硕士论文基于Web3D的VRML三维造型及动画技术研究分析.doc

理工大学硕士学位论文基于Web3D的VRML三维造型及动画技术研究姓名：申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：基于Web3D的VRML三维造型及动画技术研究计算机应用技术 研究生 指导教师 互联网络的迅速发展使Internet渗透到了社会生活的各个方面，从产品设计、电子商务到各种游戏，用户对HTML(Hyper Text Markup Language)平面网页的交互特性已经不满足，而是希望将Web网页变成一个三维的立体空间， 使用户能够在三维立体场景中实现动态交互与智能感知。但用户通过Internet 来观察三维图像及动画，由于数据不是从本地硬盘中读取，运行环境也各不相同，传统的解决办法只能是在Web服务器端生成图像，再一幅幅地传给客户端显示，因此，这种方法很难满足网络三维图形开发的需要。针对Internet上三维图形及动画的生成和传输问题，本文以建筑模型为背景；提出了基于网络虚拟现实技术的VRML(Virtual Reality Modeling Language) 三维造型及动画方法，其基本思路是：制作产品(或场景)的vRML矢量三维数字化虚拟模型，通过网络传输模型文件，下载后在本地计算机上用VRML浏览器进行实时渲染，显示具有交互性的三维图像和图像动画。论文主要研究内容和成果如下： (1)提出利用VRML创建网络三维虚拟场景的方案和具体实施办法。将wrl 格式的三维数字化模型文件嵌入到用VRML创建的立体网页中，发布到Internet 上，在网页中实现了三维动画效果以及基于三维对象的用户交互。(2)详细论述了将3DS MAx建立的三维数字化模型转化为适宜在网络上传输的VRML文件的方法。用VRML的三维造型及动画技术创作产品虚拟模型，以立体可视化的手段在Internet上全面表达设计者的设计意图。(3)利用Java与V脒L，HTML联合编程技术、VRML语言的节点编程方法、Script节点和Java脚本程序之间的数据通信技术，实现了虚拟场景在Internet T上的动态浏览与系统仿真。(4)提出了网络通讯的软、硬件解决方案，以实现虚拟现实场景的三维数字化图像在Internet上的实时、动态传输。(5)分析了减小VRML文件长度的优化方法，成功构建了一个基于网络的商用住宅小区及楼盘的VRML建筑虚拟场景，并按照人机工程学原理实现了部分自然的交互功能，对另一些功能的实现提出了基本设想，以期进一步的研究加以解决。关键词:VRML Web3D Java三维造型 动画 网络虚拟现实技术ABSTRACTResearch on the VRML Threedimensional Model ingand animation Technology Based Oil Web3DMajor：Mechanical design and theoryPostgraduate：Wang Dong Supervisor：Pu Xiaoqiong With the rapid development of internet，it has permeated into every aspect of social lifeFrom product design，electrical commerce to all kinds of gamesusers have already been dissatisfied with the interactive character of the HTML(Hyper Text Markup Language)planar web，and hope to change the web into a threedimensional space，in which they can achieve dynamic interaction and intelligent perceptionUsers watch threedimensional images and animation through internet，but the datum are not read and taken from the local hard di sk；the running environments differ from each otherThe traditional solution is just to form images at the side of web server，and transmit the images to the side of users one by one。