维对象和场景的模型， 而不是具体的三维对象的视频流，所以在网络上传播的是一个个a s c i i 文档，最终由客户 端的浏览器解释并实时渲染，还原为原始的三维图像，这样就极大地减少了传输的数据量。 v r m l 9 7 国际标准发布后，互联网上的3 d 图形几乎都使用了v r m l 9 7 了。 在v r m l 9 7 取得巨大成功的同时，其缺点也逐渐暴露出来，主要体现在以下的三个方 面1 1 2 i ： 1 、性能表现欠佳 v r m l 9 7 为了提高兼容性和完整性却忽视了对性能的提高，没有达到用户的期望。 主要是由于v r m l 9 7 标准过于庞大，包含了大量使用很少的特征。用户在首次运行前要等 待较长时间下载安装插件，运行时占用系统资源过多。 2 、代码重用率不高 v r m l 9 7 是一个单一的封闭的标准，它的结构和符号是基于o p e ni n v e n t o r 的场景语法 的，几乎不适合其它的所有的语法，这种封闭性严重阻碍了v r m l 9 7 在技术和市场上的发 展。 3 、在不同的播放器中效果不一致 v r m l 中的j a v a 和e c m a s c r i p t 使用的编程模型差别很大，缺少统一的v r m l 行为 7 第2 章论文研究的理论基础 规范。在开发时难以保证在所有的播放器上取得一致的效果。 由于v r m l 9 7 的种种缺点，人们需要一种新的网络三维图形技术来取代v r m l 9 7 ， 这样就产生了x 3 d 。 2 2x 3 d 2 2 1x 3 d 简介 v r m l 组织于1 9 9 8 年改名为w e b 3 d 联盟，并开始着手制订了一个新的标准：2 0 0 2 年8 月，w e b 3 d 联盟发布了v r m l 9 7 的升级版本x 3 d 的最终草案。新版本的x 3 d 与 v r m l 9 7 向后兼容( 即能用x 3 d 浏览器播放v r m l 文件) 。它把v r m l 的功能封装到一 个轻型的、可扩展的内核之中，并实现了v r m l 的全部功能1 1 3 i 。 x 3 d 在v r m l 的基础上提出了新的特性，2 0 0 4 年8 月，x 3 d 规范通过国际标准化组 织( i s o ) 的审批，成为新一代的w e b 3 d 国际标准。x 3 d 的主要特性有以下几点： 1 、整合x m l x m l 已经成为整合并管理信息的必选。x 3 d 采用x m l 作为它的编码规范是有利于增 强x 3 d 的可移植性，有利于对数据归档和移植，有效延长了数据信息的生命周期。同时， x m l 编码可以让x 3 d 的开发、播放都变得更加简洁、高效1 1 4 1 。 2 、统一性 x 3 d 中订制了在不同浏览器之间协同运作场景和环境的x 3 d 行为规范，保证了x 3 d 场景和环境在不同播放器中的操作的统一性。 3 、组件化 使用轻型的可扩展内核。v r m l 9 7 是相对庞大的标准，完全实现是比较复杂的。把 v r m l 的功能分割到一系列较小的内核，就可以比较容易的实现x 3 d ，减少实现的复杂性， 因而改善了执行过程的可维护性0 1 引。 4 、可移植性 允许在计算机以外的设备上使用x 3 d 。 2 2 2x 3 d 的关键技术 x 3 d 的两项关键技术是x m l 文档和组件思想。 8 北京服装学院硕士学位论文 1 、x m l 文档 可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，简称x m l ) 是万维网联盟( w 3 c ) 创建的 一组规范。与h t m l 一样，它也源自s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z em a r k u pl a n g u a g e 通用标 记语言) 。但与h t m l 不同，x m l 是一种元标记语言，可以依据用户的需求，自行定义标 签及属性名，从而突破了h t m l 固定标记集合的约束，具有自描述性和可扩展性的特点1 1 6 i 。 2 、组件思想 组件思想来源于面向对象理论。基于面向对象的思想的特点，以及传统v r m l 的不易 扩展性在最新的x 3 d 规范中，使用了组件思想对x 3 d 规范进行实现，以增强与其他缩程 语言的交互。