馮桂珍， 池建斌， 王大鳴， 張德瑩

（1. 石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

隨著Internet在全世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而信息技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)的普及，為高等院校提升信息化層次、構(gòu)建數(shù)字校園提供了良好的條件和機(jī)遇。虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園中的具體應(yīng)用。虛擬校園再現(xiàn)真實(shí)校園的景觀，使人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行漫游，對(duì)校園景觀、校內(nèi)的各種設(shè)施和服務(wù)等獲得身臨其境的感受；規(guī)劃設(shè)計(jì)校園場(chǎng)景；還可以在此基礎(chǔ)上建立三維虛擬大學(xué)，提供相應(yīng)的網(wǎng)上教育等。為此，國(guó)內(nèi)外在構(gòu)建虛擬校園及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[1-2]以及德國(guó)的 Rostock，Stuttgart大學(xué)[3]、北京航空航天大學(xué)[4]、浙江大學(xué)[5]、香港中文大學(xué)[6]的虛擬校園系統(tǒng)等。由于虛擬校園提供了校園景觀及設(shè)施最直觀的表現(xiàn)形式，方便了用戶對(duì)校園信息的訪問(wèn)，從而可以促進(jìn)大學(xué)的建設(shè)和遠(yuǎn)程教學(xué)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)及采用的相關(guān)技術(shù)

系統(tǒng)采用服務(wù)器／瀏覽器(B/S)模式，服務(wù)器端存放 VRML虛擬校園場(chǎng)景及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，瀏覽器端是嵌入 VRML格式文件(*.wrl)的主界面，提供虛擬場(chǎng)景的瀏覽和基于鼠標(biāo)及控件的交互操作、設(shè)置和導(dǎo)航。該系統(tǒng)的功能框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)具有交互操作、信息查詢、校園環(huán)境設(shè)計(jì)以及良好的導(dǎo)航功能等。采用的相關(guān)技術(shù)如下：

（1）VRML

虛擬實(shí)現(xiàn)模型語(yǔ)言 VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的三維場(chǎng)景描述性語(yǔ)言，具有動(dòng)態(tài)性、交互性、低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，將圖、文、聲、色及動(dòng)態(tài)性等信息集于一體，建立具有交互性和導(dǎo)航功能的三維虛擬場(chǎng)景[8-9]。

（2）腳本語(yǔ)言

腳本語(yǔ)言JavaScript是一種解釋性的語(yǔ)言，不需要編譯，可直接使用并由瀏覽器負(fù)責(zé)解釋。系統(tǒng)采用 JavaScript實(shí)現(xiàn) VRML內(nèi)部交互以及VRML與HTML網(wǎng)頁(yè)的交互與通信控制。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬校園三維模型的創(chuàng)建

VRML作為一種網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景描述性語(yǔ)言，模型的創(chuàng)建一般有以下幾種方式：

（1）文本編輯 目前比較好的 VRML編輯器如Parallel Graphics公司的VrmlPad，但編程不直觀，不適合復(fù)雜場(chǎng)景的構(gòu)建。

（2）可視化編輯工具 如Parallel Graphics公司ISB、ISA、ICA，分別用于模型的創(chuàng)建、場(chǎng)景的布局和人物動(dòng)畫(huà)，Silicon Graphics公司的Cosmo World等，但這些工具不便于構(gòu)建復(fù)雜場(chǎng)景。另外，針對(duì)VRML在造型方面的不足，筆者在對(duì)VRML研究的基礎(chǔ)上，利用VC與OpenGL開(kāi)發(fā)了一個(gè)VRML可視化編輯工具[10-11]。

（3）其它軟件的支持 目前支持 VRML格式的三維軟件有3DMax、Pro/E、UG等，這種方式可以構(gòu)建復(fù)雜模型，且效率較高。

鑒于校園模型建造的工作量及復(fù)雜度較大，系統(tǒng)采用第三種與第一種相結(jié)合的方式完成。根據(jù)校園中的模型，建模過(guò)程按以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：

