虚拟现实VRML技术.docx

虚拟现实VRML技术摘 要: 虚拟现实技术是利用计算机的图形环境和电子技术外设产生逼真的视、听、触、力等伪物质三维感觉环境。本文简要介绍了虚拟现实VRML技术的概念、技术特征，并讨论了虚拟现实VRML技术在先进制造业中的应用。关键词: 计算机；虚拟现实；VRML 引言虚拟现实(Viamal Reality)技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，是一种新的人一机界面形式。它追求的是将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成了人处于计算机创造的人工环境中。用户借助物定装备(如数据手套、头盔等)以自然方式与虚拟环境交互作用、相互影响，从而获得与真实世界等同的感受以及在现实世界中难以经历的体验。1 VRML的概念VRML (Virtral Reality Modeling Language)是虚拟现实造型语言的缩写形式。它是描述虚拟场景的一种标准。它定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、试点、几何、动画、雾、材料特性和纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能。虚拟现实VRML技术（简称VR技术）是在Internet、Intranet或本地构造3D对象的语言，提供了完整的3D图形和多媒体的交互功能。它采用SGI（silicon graphyicsinc）公司的 OPen Inventer ASCll文件格式作为语言的基础。VRML的主要目的是为了在计算机网络中建造一个虚拟的三维世界，使信息的表现形式更加生动，给人以身临其境的感觉。其最新版本VRML 2.0增加了支持动画虚拟世界的功能，其结构与 1.0版本有较大区别，现在使用的都是VRML 2.0版本。设计VRML的一个主要目标就是保证它成为多个虚拟现实系统或其组成部分间有效的三维文件交换格式，并且，这些虚拟现实系统或其组成部分可分布在网络的不同计算机处。2 VRML的发展历史1994年5月。在瑞士日内瓦召开的万维网(www)会议上。Mark Pesos和Tony Parisi在会上介绍了他们开发的可在万维网上运行的虚拟现实界面。这时，由一个情趣相投者联谊会BOF马上产生强烈的反响，决定开发一种场景描述语言。它可以连通Web网。VRML这个词就是在BOF的会议上造出来的。 1994年10月在芝加哥(Chicago)召开的第二次WWW会议上公布V1LML10的规范草案。主要的功能是完成静态的3D场景，代写硕士论文以及与HTML链接的功能和措施。另一位SGI的原Open Inventor的设计师Paul SsiaLt88开始作一个VRML公共域(publicdomain)的词解程序(Parser)，当时流行于业界的名字叫Qmb 1995年秋。SGI进一步推出了WebSpace Author(供创作的程序)。这是一种Web创作工具，可在场景内交互地摆放物体，并改进了场景的功能，还可用于发表VRML文件。 1996年初。VRML委员会审阅并讨论了若干个VRML 20版本的建议方案，其中有SGI的动态境界(Mov-iIlg Worlds)提案、太阳微系统(Sun Microsystem)的全息网(Holl Web)、微软公司(Mi )的能动VRML(Active、VRML)、苹果公司(Apple)的超世界(Out of the woad)，以及其他多种提案。结果，Moving Worlds以70选票赢得了绝对多数。1996年3月，VGA(、VRML设计小组)决定将这个方案改造成为VRML 20。 1996年8月，VRML20在新奥尔良(New Orleans)的SIGGRAPH96会议上公布。 1998年发表中文国家标准。2002年8月，升级版本X3D通过国际标准。3 国内外近期研究状况3.1 国外研究现状美国是虚拟现实(VR)技术的发源地，美国的研究技术的水平实际上代表着国际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。日本也是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。下面就这些方面的发展情况做一综述。美国宇航局（NASA）的Ames实验室完善了头盔显示器，并将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点是对空间站操纵的实时仿真，大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的，大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR议练系统，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研究最早最著名的大学。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。麻省理工学院（MIT）是一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT原来就是研究人工智能、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MIT 建设了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验，利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab）在新概念的研究中起着领先作用，同对也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域，例如波音公司的V22运输机，就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。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VR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。