許愛軍,李鋒(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 50430)(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 50650)

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VRML虛擬圖書館的構(gòu)建與優(yōu)化瀏覽①

許愛軍1,李鋒2
1(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510430)
2(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510650)

摘 要:鑒于虛擬校園廣受關(guān)注和VRML廣泛應(yīng)用的背景,以虛擬圖書館建設(shè)為例,探討VRML虛擬場景的構(gòu)建、優(yōu)化和調(diào)度問題.給出了虛擬圖書館的開發(fā)流程,并從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與整理、三維模型建立、三維模型優(yōu)化等方面,給出了虛擬圖書館的構(gòu)建過程.采用基于VisibilitySensor的調(diào)度算法,對進入視域范圍的場景進行調(diào)度.利用LOD思想,對視域內(nèi)的物體根據(jù)視點距離調(diào)度不同精度的模型,實現(xiàn)了VRML場景的快速瀏覽.經(jīng)過發(fā)布與測試,表明VRML虛擬圖書館具有操作簡單、逼真度高、適應(yīng)性強等特點,在網(wǎng)絡(luò)運行順暢,實用價值較高.關(guān)鍵詞: VRML; 虛擬現(xiàn)實; 虛擬圖書館; 開發(fā)與應(yīng)用

隨著教育投入不斷加大,高等院校逐漸建立起相對完善的校園環(huán)境,以滿足教學(xué)、科研和學(xué)習(xí)生活的需要.如何將優(yōu)美的教學(xué)環(huán)境真實呈現(xiàn)給社會,加深社會公眾對學(xué)校的認可度、提高學(xué)校的知名度,將是十分迫切的現(xiàn)實問題.虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入教育領(lǐng)域后,高校數(shù)字校園建設(shè)的層次和水平得到較大提升,并開啟了利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)真實校園的研究熱潮.

國內(nèi)最早開展VRML虛擬校園研究的高校是天津大學(xué)(1996年),此后,浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、香港中文大學(xué)等也相繼建立虛擬校園漫游系統(tǒng),以集中展示校園風(fēng)貌和文化氛圍.可以說,以虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進高校信息化建設(shè)、宣傳校園文化、提升學(xué)校知名度和影響力,已成為現(xiàn)代教育技術(shù)界的廣泛共識[1].

VRML(Virtual Reality Modeling Language,虛擬現(xiàn)實建模語言)是一種建立三維虛擬世界的造型語言,具有良好的跨平臺性,已成為Internet上描述三維虛擬世界的標(biāo)準(zhǔn)格式規(guī)范[2].VRML具有簡單、交互能力較強、適合低帶寬傳輸?shù)忍攸c,在工業(yè)交通、醫(yī)療器械、教育培訓(xùn)和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

鑒于虛擬校園廣受關(guān)注和VRML廣泛應(yīng)用的背景,本文以VRML虛擬圖書館建設(shè)為例,探討VRML構(gòu)建虛擬場景的開發(fā)流程、建模方法和調(diào)度優(yōu)化策略,以期為同類研究提供參考.

1　虛擬圖書館總體設(shè)計

1.1需求分析與設(shè)計

虛擬圖書館將傳統(tǒng)的圖書館從二維拓展為三維,更逼真地呈現(xiàn)館體概貌,方便用戶在異地通過網(wǎng)絡(luò)實時瀏覽,有如身臨其境之感.為此,虛擬圖書館要滿足以下需求:

(1)能真實展示圖書館的整體結(jié)構(gòu)和外部框架,包括圖書館的外觀形狀、地理位置、周圍環(huán)境等;

(2)能逼真地展示圖書館的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括各種功能的房間,每個書庫的書桌、椅子、書架和圖書等;

(3)能實現(xiàn)多種形式的漫游,在漫游過程中能搬動桌椅、翻閱書本、打開門窗、控制開關(guān)等,實現(xiàn)簡單的交互功能;

(4)虛擬圖書館能在線瀏覽,模型渲染速度較快,瀏覽順暢度較高.

