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  VRML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VRML的基礎上，以南通大學三維虛擬校園為例，討論了虛擬場景的構建技術，介紹了一些常用的建模的方法。    關鍵詞  虛擬現(xiàn)實；VRML；虛擬校園0  引言   VRML（Virtual Reality Modeling Language），是一種用于描述交互式三維空間的虛擬現(xiàn)實建模語言。借助VRML，可以建

2、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，賦予瀏覽者和虛擬空間進行交互的能力。   VRML制作的三維空間是以文本文件的形式保存的，由已安裝過插件的瀏覽器來解釋展示。文件短小的特點使之能夠很方便的在網(wǎng)絡上進行傳輸。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。構建網(wǎng)絡上的三維虛擬校園就是VRML的一個有效應用。1  VRML要點   VRML是解釋展示的，瀏覽器就是其解釋器。為了使IE瀏覽器能夠支持VRML，需要安裝相應插件。一種比較流行的插件是Intervista公司的World V

3、iew，另有一種是SGI（Silicon Graphics Inc）公司的Cosmo Player。   VRML使用場景圖數(shù)據(jù)結構來建立3D實境，這是以SGI的Open Inventor 3D工具包為基礎的一種數(shù)據(jù)格式，其基本單元被稱為節(jié)點，場景圖規(guī)定了節(jié)點之間的等級關系與嵌套關系。VRML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：用于定義相關對象的顏色、材質、紋理以及攝像機組、燈光組、視

4、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：包括移動和旋轉動作，腳本（Script）節(jié)點、超鏈接節(jié)點等。   每個具體節(jié)點都包含有一個或多個域（Field），VRML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)點的結構。        

5、; Shape             appearance NULL  /exposed SFNode            geometry NULL   /exposed SFNode           這個節(jié)點包含2個域：appe

6、arance域用于指定節(jié)點的外觀，；geometry域用于指定造型的3D構造或幾何構造，缺省的NULL值表示沒有幾何結構。   VRML 使用符合右手規(guī)則的三維坐標系統(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)構圖要求，某個幾何體的中心不在屏幕中心時，就需要移動坐標系統(tǒng)，即使用Transform節(jié)點，在該節(jié)點內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，在場景圖結構中需要提及的Group節(jié)點，即組節(jié)點。由于VRML只提供最基本的幾何體，因而，要表現(xiàn)一個三維對象或場景，設計者只能通過組合這些基本幾何體來實現(xiàn)

7、。Group節(jié)點為這種組合提供了支持。   VRML規(guī)定使用“#”來標記注釋。2  南通大學三維虛擬校園設計   使用VRML，可以構建基于網(wǎng)絡的三維虛擬校園，下面就以南通大學三維虛擬校園為例，進行討論。2.1 構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，觀賞校園的自然風貌，領略校園的生活氛圍，在虛擬旅游中了解通大。   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

8、，要根據(jù)南通大學實際的景觀風貌對校園內的各個場景進行建模。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建出虛擬的南通大學校園。并且有一定的交互能力，例如游覽者可以進行門、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)介紹南通大學的目的。2.2  虛擬校園的場景結構   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

9、。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。完整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結構3 南通大學三維虛擬校園實現(xiàn)3.1 校園背景   為了更逼真的表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實所描述的環(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Background節(jié)點實現(xiàn)。具體代碼       Background         

10、;   skyColor 0 0 0           frontUrl  "tian.jpg"   #為前景選擇文件tian.jpg作為貼圖，下同           backUrl  "tian.jpg"       

11、60;   leftUrl   "tian.jpg"           rightUrl   "tian.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、

12、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Appearance和Material節(jié)點，就能控制造型的顏色，發(fā)光顏色和透明度。例如，在校門的建模中，傳達室是由三個正方體造型構成的，外部是半透明的玻璃。   在場景構建中要解決的第二個問題是漢字的顯示。按照VRML規(guī)范，它應該支持包括漢字在內的所有UTF8字符，但許多插件都不支持漢字的顯示。VRML不能顯示漢

13、字的原因不在于其語言本身，而是在于VRML瀏覽器的3D引擎。為了在VRML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，第二中是對字體進行紋理渲染。我們采用的是第二種方法。校名場景的具體實現(xiàn)代碼         Transform                       translation 6

14、0 2           children              Shape                appearance Appearance        

15、;        material Material diffuseColor 0.5 0.5 0.5               #使用學校創(chuàng)始人張謇先生手書“南通大學”的紋理貼圖               texture ImageTextur

16、e url"hanzi.jpg"                geometry Box size 6.75 2.0 0.5                           &

17、#160;      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 校內建筑舉例方肇周教學樓   校內建筑在虛擬校園中是比較重要的建模對象，特別是對相關教學樓的建模要比較細致。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行了仔細的設計，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： &#

18、160;    由于這個系統(tǒng)虛擬的是一個現(xiàn)實存在的環(huán)境，為了取得較真實的效果，現(xiàn)實存在的樓在虛擬環(huán)境中都應該進行建模。      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，另一方面可以減輕瀏覽器負擔，提高瀏覽速度。      選擇校園中的典型樓宇作細化場景，其它樓可進行復制，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、由多個房間構成的樓層、由多個樓層構成的大樓。在方肇周教學樓的建模

19、中，由于教學樓的前后大部分是對稱的，因此我們可以先對前面的部分進行建模，最后用rotation節(jié)點旋轉，再進行修改。   下面的代碼描述了模型插入和旋轉的運用：     Group        children          Transform            Translation -

20、6.9 -8.2 -3           children              DEF Part Inline                                             url "part.wrl"