【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 互和行為的支持，為此，急需對(duì)它進(jìn)行修訂。1996年8月，在新奧爾良舉行的SIGGRAPH’，經(jīng)ISO JTCI/ SC2 4同意，這一版被作為14772號(hào)委員會(huì)草案公布，并且于1997年4月提交審議。該草案又稱為VRML 97(遵循ISO把發(fā)布年號(hào)寫入名字的命名約定)。從此之后，許多公司紛紛推出了自己的 VRML瀏覽器，如 Netscape公司 Live3D，IE內(nèi)嵌的Microsoft VRML Viewer，Apple公司的 Quick Time VR等等。我國(guó)對(duì)VR技術(shù)的正式研究起步卻很晚，大概在20世紀(jì)90年代初，發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了成果，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距。其研究概述如下。國(guó)內(nèi)最早開展此項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)的是西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心；北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系也是國(guó)內(nèi)最早研究VR的單位之一，它在VR視覺(jué)接口方面獲得了一部分研究成果；北京大學(xué)設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)的VR系統(tǒng)；清華大學(xué)國(guó)家光盤工程研究中心所作的“布達(dá)拉宮”，采用了QuickTime技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大全景VR制；浙江大學(xué)CADamp。CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系已經(jīng)成功地合成了人的高級(jí)行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動(dòng)合成技術(shù)問(wèn)題，并正在研究人說(shuō)話時(shí)手勢(shì)和頭勢(shì)的動(dòng)作、語(yǔ)音和語(yǔ)調(diào)的同步等；西安交大信息工程研究所對(duì)VR中的關(guān)鍵技術(shù)—立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究；中國(guó)科技開發(fā)院威海分院研究了視覺(jué)接口技術(shù)，完成了VR中的體視圖及軟件接口；北方工業(yè)大學(xué)CAD中心是我國(guó)最早開展計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究的單位之一，完成了通訊圖像顯示系統(tǒng)的多媒體平臺(tái)及相關(guān)音頻資料庫(kù), 并且中國(guó)第一部完全用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)制作的科教片《相似》就出自該中心；上海大學(xué)CIMS中心開發(fā)了一套基于IRIX的虛擬科技園區(qū)環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；另外，上海交通大學(xué)圖像處理模式識(shí)別研究所，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系、安徽大學(xué)電子工程與住處科學(xué)系等單位也進(jìn)行了一些研究工作和嘗試。 VRML的工作原理與實(shí)例運(yùn)用 VRML的工作原理VRML的訪問(wèn)方式是基于客戶／服務(wù)器模式（見(jiàn)圖1），其中服務(wù)器提供VRML文件（后綴為．wrl）及支持資源客戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問(wèn)的文件，并通過(guò)本地平臺(tái)上的VRML瀏覽器（Ｂrowse）交互式訪問(wèn)該文件描述的虛擬境界（VirtualWorld），因?yàn)闉g覽器是本地平臺(tái)提供的，從而實(shí)現(xiàn)了和硬件平臺(tái)的無(wú)關(guān)性。VRML文件是以擴(kuò)展名為wrl結(jié)尾的一種用來(lái)描述幾何形體的ASCII文本文件，它不需要任何編譯，直接由瀏覽器解釋執(zhí)行。當(dāng)用戶打開VRML文件時(shí)，系統(tǒng)首先裝入一個(gè)內(nèi)嵌的VRML瀏覽器，該瀏覽器將VRML語(yǔ)言中的信息解釋成空間中目標(biāo)的幾何形體描述，如長(zhǎng)方體，球體，不規(guī)則的其它三維物等等，同時(shí)它將提供實(shí)時(shí)顯示，一秒顯示多次，這樣在用戶的計(jì)算機(jī)上就會(huì)有一個(gè)活動(dòng)場(chǎng)景的感覺(jué)。 1． 