為滿足以上需求,將虛擬圖書館分為館外和館內(nèi)兩大部分.其中,館外包括圖書館的整體外觀和四周環(huán)境,館內(nèi)包括各種辦公場地和桌椅、圖書等物體.由于虛擬圖書館的各個對象是通過空間相對位置關(guān)系組織在一起的,因此要先建立一個對象作為參照物[3],其它對象以此為參照合理布局.經(jīng)過分析,本文選取圖書館門口的道路作為參照物,依照由外至內(nèi)、由下至上、從左至右的原則,形成虛擬圖書館的場景結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2開發(fā)工具與流程

盡管VRML語法簡單,但若用手工編寫代碼則相當(dāng)繁瑣.尤其是對不規(guī)則造型物體的建模,則顯得十分困難[4].在實際的開發(fā)過程中,需要用到多種虛擬現(xiàn)實軟件,遵循如圖2所示的開發(fā)流程.

具體流程是: 首先,利用專業(yè)的三維建模軟件(如: 3DS Max、Maya)建立實體對象的三維模型,采用紋理貼圖、渲染生成后,形成單個物體模型; 其次,將模型導(dǎo)入可視化編輯軟件(如: InternetSpace Builder、Cosmo Worlds)中進行合并,通過復(fù)制和旋轉(zhuǎn)等操作,將單個模型放置到合適位置,建立起整體場景; 再次,用Java或JavaScript編寫程序擴展VRML的功能,為場景添加交互; 然后,在文本編輯軟件(如: Vrmlpad)中壓縮和優(yōu)化VRML模型文件,提高系統(tǒng)運行整體性能;最后,將生成的場景文件插入網(wǎng)頁,向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布.

本文采用的開發(fā)工具是: 以VRML為基礎(chǔ)開發(fā)語言,用3D Studio Max作為主要建模工具,用Sgi公司的可視化編輯工具CosmoWorld將模型內(nèi)聯(lián),用VRML腳本編輯軟件Vrmlpad中進行代碼優(yōu)化,添加交互腳本,采用Cortona VRML瀏覽器預(yù)覽效果.

2　虛擬圖書館三維場景構(gòu)建

三維模型的建立是實現(xiàn)虛擬圖書館的基礎(chǔ).在建模中,應(yīng)用需求對模型的精度要求、建設(shè)周期對建模的效率要求、建設(shè)資金對投入的成本要求等,綜合決定了采取的建模方法.本文采用三維建模軟件建立模型框架,大量使用紋理貼圖來降低模型的復(fù)雜度,達到高效建模的目的.

2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集與整理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含圖書館的平面結(jié)構(gòu)圖和大量材質(zhì)紋理數(shù)據(jù).

平面結(jié)構(gòu)圖是指圖書館建設(shè)時的規(guī)劃圖,用AutoCAD將平面結(jié)構(gòu)圖簡化修改,然后導(dǎo)入3DS MAX中進行建模.平面設(shè)計圖就是建模的底圖,決定了各個建筑場館的具體方位、大小和位置.

圖1　虛擬圖書館場景結(jié)構(gòu)

圖2　虛擬圖書館開發(fā)流程

紋理材質(zhì)的獲取主要是通過實地拍攝,然后將采集的照片進行正攝處理,便于貼圖使用.照片處理需要用到圖片處理軟件(如: photoshop).為便于后期LOD (Levels of Detail)調(diào)度,每張紋理圖片同時生成模糊、普通和清晰三個版本,分別存入三個不同的紋理庫中.

2.2三維模型的建立

為利于模型的集成融合,在建模時要采用與現(xiàn)實一致的平面坐標(biāo),使用相同的長度單位進行制作.三維模型的建立包括模型結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面屬性配置兩個步驟.

