虚拟现实技术―VRML篇49373.docx

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1、虚拟现实技术VRML篇一、VRML介绍1.什么是VRML？VRML是“VVirtuaal Reaality Modelling LLanguaage”的缩缩写形式，意意思是“虚拟拟现实造型语语言”。 第一代Web是是以HTMLL为核心的二二维浏览技术术，受HTMML语言的局局限性，VRRML之前的的网页只能是是简单的平面面结构，而且实现环环境与参与者者的动态交互互是非常烦琐琐的。第二代代Web是以以VRML为为核心的三维维浏览技术。第第二代Webb把VRMLL与HTMLL、Javaa、媒体信息息流等技术有有机地结合起起来，形成一一种新的三维维超媒体Weeb。 VRML是用来来描述三维物物体及其

2、行为为的，可以构构建虚拟境界界（Virttural Worldd), 可以以集成文本、图图像、音响、MMPEG影像像等多种媒体体类型，还可可以内嵌用JJava、EECMASccript等等语言编写的的程序代码。以VRML为核核心构建的虚拟世界中中用户如身处处真实世界，可以和虚拟物体交互，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中“直接”交谈和交往。事实上，目前采用VRML技术取得成功的案例已经很多，例如探路者到达火星后的信息就是利用VRML在因特网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。 2.VRML的的工作原理VRML定义了了一种把3DD图形和多媒媒体集成在一一起的文件

3、格格式。从语法法角度看，VVRML文件件是显式地定定义和组织起起来的3D多多媒体对象集集合；从语义义角度看，VVRML文件件描述的是基基于时间的交交互式3D多多媒体信息的的抽象功能行行为。VRMML文件描述述的基于时间间的3D空间间称为虚拟境境界(Virrtual Worldd)，简称境境界，所包含含的图形对象象和听觉对象象可通过多种种机制动态修修改。 VRML文件可可以包含对其其他标准格式式文件的引用用。可以把JJPEG、PPNG和MPPEG文件用用于对象纹理理映射，把WWAV和MIIDI文件用用于在境界中中播放的声音音。另外，还还可以引用包包含Javaa或ECMAAScrippt代码的文文

4、件，从而实实现对象的编编程行为。 VRML使用场场景图（Sccene GGraph）数数据结构来建建立3D实境境，VRMLL的场景图是是一种代表所所有3D世界界静态特征的的节点等级：几何关系、质质材、纹理、几几何转换、光光线、视点以以及嵌套结构构。几乎所有有生产厂商，无无论是CADD、建模、动动画、VR，还还是VRMLL，他们的结结构核心都有有场景图。 境界中的对象及及其属性用节节点(Nodde)描述，节节点按照一定定规则构成场场景图(Sccene GGraph)，也就是说说，场景图是是境界的内部部表示。场景景图中的第一一类节点用于于从视觉和听听觉角度表现现对象，它们们按照层次体体系组织起来来

5、，反映了境境界的空间结结构。另一类类节点参与事事件产生和路路由机制，形形成路由图(Routee Grapph)，确定定境界随时间间的推移如何何动态变化。 VRML文件的的解释、执行行和呈现通过过浏览器实现现，这与利用用浏览器显示示HTML文文件的机制完完全相同。浏浏览器把场景景图中的形态态和声音呈现现给用户，这这种视听觉呈呈现即所谓的的虚拟世界(境界)。用用户通过浏览览器获得的视视听觉效果如如同从某个特特定方位体验验到的，境界界中的这种位位置和朝向称称为取景器(Vieweer)。 3.VRML的的应用VRML在电子子商务、教育育、工程技术术、建筑、娱娱乐、艺术等等领域有广泛的应用。 例如在教育

