基于VRML的三維虛擬校園的設計與實現(xiàn)

1、基于VRML的三維虛擬校園的設計與實現(xiàn)摘要VRL是可以用來創(chuàng)作桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建模語言。本文在介紹了VRL的根底上，以南通大學三維虛擬校園為例，討論了虛擬場景的構(gòu)建技術，介紹了一些常用的建模的方法。關鍵詞虛擬現(xiàn)實；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。文件短小的特點使之可以很方便的在

2、網(wǎng)絡上進展傳輸。因此，這一語言為軟件實現(xiàn)網(wǎng)上的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了重要途徑。構(gòu)建網(wǎng)絡上的三維虛擬校園就是VRL的一個有效應用。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，場景圖規(guī)定了節(jié)點之間的等級關系與嵌套關系。VRL總共定義有54個節(jié)點，它大致可以分為如下幾類：造型節(jié)點：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：用于定義相關對象的顏色、材質(zhì)、紋理以及攝像機組、燈光組、視點、背景等。組節(jié)點：用于將節(jié)點分組，把相關節(jié)點組合成為同一個對象。感應節(jié)點：用于感知用戶的輸入或動作，以觸發(fā)相應的動作。其它節(jié)點：包括挪動和旋轉(zhuǎn)動作，腳本Sript節(jié)點、超鏈接節(jié)點等。每個詳細節(jié)點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)點的構(gòu)造。ShapeappearaneNULL/expsedSFNdegeetryNULL/expsedSFNde這個節(jié)點包含2個域：appearane域用于指定節(jié)點的外觀，；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)那么的三維坐標系統(tǒng)，原點在屏幕中心，它也是使用這一坐標系統(tǒng)的各種幾何體的中心。所以，當根據(jù)構(gòu)圖要求，某個幾何體的中心不在屏幕中心時，就需要挪動坐標系統(tǒng)，即使用Transfr節(jié)點，在該節(jié)點內(nèi)定義的幾何體都使用該節(jié)點中所定義的平移后的坐標系統(tǒng)。最后，在場景圖構(gòu)造中需要提及的Grup節(jié)點，即組節(jié)點。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，設計者只能通過組合這些根本幾何體來實現(xiàn)。Grup節(jié)點為這種組合提供了支持。VRL規(guī)定使用“#來標記注釋。使用VRL，可以構(gòu)建基于網(wǎng)絡的三維虛擬校園，下面就以南通大學

5、三維虛擬校園為例，進展討論。2.1構(gòu)建南通大學三維虛擬校園的目的虛擬的南通大學校園是一個規(guī)模較大的三維場景，旨在通過網(wǎng)絡展示南通大學的校園風貌。游覽者可以走進校園，欣賞校園的自然風貌，領略校園的生活氣氛，在虛擬旅游中理解通大。為了較真實的反映校園的風貌，可以通過兩個方面來表現(xiàn)這個虛擬境界：第一，要根據(jù)南通大學實際的景觀風貌對校園內(nèi)的各個場景進展建模。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校園。并且有一定的交互才能，例如游覽者可以進展門、窗的開關。第二，通過聲音、文字、圖片等多媒體技術手段輔助性的介紹南通大學的概況、歷史等情況，從而實現(xiàn)介

6、紹南通大學的目的。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的位置。完好的南通大學三維虛擬校園如圖1所示。圖1南通大學三維虛擬校園構(gòu)造3.1校園背景為了更逼真的表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實所描繪的環(huán)境，需要給虛擬校園設置背景。建立的虛擬校園處于大地中心。背景可以通過Bakgrund節(jié)點實現(xiàn)。詳細代碼如下：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校，校園正門都是最為突出的標志性景觀。也是整個學校給游覽者的第一印象。就南通大學而言，整個校門由“南通大學校名、傳達室、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，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標準，它應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，第二中是對字體進展紋理渲染。我們采用的是第二種方法。校名場景的詳細實現(xiàn)代碼如下：Transfrrtatin0.01.00.0-0.52translatin602hildrenShapeappearaneAppearaneateriala

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

10、的效果，現(xiàn)實存在的樓在虛擬環(huán)境中都應該進展建模。為某一樓宇建模時，要盡可能的利用重用機制簡化程序代碼。這一方面可以減少工作量，另一方面可以減輕閱讀器負擔，進步閱讀速度。選擇校園中的典型樓宇作細化場景，其它樓可進展復制，或稍做修改。教學樓的建模是一個較復雜，較大的場景，需要將整個教學樓分割建模，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。在方肇周教學樓的建模中，由于教學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展建模，最后用rtatin節(jié)點旋轉(zhuǎn)，再進展修改。下面的代碼描繪了模型插入和旋轉(zhuǎn)的運用：GruphildrenTransfrTranslatin-6.9-8.

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

12、就是使它的子節(jié)點永遠面向觀看者。Bx的設置是根據(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)點上去。樹的建模代碼詳細如下：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現(xiàn)。圖6樹的建模3.5場景組合當各局部場景構(gòu)建完成后，即可使用行插入節(jié)點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南通大學三維虛擬校園VRL提供了較為完善的節(jié)點來構(gòu)建具有真實感的三維場景。使用VRL構(gòu)建的三維虛擬校園，可以供閱讀者在網(wǎng)上進展參觀。閱讀者在參觀時可以