【正文】 廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬建模語言。本書在編寫中注重實用，在內(nèi)容方面力求做到全面而系統(tǒng)，使讀者能通過此書快速入門并達到掌握應(yīng)用的目的。本書承浙江大學計算機輔助設(shè)計與圖形學國家重點實驗室多媒體與虛擬現(xiàn)實研究室主任潘志庚研究員主審，在此，對他所提的寶貴意見表示感謝，編者對此也已作了相應(yīng)的修改與補充。由于當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，加之作者水平有限，時間倉促，書中錯漏之處在所難免，懇請讀者批評指正?！队媱潯返哪繕耸牵骸敖?jīng)過五年的努力，初步形成適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的具有中國特色的高職高專教育人才培養(yǎng)模式和教學內(nèi)容體系。與此同時，為了貫徹落實《教育部關(guān)于加強高職高專教育人才培養(yǎng)工作的意見》（教高［2000］2 號）的精神，教育部高等教育司決定從2000年起，在全國各省市的高等職業(yè)學校、高等?？茖W校、成人高等學校以及本科院校的職業(yè)技術(shù)學院（以下簡稱高職高專院校）中廣泛開展專業(yè)教學改革試點工作，目標是：在全國高職高專院校中，遴選若干專業(yè)點，進行以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目的、人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新為主題的專業(yè)教學改革試點，經(jīng)過幾年的努力，力爭在全國建成一批特色鮮明、在國內(nèi)同類教育中具有帶頭作用的示范專業(yè)，推動高職高專教育的改革與發(fā)展。為使這些教改項目成果能夠得以固化并更好地推廣，從而總體上提高高職高專教育人才培養(yǎng)的質(zhì)量，我們組織了有關(guān)高職高專院校進行了多次研討，并從中遴選出了一些較為成熟的成果，組織編寫了一批“新世紀高職高專教改項目成果”教材。新世紀高職高專教改項目成果教材適用于高等職業(yè)學校、高等?？茖W校、成人高校及本科院校舉辦的二級職業(yè)技術(shù)學院、繼續(xù)教育學院和民辦高校使用。 63 面部表情識別 64 眼動跟蹤 65 碰撞檢測技術(shù) 66 虛擬現(xiàn)實工具軟件 67 Web3D 技術(shù)與軟件 69 Web3D 應(yīng)用與發(fā)展 72本章小結(jié) 75 全景技術(shù)的分類 79 PixMaker 全景圖片技術(shù) 80 PhotoVista 全景圖片技術(shù) 80 數(shù)碼相機 82 全景頭 83 全景照片拍攝方法與原則 85 全景照片的拍攝方法 85 數(shù)碼相機的拍攝原則 88 全景圖制作實例 89 球形與立方體形全景制作實例 101本章小結(jié)109 Cult 3D 模型的導(dǎo)出 110 Cult3D 窗口簡介121 Stage Window（演示窗口）124 Events（事件）窗口125 Cult3D 應(yīng)用125 制作基本三維演示125 制作三維交互演示131 Cult3D 的應(yīng)用展示150習題與思考題150第 6 章虛擬現(xiàn)實建模語言VRML155 在場景中建造基本幾何模型159 構(gòu)建虛擬場景的幾何造型geometry 域 160 在虛擬場景中添加文本造型 163 在場景中構(gòu)建復(fù)雜造型 165 構(gòu)造離散點的集合造型 167 構(gòu)造空間平面集合造型 170 為幾何體添加紋理 175 虛擬造型群節(jié)點的使用 175 空間坐標變換節(jié)點的使用191 時間傳感器節(jié)點的使用207 在3DSMAX 中插入VRML節(jié)點207 VRML 文件的壓縮 211習題與思考題212附錄 A VRML 的關(guān)鍵字213附錄B VRML 的域參考隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、三維圖形技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，人類的這一夢想將變?yōu)楝F(xiàn)實，這就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。VR 技術(shù)，又稱虛擬實境或靈境技術(shù)，這項技術(shù)原本是美國軍方開發(fā)研究出來的一項計算機技術(shù)。在這個虛擬世界中，人們可直接觀察周圍世界及物體的內(nèi)在變化，與其中的物體之間進行自然的交互，并能實時產(chǎn)生與真實世界相同的感覺，使人與計算機融為一體。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。VR 技術(shù)、理論分析、科學實驗已成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。VR 技術(shù)將深入到我們的生活中，成為一門藝術(shù)、一種文化。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述 VR 技術(shù)的發(fā)展過程關(guān)于 VR，其實在很久以前就有人提出這一構(gòu)想。海利希就成功地利用電影技術(shù)，通過“拱廓體驗”讓觀眾經(jīng)歷了一次美國曼哈頓的想像之旅。