设计车辆的过程中，各种部件都可以共享一个虚拟环境，并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向。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。这样，产品在生产之前就可以估算和测试，并且大大地提高了产品质量。NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。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。富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟主物与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。3.2 国内研究状况与一些发达国家相比，我国VR技术尚存在一定的差距。近年来，国家有关部门和科学家高度重视该项技术，根据我国国情，制定了开展VR技术的研究。例如：“九五”规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目，紧跟国际新技术的潮流，使国内一些重点院校（如下），积极投入到了这一领域的研究工作中。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，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，虚拟现实演示环境，用于飞行员训练的虚拟现实系统，开发虚拟现实应用系统的开发平台，并实现与有关单位的远程连接；在利用虚拟现实技术进行装备的维修训练中进行了研究，在这方面河北石家庄军械学院、武汉大学也进行了研究。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，该系统采用了层面迭加的绘制技求和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们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。哈尔滨工业大学计算机系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，并正在研究人说话时头势和手势的动作，话音和语调的向步等。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，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。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。并在产品设计和制造过程的计算机仿真方面做了进一步研究。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。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。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。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处埋，完成了VR图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库。中科院地理所对三维动态交互地图可视化进行了深入实践，河海大学探讨了利用VRML技术从数字等高线生成三维地貌的一种格网方法。从数字等高线中按格网提取高程点信息，并使用 VRMI生成三维地貌，并编写了MIF MID文件格式的数字等高线生成三维地貌的程序。国防科技大学、郑州信息工程大学在这方面研究也取得了进展。研究将虚拟现实技术应用于各类学科的教学实验中的有：西安电子科技大学、厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室、河北师范大学、首都医科大学、西安外国语学院、湖南农业大学、研究将虚拟现实技术应用于工程模型设计、虚拟装配、虚拟制造、运动仿真中的有：清华大学、浙江大学、山东大学、深圳大学、大连铁道学院、温州大学、南京理工大学、成都电子科技大学、吉林工学院、西南科技大学等。4 VRML的特点、关键技术及实现过程4.1 VRML技术特点VRML具有以下特点，使其在需要进行实时三维交互的领域有广阔的用途。（1）平台独立性：当今的Internet是异构型网络，各个厂家的各个机器都连在上面，因此，如果一种语言对各种机器没有统一的运行机制，显然是不适合Internet的。VRML成功地解决了这个问题，它提出了一种新思路，即基于文件的运行机制。用该语言编制的程序不必经过任何的编译、连接等处理，当要显示虚拟场景时，文件从网络实时传输过来，由浏览器对该文件进行分析显示。也就是说只要机器配备了VRML浏览器，就可以浏览从网络上传输过来的虚拟场景。（2）低带宽要求：由于Internet的负荷很重，因此如何在低带宽情况下很好地工作，成为一个突出的问题。VRML充分考虑了网络的优化问题：首先在文件格式的设计上，VRML文件本身是ASCll码格式的文本文件，产生的文件只占很小的存储空间，同样一个场景文件的长度远远小于其它格式的文件（如使用3DMAX构造的三维场景），所以在网络带宽有限的条件下，它更加适合于在计算机网络上进行传播，最后的场景由浏览器来产生，从而把网络的负担转移到机器的本地处理上。其次，一个大的场景被分解为许多文件（可以细到一个物体用一个文件），因此，一般来说文件较小，并且可以时实时去取，免去了不必要的网络传输，也使访问的时间减到最少。（3）灵活高效地创建三维场景：VRML由各种不同类型的节点组成，采用符合规范VRML的字符对节点的功能进行描述，然后将这些节点按照特定的场景图层次进行组合，形成ASCll文本格式的源文件。因为VRML是WWW上的模拟，所以VRML源文件能被VRML浏览器解释执行，从而在浏览器中显示所构造的3D场景，而用典型的程序语言设计的方法（如OpenGL）来建立空间则要复杂许多。因此，利用VRML的节点描述场景图层次的方法来构造3D虚拟空间具有灵活高效的特性。