依据开发人员的需求，通过调用模块动态的将有用的底层摸块装配成应用处 理。使用组件模型的好处有以下几点1 1 7 1 ： ( 1 ) 精巧的内核。就实现而言，v r m l 9 7 是一个庞大而复杂的标准。通过将v r m l 精简为一个小的核心功能集合，减少了实现的复杂度，并且增强了软件的可维护性。同时， 精巧的内核可以方便用户，因为并不是每个用户都需要那些复杂的扩展，如果不加分辨的 将这些复杂的应用集成上去，无疑会增加用户端的大小，所以只为用户提供简单的内核， 扩展依照用户的需求自行加入。 ( 2 ) 扩展能力。借助扩展集和特性集的概念，开发者可以在内核上添加新的扩展集， 也可扩展新的特性。这样就可以依据不同的需求，定制不同的应用。 ( 3 ) 减少了对资源的占用。一个小型但可扩展的浏览器为用户节省不必要的资源开 支将会大大地方便用户的使用。 2 2 3x 3 d 程序的开发环境 1 、记事本 使用记事本来编写x 3 d 源程序，源程序的文件扩展名为宰。x 3 d 或宰x 3 d v 。使用记事本 编辑x 3 d 源程序，可以很方便的对项目进行简单、方便的设计、调试和运行。对于小型的 软件项目开发和编码非常的灵活有效，但是对于大的软件项目的开发其编程效率较低。 2 、专用编辑器 x 3 d e d i t 是图形化的文件编辑器，它是在i b m 的x m l 浏览器x e e n a 的基础上开发得 来。x 3 d e d i t 编辑器具有下列特性： ( 1 ) 直观的图形化的用户界面 ( 2 ) 建立符合规范的场景图文件，节点总是放置在合适的位置。 9 第2 章论文研究的理论基础 ( 3 ) 验证x 3 d 场景是否符合v r m l 9 7 概貌或c o r e 概貌。 ( 4 ) 自动转换x 3 d 场景到v r m l 并启动浏览器自动察看结果。 ( 5 ) v r m l 9 7 文件的导入与转换。 ( 6 ) 每个元素和属性的弹出式工具提示，帮助了解v r m l x 3 d 场景图如何建立和 运作，包括中文在内的多国语言提示。 ( 7 ) 使用j a v a 保证的平台通用性 由于x 3 d e d i t 具有如上优点，所以对于大、中型软件项目的开发和编程，使用x 3 d e d i t 专用编辑器编写，具有高效、方便、快捷和灵活的特点。 2 2 4x 3 d 运行环境 解释、执行、陈述x 3 d 文件使用的机制叫做浏览器，浏览器可以展示场景图中的造型 和声音。浏览器陈述的结果称为虚拟境界，在虚拟境界中控制导航的人或机械化机制称为 用户。境界展示的特定方位，这个方位位置和方向称为取景器或摄像机。浏览器可以提供 导航的模式，比如行走( w a l k i n g ) 或飞行( f l y i n 曲，这样就允许用户在境界中移动取景器i l 引。 常用的x 3 d 浏览器有b i t m a n a g e m e n t 公司的b s c o n t a c t ，b i t m a n a g e m e n t 是一个致力于 v r m l x 3 d 开发的公司。b i t m a n a g e m e n t 前身b l a x x u n 的v r m l 开发组是推动v r m l 9 7 到x 3 d 发展的公司之一，像n u r b s 曲面扩展和多纹理扩展就是由b l a x x u n 公司提议并加 入到x 3 d 标准的。本系统中使用的x 3 d 浏览器即b sc o n t a c t 7 0 。 2 2 。5 场景图 x 3 d 使用场景图( s c e n eg r a p h ) 数据结构来建立3 d 虚拟境界，虚拟境界由对象构成， 而对象及其属性用节点描述，节点是x 3 d 的基本单元。每个节点由类型、域、事件、实现、 名字组成，x 3 d 文件包含包括零个或多个根节点。节点按一定规则构成场景图( s c e n e g r a p h ) 。 2 2 6 常用的节点 1 、 基本2 d 节点 x 3 d 支持点的节点是p o i n t s e t ，它可以包含c o l o r 和c o o r d i n a t e 节点。c o l o r 节点是用 来构造颜色值的索引表用于指定对应点或对象的颜色，c o o r d i n a t e 节点是用来构造坐标的 l o 北京服装学院硕上学位论文 列表。 