【正文】 研究基于VRML的虛擬場景建模、交互、漫游技術，根據虛擬設計及其主要特點，結合3D MAX和Cosmo Worlds，對基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術在人們生活領域的應用進行了研究，著重闡述了如何利用VRML語言以生動的模型來模擬和顯示現(xiàn)實三維空間，最終以人機交互方式來實現(xiàn)社區(qū)三維景觀的實時漫游。VRML的基本目標是建立互聯(lián)網上的交互式三維多媒體。虛擬社區(qū)漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)(場景建模)摘 要虛擬現(xiàn)實技術是由計算機產生，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產生身臨其境感覺的交互式視景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。虛擬現(xiàn)實建模語言VRML被用來描述三維物體及其行為，可以構建虛擬世界。VRML的出現(xiàn)使得虛擬現(xiàn)實像多媒體和互聯(lián)網一樣逐漸走進我們的生活。對建筑樓群的建模采用3D MAX三維造型工具和VRML相結合的方式，對這些模型進行優(yōu)化。這些模型共同構建整個虛擬三維場景，為市政規(guī)劃建設提供一個科學簡便、形象直觀的可視化人機交互平臺。s life. The paper focuses on how to use VRML language to construct in the model vividly to simulate and display realistic threedimensional space. Finally, we achieved the realtime roaming in the Threedimensional landscape of the munity by humanputer interaction. We have modeled these buildings by the bination of 3D MAX three—dimensional modeling tool and VRML. At the same time, we put other models such as trees，humans and cars into the 3d scene to intensify the sense of the facticity. We use these models to build a virtual threedimensional scene together, to provide a scientific and simple, intuitive image visualization platform for construction of municipal.KEY WORDS：virtual reality，VRML，scenario modeling，virtual tour41 / 46目　錄 前　言 1第1章 虛擬現(xiàn)實建模語言 3167。 基于VRML的虛擬場景構造工具及VRML瀏覽器 5167。 三維建模工具 5167。 場景的建模 7167。 造型節(jié)點的層次結構 8167。 大型場景的數據組織 9167。 場景的建立 11167。 建筑物的二次建模方法 13167。 文件編輯環(huán)節(jié)的優(yōu)化 15第3章 虛擬社區(qū)漫游系統(tǒng)的實現(xiàn) 17167。 系統(tǒng)結構設計 17167。 地面建模 18167。 植物建模 21167。 碰撞檢測的建立 23167。 碰撞的觸發(fā) 24167。 場景的鏈接 24第4章 系統(tǒng)測試 26167。 系統(tǒng)測試過程 26167。 集成測試 28結　論 29參考文獻 30致　謝 32前　言隨著虛擬現(xiàn)實技術和計算機網絡技術的發(fā)展，以及數字地球和數字城市概念的為前提的大背景下，虛擬現(xiàn)實技術已經成為計算機領域研究、開發(fā)和應用的熱點，廣泛應用到教育、軍事、建筑、醫(yī)療、工業(yè)設計等各個領域。作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統(tǒng)，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關注并且在商業(yè)領域得到了進一步的發(fā)展。虛擬社區(qū)(Virtual Community)是基于地理信息系統(tǒng)技術、虛擬現(xiàn)實技術、寬帶網絡技術、多媒體技術、計算機圖形學等高新技術，將社區(qū)地理空間信息和其屬性信息相結合，構建一個逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺的虛擬社區(qū)景觀，用戶可以利用計算機網絡遠程訪問這個全新的社區(qū)景觀，通過終端計算機在虛擬社區(qū)中漫游，而且可以進行查詢、分析、評價等操作，使用戶足不出戶也可以有身臨其境的感覺[1]。