基于Web的三维实体模型库实现技术研究（部分供参考）.doc

基于Web的三维实体模型库实现技术研究（部分供参考）摘要:在介绍了基于Web的三维建模技术(虚拟现实建模语言)特色功能及关键技术的基础上,采用虚拟现实建模技术与第三方工具软件相结合的方法,设计并实现了基于网络的三维实体模型库.关键词:三维建模;虚拟现实语言;WebStudy on The Implement of Web-based 3D Modeling TechniqueLiu Bin,Wu Xue(College of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Technology andBusiness University, Beijing 100037, China)Abstract: The paper introduced the function and key technique of VRML(Virtual Reality Modeling Language),VRML program and other 3D modeling technique are applied to develop virtual reality model database .Key words: 3d modeling ; vrml; web0 引言随着多媒体辅助教学在高等工科教育领域中的广泛应用,形象生动的计算机三维模型与三维动画,已经取代了传统挂图和模型,成为培养学生空间构形和创新能力的重要辅助手段.但是,这些模型与动画通常是由软件设计者根据教学演示要求事先设定的,学习者只是被动地接受知识,不能进行实时交互以发挥其主观能动性.另外,这些图形与动画文件很大,网上传递速度较慢,难以适应网络教学和网络学习的发展需求,因此,引入一种灵活、简单、易于网络传输、具有良好人机交互的三维建模技术,建立基于网络教学的模型库,不但能够丰富工科教学的辅助手段,而且能为学习者构建一个良好的参与式网络学习平台.1 基于Web的三维建模技术1.1 VRML简介虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种与操作平台无关的描述可交互三维世界和对象的三维建模语言,是基于网络的三维建模技术,是以虚拟现实为特征的3Dweb技术的核心.它能够把三维、二维、文本和多媒体集成为统一的整体,与因特网的功能结合起来,产生一种全新的交互式应用.VRML具有以下特点:(1)可交互性.VRML提供了丰富的接口用于接收输入操作和浏览通信,VRML的事件传递及可编程使其具有人机交互性,即用户希望的时候可以控制各个对象,改变其运行方向和结果,真正参与到整个过程中.(2)平台独立性.VRML编写的文件可在任何平台上运行,它不需要先行编译便可直接在浏览器上展示出结果.(3)支持多媒体.VRML支持包括3D声音和各种格式的音频、视频和动画,利用这些特征,可使自己的虚拟世界更加逼真.(4)结构化.VRML的元素具有良好的界面和描述简单的语法.(5)可扩展性.VRML支持用户自定义的节点,并为Javascript、Java等语言提供了调用接口.(6)低带宽要求.VRML传输的是描述三维世界的指令代码,而不是渲染后的场景,因而大大节省了网络带宽,同时充分发挥了客户机端强大的处理能力.(7)增强的静态场景.VRML2.0中一些新增的特征使场景更为真实.VRML利用类似于HTML标记文本语言来描述三维场景,经由网络传输,在客户机浏览器上动态地生成虚拟场景,为学习者提供一个动态、实时和交互的三维虚拟学习场景.通过主动参与三维虚拟学习环境,学生可以全方面、多角度观察模型,提高学习兴趣,极大调动学习能动性.1.2 VRML的构成节点是VRML文件最基本的要素,VRML文件就是由许多节点层层嵌套而构成的,每个节点都是由域组成的,域定义了节点的各个属性,域值指定了场景的特征.节点类型可以是系统提供的基本类型,也可以由用户自定义类型.VRML文件是由文件头、脚本、造型、路由等部分组成的,其中文件头是每一个VRML文件所必须的.2 基于Web的三维建模实现2.1 创建三维模型利用VRML技术创建三维模型可以通过以下几种方式实现.2.1.1 VRML编程建模用VRML直接编程来构建场景模型比较简洁,较适合用来建立形状相对简单的模型,但是当模型结构复杂时,手工编程则比较困难.