So its not an easy way to meet the desire of developing web threedimensional images In order to solve the problem of forming and transmitting threedimensional images and animation through internet，in the background of architectural models，this paper advances a VRML(Virtual Reality Modeling Language)threedimensional modeling and cartoon making method that iS based on the web virtual reality techniqueThe basic principle iS to construct a vectorial VRML threedimensional digital virtual real ity model of product or scene，then transmit model document through the net，and render it in realtime on a local computer by VRML browser after downloading it，and finally show interactive three dimensional images and cartoon The main contents and achievements of this paper as follows： (I)Putting forward the project and detailed process of the utilizing VRML to found network virtual sceneImporting the threedimensional digital model saved as wrl file to threedimensional webpage established by VRML，then promulgated to internet，thus accomplishing the threedimensional animation effect and the userS alternation based on threedimensional object in webpage (2)The method of translating the threedimensional digital model establ ished in 3DS MAX to VRML file format which iS fit for transferring on the internet Composing productS virtual model by the threedimensional modeling technology and animation technology of VRML， completely expressing the designerS intention on the internet by threedimensional ViSible means (3)Analyzing the uniting progranl【Iler technology of Java，VRML and HTML，the node programming method of VRML language，the communication of datum of Script node and Java programmer technology，thus realizing the dynamic browse and the systematical simulation of virtual scene On the internet (4)Presenting the software and hardware solution for network communication： realtime and dynamical communication of the threedimensional digital image of virtual scene on the internet (5)The optimum method of minimizing the fileslength of virtual VRML architecture scene iS discussed in detail，a commercial dwelling house community of VRML architecture scene has been designed triumphantly， and according to human engineering principle part alternant functions have been realized，and advanced basiC assumptions for other functions have been put forward expecting further research for solutionsKeywords：VRML Web3D：Java：Animation：Threedimensional Modeling Network Virtual Reality Technologyl绪论虚拟现实(Virtual Reality)是一项综合集成人一机界面交互技术，它利用计算机生成具有表面色彩的立体图形模拟现实环境，通过多种传感设备使用户融入到该环境中，并与该环境中的对象进行自然的实时交互，从而使用户产生一种沉浸在虚拟环境中的真实感觉。现今硬件技术的飞速发展，网络带宽和微机3D图形运算能力的日益提高，使虚拟现实在Internet上成为可能，使网络上的“虚拟现实”成为真实，虚拟现实技术将成为今后网络多媒体发展方向的主流。