绘制直线是采用i n d e x e d l i n e s e t 节点，它可以包含c o l o r 和c o o r d i n a t e 子节点。 l n d e x e d l i n e s e t 节点属性中，c o o r d l n d e x 属性用来指定直线端点在c o o r d i n a t e 子节点的索引 号( o 表示第一个点) ，每条直线索引值由3 个数组成，前两个是点的索引号，第三个是1 。 r e c t a n g l e 2 d 几何节点用来指定一个平面矩形。a r c 2 d 、a r c c l o s e 2 d 、c i r c l e 2 d 和d i s k 2 d 节点分别用来绘制圆弧、封闭圆弧、圆和环。 2 、基本3 d 节点 x 3 d 提供了立方体( b o x ) 、圆柱( c y l i n d e r ) 、圆锥( c o n e ) 、球体( s p h e r e ) 等基本3 d 造型 节点。 b o x 节点的主要属性是s i z e ，用来确定长度( x 方向) 、高度( y 方向) 和宽度( z ) 方向的大 小。 c y l i n d e r 节点的主要属性有h e i g h t ( 高度) 、r a d i u s ( 半径) 以及是否包含顶面( t o p ) 、侧面( s i d e ) 和底面( b o t t o m ) 等。 c o n e 节点的主要属性有h e i g h t ( 高度) 、b o t t o m r a d i u s ( 底面半径) 以及是否包含侧面( s i d e ) 和底面( b o t t o m ) 等。 s p h e r e 节点的主要属性是r a d i u s ，用来确定球体的半径。 3 、移动、旋转和缩放 在x 3 d 场景空间中，每一个造型都有其空间坐标，通过修改空间坐标系就可以使该造 型在场景空间中移动、旋转和缩放等。x 3 d 提供t r a n s f o r m 节点来进行造型的几何变换。 4 、视点与导航节点 v i e w p o i n t 节点指明了一个x 3 d 场景空间中的观察位置和视角方向。x 3 d 提供 n a v i g a t i o n l n f o 节点用来指定场景的观看方式和替身的物理特征。 5 、光源节点 在x 3 d 场景空间中，可以使用点光源节点( p o i n t l i g h t ) 、平行光源节点( d i r e c t i o n a l l i g h t ) 和聚光性光源节点( s p o t l i g h t ) 来处理造型物体的光照明亮程度。 6 、纹理映射节点 x 3 d 中，提供了p i x e l t e x t u r e ( 像素纹理) 、i m a g e t e x t u r e ( 贴图纹理) 和m o v i e t e x t u r e ( 影 像纹理) 三个节点。 p i x e l t e x t u r e 节点是用一个包含像素值的数组创建一个二维纹理帖图， i m a g e t e x t u r e 是用来指定一个图像映射到一个几何形体的表面上。 第2 章论文研究的理论基础 7 、音频和视频节点 ( 1 ) a u d i o c l i p ( 音频数据) 节点 ( 2 ) s o u n d ( 音频播放) 节点 ( 3 ) m o v i e t e x t u r e ( 影像纹理) 节点 8 、动画节点 ( 1 ) 时间触发器t i m e s e n s o r 触发器或者叫做传感器，是用来产生不同类型的事件。时间触发器t i m e s e n s o r 是根据 时间来不断产生事件，它有许多属性，通常把用于输入的属性称为域，或称为输入事件， 而把输出的属性称为产生的事件，或称为输出事件。 ( 2 ) 插值器 计算机动画按生成的方法可以分为逐帧动画、关键帧动画和造型动画等几大类。在关 键帧动画设计中，通常需要我们指定关键帧，而中间帧往往由计算机自动生成。x 3 d 中的 插值器就起到设定关键帧并自动生成中间帧的作用。