1）建筑物模型。先根據(jù)校園平面規(guī)劃圖用AutoCAD繪制數(shù)字化的場(chǎng)景布局平面圖，導(dǎo)入3DMax，然后根據(jù)場(chǎng)景布局平面圖中建筑物的輪廓線進(jìn)行外擴(kuò)、擠出、拉伸及布爾運(yùn)算等操作，建立建筑物的雛形。為了增強(qiáng)模型的真實(shí)感和視覺(jué)效果，添加材質(zhì)或紋理貼圖。在此需利用Photoshop對(duì)紋理照片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸、修補(bǔ)、合成等處理，使得紋理圖像滿足需要。這些建筑物包括各個(gè)教學(xué)樓、圖書(shū)館、體育場(chǎng)、辦公樓、學(xué)生宿舍樓等建筑設(shè)施。由于 VRML不能顯示漢字，需將漢字轉(zhuǎn)化為UTF8代碼，如辦公樓上方的“石家莊鐵道學(xué)院”，其對(duì)應(yīng)的 UTF8代碼為“鐭沖 搴勯搧閬撳 闄?”。

2）道路及環(huán)境設(shè)施。沁園、翠園等公共環(huán)境設(shè)施，道路、樹(shù)木、路燈、五星紅旗以及虛擬環(huán)境，包括背景、光照效果、背景音樂(lè)等的創(chuàng)建，這些虛擬對(duì)象根據(jù)規(guī)劃圖利用 VRML造型與紋理帖圖的方式完成。為了減小文件容量，提高渲染速度，對(duì)于樹(shù)木、假山等采用 VRML的表面帖圖和布告牌節(jié)點(diǎn) Billboard完成。如圖2所示的竹子造型，文件大小為900k，而采用透明背景的帖圖只有1k。

圖2 竹子

3）場(chǎng)景組合。將建立的各種造型通過(guò)VRML的Transform節(jié)點(diǎn)和內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)Inline組合為最終的虛擬校園場(chǎng)景。模型創(chuàng)建與場(chǎng)景組合時(shí)，為保證能順暢地漫游虛擬校園，必須對(duì)VRML文件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化分為模型自身優(yōu)化以及利用 VRML語(yǔ)法特點(diǎn)優(yōu)化兩種。方法一是指采用 3DMax建模時(shí)將結(jié)構(gòu)分解，盡量采用拉伸或放樣功能生成簡(jiǎn)單幾何形體的組合，然后進(jìn)行紋理帖圖。這樣可以大量減少模型的三角面片，從而減少 VRML文件大小。方法二優(yōu)化的措施包括：

· 用LOD節(jié)點(diǎn)描述復(fù)雜造型不同細(xì)節(jié)層次的組織關(guān)系，提高場(chǎng)景真實(shí)感和渲染速度；

· 使用DEF/USE機(jī)制減少代碼的重復(fù)編寫(xiě)；

· 利用inline技術(shù)，將不同VRML文件內(nèi)聯(lián)成復(fù)雜的場(chǎng)景；

· 將VRML文件保存為壓縮形式(*.wrz)。

2.2 系統(tǒng)集成與交互性實(shí)現(xiàn)

VRML中的交互行為通過(guò)事件體系實(shí)現(xiàn)。VRML場(chǎng)景以HTML中OBJECT標(biāo)記形式嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。系統(tǒng)集成后交互功能通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。

（1）基于內(nèi)部腳本編程接口( JavaScript Authoring Interface, SAI)的交互

通過(guò)在 VRML文件中編輯腳本節(jié)點(diǎn) Script實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬校園的交互。Script節(jié)點(diǎn)是與外部程序相連的接口。該節(jié)點(diǎn)主要包括四部分：url域、field域、eventIn事件和eventOut事件（圖3）。Script通過(guò)接受eventIn事件調(diào)用相應(yīng)的處理過(guò)程函數(shù)，經(jīng)過(guò)程處理后得出的數(shù)據(jù)作為 eventOut事件發(fā)送出去，其中 eventIn事件的值可以作為過(guò)程函數(shù)的因變量值，如果需要?jiǎng)t用field域定義某個(gè)中間變量。處理過(guò)程函數(shù)可以使用 VRML瀏覽器支持的程序語(yǔ)言編寫(xiě)，通常有 Java、JavaScript等。

