基于VRML的三維虛擬校園的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、基于VRML的三維虛擬校園的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)摘要VRL是可以用來創(chuàng)作桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建模語言。本文在介紹了VRL的根底上，以南通大學(xué)三維虛擬校園為例，討論了虛擬場景的構(gòu)建技術(shù)，介紹了一些常用的建模的方法。關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實(shí)；VRL；虛擬校園VRLVirtualRealitydelingLanguage，是一種用于描繪交互式三維空間的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言。借助VRL，可以建造虛擬的房間、建筑物、城市甚至星球等現(xiàn)實(shí)中的和想象中的事物；可以編寫小程序來控制虛擬空間，賦予閱讀者和虛擬空間進(jìn)展交互的才能。VRL制作的三維空間是以文本文件的形式保存的，由已安裝過插件的閱讀器來解釋展示。文件短小的特點(diǎn)使之可以很方便的在

2、網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)展傳輸。因此，這一語言為軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了重要途徑。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)上的三維虛擬校園就是VRL的一個有效應(yīng)用。VRL是解釋展示的，閱讀器就是其解釋器。為了使IE閱讀器可以支持VRL，需要安裝相應(yīng)插件。一種比擬流行的插件是Intervista公司的rldVie，另有一種是SGISilinGraphisIn公司的sPlayer。VRL使用場景圖數(shù)據(jù)構(gòu)造來建立3D實(shí)境，這是以SGI的penInventr3D工具包為根底的一種數(shù)據(jù)格式，其根本單元被稱為節(jié)點(diǎn)，場景圖規(guī)定了節(jié)點(diǎn)之間的等級關(guān)系與嵌套關(guān)系。VRL總共定義有54個節(jié)點(diǎn)，它大致可以分為如下幾類：造型節(jié)點(diǎn)：用于表示各種根本的幾何體和用

3、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)組合成為同一個對象。感應(yīng)節(jié)點(diǎn)：用于感知用戶的輸入或動作，以觸發(fā)相應(yīng)的動作。其它節(jié)點(diǎn)：包括挪動和旋轉(zhuǎn)動作，腳本Sript節(jié)點(diǎn)、超鏈接節(jié)點(diǎn)等。每個詳細(xì)節(jié)點(diǎn)都包含有一個或多個域Field，VRL對域名、域值類型以及缺省值都有規(guī)定。下面就是一個造型(Shape)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。ShapeappearaneNULL/expsedSFNdegeetryNULL/expsedSFNde這個節(jié)點(diǎn)包含2個域：appearane域用于指定節(jié)點(diǎn)的外觀，；geetry域用于指定造

4、型的3D構(gòu)造或幾何構(gòu)造，缺省的NULL值表示沒有幾何構(gòu)造。VRL使用符合右手規(guī)那么的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，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，某個幾何體的中心不在屏幕中心時，就需要挪動坐標(biāo)系統(tǒng)，即使用Transfr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)。最后，在場景圖構(gòu)造中需要提及的Grup節(jié)點(diǎn)，即組節(jié)點(diǎn)。由于VRL只提供最根本的幾何體，因此，要表現(xiàn)一個三維對象或場景，設(shè)計者只能通過組合這些根本幾何體來實(shí)現(xiàn)。Grup節(jié)點(diǎn)為這種組合提供了支持。VRL規(guī)定使用“#來標(biāo)記注釋。使用VRL，可以構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的三維虛擬校園，下面就以南通大學(xué)

5、三維虛擬校園為例，進(jìn)展討論。2.1構(gòu)建南通大學(xué)三維虛擬校園的目的虛擬的南通大學(xué)校園是一個規(guī)模較大的三維場景，旨在通過網(wǎng)絡(luò)展示南通大學(xué)的校園風(fēng)貌。游覽者可以走進(jìn)校園，欣賞校園的自然風(fēng)貌，領(lǐng)略校園的生活氣氛，在虛擬旅游中理解通大。為了較真實(shí)的反映校園的風(fēng)貌，可以通過兩個方面來表現(xiàn)這個虛擬境界：第一，要根據(jù)南通大學(xué)實(shí)際的景觀風(fēng)貌對校園內(nèi)的各個場景進(jìn)展建模。這些場景包括道路、樓宇、校門、花草樹木及其它一些建筑物。通過對這些場景的建模構(gòu)建出虛擬的南通大學(xué)校園。并且有一定的交互才能，例如游覽者可以進(jìn)展門、窗的開關(guān)。第二，通過聲音、文字、圖片等多媒體技術(shù)手段輔助性的介紹南通大學(xué)的概況、歷史等情況，從而實(shí)現(xiàn)介