它主要有颜色插值器节点 ( c o l o r i n t e r p o l a t o r ) 、坐标插值器节点( c o o r d i n a t e i n t e r p o l a t o r ) 、法向量插值器节点 ( n o r m a l i n t e r p o l a t o r ) 、方向插值器节点( o r i e n t a t i o n i n t e r p o l a t o r ) 、位置插值器节点 ( p o s i t i o n i n t e r p o l a t o r ) 和比例插值器节点( s c a l a r i n t e r p o l a t o r ) 。除此之处，x 3 d 还提供比较专 业的插值器，如n u r b s 曲线系列插值器等。 ( 3 ) 事件 事件( e v e n t s ) 是在x 3 d 运行时环境中产生行为的主要方法，这种方法用来改变域的输 入值或接受域的输出值，分别又称为发送到输入域的事件和输出域发送的事件。 ( 4 ) 路由 路i 扫( r o u t o 声明允许我们在把一个节点的输出事件连接到另一个节点的输入事件上， 这样可以执行复杂的行为，而不需要使用程序命令。在路由中，一个输出事件发生，相应 目的的输入事件就会接受到通知，同时可以对输入事件变动做出相应的处理。这个处理可 以改变节点的状态，产生额外的事件，或者改变场景图的结构。r o u t e ( 路由) 不是节点，它 是一个语句。r o u t e 语句是建立指定节点的域之间通道的语法构件。r o u t e 语句可以 出现在x 3 d 文件的最上层，或者也可以出现在节点中任何可以使用域的地方。r o u t e 语 句应该放置在路由的源节点和目的节点定义之后，而不能放置在源节点中或目的节点中。 9 、交互节点 x 3 d 的交互实现也是通过类似的映射机制。用户事件的产生是通过相应的传感器产生 北京服装学院硕 ：学位论文 的，而r o u t e 语句就是相当于事件的映射，它映射到另一个输入事件中。 x 3 d 中，用户事件的传感器有：k e y s e n s o r ( 键盘传感器) 、s t r i n g s e n s o r ( 字符串传感器) 、 t o u c h s e n s o r ( 触摸传感器) 、p l a n c s e n s o r ( 平移传感器) 、s p h e r e s e n s o r ( 绕点旋转感器) 和 c y l i n d e r s e n s o r ( y 轴旋转传感器) 等。 1 0 、脚本节点 在x 3 d 中，通过使用程序化的节点s c r i p t 来嵌入脚本程序。它支持 e c m a s c r i p t j a v a s c r i p t 或j a v a 语言。e c m a s c r i p t 也是一种脚本语言，由n e t s c a p e 和 m i c r o s o f t 使用开发，它是一种面向对象语言，e c m a s c r i p t 和d o m 一起十分接近于现在 对j a v a s c r i p t 和j s c r i p t 的实现，虽然说是用于网络环境，但它可以用于任何脚本环境中， 并且其语法与j a v a s c r i p t 基本相同。 2 3 图形学基础 本小节简要的介绍虚拟校园漫游与交互设计中涉及的部分图形学知识。 2 3 1 图形的三维几何变换 图形的三维几何变换一般包括平移、旋转、缩放、反射、错切及复合变换。三维几何 变换是在二维方法基础上增加对z 轴的考虑而得到的。可以通过指定一个表示物体在三个 坐标方向上移动距离的三维变换向量来对物体进行变换，也可用三个坐标轴上的缩放因子 来缩放物体。但三维旋转变换则不那么简单，由于在三维空间中，可能选择空间任意方向 的直线作为旋转轴，因此一个三维旋转可分解为绕三个坐标轴旋转的复合变换1 1 i 。 1 、三维平移变换 三维空间中物体的平移是通过移动构成实体的多边形网格的顶点来实现的。在三维齐 次坐标表示中，假设在x 、y 和z 三个方向上的平移距离分别为t x 、t y 、t z ，则任意点p ( x ，m z ) 可由以下矩阵运算而变换为点p ( x ，y ，z ) ： z y z 1 1o ol o0 0 o 0 厶 0 黟 1厶 ol 2 、相对坐标原点的三维缩放变换 在三维齐次坐标表示中，假设在x 、y 和z 三个方向上的缩放系数分别为s x ，s y ，s z ， 第2 章论文研究的理论基础 任意点p ( x ，m z ) 可由以下矩阵运算而变换为相对于坐标原点的缩放变换点： x y z l &o 0s oo oo 0o o o s z0 ol 相对于任一给定点的缩放变换可以先用平移变换将给定点移动至原点，然后使用上式 相对坐标原点进行缩放变换，最后再通过平移变换将给定点移回原始位置。 