开题报告--基于VRML虚拟现实技术的建筑物.doc

本科毕业设计开题报告 题 目： 基于VRML虚拟现实技术的建筑物 漫游系统的设计与实现 专 题： 院 （系）： 计算机科学与技术 班 级： 计算机 053 姓 名： 梁 浩 学 号： 0508010323 指导教师： 才智 教师职称： 讲师 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目基于VRML虚拟现实技术的建筑物漫游系统的设计与实现来源科研立项1、研究目的和意义此设计拓展于我在学校期间的科研立项3D-GIS地理漫游系统，由此设计出以虚拟现实建模语言（VRML）技术为基础来描述的网上虚拟现实漫游系统，具有如下优势：（1）极近真实的表达效果之所以称之为虚拟现实，就是利用先进的软件技术把未来若干年才能建成或制造出来的产品提前利用虚拟技术表现，用户可通过电脑显示荧屏看到外来的建筑或产品。较之以往的三维技术，虚拟现实实现了观看过程中的可控性。用户可以通过键盘、鼠标、等辅助设施直观的进入未来的场景，随心所欲的遨游在虚拟世界中。（2）高真实感实时画面光影是三维场景是否具有真实感的最重要因素，因此对于光影的处理是虚拟现实的核心技术之一。（3）运用方面广泛VRP可运用在房地产开发、城市规划、 机械设计等众多方面。在房地产开发方面：利用虚拟现实技术代替普通沙盘，销售人员不必再在一个庞大的沙盘上指指点点的卖房子，通过电脑现实荧屏，业主们可以通过简单的操作，提前在未来的小区里游览参观。虚拟现实制作的样板间犹如真实环境的再现，业主可以很直观的感受到自己即将购置房产的实地情况及周遍环境，宣传的效果更直接更有效。在城市规划方面：与房地产方面的表现形式基本相同，但更加注重道路网络，绿化环境等方面对于城市发展，招商引资都有可重要意义。在机械设计制造方面：通常一部大型机械产品生产之前，都经过了长期的科研试验，从立项到投产通常是一个长的周期甚至会产生巨大的投资。生产研发的目的是为了销售。 （4）技术主要针对领域：房地产开发商、城市规划部门、设计院、大型机械研发制造企业、各大学的规划建设、城市规划：数字城市/三维电子地图、房地产：建筑设计/地产演示/场馆展示、室内设计：虚拟样板房/虚拟装修、家电：Web3d/产品/静物展示、文物保护：虚拟旅游/古迹复原、工业：工控仿真/设备管理/虚拟装配、交通：道路桥梁设计/交通仿真、游戏：角色。场景制作、军事：电子沙盘/虚拟战场、地理：气候/植被/水利模拟、教育：立体几何教学虚拟演播室场景制作通过VRML（Virtual Reality Modeling Language）与现有的强大的动态网页的语言以及相关脚本语言的设计来描述交互式三维空间的虚拟现实建模。借助它可以建造虚拟的房间、建筑物、城市甚至星球等现实中的和想象中的事物；可以使用和编写多种程序来控制虚拟空间，赋予浏览者和虚拟空间进行交互的能力，基于此虚拟现实技术在未来会具有更广阔的现实意义。2、国内外发展情况(文献综述)从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。 1）各国虚拟现实技术的研究及应用情况：美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。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。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(vPE)的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。英国在VR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，英国是领先的，尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR技术研究的中心：Windustries(工业集团公司)，是国际VR界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace正在利用VR技术设计高级战斗机座舱；Dimension International，是桌面VR的先驱。该公司生产了一系列的商业VR软件包，都命名为Superscape；Divison LTD公司在开发VISION、Pro Vision和supervision系统模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技术。 日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。京都的先进电子通信研究所(ATR)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；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。日 本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系：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方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。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，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；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；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度；北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。