場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)　　VRML (Scene Graph)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立3D實(shí)境，這是以SGI(Silicon Graphics Inc.)的Open Inventor 3D工具包為基礎(chǔ)的一種數(shù)據(jù)格式，其基本單元被稱為節(jié)點(diǎn)(Node)，場(chǎng)景圖規(guī)定了節(jié)點(diǎn)之間的等級(jí)關(guān)系與嵌套關(guān)系。，它大致可以分為如下幾類 : 造型節(jié)點(diǎn) 用于表示各種基本的幾何體和用于任意幾何體的線框圖和面框圖。 屬性節(jié)點(diǎn) 用于定義相關(guān)對(duì)象的顏色、材質(zhì)、紋理以及攝像機(jī)組、燈光組、視點(diǎn)、背景等。 組節(jié)點(diǎn) 用于將節(jié)點(diǎn)分組 ，把相關(guān)節(jié)點(diǎn)組合成為同一個(gè)對(duì)象。 感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 用于感知用戶的輸入或動(dòng)作 ，以觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作。 其它節(jié)點(diǎn) 包括移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作 ，腳本(Script)節(jié)點(diǎn)、超鏈接節(jié)點(diǎn)等。，原點(diǎn)在屏幕中心，它也是使用這一坐標(biāo)系統(tǒng)的各種幾何體的中心。所以，當(dāng)根據(jù)構(gòu)圖要求，某個(gè)幾何體的中心不在屏幕中心時(shí)(事實(shí)上，幾何體的中心落在屏幕中心的情形是很少見(jiàn)的)，就需要移動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)，即使用Transform節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)內(nèi)定義的幾何體都使用該節(jié)點(diǎn)中所定義的平移后的坐標(biāo)系統(tǒng)?？梢韵胍?jiàn)，在構(gòu)造一個(gè)較為復(fù)雜的場(chǎng)景時(shí)，這種坐標(biāo)平移將是相當(dāng)頻繁的。 2. 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和傳感器　　由面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)可以知道，對(duì)象之間的相互作用是通過(guò)一個(gè)對(duì)象向另一個(gè)對(duì)象發(fā)出某個(gè)操作消息(message)而實(shí)現(xiàn)的，VRML也是這樣。它在兩個(gè)要傳遞消息的節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)造(或稱為綁定)一個(gè)路由(或稱為路徑)。于是，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以通過(guò)路由傳遞消息給第二個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣的消息稱為事件(event)，它包含的是一個(gè)值，即節(jié)點(diǎn)內(nèi)需要傳遞的某個(gè)域值。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接受到某個(gè)事件時(shí)，它將根據(jù)新得到的域值，去進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新，從而可能引發(fā)某個(gè)動(dòng)作。通過(guò)綁定多個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可以創(chuàng)建出復(fù)雜的線路 ，從而使創(chuàng)造出的世界充滿動(dòng)感和交互性。　　傳感器(Sensor，或稱檢測(cè)器)是VRML中提供交互能力和動(dòng)態(tài)行為的基元。一個(gè)具有動(dòng)態(tài)能力的節(jié)點(diǎn)需包含傳感器。VRML共提供7種傳感器節(jié)點(diǎn)，即Cylinder Sensor、Plane Sensor、Time Sensor、Touch Sensor、 Visibility Sensor、Proximity Sensor。它們提供了用戶與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互的機(jī)制:根據(jù)時(shí)鐘或者用戶的動(dòng)作，它們可以產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的事件，這事件沿著事先設(shè)定好的路由傳遞下去，從而使得虛擬世界對(duì)用戶做出反應(yīng) ，實(shí)現(xiàn)交互。右圖便是一個(gè)簡(jiǎn)單的拖曳路由：平面?zhèn)鞲衅鱌lane Sensor起動(dòng)即被激活后，鼠標(biāo)的移動(dòng)變化量（translation_changed）就傳遞給球體實(shí)物造型ball,這樣球體便可以跟隨鼠標(biāo)的移動(dòng)而移動(dòng)，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)球體的拖曳功能。