圖3 Script傳遞事件

VRML場(chǎng)景內(nèi)部的動(dòng)態(tài)和交互利用 SAI實(shí)現(xiàn)的包括升國(guó)旗唱國(guó)歌、汽車(chē)引航、虛擬教室與辦公室的交互、沁園中世紀(jì)鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)及路燈的開(kāi)關(guān)、辦公樓上方和大門(mén)上方顏色不斷變化的文字，五星紅旗隨風(fēng)飄揚(yáng)等。其中，汽車(chē)引航功能的實(shí)現(xiàn)方法和部分代碼如下。

系統(tǒng)通過(guò)一輛汽車(chē)為用戶導(dǎo)航，汽車(chē)一路行駛經(jīng)過(guò)學(xué)校的主要建筑物和景點(diǎn)，行駛路線是：學(xué)校大門(mén)——第一教學(xué)樓——高層辦公樓——主席像、升國(guó)旗唱國(guó)歌——大禮堂——學(xué)生宿舍區(qū)——圖書(shū)館——沁園世紀(jì)鐘——第二教學(xué)樓等。通過(guò)視點(diǎn)的自動(dòng)切換與綁定，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)引航功能。實(shí)現(xiàn)引航的部分代碼如下：

（2）基于外部編程接口(External Authoring Interface, EAI)的交互

通過(guò)EAI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)設(shè)置和追蹤、景點(diǎn)選擇、信息提示、虛擬教室與辦公室的交互操作等功能。系統(tǒng)主界面如圖4，分上下兩個(gè)部分。上方顯示 VRML場(chǎng)景，下方是交互控制區(qū)，通過(guò)下拉列表選擇景點(diǎn)和導(dǎo)航方式，當(dāng)前視點(diǎn)的信息顯示在視點(diǎn)文本框，用戶也可以設(shè)置視點(diǎn)，景點(diǎn)的相關(guān)信息顯示在最下方。圖5是選擇沁園世紀(jì)鐘視點(diǎn)的畫(huà)面。圖6是進(jìn)入虛擬教室的場(chǎng)景，用戶可以通過(guò)按鈕控制投影的開(kāi)關(guān)、教室內(nèi)燈的開(kāi)關(guān)、桌椅的增減等。

視點(diǎn)自動(dòng)切換及追蹤的代碼如下：

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5 沁園世紀(jì)鐘視點(diǎn)

圖6 虛擬教室場(chǎng)景

3 結(jié) 論

在研究VRML構(gòu)建三維交互式虛擬場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)三維虛擬校園交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)將VRML場(chǎng)景與HTML網(wǎng)頁(yè)整合、以JavaScript為場(chǎng)景交互和通信控制工具，豐富了與虛擬校園交互的手段，方便了用戶的操作。該系統(tǒng)發(fā)布到校園網(wǎng)上，得到了瀏覽者的好評(píng)。

[1]馮桂珍, 池建斌, 等. 基于 Java3D的虛擬校園構(gòu)建技術(shù)研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(6): 186-190.

[2]余 莉, 王 乘. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字校園三維仿真系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2004, 21(4): 98-101.

[3]SCHANK R C. The virtual university [J].CYBERPSYCHOLOGY & BEHAVIOR, 2000, 3(1):9-16.

[4]http://buaa.you800.cn/

[5]浙江大學(xué)三維虛擬校園. http://hi.baidu.com/6dxy/blog/item/dfc7a0ec9e57f0ddb31cb1c7.html

[6]龔建華, 林 琿, 譚 倩. 虛擬香港中文大學(xué)校園的設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2002, 31(1):39-43.

[7]VRML97 Standard. International standard ISO/IEC 14772-1:1997 [S]. Copyright 1997 The VRML Consortium Incorporated.

[8]馮桂珍, 池建斌. 基于 Web的虛擬現(xiàn)實(shí)模型創(chuàng)建工具[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 25(3): 30-34.

[9]馮桂珍, 池建斌, 等. VRML模型創(chuàng)建工具中的可視化交互操作的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006,18(2): 387-390.