在2000年6月世界web3D协会发布了VRML2000国际标准（草案），2000年9月又发布了VRML2000国际标准（草案修订版）。预计将在2002年，正式发表X3D标准。及相关3D浏览器。由此，虚拟现实技术进入了一个崭新的发展时代。Wed3D协会其组织包括各种97家会员公司。主要公司如下： Sun、Sony、Hp、Oracle 、Philips 、3Dlabs 、ATI 、3Dfx 、Autodesk /Discreet、ELSA、Division、MultiGen、Elsa、NASA、Nvidia、France Telecom等等。其中以Blaxxun和ParallelGraphics公司为代表，它们都有各自的VR浏览器插件。并各自开发基于VRML标准的扩展节点功能。使3D的效果，交互性能更加完美。支持MPEG，Mov、Avi等视频文件， Rm等流媒体文件，Wav、Midi、Mp3、Aiff等多种音频文件，Flash动画文件，多种材质效果，支持Nurbs曲线，粒子效果，雾化效果。支持多人的交互环境，VR眼镜等硬件设备。在娱乐、电子商务等领域都有成功的应用。并各自为适应X3D的发展，以X3D为核心，有Blaxxun3D等相关产品。在虚拟场景，尤其是大场景的应用方面，以VRML标准为核心的技术具有独特的优势。3、研究/设计的目标：（1）实现建筑物的建模工作。（2）实现建筑物的实时漫游功能。（3）实现在线2维图标向3维建筑物导航功能。（5）实现建筑物的索引功能。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）： （1）研究/设计方法： 采用国际化的WEB-3D标准语言VRML做建模和漫游的框架，以网络页面标记语言HTML结合ASP、jsp、JAVASCRIPT等开发环境与语言，设计开发示例。 （2）理论分析、实验方法和步骤： 虚拟建筑物的设计目标是通过网络展示具有整体建筑特色的建筑风貌，访问者可以走进建筑群中参观建筑的自然风貌，了解生活场景，在网络上了解区域建筑。结合系统设计需求，通过对虚拟建筑区域的实现方案进行了对比分析。最终方案确定为模块结构化设计：由于区域中的各个建筑对象是通过空间相对位置组织在一起因此在进行整体设计时将道路做为基本参照对象并以此为基础放置其他对象。总体建模设计图见图1图1总体建模设计图 系统实现的具体步骤为：首先根据实际的地理数据(借用原始平面设计图)绘制出场景平面图，并相应构建出虚拟的道路；接着我们对各个建筑楼宇、大门、树木等对象分别建模实现，然后按照场景平面图的位置数据，并以校园道路作为参照，把制作的各个楼宇、校门等其他对象放在相应的位置。最后进行整体组合修正，同时结合相关程序实现相应的交互功能，达到最终效果。模块结构化的设计思路有利于后期的模型修改和完善。同时大大降低了建模的复杂度和系统运行对硬件的要求。5、方案的可行性分析： 使用 Vrml建模的好处是，它是一种在网络环境下描述三维模型空间，能进行交互操作的跨平台、开放式、解释性的语言，用来描述如何在Web页面上显示一个三维场景。由于具有直观、生动、逼真等二维Web页面不可比拟的优点，使用Vrml实现的三维场景展示有广泛的应用。 根据建筑区域规划设计图，结合Vrml、Java和3Dsmax建立了三维虚拟建筑的漫游系统并将其发布在Internet上，可以使浏览者对校园实现网上实时交互浏览，使人获得身临其境的感受。并且模块化的设计相对独立，更有利于维护、修改和移植。系统采用的技术先进、成熟、可靠，是国际标准化的规范，易于扩充和维护，部署方便，便于检索，具有开放性、安全性，系统稳定、寿命长、成本低等特点。因此，基于VRML的虚拟现实建筑物漫游系统在技术上、成本上等各方面都是可以轻松掌控，而且是完全可行的。6、该设计的创新之处场景采用颜色插值来设置背景使其可以减小文件大小，从而减少网上传输的数据量，提高传输速率及漫游效果。而且在一个较大的场景中包含的对象很多，本身就是一个比较完整的特定环境，背景可以简化处理也具有合理性。提供了多种的视点和浏览模式，本系统选择了以飞行的方式进行浏览，这种方式的好处是可以使用户的活动比较自由及随意性，可以从各个角度察看虚拟场景。同时设置了两个视点，一个是真实的等高视点；一个是自由漫游的录像机路径视点7、设计产品的主要用途和应用领域：基于VRML虚拟现实技术的建筑物漫游系统及相关软件的构建，真实逼真的放映了虚拟校园建筑社区。为网络参观者提供了方便、快捷的交流环境，同时也为虚拟城市、虚拟小区等三维建筑楼群的设计和实现提供了有益的参考。8、时间进程2月25日3月23日：查阅资料、熟悉课题内容3月24日4月3日：需求分析及撰写开题报告4月4日4月11日：系统概要设计阶段4月12日4月22日：系统详细设计阶段4月23日5月31日：系统实现6月1日6月5日：系统测试5月10日6月9日：撰写论文6月1日6月10日：整理资料，准备答辩9、参考文献：1黄铁军,柳键.VRML国际标准与应用指南.电子工业出版社.1999.2张旆,杜可亮等.WWW上的虚拟现实技术-VRML语言.电子工业出版社.1998.3张杰.VRML2.0交互式三维图形编程.汕头大学出版社.1999.4石教英虚拟现实基础及实用方法.科学出版社.2000.5剑华，郑红霞，盛辉等基于VRML的虚拟校园中三维景观建模. 计算机应用与软件.2003,6.6赵一鸣，吴署曼，潘志庚等网上3D虚拟商城的设计与实现.系统仿真学报 2003,7.7黄秀常,全秋燕,叶春红.基于VRML的虚拟校园漫游系统J.电脑知识与技术,:228-228.8牛燕明,邓谆谆.VRML与Java编程实例讲解M.北京:中国水利水电出版社