6、上，VVRML不仅仅仅是HTMML功能更强强的替代品，其其潜在意义在在于突破上述述基于WWWW的教学模型型建立更自然然、更真实的的虚拟教育环环境。在这种种环境中学生生可以以浏览览探索的方式式汲取知识，如如进入虚拟太太空学习天文文知识，利用用虚拟地球学学习地理知识识，穿过历史史长廊与历史史人物交流，进进入分子世界界游历化学殿殿堂等等，这这些曾经是梦梦想中的学习习方式都可以以逐步实现。在在这个虚拟教教育世界中，甚甚至可以有利利用VRMLL制作的动画画人物扮演教教师，其面部部表情和形体体动作利用动动作跟踪系统统捕捉下来，这这样得到的讲讲课节目将是是三维的。如如果把这种方方式扩大到教教学双方，则则可实

7、现具有有实时交互性性的虚拟教学学教师控控制的虚拟教教师和学生控控制的虚拟学学生就可以在在一个虚拟教教室中相互交交流。 4.VRML的的工作组及其其研究目标 为了推动VRMML技术的发发展，VRMML协会组织织了很多工作作组，每个工工作组都是自自愿组织、自自我约束、并并经VRMLL协会认可的的技术委员会会，负责某个个与VRMLL有关的专题题技术的研究究和实现工作作。人性动画工作组组(Humaanoid Animaation WG)利用用VRML表表现人类行为为特性。 色彩保真工作组组(Coloor Fiddelityy WG)确确保采用任何何平台的观众众所看到的效效果都和创作作者的原始作作品一样

8、,颜颜色应相当一一致。 元形式工作组(Meta Formss WG)针针对利用形式式文法生成的的作品，提出出一般性的方方法论和一般般性规范,使使之能够映射射为某种特定定形式。首要要目标是能够够表示数字字生命格式( Diggital Life-Formss)结构和增增长。 面向对象扩展工工作组(Obbject-Oriennted EExtenssions WG)探讨讨和推动对VVRML进行行面向对象扩扩展的方法。 数据库工作组(Databbase WWG)推进基基于VRMLL商业应用的的创建，利用用数据库维护护VRML 内容的持久久性、升级能能力和安全传传输能力。 外部创作接口工工作组(Exxt

9、ernaal Autthorinng Intterfacce WG)在VRMLL境界和外部部环境之间建建立标准接口口。 界面组件工作组组(Widggets WWG)为开发发者和用户提提供一套基础础性的、可自自由使用的标标准用户界面面组件集，并并提供支持基基本组件集和和所有VRMML组件的理理论框架。 二进制压缩格式式工作组(CCompreessed Binarry Forrmat WWG)探讨并并开发VRMML文件的二二进制编码方方法，重点是是研究为了快快速传送目的的而尽量缩小小文件尺寸，同同时为了快速速解码目的而而尽量简化文文件结构。 通用媒体库工作作组(Uniiversaal Meddia

10、 Liibrariies WGG)为了提高高VRML境境界的真实感感，同时减少少网络的下载载量，而定义义一种由驻留留本地的媒体体元件(纹理理、声音和VVRML对象象)组成的小小型跨平台媒媒体库。同时时定义一种统统一机制，通通过这种机制制，VRMLL内容创作者者可以在自己己的境界中使使用这些媒体体元件。 活动境界工作组组(Liviing Woorlds WG)为多多用户(包括括多个开发者者)应用的产产生和进化定定义概念框架架，并确定一一组界面。 键盘输入工作组组(Keybboard Inputt WG)为为了使内容创创作者能够在在自己的境界界中访问键盘盘输入，定义义一个或多个个扩充节点。 一致性

11、工作组(Confoormancce WG)为与一致性性测试有关的的问题提供一一个讨论场所所，特别地，本本组将辨别VVRML实现现发生分歧的的地方以及相相应的动作序序列。 生物圈工作组(Biotaa WG)为为生命系统(Livinng Sysstem)的的研究和学习习建立、配备备数字式工具具和环境。 分布式交互仿真真工作组(DDistriibutedd Inteeractiive Siimulattion WWG)为建立立有多广播能能力(Mullticasst-Cappable)的大规模虚虚拟环境(LLarge-Scalee Virttual EEnviroonmentts，LSVVEs)确立立

