【文章內(nèi)容簡介】 其他輸入設(shè)備創(chuàng)建了一個由參與者動作控制的虛擬世界。 2. 20 世紀 80 年代初期 — 中期，虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)化，從實驗室走向?qū)嵱秒A段 20 世紀 80 年代，美國的 VPL 公司創(chuàng)始人 Jaron Lanier 正式提出了 Virtual Reality一詞。當時，研究此項技術(shù)的目的是提供一種比傳統(tǒng)計算機模擬更好的 方法。 1984 年，美國宇航局 NASA 研究中心虛擬行星探測試驗室開發(fā)了用于火星探測的虛擬世界視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造火星表面的三維虛擬世界。 3. 20 世紀 80 年代末至今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)高速發(fā)展的階段 1996 年 10 月 31日，世界上第一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)博覽會在倫敦開幕。全世界人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)坐在家中參觀這個沒有場地，沒有工作人員，沒有真實展品的虛擬博覽會。 1996 年 12 月，世界上第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng)在英國投入運行。這樣，互聯(lián)網(wǎng)用戶便可以在一個由立體虛擬現(xiàn)實世界組成的網(wǎng) 絡(luò)中遨游，身臨其境般地欣賞各地風光、參觀博覽會和在大學課堂中聽講座等。 目前，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)極大地推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，很多新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地出現(xiàn)在市場上，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ) [3]。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，目前在軍事應(yīng)用、城市仿真、教育與培訓(xùn)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學應(yīng)用和藝術(shù)與娛樂中有著較高的應(yīng)用 [10]。 1. 軍事應(yīng)用 VR 技術(shù) 的發(fā)展源于航天和軍事部門。 VR 的最新技術(shù)成果往往被率先應(yīng)用于航天和軍事領(lǐng)域。 VR 技術(shù)將為武器裝備確定需求、設(shè)計、制作樣機。為部隊的模擬訓(xùn)練、戰(zhàn)備，為制定合成作戰(zhàn)條令，為戰(zhàn)后評估及戰(zhàn)史分析等幾乎全部軍事活動提供一種一體化的作戰(zhàn)環(huán)境。這將有助于從虛擬武器及戰(zhàn)場順利地過渡到真實武器與戰(zhàn)場， VR 技術(shù)對各種軍事活動的影響將是極為深遠的，有著極為廣泛的軍事應(yīng)用前景。 2. 城市仿真 由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一。從總體規(guī)劃到城市設(shè)計，在規(guī)劃的各個階段，通過現(xiàn)狀和 未來的描繪，為改善人居生活環(huán)境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。 VR 技術(shù)能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、工程人員及公眾從任意角度，實時互動地看到規(guī)劃效果。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖等所不能達到的。 3. 教育與培訓(xùn) 深圳大學本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 10 針對教育事業(yè)來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將三維空間的意念清楚地表示出來，能使學習者直接、自然地與虛擬環(huán)境中的各種對象進行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發(fā)展變化過程中去。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學習和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識、新技能提供前所未有的新途徑。 4. 醫(yī)學應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的使用范圍包括建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學模擬，進行模擬人體解剖和外科手術(shù)培訓(xùn)等。如通過虛擬現(xiàn)實仿真器，研究人員可以看到和感受到藥物內(nèi)的分子與其他生化物質(zhì)的相互作用。在實施復(fù)雜的外科手術(shù)前，先用外科手術(shù)仿真器模擬出手術(shù)臺和虛擬的病人人體，醫(yī)生用帶有跟蹤器的手術(shù)器械演練。根據(jù)演練結(jié)果，醫(yī)生可制定出最佳手術(shù)方案。 5. 