虚拟现实vrml程序设计.ppt

1、VRML 程序设计,一 、虚拟现实技术概述,1.1 虚拟现实 概念 特点 系统基本构成 关键技术 应用 1.2 VRML,Chapter,1,1.1 虚拟现实,虚拟现实的概念 虚拟现实是利用计算机生成一个逼真的视觉、听觉、触觉以及嗅觉等的模拟环境(如飞机驾驶舱、分子结构世界等)，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可通过其感官与这一生成的虚拟实体进行交互沟通，如同与真实的环境直接进行自然交互的技术。这里所谓的“模拟环境”一般是指用计算机生成的有立体感的图形，它可以是某一特定现实环境的表现，也可以是纯粹构想的世界。虚拟现实技术实现的是人所感受到的虚拟幻境，所以钱学森建议把Virtual

2、 Reality的技术叫做“灵境技术”，由它构成的信息处理环境称作“灵境” 。,虚拟现实的特点(3I特性) 第一，虚拟现实技术是通过计算机生成一个非常逼真的实体，逼真要达到三维的视感，甚至还包括听觉、触觉和嗅觉等。这个逼真的实体足以成为“迷惑”人类视觉的虚幻的世界，这种“迷惑”是多方面的，不仅可以看到而且可以听到、触到以及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切。这种感觉是如此的真实，以至于能全方位地浸没在这个虚幻的世界中，这就是虚拟现实的第一个特征，即浸没感（Immersion）或临场参与感。,虚拟现实的特点 第二，虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个动态的、

3、开放的环境，它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）作出响应。如拿起一个虚拟的火炬并打开其开关，推动操纵杆，就可以在虚拟环境中的漫游，甚至还可以用虚拟的手感触到虚拟物体的存在。虚拟现实环境可以通过一些三维传感设备来完成交互动作，这是虚拟现实技术的第二个特征，即交互性（Interaction）。,虚拟现实的特点 第三，虚拟现实不仅仅是一个媒体，一个高级用户界面，它还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，它以详尽的形式反映了设计者的思想。如在盖一座现代化的大厦之前，首先要做的事是对这座大厦的结构做细致的构思，为了使之定量化，还需设计许多图纸。这些图纸反映的是设计者的构思

4、，虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动、强大的多，所以国外有些学者称虚拟现实为放大人们心灵的工具，或人工现实（artifical reality）。这是虚拟现实技术所具有的第三个特征，即思想性（Imagation）。,虚拟现实系统的基本构成,虚拟现实技术的关键技术 （1）动态环境建模技术 （2）实时三维图形生成技术 （3）立体显示和传感器技术 （4）应用系统开发工具 （5）系统集成技术,虚拟现实技术的应用 （1）医学 （2）娱乐、艺术与教育 （3）军事与航天工业 （4）管理工程 简单场景示例如下:,1.2 虚拟现实建模语言VRML,虚拟现实建模语言 （Vi

5、rtual Reality Modeling Language，VRML）是一种基于文本的、在网络上使用的描述三维环境的场景描述语言，是HTML的3D(三维)模拟。它定义了3D应用中大多数常见概念，如光源、视点、动画、雾化、材质属性、纹理映射等。VRML语言的诞生，尤其是新的VRML2.0标准，被称为第二代Web语言，它改变了原来WWW上单调、平面的缺点，将人的行动作为浏览的主体，所有的表现都将随操作者行为而改变。,VRML2.0标准被称为第二代Web语言,VRML的特点 （1）与其它Web技术语言相比，其语法简单、易懂，编辑操作方便，学习相对容易。 （2）VRML具有创建三维造型与场景，并可

6、以实现很好的交互效果。而且可以嵌入Java、JavaScript等程序实现人机交互，从而极大的扩充其表现能力，形成更为逼真的虚拟环境。 （3）具有强大的网络功能，文件容量小，适宜网络传输，并可方便地创建立体网页与网站。 （4）具有多媒体功能，在其程序中可方便地加入声音、图像、动画等多媒体效果。 （5）具有人工智能功能，在VRML中具有感知功能，可以利用各种传感器节点来实现用户与虚拟场景之间的智能交互。 （6）在当前各种浏览器中还不能直接运行，必须安装VRML相关插件才能看到其效果。,二、VRML 的基本知识,2.1 VRML 文件的编辑运行 2.2 一个VRML程序示例 2.3 VRML基本概