2.2.1三維模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)圖書館整體輪廓模型.以工程圖紙為基礎(chǔ),先用Auto CAD繪制圖書館的CAD平面圖,然后將其導(dǎo)入3DS MAX中,采用拉伸法形成建筑高度,然后使用shell命令增加墻面厚度,從而建立圖書館外圍輪廓模型.這種根據(jù)平面圖設(shè)計輪廓的方法,主要利用了3DS MAX 中的Extrude命令,建模簡單、效率較高.

2)圖書館墻面設(shè)施模型.墻面設(shè)施主要包括窗體、通風(fēng)口、大門、柱子等.窗體的建模主要采用extrude命令在墻體上進行擠壓,形成孔洞.通風(fēng)口的建模主要采用Boolean工具的差集命令,在墻體上減去長方體,繪制出通風(fēng)口.大門建模先用Boolean命令得到矩形空洞,然后用捕捉工具捕捉空洞平面,即可制作大門的邊框.柱子的建模直接構(gòu)建4個長方體,放到相應(yīng)位置即可.繪制完成的圖書館外圍模型如圖3所示.

圖3　虛擬圖書館外圍模型

3)圖書館內(nèi)部物體模型.圖書館內(nèi)部物體模型包括書柜、書本、書桌、椅子等.書柜和書本模型可以直接采用繪制長方體的方式完成.書桌和椅子模型,需要先繪制各個部分的模型(書桌模型包括桌面和桌腿兩部分,椅子模型包括椅架、坐墊、靠墊三部分),然后采用組合命令進行組成,完成模型的建立.繪制完成的書柜、書本、書桌、椅子模型如圖4-7所示.

圖4　書柜模型

圖5　書本模型

圖6　書桌模型

圖7　椅子模型

2.2.2三維模型的表面屬性配置

在場景建模中,合理使用紋理和材質(zhì)來替代三維模型幾何細節(jié)的表達,不僅可以減少三維模型的建模工作量,同時也不失模型的真實性和逼真度.

貼圖就是把材質(zhì)圖片覆蓋到模型上,使模型更貼近現(xiàn)實.下面以為地板賦予瓷磚材質(zhì)為例,簡要介紹貼圖的基本方法:

第一步,選中地板,在材質(zhì)編輯器中選擇建筑材質(zhì),到圖片庫內(nèi)選擇一張瓷磚的圖片拖至漫反射貼圖空白處;

第二步,點擊視窗里的圖片,點擊漫反射貼圖,將平鋪數(shù)改為4*4.由于地板是不規(guī)則圖形,貼圖此時無法顯示,所以需要進入修改器下拉菜單,進入UV坐標(biāo),然后選擇UVW貼圖即可完成對地板的貼圖,效果如圖8所示.

圖8　地板材質(zhì)調(diào)節(jié)

利用相同的方法,將圖書館外墻、內(nèi)墻、書架、桌椅等模型進行貼圖,并進行簡單渲染.

2.2.3環(huán)境特殊模型的建立

圖書館周圍還存在一些特殊環(huán)境物體,如樹木、路燈和天空等,這些特殊環(huán)境物體如果采用三維建模軟件來建模,會花費大量的時間,同時也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)量.為此,本文采用透明單面技術(shù)解決樹木、路燈和花草的建模問題.同時采用不透明單面技術(shù),構(gòu)建天空盒.

透明單面技術(shù)是指對采集到的紋理材質(zhì),先用圖片處理軟件進行透明化處理,刪除與物體外觀無關(guān)的背景,然后導(dǎo)入建模軟件中直接貼圖.這類紋理直接貼附在其他模型的上層,對下層模型不會遮擋,從而形成視角上的立體效果.

本文采用不透明單面技術(shù)構(gòu)建天空背景,構(gòu)建天空盒的基本步驟為:

首先,構(gòu)建中心位于坐標(biāo)原點的立方體,依此確定8個PositionColoredTextured頂點的坐標(biāo)值(value);

其次,設(shè)定各頂點的貼圖坐標(biāo)(u,v),為天空盒的6個面匹配紋理;

再次,通過比例變換計算出本地天空盒.這里,天空盒的寬度不能太大,Jason Shankel[5]給出的公式為:

其中,Zfar為天空盒的中心距離場景相機遠裁減面的長度.

