【正文】 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿 真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科，對(duì)該技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 60年代。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)中的 “ 現(xiàn)實(shí) ” 是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而 “ 虛擬 ” 是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝 置將自己 “ 投射 ” 到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰 【 1】 。 在這種認(rèn)識(shí)主宰的環(huán)境中，校園圖書館的虛擬環(huán)境就可以方便更多的學(xué)生來認(rèn)識(shí)這個(gè)環(huán)境，虛擬圖書館系統(tǒng)在建立虛擬環(huán)境的同時(shí)讓用戶可以體驗(yàn)到前所未有的真實(shí)感，立體感，仿佛自己不是在網(wǎng)上，而是真的置身于圖書館之中，真的能感受到圖書館的魅力一樣。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須了解虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)知識(shí)和使用什么樣的工具可以完成這樣的設(shè)計(jì)。在論文中第一章介紹虛擬圖書館管理系統(tǒng)的開發(fā)背景和意義，使用的科學(xué)研究方法。最后將給出本文的主要組織結(jié)構(gòu) 。第二章介紹技術(shù)與相關(guān)的工具。第三章對(duì)虛擬圖書館設(shè)計(jì)進(jìn)行需求的分析包括功能需求、性能需求和環(huán)境的需求。第四章對(duì)虛擬圖書館進(jìn)行概要的設(shè)計(jì)。第五章是詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第六章進(jìn)行測(cè)試總結(jié)存在的問題以及解決的方法。第七章得出結(jié)論對(duì)虛擬圖書館未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。 虛擬圖書館的開發(fā)背景和意義 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（ virtual reality）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為平臺(tái)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)硬軟件資源實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和溝通 【 2】 。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為用戶創(chuàng)建一個(gè)視覺、聽覺、基于 VRML的虛擬圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 觸覺、導(dǎo)航漫游等身臨其境感受的虛擬空間。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種 通過計(jì)算機(jī)之間可自然交互的人機(jī)界面，其應(yīng)用開發(fā)前景非常廣闊，市場(chǎng)潛力不可估量。目前，它在航天航空、機(jī)械設(shè)計(jì)、科學(xué)計(jì)算、影視娛樂、化學(xué)醫(yī)療和軍事訓(xùn)練等諸多領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用，而且很多應(yīng)用是其他技術(shù)所無法替代的。 虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)生成的關(guān)鍵在于虛擬場(chǎng)景建模 —— 虛擬世界的構(gòu)造。虛擬現(xiàn)實(shí)要求具有沉浸感，因此對(duì)逼真的虛擬環(huán)境的建立的要求越來越高。與之相反的是現(xiàn)在我們?yōu)g覽的網(wǎng)頁(yè)、所看的影視視頻圖片等大部分都是二維的，沒有空間立體感，而網(wǎng)絡(luò)虛擬世界最突出的特點(diǎn)是交互性、構(gòu)想性和沉浸感。 虛擬圖書館的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就是要實(shí)現(xiàn)交互 性，沉浸性，不僅可以使用戶身臨其境的感受仿真的圖書館，通過立體界面的形式，瀏覽圖書館各地，還能縱行走的路線，使人產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)感，切身?yè)碛姓鎸?shí)的感覺，而且用戶可以僅僅使用鼠標(biāo)就可以交互的控制所要到達(dá)的位置，方便隨心所欲的瀏覽圖書館的各個(gè)角落。它將采取有效的方式將二維、三維、圖形、影像、背景、燈光、視角等結(jié)合在一起，讓人可以通過任意的平臺(tái)，對(duì)圖書館進(jìn)行了解，更加可以方便的了解圖書館的位置與布局，方便、高效、生動(dòng)。 