创建Internet上的三维网络虚拟场景，需要解决两个关键问题：一是虚拟场景三维数字化模型及动画的生成；二是文件在网络上的数据传输和不同操作平台、不同运行环境下的客户端浏览器上虚拟场景的显示及交互。基于VRML网络虚拟现实技术解决三维造型及动画问题的原理是在客户端提供一些基本的三维图形库，制作矢量化的三维模型，通过网络传输模型文件，并在网页运行时实时着色和渲染，显示出具有交互性的三维图形或动画。VRML场景文件最突出的优点在于它代码的可传输性，即传输的不是图像本身，而是控制三维图像生成的程序和数据，在客户端浏览器上显示的三维虚拟场景和相应的交互操作由安装在本地计算机上的VRML浏览器解释执行wrl文本文件得到，不需要再从网络上下载一幅幅生成动画的视频图像，因而大大节省了网络传输的数据量。11 VRML语言概述第二代网络程序设计语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种开放的、可扩展的、工业标准的三维造型和渲染图形描述语言，它的出现主要是为了解决在网页中实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互问题， VRML是Internet上虚拟现实技术的基础。VRML不完全等同于虚拟现实，但将对虚拟现实产生重要的影响，作为分布式、平台无关、实时可交互的三维造型和渲染工具，VRML能够把文字、图像、声音等各种多媒体素材有效的集成为一个虚拟环境，创建出基于互联网络的虚拟现实系统，因此，VRML改变了原来World Wide Web上HTML平厩网页单调、交互性差的缺点，将浏览者的行为作为浏览的主体，VP矾IL的图形渲染是实时的，这种实时性导致了在虚拟场景中的人机可交互性，虚拟场景能够通过动态变化响应用户输入、外部事件和场景的当前状态。VRML作为Internet上的三维数据国际标准，将得到越来越广泛的应用， VRML正朝着实时通信、大规模用户交互方向发展，其应用主要包括电子商务、远程控制、工程技术、交互式娱乐游戏等依赖于图形技术的领域。12虚拟现实技术简介虚拟现实在很大程度上基于计算机图形学技术发展而来，在由计算机软、硬件技术生成的，给人多种感官刺激的虚拟环境(Virtual Environment)中， 用户使用头盔显示器、数据手套、数据衣等一系列新型交互设备以自然的方式，(如头的转动、手势以及人类自然语言等)向计算机发送各种指令，并得到虚拟环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。121虚拟现实的特点虚拟现实(Virtual Reality)是一种计算机人一机交互界面技术，它利用计算机生成一种具有表面色彩的立体图形来模拟现实环境(如生产车间、居住小区等)，通过多种传感设备(如数据手套、立体头盔等)使用户“融合”到该环境中，实现用户与虚拟环境对象之间的动态、实时交互，使用户亲身体验沉浸在虚拟空间中的感受。虚拟现实可以定义为对现实世界进行五维时空的仿真， 即除了对三维空间和一维时间的仿真外，还包括对自然交互方式的仿真。一个完整的虚拟现实系统包括一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人一机交互界面，分布式虚拟现实系统还要包含用于共享信息的人一人交互界面。根据GBurden的虚拟现实技术3I概念，如图11所示，虚拟现实技术具有以下特征： (1)沉浸性(Immersion)一用户作为主角存在于虚拟环境中，能够在这个虚拟环境中有目的地观察、聆听、触摸、嗅闻虚拟对象的特征，可视场景随视点的变化而变化，使用户忘记自身所处的外部真实环境，产生一种似乎成为了所研究的虚拟环境的组成部分的感受。(2)交互性(Interaction)一用户对虚拟环境内的物体可以进行操作并得到实时的自然反馈。(3)想象性(Imagination)一用户沉浸在多维信息虚拟空间中，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。图11虚拟现实技术3I概念122虚拟现实系统的组成构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软硬件及各类先进的传感器，去创建一个当前不存在的、人类不可能到达的环境或者代替耗资巨大的现实环境，用户能与这个虚拟的环境进行和谐、友好、自然的交互并产生身临其景的沉浸感。完整意义上的虚拟现实系统由硬件、软件和用户界面三个部分组成，如果把虚拟环境的硬件部分看作其肢体，则虚拟现实系统的软件控制部分就是其大脑。虚拟现实是一种计算机界面技术，交互性是其首要特性，为了实现和谐、友好、自然的人机交互，必须使用特殊的人机接口和外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，又要使计算机能够根据输入信息作出相应反应并将反应结果反馈给用户。虚拟现实系统的组成如图12所示。主要硬件设备包括：高性能计算机处理系统；观察者头、眼、手和身躯的跟踪设备；宽视野的立体显示设备，产生视觉图像并以立体的形式显示给用户；音频系统，提供立体声源和判定声音空间位置；触觉和力觉反馈系统， 提供参与者感知力与压力的反馈。在软件方面，除一般的软件支撑环境外，主要是提供产生个虚拟环境的工具集，包括以下四类软件：语言类(如Java、OpenGL、VRwIL)、3D建模软件类(如3D Studi0 MAx、U6、ProEngineer、SolidWorks)、应用软件类和通用的商用工具软件包，这些软件的功能是要能够生成立体的三维数字化场景、接受各种高性能传感器的信息、把各种数据库和各种软件进行调用和互联。 