最后,進行渲染呈現(xiàn).為獲得真實效果,要使天空盒的中心始終位于場景相機的視點位置.即:

其中,T(lookAt.x,lookAt.y,lookAt.z)代表場景相機視點的世界坐標(biāo).

2.2.4三維模型的合成

單個物體模型建立完成后,采用可視化編輯工具CosmoWorld將它們合并到一起形成整體.合并的思路是: 首先導(dǎo)入圖書館的整體模型,然后依次導(dǎo)入書桌、椅子、書柜、書本等.若要在多處位置放置同一個物體(如: 書桌、椅子等),可以使用鏡像工具不斷復(fù)制生成多個物體,再放到對應(yīng)的位置.若要調(diào)整物體方位,還需要進行旋轉(zhuǎn)操作等.再次,導(dǎo)入周圍環(huán)境特殊物體模型,與前期模型組合到一起.最后,將場景中的所有模型打包,形成整體場景.

在場景組合中,添加的模型數(shù)量不宜過多.否則,會嚴重降低場景的渲染效率,這為后期添加燈光和攝像機增加很大難度.因此,需要對場景中的模型進行適量刪減,以保證虛擬場景運行速度和流暢度.

2.3三維模型的優(yōu)化

盡管3DS MAX也能方便地添加燈光、視點等,但導(dǎo)出.wrl后,視點位置容易發(fā)生偏差,燈光效果也不理想[6].為此,本文利用VRML編輯器VrmlPad進行優(yōu)化調(diào)節(jié).

2.3.1模型貼圖與材質(zhì)的調(diào)節(jié)

在VRML中,物體的外部貼圖由外觀域節(jié)點(appearance)控制.貼圖域的節(jié)點結(jié)構(gòu)為: imagetexture {url"圖像文件名"},其中url域指明貼圖使用的圖形名稱和位置.

在調(diào)整材質(zhì)時,先用VrmlPad打開模型,找到Indexedfaceset面集節(jié)點,調(diào)整color、colorindex和colorpervertex三個域值,就可以改變造型顏色.同樣也可以對各個圖形的子節(jié)點進行材質(zhì)的編輯和表面貼圖的修改.修改完成后可以進行調(diào)試.若出現(xiàn)錯誤,則返回修改.

2.3.2燈光的添加和設(shè)置

VRML瀏覽器在解釋VRML文件時,會默認生成一個白色的平行光束照亮瀏覽者前方,但這個光源的顏色不能改變,也不能照亮整個場景.為此,需要為虛擬圖書館增加點光源,向四面八方發(fā)射光線,照亮圖書館內(nèi)部場景.

建模時,可以在3DMAX確定燈光的位置,后期優(yōu)化時只需要對燈源的顏色、輻射半徑、明亮程度等進行設(shè)置.Pointlight點光源節(jié)點包括若干個域值,其中on域值用于設(shè)定點光源的打開與關(guān)閉; location用于設(shè)定點光源在當(dāng)前坐標(biāo)中的位置; radius域值用于設(shè)定點光源的輻射半徑; Intensity域值用于設(shè)定點光源的明亮程度.燈光節(jié)點的主要代碼如下:

2.3.3漫游視點的調(diào)節(jié)

為了讓瀏覽者從不同視點觀察圖書館,全方位感受圖書館的整體概貌,需要對視點進行調(diào)節(jié).

在VRML中,可以用Viewpoint視點節(jié)點和Navigation導(dǎo)航節(jié)點來創(chuàng)建視點.其中,Viewpoint視點節(jié)點用于設(shè)置用戶的觀察視點,Navigation導(dǎo)航節(jié)點用于設(shè)置視點的移動方式,兩者配合可以實現(xiàn)更為逼真的瀏覽效果.