除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 通過立體界面的形式 產(chǎn)生的文件格式比一般的視頻文件要小，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這 樣格式的文件就成為必要不僅方便了用戶，也方便了圖書館管理人員。 所以，在信息技術(shù)飛躍的今天，對(duì)學(xué)校、學(xué)生而言，開發(fā)一個(gè)虛擬圖書館系統(tǒng)是十分必要的。 虛擬圖書館的科學(xué)研究方法 要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館并實(shí)現(xiàn)交互式的漫游首先要了解虛擬現(xiàn)實(shí)這一技術(shù)，只有在查閱了多方面的資料，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有充分的了解基礎(chǔ)上才能進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)際設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這就要求進(jìn)圖書館或者上網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)書籍或資料的查詢，認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其實(shí) 是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科 ，從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口 ， 它通過給用戶同時(shí)提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作 。 在這就是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言 VRML 的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)包括 VRML 文件的構(gòu)成， VRML文件的工作原理，以及相對(duì)于其他建模語言 VRML 建模語言的優(yōu)缺點(diǎn)等。 在解決完基礎(chǔ)的知識(shí)后上網(wǎng)可以查閱到要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館必須要用到的工平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 具，其中包括 3dmax 建模軟件， vrmlpad 編譯軟件，以及 Cortona 瀏覽器這三種軟件。 這時(shí)就可以進(jìn)行相關(guān)的工作了，要先在 3dmax 中進(jìn)行建模，當(dāng)建模完成后導(dǎo)出為VRML 文件，把文件用 vrmlpad 打開在上面添加背景和導(dǎo)航的代碼，最后在 Cortona瀏覽器上進(jìn)行瀏覽，找到不合理的地方在逐一的進(jìn)行修改，直到全部完成。 總結(jié)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題并對(duì)未來的發(fā)展前景進(jìn)行展望。 論文的結(jié)構(gòu)安排 介紹虛擬圖書館管理系統(tǒng)的開發(fā)背景和意義，使用的科學(xué)研究方法。最后將給出本文的主要組織結(jié)構(gòu)。 第二章介紹技術(shù)與相關(guān)的工具。 第三章對(duì)虛擬圖書館設(shè)計(jì)進(jìn)行需求的分析包括功能需求、性能需求和環(huán)境的需求。 第四章對(duì)虛擬圖書館進(jìn)行概要的設(shè)計(jì)。 第五章是詳細(xì)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)。 第六章進(jìn)行測(cè)試總結(jié)存在的問題以及解決的方法。 第七章得出結(jié)論對(duì)虛擬圖書館未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。 基于 VRML的虛擬圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 技術(shù)與工具研究 強(qiáng)大的三維編輯器 —— 3DMAX 在此次設(shè)計(jì)中，用到的建模工具就是 3DMAX,其可視化的界面和清晰的坐標(biāo)系統(tǒng)是的建模過程更加方便和容易。遠(yuǎn)比使用 VRMLPad 編程來實(shí)現(xiàn)建模要方便的多。它具有一流的三維建模和動(dòng)畫制作功能，若用 VRML 建立復(fù)雜三維模型是相當(dāng)繁瑣和困難的，而且毫無直觀性可言，而 3DMAX 因其強(qiáng)大的三維建模和動(dòng)畫制作功能恰好可以彌補(bǔ) VRML 這方面的不足 。為了更好地、更全面的支持 ,3DMAX 還提供了 以幫助建立 VRML 世界，它包含了幾乎全部的 VRML 特有模型，極大的方便了 VRML 世界的建立。啟動(dòng) 3DMAX 后，單擊命令面板中的創(chuàng)建，再次單擊次級(jí)面板中的 Helpers，在下拉式組合框中選取 ,這時(shí)面板上出現(xiàn)了 12 種 VRML 特有的造型。 1． Anchor：用來創(chuàng)建虛擬空間的一個(gè)錨點(diǎn)造型，它用于 VRML 世界之間的鏈接。點(diǎn)擊錨點(diǎn)造型將引導(dǎo) VRML 瀏覽器順著鏈接檢索出該鏈接所連的 VRML 文件。