藝術(shù)與娛樂 豐富的感覺能力與 3D 顯示環(huán)境使得 VR 成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR 的真實感要求不是太高， 故近幾年來 VR 在該方面發(fā)展最為迅猛。作為傳輸顯示信息的媒體， VR 在未來藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可低估。 VR 所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作品。 X3D 虛擬現(xiàn)實技術(shù) X3D 簡介 VRML 組織于 1998 年改名為 Web3D 聯(lián)盟，并開始著手制訂了一個新的標準： 2020 年 8 月， Web3D 聯(lián)盟發(fā)布了 VRML97 的升級版本 X3D 的最終草案。新版本的 X3D 與 VRML97 向后兼容（即能用 X3D 瀏覽器播放 VRML 文件）。它把 VRML 的功能封裝到一個輕型的、可擴展的內(nèi)核之中，并實現(xiàn)了 VRML 的全部功能 [14]。 X3D 在 VRML 的基礎(chǔ)上提出了新的特性， 2020 年 8 月， X3D 規(guī)范通過國際標準化組織（ ISO）的審批，成為新一代的 Web3D 國際標準。 X3D 的主要特性有以下幾點： 1. 整合 XML XML 已經(jīng)成為整合并管理信息的必選。 X3D 采用 XML 作為它的編碼規(guī)范是有利于增強 X3D 的可移植性，有利于對數(shù)據(jù)歸檔和移植，有效延長了數(shù)據(jù)信息的生命周期。同時， XML 編碼可以讓 X3D 的開發(fā)、播放都變得更加簡潔、高效 [15]。 2. 統(tǒng)一性 X3D 中訂制了在不同瀏覽器之間協(xié)同運作場景和環(huán)境的 X3D 行為規(guī)范，保證了 X3D 場景和環(huán)境在不同播放器中的操作的統(tǒng)一性。 3. 組件化 使用輕型的可擴展內(nèi)核。 VRML97 是相對龐大的標準，完全實現(xiàn)是比較復(fù)雜的。把 VRML 的功能分割到一系列較小的內(nèi)核，就可以比較容易的實現(xiàn) X3D，減少實現(xiàn)的復(fù)雜性，因而改善了執(zhí)行過程的可維護性。 4. 可移植性 深圳大學本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 11 允許在計算機以外的設(shè)備上使用 X3D。 X3D 的組成 X3D 整體結(jié)構(gòu)包括四個部 分 :內(nèi)核 (核心特性集 ),VRML97 特性集 ,應(yīng)用程序接口和擴展集。如圖 3所示。特性集是 VRML元素的一個子集 ,是滿足特定用戶需求的一組功能的集合 [13]。 (核心特性集 ):定義了 VRML 中最關(guān)鍵的特性 ,形成核心構(gòu)件 ,并將其封裝在一個小型的、可擴展的內(nèi)核。規(guī)范規(guī)定內(nèi)核實現(xiàn)的大小應(yīng)在 Flash和 Realplyaer 之間 ,可被用戶快速下載 ,運行時占用很少的系統(tǒng)資源 ,當前的核心特性集已確定只實現(xiàn) VRML97的 54個節(jié)點中的 23 個節(jié)點。 特性集 :實現(xiàn)內(nèi)核以外的 VRML97 元素 VRML97 的節(jié) 點被設(shè)計為可插拔的構(gòu)件 ,通過擴展內(nèi)核 ,完整的實現(xiàn)了 VR 人 IL97 規(guī)范定義的功能 ,從而確保了 X3D 與已有的 VRML 應(yīng)用兼容。 :X3D 是描述幾何體和行為的一種文件格式 ,由于使用 XML 編碼 ,文檔對象模型 (Document Object Model 簡稱 DOM)自動為 X3D 提供了一組 API,外部應(yīng)用程序可以通過 DOM 訪問 X3D 文件。 :通過在內(nèi)核之上進行特性集擴展 ,實現(xiàn)復(fù)雜的或是用戶自定義的功能。用戶可以在內(nèi)核之上建立一個完整的 VRML97特性集 也可以添加其它的擴展 ,如 NURBS擴展 ,二 進制文件格式擴展等。通過擴展還可以利用 VRML97 規(guī)范中未定義的新的硬件渲染技術(shù)。構(gòu)件化的設(shè)計為 X3D 的內(nèi)核提供了一種插件機制 ,允許擴展功能被實時的加入到運行內(nèi)核。 圖 3 X3D 的組成 X3D 的關(guān)鍵技術(shù) X3D 的兩項關(guān)鍵技術(shù)是 XML 文檔和組件思 想。 1． XML 文檔 深圳大學本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 12 可擴展標記語言 (Extensible Markup Language，簡稱 XML)是萬維網(wǎng)聯(lián)盟 (W3C)創(chuàng)建的一組規(guī)范。與 HTML 一樣，它也源自 SGML(Standard Generalize Markup Language 通用標記語言 )。但與 HTML 不同， XML 是一種元標記語言，可以依據(jù)用戶的需求，自行定義標簽及屬性名，從而突破了 HTML 固定標記集合的約束，具有自描述性和可擴展性的特點 [ 1 6]。 2. 組件思想 組件思想來源于面向?qū)ο罄碚??；诿嫦驅(qū)ο蟮乃枷氲奶?點，以及傳統(tǒng) VRML 的不易擴展性在最新的 X3D 規(guī)范中，使用了組件思想對 X3D 規(guī)范進行實現(xiàn)，以增強與其他編程語言的交互。依據(jù)開發(fā)人員的需求，通過調(diào)用模塊動態(tài)的將有用的底層摸塊裝配成應(yīng)用處理。使用組件模型的好處有以下幾點 [17]: （ 1）精巧的內(nèi)核。就實現(xiàn)而言， VRML97 是一個龐大而復(fù)雜的標準。通過將 VRML 精簡為一個小的核心功能集合，減少了實現(xiàn)的復(fù)雜度，并且增強了軟件的可維護性。