例如,下面这段程序就是用VRML语言编程创建的一个半径为3的球体的源代码.#VRML V2.0 utf8Shape appearance Appearance material Material geometry Sphere radius 32.1.2 借用第三方3D造型软件建模在构造复杂结构的模型对象时,用VRML直接编程效率较低,我们就可以采用第三方3D造型软件与VRML相结合的方法:用任何一种三维造型软件AutoCAD、Autodesk Inventor或SolidEdge建立三维实体模型,将建好的模型文件输入至3DSMAX中(也可用3DMAX直接造型),在3DMAX中进行效果处理,然后利用3DSMAX提供的VRML接口输出为VRML模型.用该方法创建的VRML实体模型如图1示.2.1.3 利用Matlab进行VRML建模利用Matlab软件提供的虚拟现实创建工具创建模型.运行Matlab提供的vrbuild2编辑器,在vrbuild2环境下可以方便快捷地进行VRML建模.其特点是:采用可视化的三维建模方式,而且可以同时对VRML源代码进行编辑和修改,虚拟场景的设置能即时地反映在模型窗口中.另外还可以利用Matlab提供的工具箱进行机构仿真.用vrbuild2编辑器进行VRML建模如图2所示.图2 利用Matlab进行VRML建模2.2 实现动态交互完成VRML建模后,还需要对虚拟现实场景的进行构建和修改,包括:交互功能的设计,空间视点的设置,浏览方式的设计.2.2.1交互功能的设计为了能够模拟现实世界,虚拟现实场景中VRML模型需对用户参与的动作做出各种反应,这种功能称为交互性.虚拟现实技术的交互功能通过对传感器节点的设置来实现.VRML提供了9种传感器节点,其作用是检测用户的行为,提供交互能力和动态反应行为,满足用户与计算机之间真正的交互,使用户能随心所欲地操纵、控制VRML环境中的物体.以图3、图4中螺纹装配为例,当用户鼠标移至被连接件处,三维模型的反应动作为自动完成螺栓的装配连接.对时间传感器节点TimeSensor、接触传感器节点TouchSensor进行设置,并路由语句Route创建基于鼠标点击的动画,通过鼠标的点击实现动画的播放与控制,根据用户需求进行相应动作.图3 模型初始状态 图4 交互操作完成螺纹装配2.2.2空间视点的设置Viewpoint节点能对虚拟世界中浏览者的空间视点进行有效的控制.通过Viewpoint节点在虚拟世界中预先设置适当的空间视点,用户能够对虚拟模型有一个总体了解,切换观察视点就可以浏览模型各个侧面的形状.如图3虚拟环境中,使用了四个Viewpoint节点,分别为front、top、left和front-left,分别表示了主视图、俯视图、左视图、立体图.下面就是对空间视点设置的部分源代码:Viewpoint position 0.0 0.0 200.0description front,Viewpoint position -135.0 0.0 0.0description leftorientation 0.0 1.0 0.0 -1.57利用VRML编辑器可以对空间视点的位置、朝向、视野范围等参数进行修改,但不能实时显示结果,难以掌握.通过在3DMAX软件或Matlab提供vrbuild2编辑器来进行视点的设置和编辑,则可实时显示,并且操作方便.2.2.3浏览方式的设计用户观看虚拟现实模型时,需要借助于浏览器,如cosmoplayer、live3D等.比较常用的是cosmoplayer.当浏览者通过VRML浏览器来观看这些模型时,其实就是在模拟一个真实的人在这个虚拟世界中进行移动、观察.在VRML虚拟世界中,浏览方式有WALK、FLY、EXAMINE、NONE四种.NavigationInfo节点可以对浏览方式的各个参数进行设置,从而对浏览方式、速度等进行有效的控制.3 结束语将VRML建模技术应用于网络三维模型库建设,创建基于Web的三维虚拟现实空间,为学习者提供一个具有良好交互功能的网络学习环境,可以极大地促进高等工科教育如工程图学课程的教与学.如果将VRML建模技术与其它软件相结合,还可以完成基于网络的产品展示、虚拟装配、机构仿真等功能,不但能够成为很好的教学辅助手段,更可以为公司、企业产品研发、生产和销售提供设计、展示平台.参考文献:冯相忠,高禹,王萍.用VRML构建基于Internet的虚拟小区建筑环境J.计算机应用, 2005.12:274.冯开平,左宗义.基于Web的虚拟现实图学教育软件的