6、紹南通大學(xué)的目的。2.2虛擬校園的場景構(gòu)造考慮到整個場景中的各個對象是通過空間相對位置的關(guān)系組織在一起的，因此我們先建立一個對象，然后將它作為參考來放置其它的對象。經(jīng)過分析，我們首先建立整個校園的主干道。主干道在整個校園中起到基線的作用。這然后以這條道路作為參照，把獨(dú)立構(gòu)建的各個樓群、校門、花草樹木及其它場景組合安放在相應(yīng)的位置。完好的南通大學(xué)三維虛擬校園如圖1所示。圖1南通大學(xué)三維虛擬校園構(gòu)造3.1校園背景為了更逼真的表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)所描繪的環(huán)境，需要給虛擬校園設(shè)置背景。建立的虛擬校園處于大地中心。背景可以通過Bakgrund節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)代碼如下：Bakgrundskylr000frntUr

7、ltian.jpg#為前景選擇文件tian.jpg作為貼圖，下同bakUrltian.jpgleftUrltian.jpgrightUrltian.jpg其效果如圖2所示。3.2校園正門任何一所學(xué)校，校園正門都是最為突出的標(biāo)志性景觀。也是整個學(xué)校給游覽者的第一印象。就南通大學(xué)而言，整個校門由“南通大學(xué)校名、傳達(dá)室、自動伸縮門等場景組成。圖2三維虛擬校園背景圖3校名建模在場景構(gòu)建中要解決的第一個問題是造型的外觀的控制。造型的外觀是通過材料控制的，材料屬性包括造型的顏色，是否發(fā)光，所發(fā)光的顏色，是否半透明，透明到什么程度等等。使用Appearane和aterial節(jié)點(diǎn)，就能控制造型的顏色，發(fā)光顏色

8、和透明度。例如，在校門的建模中，傳達(dá)室是由三個正方體造型構(gòu)成的，外部是半透明的玻璃。在場景構(gòu)建中要解決的第二個問題是漢字的顯示。按照VRL標(biāo)準(zhǔn)，它應(yīng)該支持包括漢字在內(nèi)的所有UTF8字符，但許多插件都不支持漢字的顯示。VRL不能顯示漢字的原因不在于其語言本身，而是在于VRL閱讀器的3D引擎。為了在VRL中實(shí)現(xiàn)3D字的渲染，通常有兩種方法：第一中是用多邊形圍成字體，第二中是對字體進(jìn)展紋理渲染。我們采用的是第二種方法。校名場景的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)代碼如下：Transfrrtatin0.01.00.0-0.52translatin602hildrenShapeappearaneAppearaneateriala

9、terialdiffuselr0.50.50.5#使用學(xué)校創(chuàng)始人張謇先生手書“南通大學(xué)的紋理貼圖textureIageTextureurlhanzi.jpggeetryBxsize6.752.00.5校名建模的效果如圖3所示。整個學(xué)校正門場景如圖4所示。圖4學(xué)校正門場景3.3校內(nèi)建筑舉例方肇周教學(xué)樓校內(nèi)建筑在虛擬校園中是比擬重要的建模對象，特別是對相關(guān)教學(xué)樓的建模要比擬細(xì)致。在我們的設(shè)計中，對教學(xué)樓外觀的建模要求較高，對于樓外觀上標(biāo)志性的對象進(jìn)展了仔細(xì)的設(shè)計，讓熟悉校園的游覽者一眼就能認(rèn)同這就是那幢教學(xué)樓。在教學(xué)樓的建模中應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：由于這個系統(tǒng)虛擬的是一個現(xiàn)實(shí)存在的環(huán)境，為了獲得較真實(shí)

