楊 帆，蘭 嵐

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

20世紀(jì)80年代，Jaron Lanier提出“虛擬現(xiàn)實(shí)”（Virtual Reality，VR）的觀點(diǎn)，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計(jì)算機(jī)所表示的三維空間資料庫(kù)環(huán)境中，創(chuàng)造出一種“親臨其境”的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)以其多感知性、浸沒(méi)感、交互性以及構(gòu)想性等特征在房產(chǎn)開(kāi)發(fā)、城市規(guī)劃、工業(yè)仿真、醫(yī)學(xué)等諸多方面均得到廣泛的應(yīng)用，已成為21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科及重要技術(shù)之一。

X3D是由Web3D聯(lián)盟于1998年年底提出的，是一種專為萬(wàn)維網(wǎng)而設(shè)計(jì)的三維圖像標(biāo)記語(yǔ)言，是下一代具擴(kuò)展性三維圖形規(guī)范，并且延伸了VRML97功能。X3D是互聯(lián)網(wǎng)3D圖形國(guó)際通用軟件標(biāo)準(zhǔn)，定義了如何在多媒體中整合基于網(wǎng)絡(luò)傳播的交互三維內(nèi)容。為滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、娛樂(lè)、虛擬社區(qū)等方面的內(nèi)容提供了3D圖形、2D圖形、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、用戶交互、導(dǎo)航功能和腳本等新的特性。

目前，X3D在三維建模［1］、仿真［2］、虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng)［3］（虛擬校園［4］、虛擬圖書(shū)館等［5］）、交互技術(shù)［6］等方面研究較多，也相對(duì)成熟。本文主要介紹一種以X3D三維圖像標(biāo)記語(yǔ)言和3DSMax建模工具為基礎(chǔ)的，用來(lái)進(jìn)行場(chǎng)景虛擬實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。

1 X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

X3D是XML和VRML97的結(jié)合，將XML的標(biāo)記式語(yǔ)法定義為三維圖形的標(biāo)記語(yǔ)言，規(guī)范使用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML表達(dá)對(duì)VRML幾何造型和實(shí)體行為的描述能力，其系統(tǒng)由內(nèi)核、VRML97特性集、應(yīng)用程序接口和擴(kuò)展集4部分組成。

X3D坐標(biāo)系統(tǒng)采用三維立體的笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)設(shè)置方式如圖1所示。在笛卡爾坐標(biāo)系中，用米作為場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)的測(cè)量單位，其他坐標(biāo)系統(tǒng)根據(jù)基準(zhǔn)的場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)的變換確定坐標(biāo)方位。X3D三維立體空間物體造型的定位，依靠X3D立體空間坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)。其中x，y，z軸為每個(gè)空間物體造型定義了一個(gè)坐標(biāo)系。從瀏覽者的角度來(lái)說(shuō)，在三維立體空間中，x軸的正方向指向右邊，y軸的正方向指向正上方，z軸的正方向指向前方?？臻g物體的造型在該坐標(biāo)系中的位置由相對(duì)該坐標(biāo)原點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)確定。

圖1 坐標(biāo)設(shè)置方式

利用三維立體空間的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，模型的變換使用組件（Grouping component）中的Transform節(jié)點(diǎn)和Billboard節(jié)點(diǎn)類進(jìn)行坐標(biāo)定位；取景器變換，使用導(dǎo)航組件Navigation component中的Viewpoint節(jié)點(diǎn)改變觀察視點(diǎn)角度和距離。

X3D開(kāi)發(fā)環(huán)境包括記事本編輯器和X3D－Edit專用編輯器，是用來(lái)編寫(xiě)X3D源程序代碼的有效開(kāi)發(fā)工具，本文使用筆記本編輯器編寫(xiě)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 技術(shù)流程

虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)主要包括建模、場(chǎng)景優(yōu)化設(shè)計(jì)和用戶交互3個(gè)部分，具體流程如圖2所示。