虚拟现实与系统仿真都是对现实世界的模拟，但它们是两个不同的概念，虚拟现实侧重在表现形式，是对现实世界的创建与体验；而系统仿真是使用计算机软件来模拟和分析现实世界中系统的行为，侧重于真实复杂世界的科学抽象， 真正反应出现实世界的运动形式。系统仿真对于其场景的真实程度要求不高， 不进行氛围渲染。123虚拟现实系统的分类根据用户参与虚拟现实系统的形式及沉浸的程度不同，虚拟现实系统可分为四类2(1)分布式虚拟现实系统：分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟现实系统，即多个协同工作的虚拟系统或一个虚拟系统的多个不同部分可能分布在网络中不同的计算机上，它是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境。目前， 分布式虚拟现实系统包括两类网络平台，一类是在Internet上，另一类则是在高速专用网上。(2)增强现实性的虚拟现实系统：增强现实性的虚拟现实系统利用虚拟现实技术、仿真技术将真实世界与虚拟境界在视觉领域完美融和，以此来增强参与者对真实环境的感受，增强现实中无法或不方便感知的感觉。(3)沉浸式虚拟现实系统：沉浸式虚拟现实系统用封闭的视觉场景和音响系统将用户与外界隔离，计算机通过数据手套和各种跟踪器感知用户动作，并将测得的数据反馈到视觉场景中，使用户产生完全沉浸在其中的体验。(4)窗口虚拟现实系统：窗口虚拟现实系统利用个人计算机和低级工作站实现模拟，计算机的显示屏作为参与者观察虚拟环境的一个窗口，同时，用户可以利用各种外部设备(如鼠标、键盘和追踪球等)实现与虚拟现实世界的充分交互。13国内外虚拟现实研究现状及发展趋势虚拟现实建模语言VRML源于虚拟现实技术，虚拟现实技术是20世纪末发展起来的涉及众多学科的高新技术，是在网络技术前进基础上，随着网络时代宽带大规模应用的到来而到来的。虚拟现实技术在机械行业有广泛地应用，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等.，它不生产实际的产品，是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的本质实现，即完成产品的数字化过程。131 国外虚拟现实技术的研究现状美国是虚拟现实技术的发源地，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HIT Lab)在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控隹I.。B力的研究。乔治亚理工学院提出了基于VRML的虚拟现实仿真系统并实现了在制造系统中的应用。麻省理工学院(MIT)建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式虚拟现实系统，不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间，而且可以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试，这样就大大地提高了产品质量。在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模虚拟现实知识库的研究。京都的先进电子通信研究所(ATR)系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统，它能用图像处理识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入，该系统将提供一个更加自然的接口， 而不需要操作者带上任何特殊的设备。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，称为SPIDAR(Space Interface Device for Artificial Reality)的系统。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。132国内虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比， 我国还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家的高度重视11J。北方交通大学设计了基于OpenGL的三维交通模拟系统。北京航空航天大学管理系统仿真实验室利用虚拟现实建模语言VRML提出了可在Pc机上运行虚拟现实仿真系统的构想，并实现单服务台排队系统的虚拟现实仿真。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，他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。在宁波，数字城市虚拟仿真中心成为中国、乃至亚洲城市规划领域第一个专业的数字城市虚拟仿真中心。国防科技大学开发了一个基于Internet的三维虚拟漫游环境Universe3D。浙江大学CAD$CG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，而且，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫镟算法和一种递进网格的快速生成算法。14虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的发展，是在网络技术前进基础上，融合多种技术的结果， VRML将虚拟现实与Internet结合在一起，发挥网络的优势，使虚拟现实技术的应用得到了更进一步的拓展。虚拟现实在科学计算可视化、产品设计、机械制造、交互式娱乐、建筑漫游、文物保护、工程技术、电子商务、航空航天、军事训练等领域都有广泛的应用。在实验不可能进行、实验环境过于危险，或者耗资过大时，利用虚拟现实技术对真实世界进行仿真模拟，将使工程技术人员、管理人员有可能在虚拟环境中对所设计的产品、所管理的系统进行全方位的三维观察、动态设计、实时修改、调度或重组等。基于VRML的网络虚拟现实技术主要应用于以下几个方面： (1)增强设计表现啪将设计方案做成可以任意缩放、旋转、移动的三维数字化模型，发布到Internet上的立体网页中，用于设计交流。(2)辅助入机分析基于虚拟现实技术的工业设计可以通过各种传感设备，将人融入产品的虚拟环境中，研究人一机一环境关系，为产品的尺度定位提供依据，以求得最佳的人机系统综合使用效能。(3)电子商务企业将产品的三维数字化模型发布到Internet上，三维的形式能够全方位的展现产品外形的方方面面，加上互动操作，演示产品的功能和使用操作方法，通过互联网高速迅捷的传播优势来推广公司的产品。(4)虚拟现实展示、娱乐游戏业和远程控制等。 15论文主要研究内容本文以在网络上创建三维立体虚拟场景的研究为背景，结合虚拟现实技术， Java、HTML和VRML联合编程技术，重点研究了基于Web3D的VRML三维造型及动画技术，包括虚拟现实场景三维数字化模型的构建、动画的生成以及与用户的交互；模型文件在网络上的数据传输；虚拟现实场景在不同操作平台、不同运行环境下客户端浏览器上的显示和交互等诸多问题。具体研究内容如下： (1)基于VRML的三维造型技术研究VRML通过节点(node)来创建三维场景，三维立体形态几何节点构造简单物体造型，在Shape模型节点组织下，创建出复杂空间物体造型。用3DS MAX 之类的软件可以制作出效果极好的三维场景，然而其文件导出后数据冗于量庞大，用这种方式在网页中实现三维动画，是很不现实的，针对这一问题，本文提出了将3DS MAX建立的三维数字化模型转化为适宜在网络上传输的VRML文件的方法。(2)实现VRML网络虚拟现实场景动画及交互的关键技术研究虚拟现实走向应用的核心技术是动画及交互技术，详尽地阐述了VRML依据一个给定的时间传感器以及一系列插补器节点、传感器节点对虚拟场景进行控制以生成动画的原理。(3)综合运用VRML、Java和HTML编程对网络虚拟现实场景进行动态控制的方法研究。(4)减小复杂VRML场景文件大小的优化方法研究虚拟场景中的几何造型是基于多边形的，其渲染绘制速度与场景中多边形的数目成比例。由于当前3D图形软件和计算机3D图形加速器的有限能力，提高复杂场景的显示绘制速度，减少面片数目是当前最主要的课题。论文分析总结了多种减小复杂VRML场景文件大小的优化方法，在此基础上提出了网络通讯的软、硬件解决方案，以实现虚拟现实场景的三维数字化图像在Internet上的实时、动态传输。(5)以建筑网络虚拟场景的构建为应用实例进行开发研究建筑是人类历史文化的载体，是科学与艺术的结合，任何时代都以其感人的形象反映着它所包容的各种信息和内涵。本文在房地产建筑仿真设计和计算机网络双重背景之上运用VRML三维造型及动画技术建立三维立体网页，成功构建了一个基于网络的商用住宅小区及楼盘的VRML建筑虚拟场景，并按照人机工程学原理实现了部分自然的交互功能，如虚拟漫游、样板房展示、交互式的信息查询等。以此为例，来说明创建Internet上三维网络虚拟场景从建模到交互再到虚拟现实的具体步骤和操作流程。2. 虚拟现实三维立体网络程序设计语言(VRML) 21 VRML简介虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML是计算机科学的前沿技术，是在Internet上用于3D多媒体和共享虚拟世界为目的的一个开放标准。VRML的国际标准草案(DIS，Draft of International Standard)以VRML20制定，于1997年提交国际标准化组织ISO JYCISC24委员会审议并获得认定，定名为VRML97(ISOTEC 147721：1997)。作为分布式、多媒体集成、平台无关、实时可交互的三维造型和渲染图形描述语言，VRML能够把二维图形、三维实体、文本以及多媒体有效的集成为一个虚拟环境。211 VRML语言特点相对于其它在网络上运用的语言而言，VRML具有下列特征和功能： (1)分布式环境设计及可扩充性15VRML文件的一个重要特性就是内建了支持多个分布式文件的内联机制，即Inline内联节点。运用结构化、模块化、次化的软件工程设计思想将一个复杂场景的VRML源文件拆成几个小程序分别设计，然后再用Inlil3e内联节点将其合并可以实现程序设计的分工协作。同时，VRML还提供了外部原型引用机制(EXTERNPROTO语句)、锚链机制(Anchor锚节点，相当于HTML语言的超级链接)、脚本语言(Script Language)等机制，使用超级链接功能实现网络上任意地域或文件之间的互联、互动及感知。(2)访问方式是基于客户机服务器模式(C1ientServer Mode)的。