它是一個三維可視化的、有聲有色的仿真社區(qū)景觀，既可以為市政建設樹立良好的形象，提高社區(qū)的知名度，宣傳社區(qū)文化；還可以作為市政規(guī)劃的輔助工具，在對社區(qū)內部的建筑物、道路、輔助設施進行修建規(guī)劃時，可以在這個虛擬三維環(huán)境中動態(tài)交互的對未來社區(qū)環(huán)境進行全面的審查，為社區(qū)規(guī)劃和設計提供更明確的目標；同時也提高了社區(qū)管理的效率和科學化水平，促進遠程監(jiān)控，加快社區(qū)建設。本論文研究的虛擬社區(qū)漫游系統(tǒng)，是以現(xiàn)實中功能社區(qū)為虛擬空間，根據VR技術原理，創(chuàng)建出社區(qū)里基本的建筑物、道路、廣場、車輛、人物、樹木等虛擬模型，然后以VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言)為核心，結合3D MAX等建模工具，實現(xiàn)基于TCP／IP協(xié)議和因特網的逼真虛擬校園漫游系統(tǒng)，使得用戶更加方便、靈活的在虛擬社區(qū)中漫游三維模型；使真實性、交互性和動態(tài)性得到了更充分的體現(xiàn)。 虛擬現(xiàn)實建模語言概述虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language ，VRML）是第二代WWW的標準語言，是一項與多媒體、因特網、虛擬現(xiàn)實等領域密切相關的新技術[1]。盡管借助Java技術可以實現(xiàn)一些三維的效果，可是要完全構造出一個三維的環(huán)境是不可能的。VRML是一種基于文本的通用語言，是HTML的三維模型。一個VRML的三維立體景象一般是由成百上千個多邊形組成，這些多邊形是構建計算機三維景象的基本材料。不能提供交互功能，也沒有聲音和動畫。它提供了梯度和紋理映射背景、與地點相關的聲音以及可以將MPEGII視頻映射到任意對象上的節(jié)點。VRML文件通常包括4個主要部分：文件頭(Header)，原型(Prototypes)，場景圖(Scene graph)，事件路由(Event routing)[2]。后3個部分沒有嚴格的先后次序要求，只要求后者使用的對象在前者中已經定義，并且這3個部分可以有任意多個。VRML定義了54種節(jié)點，新增了3種數據類型，而且?guī)缀跛械墓?jié)點都被或多或少地增加了功能，至少可以發(fā)送或接收消息。這二部分是密不可分的，因為在VRML中，任何一個創(chuàng)建的實體都可以發(fā)送和接收消息，并通過JavaScript與外部Java進行交換，從而實現(xiàn)真正的交互功能。同時，、動畫等功能。167。 文本編輯工具VRML用ASCII文本格式來描述境界和鏈接。但對于一個虛擬的三維場景來說，它是由聲音、圖像、材質等復雜文件組合而成的，一個單獨的*.wrl文件不能輕易地實現(xiàn)它。這樣的工具很多，最常用的是VrmlPad工具。167。對于第一個問題，許多所見即所得的VRML制作軟件已經出現(xiàn)。這3個工具各有側重，ISB側重于空間建模，ISA側重于場景組合，ICA側重于動畫。但它們的易用性給生成復雜的三維實體提供了方便。3D MAX當今世界流行最廣的三維動畫造型軟件，它所具有的把三維模型輸出成VRML格式(利用其Import和Export方法)的功能使其成為VRML的最好助手。過細的要求不可避免地造成了巨大的文件量，這影響了文件裝入內存后的導航速度和性能，使文件的下載時間過長。這些方法包括：在建立的幾何體中減少分段數；從場景中刪除看不見的面和隱藏不需要的面；使用關聯(lián)復制等。 VRML瀏覽器和HTML一樣，VRML虛擬場景源程序文件也是由網絡傳輸，瀏覽器解釋、執(zhí)行和呈現(xiàn)的，只不過VRML源程序文件在瀏覽器上產生的不是靜態(tài)的平面結構，而是動態(tài)的立體場景，支持VRML文件的瀏覽器常見的有Microsoft VRML瀏覽器、Parallel Graphics公司的Cortona VRML Client瀏覽器、SGI公司的Cosmo Player瀏覽器、Blaxxun公司的Blaxxun Contact等。它的基本原理是用文本信息描述三維場景，在Internet網上傳輸，在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景，解釋生成的標準規(guī)范即是VRML規(guī)范。因此，VRML可以生成網絡上的三維場景。可見，采用VRML技術構建虛擬現(xiàn)實環(huán)境有下面幾個好處：豐富了媒體表現(xiàn)形式、改善了虛擬環(huán)境的用戶界面、增強了虛擬環(huán)境的交互性。 場景的建模167。從層次結構上可以把節(jié)點分成三種類型，組節(jié)點、子節(jié)點和屬性節(jié)點，節(jié)點名的首字母大寫，而域名都用小寫字母表示[4]。節(jié)點類型大都具有接收和發(fā)送的事件(Event)的能力，其中事件入口是節(jié)點接收事件的邏輯接收器，事件的出口是節(jié)點產生事件的邏輯輸出端。