【正文】 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)――VRML篇一、VRML介紹？VRML是“Virtual Reality Modeling Language”的縮寫(xiě)形式，意思是“虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言”。 第一代Web是以HTML為核心的二維瀏覽技術(shù)，受HTML語(yǔ)言的局限性，VRML之前的網(wǎng)頁(yè)只能是簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)環(huán)境與參與者的動(dòng)態(tài)交互是非常煩瑣的。第二代Web是以VRML為核心的三維瀏覽技術(shù)。第二代Web把VRML與HTML、Java、媒體信息流等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一種新的三維超媒體Web。 VRML是用來(lái)描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界（Virtural World), 可以集成文本、圖像、音響、MPEG影像等多種媒體類(lèi)型，還可以內(nèi)嵌用Java、ECMAScript等語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼。以VRML為核心構(gòu)建的虛擬世界中用戶如身處真實(shí)世界，可以和虛擬物體交互，人們可以以習(xí)慣的自然方式訪問(wèn)各種場(chǎng)所，在虛擬社區(qū)中“直接”交談和交往。事實(shí)上，目前采用VRML技術(shù)取得成功的案例已經(jīng)很多，例如探路者到達(dá)火星后的信息就是利用VRML在因特網(wǎng)上即時(shí)發(fā)布的，網(wǎng)絡(luò)用戶可以以三維方式隨探路者探索火星。 VRML定義了一種把3D圖形和多媒體集成在一起的文件格式。從語(yǔ)法角度看，VRML文件是顯式地定義和組織起來(lái)的3D多媒體對(duì)象集合；從語(yǔ)義角度看，VRML文件描述的是基于時(shí)間的交互式3D多媒體信息的抽象功能行為。VRML文件描述的基于時(shí)間的3D空間稱(chēng)為虛擬境界(Virtual World)，簡(jiǎn)稱(chēng)境界，所包含的圖形對(duì)象和聽(tīng)覺(jué)對(duì)象可通過(guò)多種機(jī)制動(dòng)態(tài)修改。 VRML文件可以包含對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)格式文件的引用。可以把JPEG、PNG和MPEG文件用于對(duì)象紋理映射，把WAV和MIDI文件用于在境界中播放的聲音。另外，還可以引用包含Java或ECMAScript代碼的文件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的編程行為。 VRML使用場(chǎng)景圖（Scene Graph）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立3D實(shí)境，VRML的場(chǎng)景圖是一種代表所有3D世界靜態(tài)特征的節(jié)點(diǎn)等級(jí)：幾何關(guān)系、質(zhì)材、紋理、幾何轉(zhuǎn)換、光線、視點(diǎn)以及嵌套結(jié)構(gòu)。幾乎所有生產(chǎn)廠商，無(wú)論是CAD、建模、動(dòng)畫(huà)、VR，還是VRML，他們的結(jié)構(gòu)核心都有場(chǎng)景圖。 境界中的對(duì)象及其屬性用節(jié)點(diǎn)(Node)描述，節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則構(gòu)成場(chǎng)景圖(Scene Graph)，也就是說(shuō)，場(chǎng)景圖是境界的內(nèi)部表示。場(chǎng)景圖中的第一類(lèi)節(jié)點(diǎn)用于從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)角度表現(xiàn)對(duì)象，它們按照層次體系組織起來(lái)，反映了境界的空間結(jié)構(gòu)。另一類(lèi)節(jié)點(diǎn)參與事件產(chǎn)生和路由機(jī)制，形成路由圖(Route Graph)，確定境界隨時(shí)間的推移如何動(dòng)態(tài)變化。 VRML文件的解釋、執(zhí)行和呈現(xiàn)通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)，這與利用瀏覽器顯示HTML文件的機(jī)制完全相同。瀏覽器把場(chǎng)景圖中的形態(tài)和聲音呈現(xiàn)給用戶，這種視聽(tīng)覺(jué)呈現(xiàn)即所謂的虛擬世界(境界)。用戶通過(guò)瀏覽器獲得的視聽(tīng)覺(jué)效果如同從某個(gè)特定方位體驗(yàn)到的，境界中的這種位置和朝向稱(chēng)為取景器(Viewer)。 VRML在電子商務(wù)、教育、工程技術(shù)、建筑、娛樂(lè)、藝術(shù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 例如在教育上，VRML不僅僅是HTML功能更強(qiáng)的替代品，其潛在意義在于突破上述基于WWW的教學(xué)模型建立更自然、更真實(shí)的虛擬教育環(huán)境。在這種環(huán)境中學(xué)生可以以瀏覽探索的方式汲取知識(shí)，如進(jìn)入虛擬太空學(xué)習(xí)天文知識(shí)，利用虛擬地球?qū)W習(xí)地理知識(shí)，穿過(guò)歷史長(zhǎng)廊與歷史人物交流，進(jìn)入分子世界游歷化學(xué)殿堂等等，這些曾經(jīng)是夢(mèng)想中的學(xué)習(xí)方式都可以逐步實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)虛擬教育世界中，甚至可以有利用VRML制作的動(dòng)畫(huà)人物扮演教師，其面部表情和形體動(dòng)作利用動(dòng)作跟蹤系統(tǒng)捕捉下來(lái)，這樣得到的講課節(jié)目將是三維的。