服务器作为中心工作站提供VRML文件wrl文件及其支持资源(图像、声音、视频等)，客户端通过网络下载希望访问的文件，VRML源程序文件不必进行其他语言源程序文件(如c语言)所必需的编译连接等处理，只需通过本地平台上的VRML浏览器(Browser)运行该程序，就可以生成虚拟现实三维场景从而实现客户端的动态立体化呈现与交互。VRML浏览器解释、执行和运行VRML文件的机制和利用浏览器显示HTML文件的机制完全相同，由于浏览器由本地平台提供， 因此VRML系统的操作是与网络平台无关的。用VRML技术实现虚拟场景网络立体化交互的工作原理如下图所示： (3)VR(4L的图形渲染是“实时”的。VRML这种图形渲染的“实时性”实现了在虚拟场景中的人机“可交互性”。近年来效果图及三维动画己得到普遍应用，然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验，三维动画虽有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，是一个“相对静态”的世界，浏览者只能按动画制作者事先设计好的路线和角度浏览，无法对场景进行全面的观察。而用户在浏览VRML文件生成的场景时，可以在场景中用鼠标控制浏览方向，将场景中的模型任意地移动、旋转和缩放，不受任何限制。(4)创建三维立体造型和场景。V蹦L能够创建三维立体造型和场景，并且可以在模型上贴图、增加灯光效果、建立用户事件响应等更好的立体交互。VRML 所创建的虚拟场景已完全不同于HTML以及其他系统的二维平面效果，随着浏览者的移动，VRML场景中造型的各种属性(例如方位、灯光等)也将随之改变， 以实现立体视觉。在Sound节点中，可以进行声音大小、位置、方向等空间性质的设定，让声音的表现有高低各异、远近不同的三维效果。(5)VRML是面向网络的，其场景文件的传输不用考虑网络网速快慢的问题。VRML在网上传输的不是无限容量的一帧帧视频图像，而是有限容量的+wrl文件，即只传输描述场景的ASCII码源程序文件，动画帧的生成是在客户端，依靠的是本地主机的性能，与网络无关。(6)VRML具有人工智能性。其智能性主要表现在VRML用时间传感器节点、动画插补器节点、触摸节点及感知节点来感知用户及造型之间的动态交互，进而根据Script节点中的设定，产生预定的反应。Script节点在产生出事件之前进行一些由url域中的程序代码所确定的逻辑处理。VRML通过Script节点引入Java、JavaScript或VRMLScript语言编写的脚本程序来扩展其功能。Java 与VRML具有很强的互补性：VRML作为Web上种描述交互式虚拟环境的造型语言具有虚拟现实建模的优势，但是VRML毕竟有它的不足之处，比如在数据处理方面，而网络编程语言Java正好可以弥补这一点，两者结合可开发出较为复杂的、交互性强的虚拟三维系统。外部编程接口EAI(External Authoring Interface)使得一个和VRML虚拟场景嵌在同一个网页中的JavaApplet程序运用VRML的事件模型可以访问和控制VRML场景中的节点。21. 2 VRML语言的核心概念虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML实现了三维图形和多媒体的集成，是项包含很多薪概念的技术，涉及有关钓基本概念和名词主要有：节点、域、事件、路由、原型、场景及脚本等。2121节点虚拟场景由对象构成，对象及其属性用节点(node)描述，节点可以有五方面的特征：名称、类型、域、事件和实现。每个节点都属于某种类型， VRML20定义了54种标准节点类型，如Sphere(球面体节点)、Color(颜色节点)、ImageTexture(图像纹理映射节点)、PointLight(点光源节点)、TimeSensor(时间检测器节点)等，用户可以通过原型(prototype)机制定义自己的节点类型来扩充标准节点。节点有零个或多个域(field)，同类型的节点根据域值的不同而不同，如球面体节点Sphere根据半径radius域值的不同决定其大小。节点可理解为高级语言中的函数、子程序、结构体、可视化编程语言中的类或对象，节点的域可理解为高级语言中的变量、数组，数据库中的字段等。每一个节点一般都包括两种事件(event)，即节点接受事件的逻辑接受器入事件(eventln)和产生事件的逻辑输出端出事件(eventOut)。入事件将导致节点状态的改变，出事件报告自身的状态变化。还有一类公共域 (exposedField)是域、入事件和出事件的统一体，它既作为域描述节点，又作为事件入口接受事件以改变自己某个域的值，还能把变动后的值作为出事件送往其它的节点以请求别的节点改变它的某个域值。域和事件也有不同的类型， VRML20定义了20种基本数据类型，这些类型既用于域，也用于事件。域和事件类型分为两种：单值域事件(名称以sF开头)仅包含单个值(可以是单个数值、单个向量，甚至单幅图像)；多值域事件(名称以肝开头)包含多个值组成的列表。具体地，域和事件类型包括：SFBool(单值布尔量)、SFFloat 和MFFloat(浮点值)、SFInt32和MFInt32(32位整数)、SFString和MFString (字符串)、SFVec2f和MFVec2f(2D向量)、SFvec3f和MFVec3f(3D向量)、 SFTime和MFTime(时间值)、SFRotation和MFRotation(绕任意轴的旋转角度值)、SFImage(图像)、SFColor和MFColor(颜色)、SFNode和MFNode(节点)。