12、初始网络约约定。 VRML脚本工工作组(VRRML Sccript WG)向VVRML监查查组(VRMML Revview BBoard，VVRB)提供供有关Javva和JavvaScriipt的问题题列表、修改改建议和评论论。 自然语言处理和和动画工作组组(NLP & Aniimatioons WGG)为了使用用户能使用自自然语言和VVRML动画画形象进行交交流,从而使使交互更自然然，增强用户户和动画形象象之间的信息息流动，研究究如何使用“问问题/回答”、“命命令/响应”式式的对话以及及基于操作系系统命令和字字符控制的自自然语言。 VRML-DHHTML集成成工作组(VVRML-DDHTML

13、 Integgratioon WG)为VRMLL和DHTMML在文档对对象模型、组组件(Commponennt)接口和和绘制等三个个层次的紧密密集成开发一一种概念模型型。 6.研究现状VRML97发发布后，互联联网上的3DD图形几乎都都使用了VRRML。由于于技术的局限限性，如带宽宽不够，需要要下栽插件浏浏览，文件量量大，真实感感、交互性需需要进一步加加强等原因，最最近一二年，许许多制作Weeb3D图形形的软件公司司的产品，并并没有完全遵遵循VRMLL97标准，而而是使用了专专用的文件格格式和浏览器器插件，开发发了比较实用用的VR软件件。这些软件件有些比VRRML有了进进步，在渲染染速度、图像

14、像质量、造型型技术、交互互性以及数据据的压缩与优优化上，都有有胜过VRMML之处。比比如，Cullt3D、VViewpooint、GGL4Javva、Pullse3D、FFlatlaand、Fllash、JJPEG20000等。 CULT3D、VVIEWPOOINT、3360度环视视等技术正被被应用。以Blaxxuun和ParrallellGraphhics公司司为代表，它它们都有各自自的VR浏览览器插件，并并各自开发基基于VRMLL标准的扩展展节点功能（XX3D），使3D的的效果，交互互性能更加完完美；支持MMPEG，MMov、Avvi等视频文文件，Rm等等流媒体文件件，Wav、MMidi、

15、MMp3、Aiiff等多种种音频文件，FFlash动动画文件，多多种材质效果果，支持Nuurbs曲线线，粒子效果果，雾化效果果；支持多人人的交互环境境，VR眼镜镜等硬件设备备；在娱乐、电电子商务等领领域都有成功功的应用，并并各自为适应应X3D的发发展，以X33D为核心，有有Blaxxxun3D等等相关产品。在在虚拟场景，尤尤其是大场景景的应用方面面，以VRMML标准为核核心的技术具具有独特的优优势。二、初识VRMML（一）VRMLL的文件结构构1.文件头VRML2.00(VRMLL97)开头头如下：# VRML V2.0 utf8VRML是大小小写敏感的，uutf8是指指一种纯文本本编码方式2

16、.场景图（SScene Graphh）由描述“对象及及其属性”的节点组成成，节点是VVRML的基基本单元，场场景图的第一一类节点用于于从视觉和听听觉角度表现现对象，它们们是按照层次次体系结构组组织的；另一一类节点，则则参与事件产产生和路由机机制。3.原型（Prrototyype）用户可以通过原原型扩充VRRML的节点点类型集。原原型的定义可可以包含在使使用该原型的的文件中，也也可以在外部部定义。4.事件路由（RRoute）有些VRML节节点能通过产产生事件响应应环境变化或或用户交互。事事件一旦产生生，就按时间间顺序向路由由目标节点发发送。目标节节点接收后进进行相应处理理，可改变节节点状态，产产