本系統(tǒng)中涉及的主要造型節(jié)點包括Transform節(jié)點、Shape節(jié)點、Appearance節(jié)點、Material節(jié)點、IndexedFaceSet節(jié)點、Background節(jié)點、Billboard節(jié)點和Anchor節(jié)點等。 造型節(jié)點的層次結構本系統(tǒng)中將組節(jié)點(Transform)作為基本造型節(jié)點，children域中的造型節(jié)點(Shape)包含外觀(Appearance)和幾何(geometry)節(jié)點；Appearance節(jié)點包含材質(Material)節(jié)點和紋理(texture)節(jié)點；每個節(jié)點又包含若干個域。所以在本系統(tǒng)中，利用IndexedFaceSet節(jié)點構造復雜的折疊面，可以完成建筑外部的一些復雜設施和室內造型，例如建筑外的空調平臺和室內的房梁等。圖21 建筑外部多邊形結構圖通過上述分析得出，我們可以用Shape節(jié)點創(chuàng)建虛擬場景中的全部三維造型。167。如上所述，父子關系是根據節(jié)點語義定義的通過特定域包含特定節(jié)點而形成的上下層次關系。通過組節(jié)點(Grouping Node)把一組子節(jié)點組織起來，從而形成編組關系。例如Group節(jié)點的children域，它是一個MFNode類型的域，蹋來包含多個子節(jié)點。167。Group節(jié)點用于對象的群組；Transform節(jié)點則是把對象組合后再一起進行坐標變換。本系統(tǒng)中，由于后期場景豐富的需要，以及系統(tǒng)快速讀取的需要。并且系統(tǒng)讀入時檢測此內聯(lián)的人物造型是否會出現(xiàn)在默認的視點視界中，當此人物造型有效時，此模型才被描述出來，否則將不再描述，這樣節(jié)省了系統(tǒng)資源。分解的方法，首先把大場景按分布的區(qū)域劃分成許多子塊，子塊盡可能規(guī)則，以利用建模后再組合成大的場景塊；其次對某一具體的造型，如本系統(tǒng)中的某一建筑模型，可以從外向內進行分解，將屋頂的建模作為一個單獨的部分，外墻的建模作為另一個部分；在VRML中通過分組節(jié)點和造型節(jié)點把分解的場景建模后，用分組節(jié)點再組合成大場景。如圖23所示，在VRML文件中的具體體現(xiàn)是樹型嵌套結構。 建模流程在3D MAX中構造基本模型。因此在構造虛擬場景時期，使用一些三維建模工具可以大大地提高開發(fā)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的效率。在VrmlPad中編輯。從3D MAX輸出的VRML文件，雖然已包含建立好的建筑模型、環(huán)境模型、人物模型等，但是由于交互行為不足，所以還應該打開生成的．wrl文件，加入指定路線漫游和一些基本的動態(tài)交互功能以完善系統(tǒng)功能。167。利用3D Max創(chuàng)建VRML場景的主要步驟如下：(1)場景平面圖。在AutoCAD中繪制場景布局的平面圖(，可導入3D Max)，定位道路、樓群和其他建筑物。(2)紋理采集。對所采集的紋理圖片，在Photoshop中將其處理成可無縫平鋪的貼圖。VRML通過節(jié)點來描述場景實體，3D Max可以將其環(huán)境中的模型以VRML的格式輸出。以人物造型為例，輸出的VRML節(jié)點如下：VRML utf8DEF man01 Transform {定義man01造型 children Shape { appearance Appearance { material Material {此處省略了紋理描述 } } geometry DEF man01FACES IndexedFaceSet {man01面部索引面集 coord DEF man01COORD Coordinate { point […] } coordIndex […] ccw TRUE solid FALSE normalIndex [ ] texCoordIndex [ ] } } translation rotation 1 0 0 scale }其中，Translation為標準的VRML節(jié)點，children域中定義了Shape．它是一個man01的面部。 (4)引入需要的VRML節(jié)點但是有一些VRML節(jié)點在3D Max中并不能被直接通過3DS的實體模型創(chuàng)建出來，需要向這個3D MAX場景中插入圖標來引入相應的VRML節(jié)點，其中包括了Anchor、ProxSensor、NavInfo、Fog、Sound、LOD、TouchSensor，Timesensor，Background、AudioClip、Billboard、Inline共12個節(jié)點[10]。167。在場景模型構造環(huán)節(jié)，建筑物的建模是關鍵。為此，我們在比較各種建模方法的基礎上，兼顧文件量和真實感，提出建筑物的二次建模方法。167。二次建模的思路是：首先在三維軟件中對建筑進行精細建模，賦以材質及紋理，然后對所需的紋理進行渲染輸出，經圖像處理軟件處理后生成包含細節(jié)(如窗框、裝飾條等)的紋理；再對原建筑