圖2 虛擬場(chǎng)景流程

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景建模

本文中三維場(chǎng)景建模主要采用3DSMax軟件制作。

2.2.1 地面的建立

將CAD中的地面圖導(dǎo)入3DSMax中，利用創(chuàng)建面板下的圖形中的線形工具對(duì)地面圖進(jìn)行描線并擠出。

2.2.2 房屋模型的構(gòu)建

本文中建筑模型的構(gòu)建主要是反復(fù)采用線、矩形、樣條線和擠出等命令，首先對(duì)建筑物實(shí)體進(jìn)行輪廓的構(gòu)建，用線條和矩形等命令構(gòu)造，然后編輯樣條線賦予墻體一定的寬度，再通過(guò)擠壓命令賦予建筑物高度。墻體完成后可根據(jù)建筑物的樣式確定窗戶、門等的位置并進(jìn)行布爾運(yùn)算。根據(jù)建筑物的外觀進(jìn)行貼圖，并渲染。最后將建筑物進(jìn)行貼圖后房屋模型圖如圖3所示，建筑物的部分代碼如下：

圖3 貼圖后建筑物模型

DEF Plane01Transform｛

translation－0.7301 8 0.708

children［

Shape｛

appearance Appearance｛

material Material｛

diffuseColor 0.5882 0.5882 0.5882

ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0

shininess 0.145

transparency 0｝

｝｝

geometry DEF Plane01－FACES Indexed－

FaceSet｛

ccw TRUE solid TRUE

coord DEF Plane01－COORD Coordinate

｛point［

－7.5 0 5，7.5 0 5，－7.5 0－5，7.5 0－5］

｝

texCoord DEF Plane01－TEXCOORD

TextureCoordinate｛point［

00，1 0，00，1 0，00，1 0，0 1，1 1］

｝

｝

｝

］｝

2.2.3 植被層模型的構(gòu)建

2.2.3.1 樹(shù)木層模型的構(gòu)建

本文中樹(shù)的建模采用十字造型法，前視圖和左視圖上分別創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方形，并使2個(gè)長(zhǎng)方形夾角成90°放置，然后進(jìn)行貼圖，樹(shù)的圖片格式可以是3DSMax中所包含的任何一種類型，如：jpg、png、tif等，其中選擇png格式為最佳，這樣可以省去制作alpha通道這一步驟，便于使圖像透明化，這種方式制作起來(lái)相對(duì)比較容易。

2.2.3.2 草底層模型的構(gòu)建

草底層模型的構(gòu)建主要在3DSMax中建立平面模型，來(lái)代替復(fù)雜的形體，然后在模型表面貼入紋理，通過(guò)紋理表現(xiàn)綠地層，這種方法叫做采用網(wǎng)狀建模法，這樣可以在虛擬空間中比較真實(shí)地反映綠地層。

2.2.4 交通層模型的構(gòu)建

交通層的構(gòu)建和草底層大體相似，道路層主要是由路面、馬路原石組成，形式較為單一，在3DSMax中路面的制作參照綠地層，即在模型表面貼入紋理，通過(guò)紋理表現(xiàn)路面，馬路原石的制作可以通過(guò)輪廓和擠壓功能給馬路沿線賦予高度和寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣做可以使馬路原石之間連接的更緊密，減少誤差。

2.2.5 人物模型的構(gòu)建

人物模型的構(gòu)建采用的是廣告牌技術(shù)（Bill－Board），Billboard節(jié)點(diǎn)是一個(gè)群節(jié)點(diǎn)，可以在全域坐標(biāo)系之下創(chuàng)建一個(gè)新的坐標(biāo)系。選定一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸后，無(wú)論瀏覽者如何行走或旋轉(zhuǎn)這個(gè)節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的虛擬對(duì)象的正面會(huì)永遠(yuǎn)面對(duì)瀏覽者。它是一種用于節(jié)省時(shí)間、模型數(shù)量小的技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，路邊的人物模型一般采用這種技術(shù)構(gòu)建。