17、生其他事件件，或者修改改场景图的结结构。利用脚本节点SScriptt，作者可以以Java或或JavaSScriptt语言自定义义任意事件处处理。（二）VRKLL节点和数据据类型虚拟场景由对象象构成，对象象及其属性用用节点（Noode）描述述，节点是构构成VRMLL文件的基本本单元。VRML97定定义了54种种基本节点类类型（内部节节点类型），用用户也可以通通过原型机制制定义自己的的节点类型。节点由域和事件件组成：1.域（fieeld） 描述了节点的当当前状态。其其中外露域（eexposeedFielld）是域和和事件的统一一体，它既作作为域描述节节点，又隐含含着形如“set_域名名”的入事件和

18、和“域名_chhangedd”的出事件。2.事件（evvent）分为入事件和出出事件，入事事件将导致节节点状态的改改变；出事件件向外报告自自身状态的变变化。（三）VRMLL浏览器 Blaaxxun Contaact 3DDCosmo PPlayerrVisvapee等Microsooft VRRML2.00 Viewwer（四）编写VRRML境界1.制作第一个个虚拟境界#VRML VV2.0 uutf8Group childreen Shaape geomettry Boox 将它保保存为SimmpleWoorld.wwrl文件，则则可以用浏览览器看到它。 2.定定义外观第二场景再定义立方体的

19、的外观，即改改变Shappe节点的aappearrance域域（外观），aappearrance域域是一个节点点，此节点的的materrial域定定义为一个MMateriial节点： 则Shhape节点点变成了：Shape apppearaance Appeaarancee materiaal Matteriall geometrry Boxx 修改它的的diffuuseCollor域（漫漫射色），应应该是 11 0 0 ，3个数数字分别表示示红色、绿色色和蓝色，取取值范围是00到1：materiaal Matteriall diiffuseeColorr 1 0 0 这样，生成了了第二个场景

20、景文件：#VRML VV2.0 uutf8Group childreen Shaape appeearancce Apppearaance materiaal Matteriall diiffuseeColorr 1 0 0 geomettry Boox 3.定定义变换第三个场景景若想移动这个红红色的立方体体，可以通过过为它外套一一个Trannsformm节点来实现现： Traansforrm transllationn 5 0 0 childrren Shappe appearaance Appeaarancee materiaal Matteriall diiffuseeColorr 1

21、0 0 geomettry Boox Transfoorm节点的的transllationn 5 0 0表示x轴轴向上右移55个单位（米米）则第三个场景完完整代码如下下：# VRML V2.0 utf8Group childreen TTransfform transllationn 5 0 0 childrren Shaape appearaance Appeaarancee materiaal Matteriall diiffuseeColorr 1 0 0 geomettry Boox 4.复制节点第四个场场景 复制节节点，并将各各自的几何形形状定义为方方块、球体和和圆椎Group ch

22、ildreen TTransfform transllationn 5 0 0 childrren Shaape . . . geomettry Boox Transfoorm transllationn 0 0 0 childrren Shaape . . . geomettry Spphere Transfoorm transllationn -5 0 00 childrren Shaape . . . geomettry Coone # endd of GGroup childdren 为了以以后引用方便便，分别给这这3个Traansforrm节点指定定一个名称： DEFF box Tr

23、anssform . . . DEF Sphhere TTransfform . . . DEF conne Traansforrm . . . 则第四个场景的的完整代码是是：# VRML V2.0 utf8Group childreen DDEF boox Traansforrm transllationn 5 0 0 childrren Shaape appearaance Appeaarancee materiaal Matteriall diiffuseeColorr 1 0 0 geomettry Boox DEF sphhere TTransfform transllationn

24、0 0 0 childrren Shaape appearrance Appeearancce materiaal Matteriall diiffuseeColorr 0 1 0 geomettry Spphere DEF conne Traansforrm transllationn -5 00 0 childrren Shaape appearaance Appeaarancee materiaal Matteriall diiffuseeColorr 0 0 1 geomettry Coone # ennd of Groupp chilldren将此文件保存为为FirsttWorldd