10、的效果，現(xiàn)實(shí)存在的樓在虛擬環(huán)境中都應(yīng)該進(jìn)展建模。為某一樓宇建模時，要盡可能的利用重用機(jī)制簡化程序代碼。這一方面可以減少工作量，另一方面可以減輕閱讀器負(fù)擔(dān)，進(jìn)步閱讀速度。選擇校園中的典型樓宇作細(xì)化場景，其它樓可進(jìn)展復(fù)制，或稍做修改。教學(xué)樓的建模是一個較復(fù)雜，較大的場景，需要將整個教學(xué)樓分割建模，例如：窗戶、單個房間、由多個房間構(gòu)成的樓層、由多個樓層構(gòu)成的大樓。在方肇周教學(xué)樓的建模中，由于教學(xué)樓的前后大局部是對稱的，因此我們可以先對前面的局部進(jìn)展建模，最后用rtatin節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，再進(jìn)展修改。下面的代碼描繪了模型插入和旋轉(zhuǎn)的運(yùn)用：GruphildrenTransfrTranslatin-6.9-8.

11、2-3hildrenDEFPartInlinebbxSize5.08.02.0bbxenter1.04.00.0urlpart.rl#這一段用于插入教學(xué)樓的一局部TransfrTranslatin-6.9-4.2-3hildrenUSEPart#對上面的建模重用TransfrTranslatin-3.6-0.2-12rtatin0103.14hildrenUSEPart#旋轉(zhuǎn)方肇周教學(xué)樓建模的效果如圖5所示。圖5方肇周教學(xué)樓建模3.4植物在真實(shí)校園中，種植有大量景觀植物。這一點(diǎn)在構(gòu)建虛擬校園時也應(yīng)當(dāng)加以考慮。以樹為例，在建模過程中可以遵循以下步驟：節(jié)點(diǎn)使用Billbard，它有一項特殊的功能，

12、就是使它的子節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)面向觀看者。Bx的設(shè)置是根據(jù)樹的上下來決定的，并且要使長方體根本沒有厚度。使用PhtShp生成和處理樹的紋理映像。首先將拍攝的樹的照片上除了樹以外的其它事物處理掉，最好樹葉間的空隙也能處理出來，使樹的最終效果更好；然后把圖像的背景設(shè)置為背景透明；調(diào)整圖像的大小，將其存儲為GIF文件格式。這是因為GIF文件格式可以存儲一些背景顏色并將其轉(zhuǎn)換成透明性信息，而JEPG和EPG不能存儲透明性信息。將處理好的樹的圖像映射到Bx節(jié)點(diǎn)上去。樹的建模代碼詳細(xì)如下：BillbardhildrenShapeappearaneAppearanetextureIageTextureurltree.

13、gifgeetryBxsize250.00001其建模的效果如圖6所示。校園中的花草也可以通過類似方法實(shí)現(xiàn)。圖6樹的建模3.5場景組合當(dāng)各局部場景構(gòu)建完成后，即可使用行插入節(jié)點(diǎn)Inline將這些場景組合成為一個完好的三維虛擬校園。Inline節(jié)點(diǎn)有一個url域，該域值指定了一個URL，這個URL就是將要插入到VRL世界中的文件位置。URL告訴了VRL閱讀器如何能獲得這個文件，在哪里能找到這個文件以及這個文件的文件名。URL還可以指出該文件是在EB上還是在本機(jī)的硬盤中。在場景組合時，經(jīng)常需要調(diào)整個局部場景之間的物理位置和比例。下面的代碼將構(gòu)建好的方肇周教學(xué)樓安置在虛擬校園中。Transfrtranslatin00-150rtatin010-1.396hildrenDEFJSJInlineurljsj.rl最終構(gòu)建完成的三維虛擬校園效果如圖7所示。圖7南通大學(xué)三維虛擬校園VRL提供了較為完善的節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建具有真實(shí)感的三維場景。使用VRL構(gòu)建的三維虛擬校園，可以供閱讀者在網(wǎng)上進(jìn)展參觀。閱讀者在參觀時可以