這樣當(dāng)你漫步于 Inter時(shí)，就可以方便的從一個(gè)虛擬空間跨入另一個(gè)虛擬空間。 ：用來創(chuàng)建虛擬空間中的一個(gè)接觸傳感器造型，用于檢測(cè)參與者的動(dòng)作并將其轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)妮敵鲆杂|發(fā)一段動(dòng)畫。這樣當(dāng)你鼠標(biāo)移動(dòng)到該造型或者從該造型上移開時(shí)，就會(huì)開始或停止一段動(dòng)畫。 ：用來創(chuàng)建虛擬空間中的一塊不可見的長(zhǎng)方形區(qū)域，該區(qū)域可以感知參與者的進(jìn)入、離開以及參與者在該長(zhǎng)方形區(qū)域中移動(dòng)時(shí)間等。 ：用來創(chuàng)建一個(gè)控制虛擬空間中動(dòng)畫進(jìn)行的時(shí)鐘。由于 動(dòng)畫采用了關(guān)鍵幀技術(shù)，因而必須為 它所控制的造型指定關(guān)鍵時(shí)刻的關(guān)鍵值以達(dá)到動(dòng)畫平滑的效果。 ：用來描述虛擬空間中的背景特征，為你的 VRML 世界提供一個(gè)外部環(huán)境。該背景由一個(gè)天空球體、一個(gè)在天空球體內(nèi)的地面球體和一個(gè)在天空和地面之間的背景立方體組成。這三者在概念上均為無窮大，你可以從不同的角度觀察，但永遠(yuǎn)無法接近他們。 3DMAX 在制作立體場(chǎng)景方面功能相當(dāng)強(qiáng)大。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)用到它的很多方面，是這次設(shè)計(jì)使用的主要工具之一。但它也有不足之處， 3DMAX 生成的虛擬場(chǎng)景最大的缺點(diǎn)就是代碼過于冗雜，因?yàn)?3DMAX 把場(chǎng)景中的每一個(gè) 細(xì)微的面都進(jìn)行了細(xì)化，而且對(duì)場(chǎng)景中的每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置描述的相當(dāng)精確，而瀏覽虛擬場(chǎng)景時(shí)沒有必要那么精確，這主要是因?yàn)?3DMAX 并不是面向 VRML 開發(fā)設(shè)計(jì)的。 3DMAX 中的動(dòng)畫效果也不能平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 導(dǎo)入到 VRML 當(dāng)中去，導(dǎo)出后只會(huì)一幀一幀的顯示，沒有達(dá)到預(yù)期的效果 。 虛擬編輯器 VRMLPAD VrmlPad 是由 Parallel Graphics 公司開發(fā)的基于文本格式、支持即時(shí)預(yù)覽的VRML 專用開發(fā)工具，具有 VRML 代碼下載、編輯、預(yù)覽、調(diào)試功能，是當(dāng)今 VRML 源代碼編輯的最強(qiáng)工具之一。是一個(gè)功能強(qiáng)大，多種用途的 創(chuàng)作工具。它能夠讓你設(shè)計(jì)和開發(fā)專業(yè)的 VRML 工具，所以你可以建立一個(gè) VRML 世界并把它發(fā)布到網(wǎng)上。利用一個(gè)雙重窗口，按鈕驅(qū)動(dòng)的界面能夠讓你方便的編輯函數(shù)，這個(gè)功能強(qiáng)大的編輯工具包括自動(dòng)控制和 腳本語言 以及鍵盤 快捷方式 自定義等功能。其它關(guān)鍵的功能包括修改遠(yuǎn)程和本地文件，色彩語法譯碼，錯(cuò)誤提示，分層結(jié)構(gòu)，一個(gè) 引導(dǎo)你發(fā)布在線的工具和一個(gè)預(yù)覽窗口。通過 VRMLPAD 的編譯和修改就可以創(chuàng)建出更加逼真的虛擬環(huán)境 。 Cortona 瀏覽器 Cortona 的應(yīng)用平臺(tái)是 Windows 平臺(tái)，除了能很好地支持 VRML9 NURBS 外，還支持多種自己規(guī)格的擴(kuò)展功能，如鍵盤輸入、拖放控制、 flash 等，更是業(yè)內(nèi)第一個(gè)支持最新 EAI 功能的 VRML 瀏覽器，而它的安裝文件僅有 ，是各種 VRML 瀏覽器中最小的 【 3】 。不過 Cortona 的兼容性稍差，主要應(yīng)用環(huán)境是 Windows 平臺(tái)和 IE 瀏覽器，聲音功能還有一些小缺陷。 在這一次 的設(shè)計(jì)過程中使用了不同的瀏覽器主要有 Cosmoplayer 和 Cortona，兩者在使用上也有少許區(qū)別，在效果上也不盡相同。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) Cosmoplayer 對(duì) VRML的各種效果支持比較好，對(duì)各種影響、聲音、導(dǎo)航系統(tǒng)的效果支持相當(dāng)好。在 Windows7運(yùn)行環(huán)境下可以瀏覽各種 VRML 文件。但是最新版本的 Cosmoplayer 在 Windows98 或者有些版本的 Windows 中卻不能單獨(dú)運(yùn)行系統(tǒng)經(jīng)常找不到 Cosmoplayer Contorler的執(zhí)行文件。這可能跟它已經(jīng)很多年沒有更新有關(guān)。 Cortona 功能強(qiáng)大而 且很小，在Windows7 環(huán)境下運(yùn)行的相當(dāng)穩(wěn)定，但是該瀏覽器對(duì)某些影像、聲音、導(dǎo)航系統(tǒng)的效果支持并不太好 [4]。