7、念,Chapter,2,2.1 VRML 文件的编辑运行,VRML的编辑 VRML是文本文件，它向VRML浏览器发出如何为虚拟空间创建3D造型的指令。使用VRML创建自己的虚拟空间，需要VRML浏览器（例如Windows中IE的组件VRML2.0）和某种字处理器（如记事本）就可以实现了。 在字处理器键入VRML指令。然后，将文本文件存成*.wrl 文件，最后将它装入VRML浏览器，以3D形式查看。为了向空间添加更多东西，返回字处理器，键入其他VRML指令，保存文件，并将它重新读回VRML浏览器。重复上述操作，逐渐创建自己的虚拟空间。 编辑工具推荐VrmlPad,VRML的运行 运行环境要求较低

8、，采用Pentium 4以上的计算机，主频2G以上、内存128M以上、显存64M以上、硬盘10G以上即可 常用的VRML文件浏览器有CortonaPlayer和CosmoPlayer，我们这里使用CortonaPlayer,2.2 VRML程序示例,# VRML V2.0 utf8 DEF qiuti Transform #坐标变换节点 Children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0 1 0 Geometry Sphere radius 1.1 DEF time TimeSensor #时间传感器节点

9、cycleInterval 2.0 loop TRUE DEF bianhua PositionInterpolator #位置插补节点 key 0.0,1.0 keyValue0 0 -10 0 0 6 ROUTE time.fraction_changed TO bianhua.set_fraction #路由 ROUTE bianhua.value_changed TO qiuti.set_translation #路由,注意事项： vrml文件区分大小写 vrml文件的语法结构。一个实用的vrml文件一般由文件头，节点和路由组成 vrml文件实际上是众多节点的组合。一个节点由节点名和一

10、对花括号组成，花括号内可以有多条语句。路由语句根据需要可以有多个。一个最基本的vrml文件处必需的文件头外，可以没有路由语句，但至少应包含一个节点。 文件头中的utf8表示文件使用的UTF-8字符集。计算机中使用的ASCII字符集是UTF-8字符集的子集。,2.3 VRML基本概念,文件头 VRML文件中的第一行#VRML V2.0 utf8，这是VRML文件头，任何VRML文件都必须有这样的文件头，并且必须放在第一行，它表述了以下三个含义： （1）# 这个#不是注释，而是VRML文件的一个部分； （2）VRML表示告诉浏览器，这是个vrml文件； （3）V2.0表示告诉浏览器，这个文件使用v

11、rml2.0版的规范完成； （4）utf8表示文件是使用国际UTF-8的字符集。,域 可理解为其他高级语言中的“变量”。 分为两种：普通域，公共域。如上例中radius是普通域，diffuseColor，cycleInterval，loop，key，keyValue为公共域，children也为公共域。 VRML的空间坐标与计量单位 在构建虚拟场景中，构成场景的造型有大小的差别，物体间有相对位置的不同，并且造型还会有旋转、移动等运动。这就涉及到物体的空间坐标系、相应的长度、角度及颜色等。在VRML中，采用空间直角坐标系确定造型的位置，并且用特定的计量单位定量表示长度。,1.VRML空间坐标系

12、在VRML场景中，空间直角坐标满足右手螺旋法则，就是说，右手四指从X方向转到Y方向，则拇指的指向是Z方向。在默认情况下， X坐标向右为正；Y坐标向上为正；而Z坐标指向观察者，如图所示。,2.VRML长度单位 长度及坐标的计量单位采用VRML单位计量，在三维空间中，它是统一的，简称为单位。需要注意的是，这里表示的单位和实际环境中的计量没有任何可比性，和一些三维建模软件如3DSMAX的计量单位也没有可比性。在VRML场景中，只有物体间的大小和相对位置都用VRML单位计量，才能模拟出真实的现实。 3.VRML角度单位 在VRML中，使用的角度不是普通的角度，而是用弧度表示，这是浏览器接受的角度描述。

13、当在VRML中使用角度单位中，要先将其换算成弧度后，再将其写入到VRML源程序中。VRML中的360角度等于2弧度，由此，1弧度约等于57。 4.空间立体着色 在VRML三维空间中，无论是背景、光线的颜色、物体，它们的颜色都是由红、绿、蓝（RGB）组合而成，它们分别对应3个浮点数，其域值为0.0-1.0之间，由这三原色组合成各种颜色。,节点和域 节点是VRML文档中最基本的组成单元，是VRML的精髓与核心。VRML借助于节点描述对象某一方面的特征，如各种形状、材质以及颜色等等。VRML场景往往由一组具有一定层次结构的节点构造出来。每个节点包含有子节点和描述节点属性的“域名”、“域值”。相当于其

