五邑大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 王 準(zhǔn) 袁承武

1.前言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)慢慢進(jìn)入人們的視野。人們通過互聯(lián)網(wǎng)，足不出戶就可以游覽逼真度很高的虛擬博物館、虛擬城市等虛擬現(xiàn)實(shí)場景。

網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要靠虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）來實(shí)現(xiàn)，VRML拓寬了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。面對(duì)越來越多的需求，VRML逐漸暴露出如不支持XML編碼，交互性差等缺點(diǎn)。于是X3D[1]（Extensible 3D）標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，X3D是VRML的繼承和發(fā)展。

針對(duì)傳統(tǒng)汽車導(dǎo)購網(wǎng)站以二維圖片形式展示的弊端，本文利用新的X3D標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的展示系統(tǒng)能夠使瀏覽者仿佛置身于真實(shí)車展當(dāng)中，充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性、交互性。

2.X3D簡介及開發(fā)環(huán)境

X3D整體結(jié)構(gòu)[2]包括核心特性集、VRML97特性集、應(yīng)用程序接口和擴(kuò)展集四個(gè)部分。(1)核心特征集：定義了VRML97的54個(gè)節(jié)點(diǎn)中最為關(guān)鍵的23個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成核心組件，并將其封裝為一個(gè)小型的、可擴(kuò)展的內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)占用很少的系統(tǒng)資源；(2)VRML97特征集：將內(nèi)核以外的VRML97節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為可拔插的組件，通過擴(kuò)展內(nèi)核，完整地實(shí)現(xiàn)了VRML97規(guī)范定義的功能，從而確保了X3D與已有的VRML應(yīng)用兼容；(3)應(yīng)用程序接口：X3D是描述幾何體行為的一種文件格式，由于使用了XML編碼，文檔對(duì)象模型為X3D提供了一組應(yīng)用程序接口，外部應(yīng)用程序可以通過DOM訪問X3D文件節(jié)點(diǎn)元素；(4)擴(kuò)展集：在內(nèi)核之上進(jìn)行特性集擴(kuò)展，用戶可以添加其他的擴(kuò)展或自定義新的硬件渲染技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。

整個(gè)系統(tǒng)的虛擬場景有許多的X3D文件組成，X3D文件結(jié)構(gòu)[3]包含文件頭、文件體及注釋等內(nèi)容，在主程序概貌中包括頭文檔、組件、說明以及場景等。在場景中利用基本幾何節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn)、紋理節(jié)點(diǎn)、效果節(jié)點(diǎn)、組件節(jié)點(diǎn)、人性化節(jié)點(diǎn)以及動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)等創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體場景。

系統(tǒng)前臺(tái)的三維呈現(xiàn)采用與瀏覽器完美兼容的BS Contact引擎，BS Contact引擎對(duì)X3D擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)提供了很好的支持。BS Contact為JavaScript提供了一個(gè)EAI(External Scripting interface)外部編程接口，這個(gè)接口允許外部程序JavaScript讀取和改變X3D內(nèi)部已被命名節(jié)點(diǎn)的任何域的值。

系統(tǒng)承載容器選用流行的Tomcat服務(wù)器，數(shù)據(jù)的處理將使用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬展示系統(tǒng)采用客戶端層、中間件層及數(shù)據(jù)庫層三層架構(gòu)模式，客戶端層負(fù)責(zé)接收用戶點(diǎn)擊事件及三維場景顯示，中間件層根據(jù)不同請(qǐng)求將從數(shù)據(jù)庫層獲取的相應(yīng)信息返回給客戶端層。圖1為系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

需要采集的數(shù)據(jù)包括汽車三視圖、汽車各項(xiàng)性能參數(shù)信息、場景及汽車零部件貼圖。三視圖用于汽車的建模參考，貼圖則用于增加場景真實(shí)感，性能參數(shù)信息使用戶了解汽車模型無法表現(xiàn)的性能信息。這些數(shù)據(jù)由JSP采集頁面收集并傳遞給服務(wù)器的servlet，在servlet中通過JDBC代碼將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)提供車型查詢功能，用戶可以從數(shù)據(jù)庫中查詢出自己想了解的汽車產(chǎn)品的型號(hào)在客戶端里面察看，同時(shí)也可以在展廳里同時(shí)查詢出兩種車型進(jìn)行對(duì)比展示，使用戶對(duì)兩款汽車有更直觀的認(rèn)識(shí)和了解。