路由指向（路徑）如圖33所示，路由代碼是：ROUTE TO 圖33 拖曳路徑圖3. 動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)和插補(bǔ)器　　VRML的動(dòng)畫比普通動(dòng)畫更吸引人，因?yàn)楫?dāng)用戶在一個(gè)虛擬世界中漫游時(shí)，他可以從各種角度來(lái)觀察動(dòng)畫，而要完成一個(gè)復(fù)雜的從所有視點(diǎn)來(lái)看都成功的動(dòng)畫是很困難的。VRML動(dòng)畫的另一個(gè)特點(diǎn)是，在播放動(dòng)畫時(shí)沒(méi)有一個(gè)固定的幀速率，如果動(dòng)畫是由Time Sensor驅(qū)動(dòng)的，它就可以確保動(dòng)畫在固定的Cycle Interval時(shí)間內(nèi)完成，這樣做的好處是可以使動(dòng)畫與聲音或其它時(shí)間固定的媒體相同步。　　插補(bǔ)器 (Interpolator，或稱內(nèi)插器)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的重要手段之一。通過(guò)一個(gè)被啟動(dòng)的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)(Time Sensor)，不停地向內(nèi)插器提供時(shí)間消息。內(nèi)插器一旦接受到一個(gè)時(shí)間消息，就會(huì)結(jié)合其內(nèi)的關(guān)鍵時(shí)刻列表，從自己的關(guān)鍵值表中 ，通過(guò)線形插值的算法，得到一個(gè)當(dāng)前時(shí)候的關(guān)鍵值，并經(jīng)過(guò)路由送至Transform節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)域，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。位置插補(bǔ)器（PositionInterpolator）就可以實(shí)現(xiàn)造型的位置變化，只需要關(guān)鍵位置的關(guān)鍵坐標(biāo)值便可，其余位置由插補(bǔ)器自動(dòng)線性計(jì)算，從而出現(xiàn)連續(xù)位置變化形成動(dòng)畫效果。 動(dòng)作實(shí)例目標(biāo)為創(chuàng)建一個(gè)矩形實(shí)體模型的連貫動(dòng)作移動(dòng)，并使用圓球做參照，打開VRML編輯器輸入以下語(yǔ)句，語(yǔ)句的含義見(jiàn)各語(yǔ)句的右側(cè)：Background { skyColor 創(chuàng)建背景顏色為藍(lán)色}DEF box Transform { 定義矩形模型，坐標(biāo)默認(rèn)原點(diǎn) children [ Shape { appearance Appearance { material Material { diffuseColor 矩形模型的顏色設(shè)置為褐色 } } geometry Box{ size 矩形模型的大小設(shè)置 } } ]}Transform { translation 5 5 5 創(chuàng)建參照模型坐標(biāo) children [ Shape { appearance Appearance{ material Material { diffuseColor 設(shè)置參照模型顏色為綠色 } } geometry Sphere { radius 創(chuàng)建參照?qǐng)A球模型形狀和大小 } } ]} DEF clock TimeSensor { cycleInterval 10 設(shè)定循環(huán)動(dòng)作周期 loop TRUE } DEF qwz PositionInterpolator { key [ 設(shè)定時(shí)間動(dòng)作點(diǎn) ] keyValue [ 設(shè)定坐標(biāo)動(dòng)作點(diǎn) 0 0 0 原點(diǎn) 0 0 200 動(dòng)作一 10 0 20 動(dòng)作二 10 0 20 動(dòng)作三 0 5 20 動(dòng)作四 0 0 0 原點(diǎn) ] } ROUTE TO ROUTE TO 詳圖如下：圖34 原點(diǎn) 圖35 動(dòng)作一 圖36 動(dòng)作二從圖中可以看出，由圓球做參照很明顯可以看出矩形物體已經(jīng)運(yùn)動(dòng)，其連貫動(dòng)作為：原點(diǎn)→動(dòng)作一→動(dòng)作二→動(dòng)作三→動(dòng)作四→原點(diǎn)，以此循環(huán)動(dòng)作。 VRML 文件結(jié)構(gòu)形式VRML 文檔是一種文本格式的文檔，其擴(kuò)展名為*.WRL(WRL 是 world 的縮寫)可以用文本編輯器(如 Windows 下的 notepad)打開編輯。每個(gè) 檔必須以下面的語(yǔ)句作為開始：VRML utf8“utf8”是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織確認(rèn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在 VRML 文本節(jié)點(diǎn)中引導(dǎo)語(yǔ)言字符。