這里尤其需要說明的是在對(duì)影音、圖像文件的支持方面。理論上二者都支持 MPEG、 AVI、 JPG、 GIF 格式，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) Cosmoplayer 僅對(duì) JPG和 GIF 文件能夠有效的支持。但這些只能算一點(diǎn)心得并沒有更深層次的研究，可能存在一定的偏頗。 基于 VRML的虛擬圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3 需求分析 在進(jìn)行系統(tǒng)建模和構(gòu)建前，需要對(duì)圖書館的整體進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的需求分析。其中包括對(duì)虛擬圖書館的功能進(jìn)行描述，對(duì)系統(tǒng)性能需求的描述以 及系統(tǒng)的環(huán)境需求。 項(xiàng)目概述與實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 通過寒假假期對(duì)目前虛擬圖書館的調(diào)查研究，了解到我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)研究發(fā)生了巨大的變化，特別是近十年來，行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，從業(yè)人員不斷增加，以慢慢成為未來世界方便用戶和擴(kuò)大就業(yè)渠道的重要的行業(yè)之一。 但是仍存在一些問題，例如： ，離大范圍的普及還有很大的距離。 本還是比較高所以造成了大多數(shù)人還是不愿意把錢投資在這里。 識(shí)來建立虛擬現(xiàn)實(shí)圖書館。針對(duì)這些問題，這一設(shè)計(jì)就是要針對(duì)學(xué)校把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖書館進(jìn)行普及 ，方便學(xué)生和管理人員，在此實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館的交互式的漫游，使用戶了解圖書館的基本的借閱地點(diǎn)，方便用戶的使用，更加的直觀。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就要全方位的對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)前期的調(diào)查下面就詳細(xì)的說明一下。 功能需求 虛擬圖書館構(gòu)建完畢后，可以實(shí)現(xiàn)瀏覽者在虛擬的場(chǎng)景中進(jìn)行自由的瀏覽，可以對(duì)圖書館內(nèi)部的各種模型觀察，并可以從各個(gè)角度對(duì)圖書館場(chǎng)景進(jìn)行觀察?？梢酝ㄟ^設(shè)置不同的視點(diǎn)達(dá)到上面的要求，使瀏覽者能夠全面全方位的在場(chǎng)景中漫游。在虛擬圖書館中，瀏覽者可以用行走、飛行、檢視、平移等多種方式對(duì)模型進(jìn)行觀察 【 5】 。 虛擬大學(xué)圖書館是用 VRML 技術(shù)構(gòu)建的虛擬圖書館，他的研究?jī)?nèi)容包括圖書館內(nèi)部基本場(chǎng)景的建立；圖像、環(huán)境、裝飾、燈光與場(chǎng)景的有機(jī)結(jié)合以增加場(chǎng)景的復(fù)雜度和主動(dòng)性；利用光照技術(shù)和觸發(fā)器技術(shù)及接口編程技術(shù)增加場(chǎng)景的交互性，給人以身臨其境的感覺。由于提供的觀察者是不可見的，為了增加虛擬圖書館的真實(shí)感，場(chǎng)景中將有導(dǎo)航人進(jìn)行導(dǎo)航以及指定場(chǎng)景的自動(dòng)瀏覽功能。虛擬圖書館旨在實(shí)現(xiàn)可供瀏覽的、漫游的、比較完整的虛擬環(huán)境，其中圖書館內(nèi)包括桌子椅子、壁畫、門窗、書柜和電燈等，用瀏覽者自主導(dǎo)航的方式展示各模型和場(chǎng)景整體的畫面。瀏覽者 可以在圖書館內(nèi)隨意走動(dòng)，并觀賞里面的各種模型，給瀏覽者以身臨其境的感覺，從而達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的目的。 圖書館內(nèi)部環(huán)境具有分布性、三維性、交互性和環(huán)境逼真性。該系統(tǒng)支持手動(dòng)漫平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 游，瀏覽者可以自主的控制視角對(duì)圖書館場(chǎng)景進(jìn)行自由的瀏覽，可以按照自己的想要的方式進(jìn)行漫游。場(chǎng)景內(nèi)支持任意模型的復(fù)制、移動(dòng)、刪除和方位的任意修改。對(duì)于圖書館內(nèi)部各種模型，可以在 3DMAX 中進(jìn)行形狀和材質(zhì)的改變，可以利用 3DMAX 中各種全局光渲染器生成的光照情景，使場(chǎng)景具有非常逼真的靜態(tài)光影效果。 性能需求 在性能實(shí)現(xiàn)方面，要求表現(xiàn)真實(shí)， 文件不能太大，瀏覽速度要快。由于 VRML 具有平臺(tái)無關(guān)性，故 VRML 可用于絕大部分的操作系統(tǒng)。由于整個(gè)圖書館的三維立體場(chǎng)景在執(zhí)行過程中需要設(shè)計(jì)大量的圖形計(jì)算和大量的數(shù)據(jù)讀入讀出，故對(duì)于計(jì)算機(jī)的顯存和 CPU 主頻要求較高，特