實(shí)現(xiàn)查詢?cè)硎钱?dāng)用戶針對(duì)不同車型發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器負(fù)責(zé)查詢的servlet將從數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給客戶端瀏覽器，相應(yīng)JSP頁面展現(xiàn)給用戶所需信息。

3.3 汽車場景建模及建模工具

3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。系統(tǒng)場景由大量三維實(shí)體模型組成，主要有汽車、展廳及內(nèi)部裝飾、山地、小型城鎮(zhèn)等，所以系統(tǒng)中汽車、展廳等復(fù)雜的物體采用強(qiáng)大的3DS MAX工具來建模。

模型需要轉(zhuǎn)換為X3D格式的文件，由于3DS MAX對(duì)X3D不支持復(fù)雜材質(zhì)的導(dǎo)出，所以導(dǎo)出的X3D模型文件需要使用X3D標(biāo)準(zhǔn)提供的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，例如為模型增加貼圖、光澤度、燈光等使場景更加逼真。模型建好之后使用X3D的Inline節(jié)點(diǎn)將其組合到場景中。X3D的另一個(gè)作用是在場景中添加對(duì)一些用戶點(diǎn)擊事件的處理節(jié)點(diǎn)、完成一些模型的移入和移出動(dòng)作、對(duì)場景及模型進(jìn)行細(xì)節(jié)的調(diào)整。圖2、3為場景效果圖。

3.4 X3D場景交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)各種交互事件主要靠X3D的內(nèi)部Script節(jié)點(diǎn)[4]來完成。

內(nèi)部Script節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的可編程節(jié)點(diǎn)，它不能直接感應(yīng)用戶的操作，在三維空間中也不可見，但可以嵌套為模型節(jié)點(diǎn)的下級(jí)子節(jié)點(diǎn)并可與任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。當(dāng)Script節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)輸入事件時(shí)，首先將事件值傳到URL指定的文件中，通過這個(gè)腳本設(shè)置該Script節(jié)點(diǎn)輸出事件的值。在編寫用戶自定義腳本和設(shè)定虛擬模型的傳感事件時(shí)，Script節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出域和其他感受器節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出域的數(shù)據(jù)類型必須嚴(yán)格匹配[5]。

JSP頁面腳本程序與場景交互的一般步驟是首先在腳本程序獲取瀏覽器對(duì)象，通過瀏覽器對(duì)象加載場景；然后通過瀏覽器對(duì)象訪問場景對(duì)象；其次由場景對(duì)象訪問節(jié)點(diǎn)對(duì)象；最后由節(jié)點(diǎn)訪問域?qū)ο?，包括設(shè)置域值、監(jiān)聽事件等。

圖4、5分別為交互原理圖和內(nèi)部Script節(jié)點(diǎn)交互測試用例，用戶通過點(diǎn)擊JSP頁面控件來改變虛擬場景。例如，改變場景中物體的顏色、顯示或隱藏物體、旋轉(zhuǎn)物體等效果。

系統(tǒng)采用同樣的原理來對(duì)虛擬展廳和虛擬試車場進(jìn)行控制。例如改變展廳汽車的角度、改變漫游路線和視角等。

4.結(jié)束語

X3D標(biāo)準(zhǔn)作為新一代Web三維圖形的標(biāo)準(zhǔn)，基于它制作的虛擬場景文件體積小，交互功能強(qiáng)大，且具有平臺(tái)無關(guān)性，其發(fā)展前景廣闊。本文構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬汽車展示系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)了基本的汽車展示功能外，還利用X3D的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)功能完成系統(tǒng)的交互功能。系統(tǒng)真實(shí)感還有待增強(qiáng)，是下一步需要完善的重點(diǎn)工作。

[1]ISO/IEC FDIS 19775-1.2:2008 Information technology-Computer graphics,image processing and environmental representation-Extensible 3D(X3D)-Part 1:Architecture and base components[S].2008.

[2]劉廣濤,吳升.基于X3D的場景交互技術(shù)在虛擬生物博物館中的應(yīng)用.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20:348-351.

[3]Web3D Consortium.Introduction[EB/OL].(2007-12).http://www.web3d.org/x3d/specifications/ISO-IECFDIS-19775-1.2-X3D-Abstract-Specification/Part01/introduction.html.

[4]李海慶,殷國富,胡瑞飛.基于X3D的虛擬場景交互架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(2):383-385.

[5]黃正軍,周建中.基于X3D的虛擬場景動(dòng)態(tài)交互技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2007,29(7):55-57.