（4）基于事件的交互：VRML允许用户的行为能够实时作用于场景，用户不仅可以在场景中随意漫步，还可以随时启动一个事件，比如：碰到一个物体，发出巨大的碰撞声；遇到一个门，亲自把它打开；旋转灯钮来控制灯光的亮度等等。这种人机交互是建立在事件的基础上的。它还支持多媒体，包括3D声音和各种格式的音频、视频以及动画等。（5）结构化: VRML的元素具有良好的界面和描述简单的语法。（6）可重组: 用VRML生成的图形元素可被重复使用。（7）易扩展: VRML不仅为JavaScript、Java等语言提供了调用的接口，还可以让开发者定义自已的节点类型，为实现复杂多交互性的虚拟现实系统奠定了基础。4.2 关键技术应用虚拟现实技术关键在于软硬件开发工具的选取；实体建模；建立信息库；动态交互设计；部件的切换与细化；嵌入网页，实现网上浏览。4.3 实现过程使用VRML构建三维实体及进行系统功能设计主要用以下方法步骤来实现：（1）实体模型构建。VRML中的造型具有几何尺寸和外观，两者由一个Shape节点定义,这些特征定义了创建和放置在虚拟空间中的造型。一个造型的确切几何尺寸和外观由给定节点和节点域的选择值控制,造型的外观由Appearance和Material节点来描述。VRML提供了Sphere、Box、cylinder， Cone四种原始几何造型，任何复杂的物体都可以由这四种原始几何造型构成。形状特殊的物体也可以用3D成型软件构建，然后转化为VRML格式，经过处理后参与整体的组合。（2）动态的实现。以上构造出的场景只是静态不动的，为了使构造出来的VRML场景更接近于现实，体现其强大的交互性，必须通过编程实现VRML造型的动画功能，必要时可结合Javascript或Java共同参与其交互功能。（3）动态画面的切换与细化。为了观察的需要，画面的切换与细化是非常重要的，切换与细化是指在整体的效果图中可以按照观察者的意愿，点击其中某个部件，就可看到更细致、完整的部件效果图。5 虚拟现实技术的发展趋势随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面： (1)动态环境建模技术 虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。 (2)实时三维图形生成和显示技术 三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术(3)适人化、智能化人机交互设备的研制 虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果 (4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用 网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象(实体)之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境6 虚拟现实技术在先进制造业中的应用虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)在先进制造业中的主要应用包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造是以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持的一种新的制造技术，在产品设计或制造系统的物理实现之前就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而做出前瞻性的决策和优化实施方案。虚拟制造为企业带来好处很多：在实际生产前，生成的软产品原型(Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，在不消耗资源和能量的情况下，验证生产方案；工程技术人员可以直接对设计出的产品进行试加工，进行各项实验，检查产品各方面的技术性能等一系列的验证工作；对生产的组织和进度安排进行实验，建立合理的进度表等。虚拟制造大大降低了生产成本，减少了新产品开发的投资，缩短了产品开发周期，提高了系统快速响应市场变化的能力，因此受到了广泛的重视。虚拟制造技术将从根本上改变设计、试制、修改、规模生产的传统制造模式，使制造业步入更经济，更快捷，更高效的发展模式。虚拟制造不仅是制造业发展的一次革新，而且也是建模与仿真技术自身的一次飞跃。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，使产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业功能上的不完整性，地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化，组织的虚拟化、地域的虚拟化。复杂系统的虚拟现实仿真作为虚拟制造的重要组成部分，其功能是构建三维静态模型，并根据生产计划实现离散事件仿真。VRML技术应用于先进制造的实现过程可分为以下两步：（1）三维场景建模建立三维场景模型时，采用了由小到大的做法，先将整个系统事先规划成若干个部分，对于其中复杂部分通过Box、Cylinder、Sphere、Cone基本形体节点和Extrusion、IndexedFaceSet等生成复杂形体的节点进行分别实现，按照规划存入不同的文件中,最后根据各运动部件的连接关系。在一个主文件里将组成系统的简单部分直接编程实现，复杂部分用Inline节点组合在一起，就可以成为整体的三维场景模型。（2）复杂系统的虚拟现实仿真技术利用虚拟现实建模语言VRML构建复杂系统的三维场景后，可以通过PlaneSensor 、CylinderSensor 、SphereSensor等节点确定各部分机构的运动自由度和范围，通过位置插补器节点PositionInterpolator、方向插补器节点Orientatationlnterpolator和坐标插补器节点Coordinatelnterpolator进行线性插值来设计动态过程。还可以利用Java语言与Script脚本节点结合来扩充VRML的功能，实现复杂动作虚拟。其中，仿真过程的触发行为以及事件之间的连接回路是通过触摸传感器节点TouchSensor、时间传感器节点TimeSensor和ROUTE语句实现的，ROUTE语句对出事件和入事件进行了有