如果把這種方式擴(kuò)大到教學(xué)雙方，則可實(shí)現(xiàn)具有實(shí)時(shí)交互性的虛擬教學(xué)——教師控制的虛擬教師和學(xué)生控制的虛擬學(xué)生就可以在一個(gè)虛擬教室中相互交流。 為了推動(dòng)VRML技術(shù)的發(fā)展，VRML協(xié)會(huì)組織了很多工作組，每個(gè)工作組都是自愿組織、自我約束、并經(jīng)VRML協(xié)會(huì)認(rèn)可的技術(shù)委員會(huì)，負(fù)責(zé)某個(gè)與VRML有關(guān)的專(zhuān)題技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)工作。人性動(dòng)畫(huà)工作組(Humanoid Animation WG)利用VRML表現(xiàn)人類(lèi)行為特性。 色彩保真工作組(Color Fidelity WG)確保采用任何平臺(tái)的觀眾所看到的效果都和創(chuàng)作者的原始作品一樣,顏色應(yīng)相當(dāng)一致。 元形式工作組(Meta Forms WG)針對(duì)利用形式文法生成的作品，提出一般性的方法論和一般性規(guī)范,使之能夠映射為某種特定形式。首要目標(biāo)是能夠表示數(shù)字生命格式( Digital LifeForms)結(jié)構(gòu)和增長(zhǎng)。 面向?qū)ο髷U(kuò)展工作組(ObjectOriented Extensions WG)探討和推動(dòng)對(duì)VRML進(jìn)行面向?qū)ο髷U(kuò)展的方法。 數(shù)據(jù)庫(kù)工作組(Database WG)推進(jìn)基于VRML商業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)建，利用數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)VRML 內(nèi)容的持久性、升級(jí)能力和安全傳輸能力。 外部創(chuàng)作接口工作組(External Authoring Interface WG)在VRML境界和外部環(huán)境之間建立標(biāo)準(zhǔn)接口。 界面組件工作組(Widgets WG)為開(kāi)發(fā)者和用戶提供一套基礎(chǔ)性的、可自由使用的標(biāo)準(zhǔn)用戶界面組件集，并提供支持基本組件集和所有VRML組件的理論框架。 二進(jìn)制壓縮格式工作組(Compressed Binary Format WG)探討并開(kāi)發(fā)VRML文件的二進(jìn)制編碼方法，重點(diǎn)是研究為了快速傳送目的而盡量縮小文件尺寸，同時(shí)為了快速解碼目的而盡量簡(jiǎn)化文件結(jié)構(gòu)。 通用媒體庫(kù)工作組(Universal Media Libraries WG)為了提高VRML境界的真實(shí)感，同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)的下載量，而定義一種由駐留本地的媒體元件(紋理、聲音和VRML對(duì)象)組成的小型跨平臺(tái)媒體庫(kù)。同時(shí)定義一種統(tǒng)一機(jī)制，通過(guò)這種機(jī)制，VRML內(nèi)容創(chuàng)作者可以在自己的境界中使用這些媒體元件。 活動(dòng)境界工作組(Living Worlds WG)為多用戶(包括多個(gè)開(kāi)發(fā)者)應(yīng)用的產(chǎn)生和進(jìn)化定義概念框架，并確定一組界面。 鍵盤(pán)輸入工作組(Keyboard Input WG)為了使內(nèi)容創(chuàng)作者能夠在自己的境界中訪問(wèn)鍵盤(pán)輸入，定義一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)。 一致性工作組(Conformance WG)為與一致性測(cè)試有關(guān)的問(wèn)題提供一個(gè)討論場(chǎng)所，特別地，本組將辨別VRML實(shí)現(xiàn)發(fā)生分歧的地方以及相應(yīng)的動(dòng)作序列。 生物圈工作組(Biota WG)為生命系統(tǒng)(Living System)的研究和學(xué)習(xí)建立、配備數(shù)字式工具和環(huán)境。 分布式交互仿真工作組(Distributed Interactive Simulation WG)為建立有多廣播能力(MulticastCapable)的大規(guī)模虛擬環(huán)境(LargeScale Virtual Environments，LSVEs)確立初始網(wǎng)絡(luò)約定。 VRML腳本工作組(VRML Script WG)向VRML監(jiān)查組(VRML Review Board，VRB)提供有關(guān)Java和JavaScript的問(wèn)題列表、修改建議和評(píng)論。 自然語(yǔ)言處理和動(dòng)畫(huà)工作組(NLP amp。 Animations WG)為了使用戶能使用自然語(yǔ)言和VRML動(dòng)畫(huà)形象進(jìn)行交流,從而使交互更自然，增強(qiáng)用戶和動(dòng)畫(huà)形象之間的信息流動(dòng)，研究如何使用“問(wèn)題/回答”、“命令/響應(yīng)”式的對(duì)話以及基于操作系統(tǒng)命令和字符控制的自然語(yǔ)言。 VRMLDHTML集成工作組(VRMLDHTML Integration WG)為VRML和DHTML在文檔對(duì)象模型、組件(Component)接口和繪制等三個(gè)層次的緊密集成開(kāi)發(fā)一種概念模型。 VRML97發(fā)布后，互聯(lián)網(wǎng)上的3D圖形幾乎都使用了VRML。由于技術(shù)的局限性，如帶寬不夠，需要下栽插件瀏覽，文件量大，真實(shí)感、交互性需要進(jìn)一步加強(qiáng)等原因，最近一二年，許多制作Web3D圖形的軟件公司的產(chǎn)品，并沒(méi)有完全遵循VRML97標(biāo)準(zhǔn)，而是使用了專(zhuān)用的文件格式和瀏覽器插件，開(kāi)發(fā)了比較實(shí)用的VR軟件。