VR 技術(shù)的發(fā)展大致分為3 個階段：20 世紀50 年代到70 年代，是VR 技術(shù)的探索階段；20世紀80 年代初期到80 年代中期，是VR 技術(shù)系統(tǒng)化、從實驗室走向?qū)嵱玫碾A段；20 世紀80 年代末期到21 世紀初，是VR 技術(shù)高速發(fā)展的階段。海利希在1962 年研制的稱為Sensorama 的具有多種感官刺激的立體電影系統(tǒng)，它是一套只能供個人觀看立體電影的設(shè)備，采用模擬電子技術(shù)與娛樂技術(shù)相結(jié)合的全新技術(shù)，能產(chǎn)生立體聲音效果，并能有不同的氣味，座位也能根據(jù)劇情的變化搖擺或振動，觀看時還能感覺到有風在吹動。1965 年，計算機圖形學的奠基者美國科學家艾凡這一理論后來被公認為在VR 技術(shù)中起著里程碑的作用，所以我們稱他既是“計算機圖形學”之父，也是“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”之父。薩瑟蘭在麻省理工學院開始頭盔式顯示器的研制工作，人們戴上這個頭盔式顯示器，就會產(chǎn)生身臨其境的感覺。薩瑟蘭使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管（CRT）研制出了第一個頭盔式顯示器（HMD），并發(fā)表了《A HeadMounted 3DDisplay》的論文，他對頭盔式顯示器裝置的設(shè)計要求、構(gòu)造原理進行了深入的分析，并描繪出這個裝置的設(shè)計原型，此舉成為三維立體顯示技術(shù)的奠基性成果?；?20 世紀60 年代以來所取得的一系列成就，美國的Jaron Lanier 在20 世紀80 年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。1984 年，NASAAmes 博士組織開發(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)造了火星表面的三維虛擬世界。進入 20 世紀90 年代后，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)相匹配，使得基于大型數(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，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場，而這些都為VR 系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。波音777 飛機由300 萬個零件組成，所有的設(shè)計在一個由數(shù)百臺工作站組成的虛擬世界中進行。正是由于 VR 技術(shù)產(chǎn)生的具有交互作用的虛擬世界，使得人機交互界面更加形象和逼真，越來越激發(fā)了人們對VR 技術(shù)的興趣。正因為VR 技術(shù)是一個發(fā)展前景非常廣闊的新技術(shù)，因此，人們對它的應(yīng)用前景充滿了憧憬。典型的 VR 系統(tǒng)主要由計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成，如圖11 所示。由于虛擬世界本身具有高度復(fù)雜性，尤其在某些應(yīng)用中，如航空航天世界的模擬、大型建筑物的立體顯示、復(fù)雜場景的建模等，使得生成虛擬世界所需的計算量極為巨大，因此對VR 系統(tǒng)中計算機的配置提出了極高的要求。由此可見，計算機是VR 系統(tǒng)的心臟。常用的方式為數(shù)據(jù)手套加空間位置跟蹤定位設(shè)備，它可以感知運動物體的位置及旋轉(zhuǎn)方向的變化，通過頭盔式顯示器等立體顯示設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的圖像和聲音。3．VR 的應(yīng)用軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫VR 的應(yīng)用軟件系統(tǒng)可完成的功能包括：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、行為模型的建立，三維虛擬立體聲的生成，模型管理技術(shù)及實時顯示技術(shù)，虛擬世界數(shù)據(jù)庫的建立與管理等幾部分。圖 12 所示的是基于頭盔式顯示器的VR 系統(tǒng)，它由計算機、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置、話筒、耳機等設(shè)備組成。__ VR 技術(shù)的特征及意義VR 技術(shù)有3 個主要特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination），如圖13 所示。VR 技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶覺得自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動。沉浸性來源于對虛擬世界的多感知性，除了常見的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知、嗅覺感知等。① 視覺沉浸。在VR 系統(tǒng)中，產(chǎn)生視覺方面的沉浸性是十分重要的。較理想的視覺沉浸環(huán)境是在洞穴式顯示設(shè)備（CAVE）中，采用多面立體投影系統(tǒng)，因而可得到較強的視覺效果。