3 、绕坐标轴的旋转变换 物体作旋转变换时，必须指定一个旋转轴和一个有向的旋转角度。x 3 d 标准遵循右手 坐标系规则，故绕z 轴旋转时，顺时针方向角度为正。设旋转角度为0 ，则任意点p ( x ，y ，z ) 绕z 轴三维旋转后得到的点p ( x ，y ，z ) ，可由以下旋转矩阵运算得到。 到。 工 y z 1 c o s 乡- s i n 000 s i n 乡c o s 000 o 0l0 000l 同理，绕另外两个坐标轴的旋转变换矩阵可由上式中的坐标参数x ，y ，z 循环替换而得 2 3 23 d 流水变换管线 现实世界中的物体是三维的，但是在计算机屏幕上真正显示的却是二维的图像，如何 从三维物体转换成为显示器上显示的二维图则像需要经过3 d 流水变换管线，流水管线如 图1 所示。 模型坐标 图13 1 ) 流水变换管线 整个流水管线的工作原理如同现实生活中照相机的拍照原理： 1 、模型变换( m o d e i ；n gt r a n s f o r m a t i o n ) ： 一般是指在建立几何物体模型过程中将图形的几何信息经过几何变换后产生新的图 形。通过模型变换可由简单图形生成复杂图形，可以改变对象模型在坐标系中的位置、方 1 4 北京服装学院硕士学位论文 向和大小等。这一变换好比在拍摄照片时将被拍摄的物体摆放在相机前较为适当的位置。 2 、视点变换( v i e w i n gt r a n s f o r m a t i o n ) ： 指定图形对象模型中要显示的部分及在显示器显示的位置，可以从任一位置来观察物 体：从前、后、左、右、上、下，还可以从位于一组物体的中间或者位于某一物体内部来 观察物体，生成一张所能看到的视图。这一变换好比在拍摄照片时将照相机置于三脚架上， 让它正对三维景物。 3 、投影变换( p r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o n ) ： 将观察坐标系中的描述按照指定的显示区域及观察方向投影到一个特定观察平面的 变换，也就是把三维物体变为二维图形表示的过程。这一变换好比在拍摄照片时选择相机 镜头并调焦，使三维物体投影在二维胶片上。 4 、视口变换( v i e w p o r tt r a n s f o r m a t i o n ) ： 将产生投影的物体显示在二维的视口平面上，主要是规定屏幕上显示场景的范围和尺 寸。运用相机模拟方式，视口变换就是类似于照片的放大与缩小。 2 3 3 纹理映射 纹理是指物体的表面细节。物体表面细节一般分两种：一种是颜色纹理，如花瓶上的 各种非立体图案；另一种是几何纹理，如桔子表面的皱纹等1 1 i 。可以用纹理映射的方法给 物体表面加上图像。生成颜色纹理的一般方法，是在一平面区域( 即纹理空间) 上预先定 义纹理图案；然后建立物体表面的点与纹理空间的点之间的对应一一即映射。当物体表面 的可见点确定之后，以纹理空间的对应点的值乘以亮度值，就可把纹理图案附到物体表面 上。可以用类似的方法给物体表面产生凹凸不平的外观，或者称凸包纹理。不过这时纹理 值作用在法向量上，而不是颜色亮度上。无论是生成颜色纹理还是凸包纹理，一般要求看 起来像就可以了，不必采用精确的模拟，以便在不显著增加计算量的前提下，较大幅度地 提高图形的真实感。 纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) 又称纹理帖图技术，是计算机图形学应用中广泛采用的 实体表面细节逼真表现技术，同时也是控制场景复杂度、加速图形绘制速度的有效方法。 纹理映射的原理是将一个用二维数组定义的二维纹理图像映射到三维实体表面，或者 通过一个过程修改实体表面的光强分布。比如，建造一个木地板的模型，可以用一幅地板 图案或照片作为纹理，映射到一个矩形平面上。这样，既不需要为地板上的每一个木条纹 花费较多的多边形表面，又可以逼真地描述木地板的细节特征。纹理映射是在图像空间、 1 5 第2 章论文研究的理论基础 物体空间、和纹理空间之间进行的，如图2 所示。首先将屏幕上的一像素区域映射到物体 表面，即进行图像空间到物体空间的映射；然后把物