同時，精巧的內(nèi)核可以方便用戶，因為并不是每個用戶都需要那些復(fù)雜的擴展，如果不加分辨的將這些復(fù)雜的應(yīng)用集成上去，無疑會增加用 戶端的大小，所以只為用戶提供簡單的內(nèi)核，擴展依照用戶的需求自行加入。 （ 2）擴展能力。借助擴展集和特性集的概念，開發(fā)者可以在內(nèi)核上添加新的擴展集，也可擴展新的特性。這樣就可以依據(jù)不同的需求，定制不同的應(yīng)用。 （ 3）減少了對資源的占用。一個小型但可擴展的瀏覽器為用戶節(jié)省不必要的資源開支將會大大地方便用戶的使用。 X3D 的組件模型如圖 4 所示。 圖 4 X3D 的組件模型 X3D 文件結(jié)構(gòu) X3D 文件架構(gòu)包含文件結(jié)構(gòu)、文件頭、文件體及注釋等內(nèi)容。 X3D 文件結(jié)構(gòu)又包含文件頭、主程序概貌，在主程序概貌中包括頭文檔、組件、說明及場景等。在場景中利用基本幾何造型造型節(jié)點、復(fù)雜節(jié)點、組節(jié)點、紋理節(jié)點、效果節(jié)點、組件節(jié)點、人性化節(jié)點及動態(tài)感知節(jié)點等創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實三維立體場景。在編寫 X3D 文件、節(jié)點和域時，特別要注意大小寫，X3D 語言對大小寫是敏感的 [18]。 深圳大學本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 13 X3D 文件結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示 。 圖 5 X3D 文件結(jié)構(gòu)圖 X3D 文件語法結(jié)構(gòu)是由 X3D 文件頭、主程序概貌（頭文檔和場景）組成，其中，頭文檔又包含組件和元數(shù)據(jù)；場景主體涵蓋 X3D 所有節(jié)點。 X3D 文件頭是序碼部分，是 X3D 文件必須書寫的部分。主程序概貌是 X3D 文件主程序框架的主題部分，是 X3D 文件的精髓和靈魂。概貌中的頭文件作用是引入外部組件及文檔說明，概貌中的場景主體描述是對 X3D 文件三位立體場景中的自然景觀、人文環(huán)境、建筑造型、街道等創(chuàng)建和編碼過程。 X3D 場景 X3D 使用場景圖（ Scene Graph）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立 3D 虛擬境界 , 虛擬境界由對象構(gòu)成，而對象及其屬性用節(jié)點描述，節(jié)點是 X3D 的基本單元。每個節(jié)點由類型、域、事件、實現(xiàn)、名字組成， X3D 文件包含包括零個或多個根節(jié)點。節(jié)點按一定規(guī)則構(gòu)成場景圖（ Scene graph）[19]。 X3D 節(jié)點層次結(jié)構(gòu)：場景（ Scene）根節(jié)點、父節(jié)點、子節(jié)點。以場景作為三維立體場景的根節(jié)點，以此增加節(jié)點和子節(jié)點以創(chuàng)建種復(fù)雜的三維立體場景。在每個 X3D 文件中只允許有一個場景根節(jié)點，在此基礎(chǔ)上在增加需要的節(jié)點造型。 在一個嵌套節(jié)點中，最頂層節(jié)點就是 根節(jié)點，由它派生整個場景的全部節(jié)點。父節(jié)點是根節(jié)點派生出來的，再由父節(jié)點派生子節(jié)點，循環(huán)下去直至全部場景。例如：在場景根節(jié)點下，創(chuàng)建一個模型節(jié)點（ shape 節(jié)點），此節(jié)點成為父節(jié)點。父節(jié)點又包含兩個子節(jié)點，分別為 Appearance 節(jié)點和 Geometry 節(jié)點，在 Geometry 節(jié)點下又包含一個葉節(jié)點（ Sphere 節(jié)點），完成三維立體空間整體造型。 X3D 場景節(jié)點層次結(jié)構(gòu)如圖 6 所示： X3D 文件結(jié)構(gòu) X3D 頭文件 X3D 主程序概貌 Head（頭文檔）： Scene（場景）： ponent（組件） metadata（元數(shù)據(jù)） 節(jié)點 節(jié)點 深圳大學本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 14 根節(jié)點 父節(jié)點 Geometry 節(jié)點 子節(jié)點 圖 6 X3D 根節(jié) 點層次結(jié)構(gòu)圖 根據(jù) X3D 語法結(jié)構(gòu)的要求，除根節(jié)點外，其他節(jié)點之間可以并列或?qū)訉忧短资褂?。不同作用的?jié)點有著不同語法結(jié)構(gòu)，父節(jié)點包含一個或多個子節(jié)點，子節(jié)點中又包含子節(jié)點等。 X3D 常用節(jié)點 在虛擬現(xiàn)實中，節(jié)點是 X3D 核心所在，可以說如果沒有節(jié)點，就沒有 X3D，所以 X3D 的節(jié)點起著重要作用。學好 X3D 的節(jié)點，也就學好 X3D。以下是 X3D 中常用的節(jié)點 [18]。 2D節(jié)點 X3D 支持點的節(jié)點是 PointSet，它可以包含 Color 和 Coordinate 節(jié)點。 Color 節(jié)點是用來構(gòu)造顏色值的索引表用于指定對應(yīng)點或?qū)ο蟮念伾?Coordinate 節(jié)點是用來構(gòu)造坐標的列表。 繪制直線是采用 IndexedLineSet 節(jié)點，它可以包含 Color 和 Coordinate 子節(jié)點。IndexedLineSet 節(jié)點屬性中， coordIndex 屬性用來指定直線端點在 Coordinate 子節(jié)點的索引號