本文共創(chuàng)建6個視點,分別至于圖書館的不同的位置,同時對Navigation導(dǎo)航節(jié)點進行編輯.Navigation導(dǎo)航節(jié)點有5種導(dǎo)航方式,分別為: 行走方式、飛行方式、觀察方式、任意方式和不使用任何方式.本文還對瀏覽者的漫游信息進行設(shè)置,規(guī)定瀏覽者的身高、體寬和步高等.其中一個視點的代碼如下:

2.3.4交互功能的實現(xiàn)

本文主要利用VRML的傳感器(Sensor)機制實現(xiàn)交互功能,基本原理是: 在傳遞消息的節(jié)點中綁定路由,當(dāng)傳感器檢測到用戶與虛擬環(huán)境中的物體發(fā)生交互時,傳感器將獲取的交互信息經(jīng)路由傳送到其他節(jié)點或輸出到外部腳本[7].VRML中的傳感器主要有時間檢測器(TimeSensor)、觸動檢測器和感知傳感器三類.

本文利用ProximitySensor接近傳感器創(chuàng)建圖書館的自動開關(guān)感應(yīng)門.當(dāng)用戶進入大門預(yù)先設(shè)定的感知區(qū)域時,大門自動打開.當(dāng)用戶遠離大門至預(yù)先設(shè)定的感知區(qū)域時,大門自動關(guān)閉.利用TouchSensor觸摸傳感器對書本位移動畫進行控制.當(dāng)用戶點擊書本不放,書本跟隨替身一起移動,直到用戶松開鼠標(biāo)為止等.

3　虛擬圖書館的快速調(diào)度

3.1基于VisibilitySensor算法調(diào)度視域場景

虛擬圖書館中的物體模型較多,在瀏覽過程沒有必要調(diào)入所有物體的模型.為此,本文采用基于VisibilitySensor的調(diào)度算法,只調(diào)度即將進入視域范圍的模型,同時剔除消失于視域的模型,概括起來就是“可見就添加,不可見就剔除”.先將視域區(qū)域簡化為一個扇形,進入扇形區(qū)域中的物體是可見的,則調(diào)入VRML場景中進行顯示,在扇形區(qū)域以外的物體為不可見物體,需要從VRML場景中剔除.基本原理如圖6所示.

當(dāng)視角區(qū)域發(fā)生改變時,如果有物體進入視域范圍,則將其調(diào)入顯示; 如果有物體移出視域范圍,則將其剔除.這樣,就能保證進入視域范圍的建筑物數(shù)量盡量少,達到快速瀏覽的目的.實現(xiàn)的偽代碼為:

3.2基于LOD思想調(diào)度視域中的物體模型

對進入視域范圍的模型,再根據(jù)物體距離視點的距離,分別調(diào)入不同精度的模型.由于在紋理和材質(zhì)處理階段,每張紋理同時生成模糊、普通和清晰三個版本.不同精度的紋理經(jīng)過貼圖后,就會生成不同精度的模型.LOD的基本思想就是利用一組(通常為3-5 個)不同精度的模型,在瀏覽中根據(jù)預(yù)先設(shè)定的距離閥值,調(diào)用不同精度的模型.距離較遠時,調(diào)用模糊的模型,距離較近時調(diào)用清晰地模型,從而加快場景的渲染速度.VRML中LOD的基本語法為:

圖9　基于VisibilitySensor的調(diào)度算法

其中,range域的值用來判斷視點離物體多遠時,調(diào)用level中排列的物體模型(從細到粗).這里的距離閥值d可依據(jù)文獻[8]中的方法計算:

Rootsize是為物體立方體包圍盒的范圍大小,depth為level層次中的層次,errorrange是以百分比給出的誤差范圍大小.LOD的優(yōu)點是簡化計算在預(yù)處理過程進行,能減少實時繪制的計算開銷.本文采用LOD思想,對進入視點范圍的物體,根據(jù)視點距離調(diào)度不同精度的物體模型.