② 聽覺沉浸。在VR 系統(tǒng)中，主要讓用戶感覺到的是三維空間的虛擬聲音，這與普通立體聲有所不同。它可以模擬大范圍的聲音效果，如閃電、雷鳴、波浪聲等自然現(xiàn)象的聲音。③ 觸覺沉浸。當然，從現(xiàn)在技術(shù)來說不可能達到與真實世界完全相同的觸覺沉浸，將來也不可能，除非技術(shù)發(fā)展到同人腦能進行直接交流，而目前的技術(shù)水平主要側(cè)重于力反饋方面。（2）交互性交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR 系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實世界中一樣的感覺。VR 系統(tǒng)比較強調(diào)人與虛擬世界之間進行自然的交互，如人的走動、頭的轉(zhuǎn)動、手的移動等，通過這些方式與虛擬世界進行交互。交互性的另一個方面主要表現(xiàn)了交互的實時性。（3）想像性想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來的，同時這種想像體現(xiàn)出設(shè)計者相應(yīng)的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標。通常它以夸大的形式反映設(shè)計者的思想，VR 系統(tǒng)的開發(fā)是VR 技術(shù)與設(shè)計者并行操作，是為發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造性而設(shè)計的。例如在建設(shè)一座大樓之前，傳統(tǒng)的方法是要繪制各種圖紙，而現(xiàn)在可以采用VR 系統(tǒng)來進行設(shè)計與仿真?，F(xiàn)在，VR 技術(shù)在許多領(lǐng)域中起著十分重要的作用，如核試驗、新型武器設(shè)計、醫(yī)療手術(shù)的模擬與訓練、自然災(zāi)害預(yù)報等，這些問題如果采用傳統(tǒng)方式去解決，必然要花費大量的人力、物力及漫長的時間，有些還是無法進行的，有些甚至會犧牲人員的生命。綜上所述，VR 系統(tǒng)具有的沉浸性、交互性、想像性，使參與者能沉浸于虛擬世界之中并進行交互。2．VR 技術(shù)的意義正是由于 VR 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)人與自然之間的和諧交互，擴大人對信息空間的感知通道，提高人類對跨越時空事物和復(fù)雜動態(tài)事件的感知能力，把計算機應(yīng)用提高到一個嶄新的水平，其作用和意義是十分重要的。首先是在觀念上的轉(zhuǎn)變，它使人們對計算機的應(yīng)用從“以計算機為主體”變成“以人為主體”。而VR 技術(shù)的目標或理念是要逐步使“計算機適應(yīng)__人”，人們要通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及形體、手勢或語言，參與到信息處理的環(huán)境中去，并獲得身臨其境的體驗。第二個轉(zhuǎn)變發(fā)生在哲學中人們對“虛”和“實”之間的辯證關(guān)系的理解上。我們是處于真實的客觀世界中，還是只處于自己的感知世界中，一直是唯物論和唯心論爭論的焦點。過去，視網(wǎng)膜上的影像都是真實世界的反映，因此客觀的真實世界同主觀的感知世界是一致的。因此這就引發(fā)了哲學上要重新認識“虛”和“實”之間關(guān)系的研究①。VR 技術(shù)和三維動畫技術(shù)有本質(zhì)上的區(qū)別：三維動畫技術(shù)是依靠計算機預(yù)先處理好的路徑上所能看見的靜止照片連續(xù)播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用戶想看什么地方就能看到什么地方，用戶只能按照設(shè)計師預(yù)先固定好的一條線路去看某些場景，它給用戶提供的信息很少或不是所需的，用戶是被動的；而VR 技術(shù)則截然不同，它通過計算機實時計算場景，根據(jù)用戶的需要把整個空間中所有的信息真實地提供給用戶，用戶可依自己的路線行走，計算機會產(chǎn)生相應(yīng)的場景，真正做到“想得到，就看得到”。VR 技術(shù)源于人們對三維動畫技術(shù)自由交互的渴望，雖然它形式上和三維動畫技術(shù)有些相似之處，但它可能將是三維動畫技術(shù)的替代品。如果需要利用3DSMAX 渲染一張小區(qū)建筑效果圖，大概需要幾十秒的時間；而VR 軟件在同樣的分辨率下，每一秒要渲染幾十幀這樣的效果圖，因為如果不能達到20 幀／秒以上的處理效率，就難以達到和人類實時交互的效果，這種效率是三維動畫軟件通過軟件的優(yōu)化所無法達到的。房地產(chǎn)展示是這兩個技術(shù)最常用的領(lǐng)域。這些都是三維動畫技術(shù)所無法比擬的。表 11 VR 技術(shù)與三維動畫技術(shù)的比較① 在2003 年12 月于日本東京舉行的ICAT’03 國際會議上，專門邀請寺廟的一位主持來講述“虛”與“實”的辯證關(guān)系，給與會者很大的啟發(fā)。操縱者親身體驗虛擬三維空間，可自由選擇觀察路徑，有身臨其境的感覺場景畫面由動畫制作人員根據(jù)材料或想像直接繪制而成，與真實的世界和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類藝術(shù)作品?，F(xiàn)在，VR 技術(shù)不僅指那些高檔工作站、頭盔式