节点实现包括如下内容：对接受的入事件做何反应，何时产生出事件，以及节点在虚拟场景中的视觉和听觉外观。2122场景图节点按照一定规则构成场景图(Scene Graph)。场景图中有两类节点：第一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象，它们按照层次体系组织起来，反映了场景的空间结构：另一类节点参与事件产生和路由机制，形成路由图(Route Graph)。确定场景随时问的推移如何动态变化。场景图是一种有向无环图：有些节点有SFNode或MFNode域，从而能够包含其它节点。节点之间的包含关系可分为两种：第一种是根据VRML节点的语意觌则通过特定域包含特定节点而形成的层次关系，例如，Shape节点的geometry 域和appearance域都是SFNode类型，appearance域可以而且只能包含Appearance节点，geometry域可以包含任意几何节点，也只能包含几何节点； 第二种层次关系是用编组节点(Grouping Node)把一组子节点组织起来，从而形成父子关系，这种层次关系体现的是创作者的组织意图，如把一间房屋当作一个整体来看待就形成一个编组节点，它可以由房屋框架节点、门窗节点和屋内的各家具节点组合而成。Anchor(锚节点)、BilIboard(布告牌节点)、 Collision(碰撞节点)、Group(组节点)、Inline(内联节点)、LOD(细节层次节点)、Switch(开关节点)和Transform(变换节点)都属于编组节点，它们都有一个类型为MFNode的子节点域children，children域可以包含任意个节点。2123事件体系节点是由域和事件组成的，其中域的取值决定了节点的不同状态，从而决定了场景的当前状态，事件则为节点提供了接收外界消息以及向外界发送消息的能力。节点通过入事件eventIn接收事件，引起节点域值(场景)的改变， 通过出事件eventOut发出事件，一个节点的事件出口和另一个节点的事件入口之间用于传递事件的通路称为路由(route)，通过路由联系起来的节点形成事件体系。事件体系是场景图除节点层次体系之外的另基本组成部分，通过事件体系，事件得以蔓延传播而引起节点域的变化，即动态改变场景。VRML事件体系执行流程如图23所示11VRML的交互与动画执行都是由事件驱动的。产生事件的最初原因是环境变化、用户交互或时间的推移，检测器节点能够检测到这种变化并通过路由发送到场景中其它节点的入事件域并被目标节点处理，这种处理可能改变节点域值， 产生其它事件，或者修改场景图的结构，从而为场景提供了动态性。如触摸节点的鼠标单击事件传递到位置插於器节点产生关键值位置变换动画，也可以传递到Script节点由脚本程序进行运算处理，Script节点收到事件后将执行相应函数，也可以通过Script节点的URL域引入Java程序(即)class 文件)进行事件处理。节点响应事件后的处理结果作为出事件通过路由继续传递到其它需要的节点。由外部程序接口写入的直接事件不需要路由图传递，但它应该有读取节点出事件域数据的接口。2124节点的定义和重用为了提高VRML编程效率，减少VRML虚拟场景源程序代码的编写量，对重复的节点或多个同样的造型在场景中多次出现时，可以为节点定义一个名称， 然后在本文件的后面就可用定义的名称重复引用该节点，从而使程序编写简练， 减少程序代码的重复和冗余。重定义语法节点的语法格式为： DEF节点名节点类型 VRML语句引用重定义节点的语法格式为：USE节点名节点名可以由大小写字母、数字和下划线组成，但是不要使用与VRML保留字相同的节点名；节点名区分大小写：不能以数字开头；不能带有非印刷的ASCII 字符：不能包括单引号、双引号、数学运算符号、逗号、旬号、各种括号、英镑符号等。22 VRML浏览器及VRML开发工具和HTML一样，VRML虚拟场景源程序文件也是由网络传输，浏览器解释、执行和呈现的，只不过VRML源程序文件在浏览器上产生的不是静态的平面结构， 而是动态的立体场景，支持VRML文件的浏览器常见的有Microsoft VRML浏览器、ParallelGraphics公司的Cortona VRML Client浏览器、SGI公司的Cosmo Player浏览器、Blaxxun公司的Blaxxun Contact等。VRML源程序文件是由ASCII码写成的，编写源程序代码可以用任何文本编辑器，如Windows下的NotePad，Dos下的Edit，也可以用VRML的专用编辑器， 如Internet 3D Space Buiider、Cosmo World等，其中尤以VrmlPad编辑器的功能最为强大，它的主要特点包括：可编辑本地和网络上的远程文件；支持高级查找、使用书签、分色显示、自动侦错、语法提示等编辑功能；采用树形结构显示场景结构，提供文件列表功能，方便开发者管理系统目录；支持在浏览器中对场景的预览，有功能强大的软件发布向导；可以处理和执行用其它语言编写的外部应用程序等。但要把复杂场景中不同模型的位置数据和VRML立体空间坐标系对应起来，是很烦琐的，为了克服这一缺点，现在已经有很多专业的 3D图形软件公司，推出了在其三维图形环境下对VRML的支持，在这些环境下制作的3D模型可以直接输出为$wrl格式的文件，比如3DS Max。3DS Max全面支持VRML97，在模型建立、材质设置、动画设计、灯光及相机架设等方面3DS Max 都有较强的功能，因此能输出相当好的VRML模型。