模型建立后，按需要將同一圖層的模型合并并導(dǎo)出.wrl格式。為了減少數(shù)據(jù)量，在建模時(shí)應(yīng)盡量讓面的數(shù)接近最少；在編輯模型時(shí)，應(yīng)刪除重疊面、看不見(jiàn)的面和相交面。導(dǎo)出的.wrl文件可以使用VrmlPad將導(dǎo)出的文件進(jìn)行另存以壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。這些方法可以減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，便于加快顯示速度。

2.3 場(chǎng)景的優(yōu)化設(shè)計(jì)

X3D支持.wrl文件，場(chǎng)景的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是將建模后的房屋、植被、道路等模型導(dǎo)出為＊.wrl格式的文件，之后使用inline節(jié)點(diǎn)將模型連接到一個(gè)文檔中，并設(shè)置背景、燈光、視點(diǎn)，使之更為真實(shí)。

2.3.1 天空、地面和燈光的設(shè)置

X3D的虛擬空間背景分為天空背景和地面背景兩部分，兩部分間以地平線分割；而地平線則位于空間垂直方向上有原始坐標(biāo)系XOZ平面向無(wú)窮遠(yuǎn)處延伸后與空間背景的相接處；XOZ平面以上的部分定義為天空背景，XOZ平面以下的部分定義為地面背景。

設(shè)置天空地面主要用background節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)背景設(shè)定天空和地面角及天空和地面顏色來(lái)產(chǎn)生天空和地面效果，也可以在空間背景上添加背景圖片，使用background節(jié)點(diǎn)所生成的空間背景可以帶給用戶相當(dāng)程度的立體層次感。背景和燈光的設(shè)置代碼如下：

＜Background DEF＝"skycolor"groundColor＝′0 0.6 0′

skyAngle＝′0 0′skyColor＝′0.3 0.4 0.5′

backUrl＝"image/sky＿back.jpg"frontUrl＝"image/sky＿front.jpg"

leftUrl＝"image/sky＿left.jpg"rightUrl＝"image/sky＿right.jpg"

topUrl＝"image/sky＿top.jpg"

bottomUrl"image/sky＿bottom.jpg"/＞

＜DirectionalLight direction＝"1 0 0"/＞

……＜?。瓕?duì)六個(gè)方向進(jìn)行燈光設(shè)置

－－＞

＜SpotLight intensity＝"1"color＝"0.9804 0.9725 0.902"location＝"－3985 9757 8019"

direction＝"0.4075－0.6483－0.6432"

cutOffAngle＝"0.7854"

beamWidth＝"0.7505"

on＝"TRUE"

radius＝"1.732e＋030"/＞

＜PointLight intensity＝"1"

color＝"1 1 1"

location＝"2143 3467－1595"

on＝"TRUE"

radius＝"1.732e＋030"/＞

……＜?。c(diǎn)光源設(shè)置－－＞

2.3.2 視點(diǎn)的設(shè)置

X3D視點(diǎn)控制使用viewpoint節(jié)點(diǎn)。Viewpoint節(jié)點(diǎn)用來(lái)設(shè)置瀏覽者在虛擬空間中的觀察位置、空間朝向以及視野范圍等參數(shù)。

Viewpoint節(jié)點(diǎn)代碼如下：

＜Viewpoint position＝"1823 97.47－2822"

orientation＝"－0.05157－0.9932－0.1045－4.053"

field0fView＝"0.6024"description＝"manyou"/＞

此段代碼描述了視點(diǎn)在場(chǎng)景中的空間位置、視角大小和視角名字，除此之外還可以定義視角朝向、是否跳躍等描述。

2.3.3 導(dǎo)航設(shè)置

虛擬場(chǎng)景中，用NavigationInfo導(dǎo)航信息節(jié)點(diǎn)作為供瀏覽者在虛擬世界的替身，并可使用替身在虛擬世界中移動(dòng)、行走或飛行，Navigationinfo節(jié)點(diǎn)代碼如下：