4　虛擬圖書館的發(fā)布與性能分析

4.1虛擬圖書館的發(fā)布

虛擬圖書館的發(fā)布,實際上是要讓web服務(wù)器支持VRML文件[9].本系統(tǒng)采用微軟IIS服務(wù)器進行發(fā)布,需要將Web服務(wù)器的MIME類型設(shè)置為model/VRML,Web服務(wù)器才能識別VRML文檔.發(fā)布完成后的網(wǎng)上虛擬圖書館,能逼真展示學(xué)校圖書館的整體概貌,尤其是能真實展現(xiàn)圖書館的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各種藏書空間.用戶打開網(wǎng)頁就能以多種漫游方式瀏覽網(wǎng)上虛擬圖書館,并能實現(xiàn)搬動桌椅、翻閱書本、打開門窗、控制開關(guān)等簡單的交互功能.經(jīng)過測試,虛擬圖書館的渲染速度較快,瀏覽順暢度較高,如圖10所示.

圖10　虛擬圖書館內(nèi)部場景

4.2虛擬圖書館的性能分析

該虛擬圖書館僅花費4天時間就建設(shè)完成,場景三角面數(shù)由建立初的45786個減少到18359個,模型個數(shù)由123個減少到75個,載入場景文件時間約為3 秒,在配置為雙核CPU、內(nèi)存2G以上的個人PC機上正常運行,瀏覽順暢性和逼真度都非常理想,驗證了VRML建模方法與調(diào)度優(yōu)化策略的合理性與有效性.

本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了虛擬圖書館網(wǎng)上展示的目的,并具有以下功能特點:

1)具有操作簡單、使用方便的特點,用戶基于瀏覽器訪問,只需要下載插件就可以使用;

2)具有導(dǎo)航清晰、支持多種漫游方式的特點,用戶在漫游中可以選擇飛行、行走、觀察等不同漫游方式,體會不同感受;

3)具有逼真性高、適應(yīng)性強的特點,支持跨平臺運行,易于擴展和維護.

5　結(jié)語

VRML虛擬場景的構(gòu)建既是一項復(fù)雜而細致的工作,同時也是地理信息系統(tǒng)、數(shù)字城市、虛擬景觀等建設(shè)中面臨的基本問題[10].盡管VRML模型建立與優(yōu)化技術(shù)相對成熟,但作為一項基礎(chǔ)工作,提高VRML模型的建模效率、降低三維模型數(shù)據(jù)傳輸量、優(yōu)化場景調(diào)度方法,依然是虛擬仿真領(lǐng)域的不懈追求.

本文實現(xiàn)了真正意義上三維性、交互性、逼真程度高的虛擬圖書館,詳細介紹了虛擬模型的建模過程、優(yōu)化技術(shù)和快速調(diào)度方法.該系統(tǒng)在網(wǎng)上發(fā)布后一直穩(wěn)定運行,獲得良好評價.今后還將在利用外部編程接口EAI增加交互性、進一步提升場景繪制速度、增加動態(tài)虛擬場景等方面加以完善.

參考文獻

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Construction and Optimization of VRML Virtual Library

XU Ai-Jun1,LI Feng2
1(Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou 510430,China)
2(Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650,China)

Abstract:In the view of wide application of virtual campus based on VRML,taking the construction of Virtual Library as an example,this paper discusses the construction and optimization of VRML virtual scene.The development process from basic data collection,3D model establishment,3D model optimization angles is presented.Using visibility sensor schedule algorithm and LOD idea,this paper dispatches the scene in horizon range,achieving a quick view of the VRML scene by dispatching object in the horizon according to the viewpoint of distance operation.Through publication and testing,the VRML virtual library has the characteristics of simple operation,high fidelity,strong adaptability and high practical value.

Key words:VRML; virtual reality; virtual library; development and application

基金項目:①2014年廣州市哲學(xué)社會科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(14G56);廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度教育信息技術(shù)研究項目(14JXN018);廣州市教育科學(xué)2013年度課題(2013A238)

收稿時間:2015-08-18;收到修改稿時間:2015-11-11