文 檔頭告訴瀏覽器該文檔是一個(gè) VRML 文檔，符合 VRML 規(guī)范的 版本，是以個(gè)使用國(guó)際 UTF8 字符集的文檔。以開頭的文本行是注釋行，直到下一個(gè)回車符為止，它將被瀏覽器解釋所忽略。一個(gè) VRML 文檔的主體是由節(jié)點(diǎn)及其字段、事件和路由構(gòu)成的。在 VRML 中，虛擬境界用場(chǎng)景圖(Scene Graph)描述，場(chǎng)景圖的基本單元稱為節(jié)點(diǎn)(Nodes)，節(jié)點(diǎn)間以“父子”關(guān)系形成層次性結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)事件相互通訊，事件通過(guò)路由在場(chǎng)景圖中傳播。 VRML 基本節(jié)點(diǎn) VRML 場(chǎng)景中通過(guò)把節(jié)點(diǎn)分組生成場(chǎng)景圖，來(lái)組織虛擬世界的布局和功能。節(jié) 點(diǎn)是構(gòu)成場(chǎng)景圖的基本單元。組節(jié)點(diǎn)是能夠包含字節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，組節(jié)點(diǎn)本身還可作為其 它組節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，從而形成層次性體系結(jié)構(gòu)。在場(chǎng)景圖分層結(jié)構(gòu)中，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)可以 從它的父節(jié)點(diǎn)繼承位置、方向等信息。 中的節(jié)點(diǎn)可以分成兩類：即圖形節(jié)點(diǎn)和非圖形節(jié)點(diǎn)。圖形節(jié)點(diǎn)包括幾何節(jié)點(diǎn)、屬性節(jié)點(diǎn)和組節(jié)點(diǎn)。幾何節(jié)點(diǎn)描述場(chǎng)景中的物體的幾何形狀，屬性節(jié)點(diǎn)描述場(chǎng)景中物體的材質(zhì)、光線等屬性，組節(jié)點(diǎn)可以將其它節(jié)點(diǎn)組織到一起，利用組節(jié)點(diǎn)就可以構(gòu)成場(chǎng)景的層次結(jié)構(gòu)。非圖形節(jié)點(diǎn)包括多媒體節(jié)點(diǎn)等。非圖形節(jié)點(diǎn)通過(guò)給 3D 世界增加聲音、觸發(fā)事件和動(dòng)畫數(shù)據(jù)，使 增添動(dòng)態(tài)效果。例如下面程序：VRML utf8Background { skyColor }DEF box Transform { children [ Shape { appearance Appearance { material Material { diffuseColor } } geometry Box{ size } } ]}DEF clock TimeSensor { cycleInterval 10 loop TRUE } DEF qwz PositionInterpolator { key [ ] keyValue [ 0 0 0 0 0 200 10 0 20 10 0 20 0 5 20 0 0 0 ] } ROUTE TO ROUTE TO 圖37這是一矩形的造型，此例中，Shape 屬于圖形節(jié)點(diǎn)，其中包括圖形的紋理，材質(zhì)， 顏色等屬性節(jié)點(diǎn)； time TimeSensor 屬于非圖形節(jié)點(diǎn)，它們是一些傳感器節(jié)點(diǎn)，用來(lái)觸發(fā)事件的。 VRML 坐標(biāo)及變換(1) VRML 的坐標(biāo)系VRML 采用笛卡爾三維坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)方向遵守右手定則。在初始時(shí)（即觀察者沒(méi)有移動(dòng)位置和改變視角），該坐標(biāo)系的 X 軸為沿屏幕水平向右，Y 軸為沿屏幕垂直向上，Z 軸為從屏幕指向用戶，見(jiàn)圖38。圖38 vrml坐標(biāo)VRML 三維空間是以瀏覽器的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)VRML 的度量單位是標(biāo)準(zhǔn)化的，長(zhǎng)度和距離單位是米，角度單位是弧度。缺省的視點(diǎn)位置是(0，0，10)，即瀏覽者的位置是在坐標(biāo)軸 Z 上，順 Z 軸的負(fù)方向朝向 XOY 坐標(biāo)平面。Transform 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)變換功能 VRML 中，Transform 節(jié)點(diǎn)(如圖 3–9 所示)是一個(gè)最基本的群組節(jié)點(diǎn)。首先，它可以作許多物體的容器，其次，Transform 有更重要的用途。在計(jì)算機(jī)圖形中，“運(yùn)動(dòng)”總是和變換緊密相連的，無(wú)論是比例縮放、旋轉(zhuǎn)或是平移。 中，Transform 節(jié)點(diǎn)利用它的字段可以實(shí)現(xiàn) VRML 的坐