這些軟件有些比VRML有了進(jìn)步，在渲染速度、圖像質(zhì)量、造型技術(shù)、交互性以及數(shù)據(jù)的壓縮與優(yōu)化上，都有勝過(guò)VRML之處。比如，Cult3D、Viewpoint、GL4Java、Pulse3D、Flatland、Flash、JPEG2000等。 CULT3D、VIEWPOINT、360度環(huán)視等技術(shù)正被應(yīng)用。以Blaxxun和ParallelGraphics公司為代表，它們都有各自的VR瀏覽器插件，并各自開(kāi)發(fā)基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)功能（X3D），使3D的效果，交互性能更加完美；支持MPEG，Mov、Avi等視頻文件，Rm等流媒體文件，Wav、Midi、MpAiff等多種音頻文件，F(xiàn)lash動(dòng)畫(huà)文件，多種材質(zhì)效果，支持Nurbs曲線，粒子效果，霧化效果；支持多人的交互環(huán)境，VR眼鏡等硬件設(shè)備；在娛樂(lè)、電子商務(wù)等領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，并各自為適應(yīng)X3D的發(fā)展，以X3D為核心，有Blaxxun3D等相關(guān)產(chǎn)品。在虛擬場(chǎng)景，尤其是大場(chǎng)景的應(yīng)用方面，以VRML標(biāo)準(zhǔn)為核心的技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。二、初識(shí)VRML（一）VRML的文件結(jié)構(gòu)(VRML97)開(kāi)頭如下： VRML utf8VRML是大小寫(xiě)敏感的，utf8是指一種純文本編碼方式（Scene Graph）由描述“對(duì)象及其屬性”的節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)是VRML的基本單元，場(chǎng)景圖的第一類(lèi)節(jié)點(diǎn)用于從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)角度表現(xiàn)對(duì)象，它們是按照層次體系結(jié)構(gòu)組織的；另一類(lèi)節(jié)點(diǎn)，則參與事件產(chǎn)生和路由機(jī)制。（Prototype）用戶可以通過(guò)原型擴(kuò)充VRML的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型集。原型的定義可以包含在使用該原型的文件中，也可以在外部定義。（Route）有些VRML節(jié)點(diǎn)能通過(guò)產(chǎn)生事件響應(yīng)環(huán)境變化或用戶交互。事件一旦產(chǎn)生，就按時(shí)間順序向路由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收后進(jìn)行相應(yīng)處理，可改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生其他事件，或者修改場(chǎng)景圖的結(jié)構(gòu)。利用腳本節(jié)點(diǎn)Script，作者可以Java或JavaScript語(yǔ)言自定義任意事件處理。（二）VRKL節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)類(lèi)型虛擬場(chǎng)景由對(duì)象構(gòu)成，對(duì)象及其屬性用節(jié)點(diǎn)（Node）描述，節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成VRML文件的基本單元。VRML97定義了54種基本節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（內(nèi)部節(jié)點(diǎn)類(lèi)型），用戶也可以通過(guò)原型機(jī)制定義自己的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。節(jié)點(diǎn)由域和事件組成：（field） 描述了節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)。其中外露域（exposedField）是域和事件的統(tǒng)一體，它既作為域描述節(jié)點(diǎn)，又隱含著形如“set_域名”的入事件和“域名_changed”的出事件。（event）分為入事件和出事件，入事件將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的改變；出事件向外報(bào)告自身狀態(tài)的變化。（三）VRML瀏覽器 Blaxxun Contact 3DCosmo PlayerVisvape等Microsoft Viewer（四）編寫(xiě)VRML境界VRML utf8Group {children [ Shape { geometry Box {} } ]} ，則可以用瀏覽器看到它。 ――第二場(chǎng)景再定義立方體的外觀，即改變Shape節(jié)點(diǎn)的appearance域（外觀），appearance域是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)的material域定義為一個(gè)Material節(jié)點(diǎn)： 則Shape節(jié)點(diǎn)變成了：Shape { appearance Appearance {material Material {}}geometry Box {} } 修改它的diffuseColor域（漫射色），應(yīng)該是{ 1 0 0 }，3個(gè)數(shù)字分別表示紅色、綠色和藍(lán)色，取值范圍是0到1：material Material { diffuseColor 1 0 0 } 這樣，生成了第二個(gè)場(chǎng)景文件：VRML utf8Group {children [ Shape { appearance Appearance {mate