14、它高级语言中的变量、数组等，或是数据库中的字段。,一般节点语法定义如： Shape # Shape模型节点 appearance Appearance #定义造型外观、颜色和表面纹理 material Material #描述外观材质属性 geometry Cone #指定造型外观为圆锥体节点 bottomRadius 5.5 #指定圆锥体底面半径 height 6.0 #指定圆锥体的高度 ,上述的一段VRML文档描述了一个圆锥体的建立，其中Shape、Appearance、Material以及Cone就是节点。 节点由节点名、节点类型、域、事件接口等基本组成部分。 不同的节点包含有不同的域，

15、各个域没有次序之分，每个域都有自己的默认值，而且有些域还可用同名的节点作为域值。 根据域具有的域值情况的不同，可以把域分为两类，一类为单值域，用SF标记，它用一个值来描述对应节点相应的特征。另一类为多值域，用MF标记。VRML的域值类型有很多种：比如SFBool表示单域值布尔型，取值为True或者False，以确定某个属性是否打开；SFVec2f、MFVec2f表示单(多)域值二维浮点型，取值为两个浮点数值，可用来确定一个二维坐标；而SFVec3f、MFVec3f则表示单(多)域值三维浮点型，取值为三个浮点数值，可用来确定一个三维坐标。,事件和路由 在现实环境中，事物往往随着时间会有相应的变化

16、。比如，物体的颜色随着时间发生变化。在VRML中借助事件和路由的概念反映这种现实。 1.事件 在VRML中，每一个节点一般都有两种事件，“入事件”(eventIn)和“出事件”(eventOut)，每个节点通过这些“入事件”和“出事件”来改变节点自己的域值。如节点的颜色可以改变，可以表示为接收了这样一种事件：set_color。当节点被改变了，会对改变的状态有所反应，送出一些事件,比如发出信号，颜色改变了：Color_changed。 事件相当于高级程序语言中的函数调用。其中，“入事件”相当于函数调用的入口参数，而“出事件”相当于函数调用时返回的参数。 在VRML中的每一个节点内部有些域被定义

17、为“暴露域”，即指它能够接收事件，也能输出事件。事件的调用是临时的，事件的值不会被写入VRML中。,2.路由 路由的功能是连接一个节点的“入事件”eventIn和另外一个节点的“出事件”eventOut。通过简单的语法结构，建立两个节点之间的时间传送的路径。路由的说明可以在VRML顶部，也可以在文件节点的某个域中。路由的出现，可使虚拟空间具有交互性、动感性与灵活性。借助于事件和路由，能够使得所建立的虚拟场景更接近于现实。,（续上页） 如语句： ROUTE time.fraction_changed TO bianhua.set_fraction 这里，时间传感器对象time在定时时间到时发生

18、fraction_changed出事件，输出的时间值传送给位置插补节点对象bianhua的入事件set_fraction，计算出和时间值对应的坐标变化值。 又语句： ROUTE bianhua.value_changed TO qiuti.set_translation Bianhua通过本身的value_changed出事件将计算出的新坐标值传递给球体造型qiuti的入事件set_translation，使球体造型产生位移，于是动画出现了。 事件和路由构成了VRML 的动画体系。,三、创建三维立体造型,3.1 造型节点 3.2 简单几何造型节点 3.3 复杂几何造型节点 3.4 造型的外观设

19、计 3.5 创建文本造型,Chapter,3,3.1 造型节点,在VRML中创建三维立体造型是最基础和重要的工作。Shape造型节点定义了立体造型的几何形状、尺寸、色彩、材质、纹理等外观特征。 其语法格式如下： Shape appearance 外观域结点 geometry 几何造型域结点 ,3.2 简单几何造型节点,基本体素的建立 形状几何由几何节点描述，如Box,Cone,Cylinder等。,1长方体（Box） Box size x y z x、y、z默认值均为2.0 域值为默认值的域也可省略不写,2圆柱体（Cylinder） Cylinder radius r height h 默认r