图24是在3DS Max中建立的室内虚拟场景输出为木wrl格式的文件后用VRML浏览器打开进行动态观察的一个画面。23 3DS MAX建立VRML建筑虚拟场景3DS MAX是世界上最优秀的专业级三维模型和动画制作软件，利用它强大的建模、动画和渲染功能，可以在虚拟的三维场景中创建出各式各样的精美三维模型。正因为其功能强大、使用简便等特点，3DS MAX已经广泛地应用于产品模型展示、影视特效、三维角色动画、游戏开发、室内外建筑效果图设计等诸多领域。建筑效果图是现代社会精彩瞬间的缩影，一幅好的建筑效果图不仅具有广泛的使用价值，还具有较高的艺术价值。制作出一幅好的效果图，需要有丰富的空间想象力，较高的艺术造诣以及对结构、透视、色彩、材质、灯光等方面的综合运用能力。但是效果图也有其局限性，由于它只是在平面上运用透视的原理对建筑物进行立体化、静态地展示，因而只能展示建筑物某个视点的效果， 无法完整地、动态地、全面地展示整个项目的全貌和周围环境，对于一些大型的项目和复杂的建筑，建筑效果图的表现力就显得很苍白。因此随着建筑行业的快速发展，建筑动画今后将成为建筑表现发展的方向19。与效果图相比，建筑动画突破了空间的束缚，使建筑物的展示由静态变成了动态，还可配上与建筑环境相协调的背景音乐和解说词，让浏览者在观赏建筑虚拟场景时产生亲临其境的感觉。可是，利用建筑动画来现建筑项目仍非尽善尽美，它最大的缺点就是浏览路径单一，并且都是事先设定好的，浏览者只能按照这个设定好的路径进行被动浏览，观察视野十分局限，不能让浏览者真正进入到建筑虚拟场景中去，和在现实生活中一样任意漫游；浏览者和建筑虚拟场景中的对象之间不存在交互行为，不能实时、动态地操作场景中的物体(如开门、关灯等)以改变场景当前的显示状态。在3DS MAX中建立建筑虚拟场景的数字化模型后，将文件导出为wr的格式，利用VINL虚拟现实技术对此建筑虚拟场景进行修改、控制和拓展，可有效地解决3DS MAX建筑动画中那些不理想的因素，浏览者完全可以根据自己的意愿，利用鼠标在VRML建筑虚拟场景中任意漫游，可视场景会随视点的变化而变化；浏览者还可进入虚拟场景中，与场景中的对象进行实时交互，从而实现真正的互动，浏览者的视、听、触等所有感觉都和现实中的完全一样，继而产生一种真正的身临其境的感觉。随着时代的进步、生活水平的日益提高，所以人们期望有一个更加舒适、更加健康、更加文明的人居环境，这就要求设计者在开发房地产项目的时候， 运用人体工程学(Human Engineering)的原理，注重细节和人性化的设计，让住宅设计更符合住户的要求。人体工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素，研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和闲暇时间内怎样统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适的科学14.运用人体工程学的目的，是为了设计出使用者操作方便，符合人体结构，不易疲倦的用具。因此，设计者在设计建筑场景的空间模型时，应该根据客观掌握的人体尺度、四肢活动的范围大小来确定模型的尺寸大小，使居住在其中的人在进行某项操作时，能承受负荷及由此产生的生理和心理变化。在3DS MAX中建立VRML建筑虚拟场景的步骤为： (1)读懂设计图纸，根据施工平面图、立面图，搞清设计意图。(2)按照设计图纸的要求，在AutoCAD、3DS MAX中按一般制作三维动画模型的方法对要创建的虚拟现实对象建模。对于门窗等部件，可以直接调用3DS MAX6自带的集成化建筑模块模型，如AEC Extended、Stairs、Doors和Windows 等?将建造的各个模型按照图纸的要求，在3DS MAX场景中进行移动、旋转、缩放等处理，还可以将外部模型导入当前场景中，最终将所有构件整合在一起。(3)为各个模型赋予材质，要求整体材质应该有一个主基色调，尽量避免大面积对比色的情况出现【81。增加、修改场景中的灯光设置，使整个场景能表现出比较好的立体感和层次感。建立摄像机，通过摄像机的取景角度，从各种视角观察模型和场景。(4)3DS MAX自带了VRML节点工具，如图24所示。在Create面板中，选择Helpers工具，在下面的下拉列表框中选取VRML97，利用VRMLHelper工具为场景增加Actions动作和Triggers触发器，同时对场景作相应的改动。按钮PickAction Obiects的作用是将设置好动画的物体添加到场景中，当替身进入到感应器节点设定的范围时，物体的动画就会被激活；按钮Pick Trigger Object 的作用是设定触发动画的开关物体。在VRML97面板上列出了12个辅助工具， 其中比较常用的包括Anchor、TouchSensor、TimeSensor、Fog和LOD等。Anchor 工具可以使场景中的对象与另一个uRL链接，类似于HTML文档的超级链接。 TouchSensor是浏览者与虚拟对象相接触型传感器节点，它创建了个检测用户动作并将其转化后输出，以触发一个动画的检测器。这个动画是事件驱动的交互式动画。(5)将建筑虚拟场景数字化模型输出为$，wrl格式的文件。打开file菜单， 选择Export.命令，进入导出文件对话框，如图25所示。在该对话框中将导出文件类型设为vrml97($wrl)，单击“保存”按钮后，进入VRML97 Exporter 导出设置对话框，在这个对话框中设置导出的VRML文件的环境选项，如初始视点、向导信息、背景、雾化效果等等。必须