＜NavigationInfo headlight＝"TRUE"

type＝"WALK"avatarSize＝"0.5 3 5"/＞

此段代碼描述主要設(shè)置了以行走的方式瀏覽虛擬場(chǎng)景以及瀏覽者替身的尺寸。

X3D中場(chǎng)景效果節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)除了以上所闡述的之外，用戶還可以設(shè)置空間大氣效果節(jié)點(diǎn)、音響效果節(jié)點(diǎn)等等，經(jīng)過(guò)建模、貼圖、優(yōu)化設(shè)計(jì)等步驟后，通過(guò)BS Contact播放器進(jìn)行局部、全景的瀏覽，場(chǎng)景優(yōu)化后的效果如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景優(yōu)化后的效果

2.4 用戶交互

用戶交互功能是X3D的一個(gè)重要特性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和鼠標(biāo)在三維立體空間中對(duì)虛擬物體和造型進(jìn)行選取和退拽，產(chǎn)生身臨其境的動(dòng)態(tài)感知交互效果［7］。X3D場(chǎng)景和用戶的交互由靜態(tài)或動(dòng)態(tài)兩種方式體現(xiàn)，靜態(tài)方式主要是通過(guò)X3D中提供的交互節(jié)點(diǎn)如觸摸傳感器、親近度傳感器等節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)Route節(jié)點(diǎn)連接節(jié)點(diǎn)之間的域以傳遞事件實(shí)現(xiàn)的，靜態(tài)方式只能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的交互，例如燈和門的開(kāi)關(guān)等。動(dòng)態(tài)方式則是通過(guò)一段外部程序邏輯去決定事件的產(chǎn)生，可以通過(guò)內(nèi)部Script節(jié)點(diǎn)和外部編程接口（EAI）兩種方式。利用X3D中的Script腳本節(jié)點(diǎn)定義了一個(gè)包含程序腳本節(jié)點(diǎn)的域、事件出口和事件入口及描述了用戶自定義制作的檢測(cè)器和插補(bǔ)器所做的事情，Script節(jié)點(diǎn)可以讓場(chǎng)景有程序化的行為，用field（域）標(biāo)簽定義腳本的界面，腳本語(yǔ)言可選擇ECMAScript/JavaScript或Java語(yǔ)言。EAI則定義了與外部HTML頁(yè)面中的Applet通信的接口。用戶交互功能可以使用戶實(shí)時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建虛擬世界，更為方便快捷。

圖5中自動(dòng)門的交互是采用TouchSensor觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)、TimeSensor時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)以及PositionInterpolator位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)Route路由連接節(jié)點(diǎn)之間的域?qū)崿F(xiàn)交互，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊門時(shí)，通過(guò)平移產(chǎn)生開(kāi)關(guān)效果。

圖5 自動(dòng)門的交互

Group｛

children［

構(gòu)建門模型

DEF Touch TouchSensor｛…｝

］

｝

DEF Time TimeSensor｛…｝

DEF zy PositionInterpolator｛

key［0，0.3，0.7，1］

keyValue［0 0.025 0，－0.5 0.025 0，－0.5 0.025 0，0 0.025 0

］

｝

DEF yy PositionInterpolator｛…｝

ROUTE Touch.isActive TO Time.enabled

ROUTE Touch.touchTime TO Time.startTime ROUTE Time.fraction＿changed TO zy.set＿fraction ROUTE Time.fraction＿changed TO yy.set＿fraction ROUTE zy.value＿changed TO ldoor.set＿translation ROUTE yy.value＿changed TO rdoor.set＿translation

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)X3D網(wǎng)絡(luò)三維立體設(shè)計(jì)的產(chǎn)生具有劃時(shí)代的意義。本文主要介紹利用3DSMAX建模軟件以及X3D三維圖像標(biāo)記語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景建立與優(yōu)化的方法，具體描述了各層模型的建立、如何減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，背景、視點(diǎn)和導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，介紹了用戶交互的方式，達(dá)到了瀏覽的效果。用戶交互建立了場(chǎng)景與用戶之間的一種交流方式，用戶可以實(shí)時(shí)的通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行操作，節(jié)省時(shí)間，X3D的這一特點(diǎn)也是今后研究的重點(diǎn)。

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