20、=1.0、h=2.0 以y轴为对称轴,3圆锥体（Cone） Cone bottomRadius r height h 默认r=1.0、h=2.0 以y轴为对称轴 锥顶指向y+向,4球体（Sphere） Sphere radius r 默认r=1.0,3.3 复杂几何造型节点,复杂形状的建立 - 动物、植物、地表、机械零件，等等. - 可借助点、线、面来构建 - 对于地表等，甚至有特定的节点描述，如 ElevationGrid节点,PointSet Shape appearance Appearance . . . geometry PointSet coord Coordinate point

21、 . . . IndexedLineSet Shape appearance Appearance . . . geometry IndexedLineSet coord Coordinate point . . . coordIndex . . . ,IndexedFaceSet Shape appearance Appearance . . . geometry IndexedFaceSet coord Coordinate . . . coordIndex . . . solid TRUE ccw TRUE convex TRUE ,ElevationGrid Shape appeara

22、nce Appearance . . . geometry ElevationGrid xDimension 3 zDimension 2 xSpacing 1.0 zSpacing 1.0 height . . . ,Extrusion - 条形、管形、环形 - 可由 Extrusion 节点建立,Extrusion挤出造型节点语法格式如下: 节点名称 域名称或事件 域值 #域、域值或事件类型 Extrusion crossSection 1 1,1 -1,-1 -1,-1 1,1 1 #MFVec2f spine0 0 0,0 1 0 #MFVec2f scale 1 1 #MFVec2f

23、 orientation 0 0 1 0 #MFRotation beginCap TRUE #SFBool endCap TRUE #SFBool ccw TRUE #SFBool convex TRUE #SFBool so1id TRUE #SFBool creaseAngle 0.0 #SFF1oat set_crossSection #eventInMFVec3f set_spine #eventInMFVec2f set_scale #eventInMFVec2f set_orientauon #eventInMFRotation ,Extrusion挤出造型的一个例子,3.4 造

24、型的外观设计,Appearance 节点描述外观 Appearance material 材质域结点 texture 贴图域结点 - 可通过Material 节点控制材料属性，如颜色、高 光、透明度等。 - 可通过纹理映射为表面增添细节。 ImageTexture, PixelTexture, MovieTexture,Material材质节点 Material diffuseColor 0.8 0.8 0.8 - 材料漫反射光色（r,g,b），0.01.0 specularColor 0.0 0.0 0.0 - 材料镜面反射光色（r,g,b），0.01.0 shininess 0.2 - 亮

25、度，0.01.0 ambientIntensity 0.2 - 对比度，0.01.0 emissiveColor 0.0 0.0 0.0 - 材料发射光色（r,g,b），0.01.0 transparency 0.0 - 材料透明度，0.01.0 ,造型的色彩设计 常见RGB分量的配比值,几何造型的简单色彩设计 VRML为整体造型添加同样的颜色时，只需为 diffuseColor域的域值设置一组合适的RGB分量值，就完成了对造型基本颜色的设计。 几何造型的复杂色彩设计 点集和线集造型的色彩设计： 一是通过Materia1材质节点的emissiveColor域的域值，为造型设定单一的颜色。（注意

26、：不能使用diffuseColor域的域值设定点和线造型的颜色，因为前面已经说过点集和线集节点创建的造型不受光源的影响，没有光照的情况下，无论diffuseColor域的域值设定成什么颜色，浏览器均显示为黑色） 二是通过Pointset点集节点和IndexedLineSet线集节点的color域的域值Color颜色节点，为造型设定不同的颜色。 IndexedLineSet线集节点有color、colorIndex、colorPerVertex三个域的域值用于为所创建的线段着色。 面集造型的色彩设计： color、colorIndex、colorPerVertex 网格标高造型的色彩设计 col

27、or、colorPerVertex,四、造型的材质设计 造型的材质设计是一项复杂的工作,现实世界中常用的材料,如金属、木材、砖瓦、石料、玻璃、塑料等不仅仅是外观颜色上的差别,材质的属性更多反映在透明度、发光颜色、反光度、外观亮度的不同。因此,材质设计必须依赖于Material节点中六个域值的综合设定来完成。下表是常用材质域值设定的参考表。,造型的纹理包装设计ImageTexture节点示例1 Shape appearance Appearance material Material texture ImageTexture url wood.jpg geometry . . . VRML只支持.jpg、.gif图像格式 几何造型所有的面都有贴图 拉伸型覆盖 图像文件应与VRML文件在同一位置,ImageTexture节点示例2 S