25、.wrl，用用浏览器观看看，可从多个个方位浏览自自己的作品。（五）交互能力力的加入1.传感器 是交互互能力的基础础，共9种。在在场景中，传传感器节点一一般是以其他他节点的子节节点的身份存存在的，它的的父节点称为为可触发节点点，触发条件件和时机由传传感器节点类类型确定。 接触传传感器（ToouchSeensor）是是最常用的传传感器，先了了解一下开关关节点ligghtSwiitch（组组节点），并并定义一个接接触传感器作作为它的子节节点： DEF ligghtSwiitch GGroup chiildrenn 各几何造造型节点 DEF touchhSensoor TouuchSennsor 传感

26、器器能引起某种种变化，下面面看场景变化化。2.视点当你拖动鼠标或或按动箭头键键时（按照VVRML术语语，称为航行行），虚拟境境界就会旋转转或缩放，这这实际上是在在调整你的视视点位置或视视角。在虚拟拟场景的重要要位置可以定定义视点节点点（ViewwPointt）,它们是是境界作者给给用户推荐的的上佳观赏方方位，在CoosmoPllayer浏浏览器中，用用户就可以通通过鼠标右键键选择作者推推荐的各个视视点。这里我我们定义两个个视点节点：DEF vview1 Viewppoint “vview1”是是编程时引用用的名字posiition 0 0 220 desccriptiion VView1 “V

27、View1”是是浏览器上显显示的名字 DEF vview2 Viewppoint posiition 5 0 220 desccriptiion vview2 目的是使用用户可以通过过触发开关节节点来切换视视点。视点节节点中的坐标标表示视点在在场景中的位位置，坐标的的单位是米，视视点的名称将将会在浏览器器菜单中提示示出来供用户户选择。把上上述视点说明明加入hellloworrld2.wwrl中（放放在Grouup节点之前前），并把其其中的方块节节点修改成可可触发节点： DEF box TTranfoorm chilldren Shaape . Box . DEFF toucchBox Touc

28、hhSensoor 定义触发发节点 把修改过的的文件另存为为“toucchme.wwrl”。3.事件传递下面把触发（用用鼠标箭头按按动方块）和和场景变化（视视点切换）这这两件事情联联系起来，在在场景图中，除除节点构成的的层次体系外外，还有一个个“事件体系系”，事件体体系由相互通通讯的节点组组成。能够接收事件的的节点都应具具有事件入口口（evenntIn），如如果它要接收收多种类型的的事件（称为为入事件），它它就应该具有有多个事件入入口，也就是是说，事件入入口象节点的的域一样是有有类型的。同同样，发送事事件的节点应应有事件出口口（evenntOut）,事件出口也也是有类型的的。例如ViiewPo

29、iint节点就就有一个事件件入口sett_bindd,当向此事事件送入一个个值“TRUUE”（即所所谓的入事件件）时，该vviewpooint节点点成为当前视视点。又如，接接触检测器TTouchSSensorr有一个事件件出口isAActivee,当受到用用户触发后它它就从此出口口送出一个“TTRUE”（即即所谓的出事事件），在下下一个事件发发送之前，此此事件一直保保存在事件出出口中（作为为记录）。 事件出口和和事件入口通通过路径相连连，这就是VVRML文件件中除节点以以外的另一基基本组成部分分：ROUTTE 语句。RROUTE语语句把事件出出口和事件入入口联系在一一起，从而构构成事件体系系。

30、在这里，我我们是把接触触检测器toouchBoox的事件出出口isAcctive连连接到视点节节点vieww2的事件入入口set_bind: ROUTEE toucchBox.isActtive TTO vieew2.seet_binnd 现在我们得到的的VRML文文件是： #VRMLL V2.00 utf88 DEF view11 Viewwpointt 视点possitionn 0 0 20 desscripttion view11 DEF view22 Viewwpointt possitionn 5 0 20 desscripttion view22 Grouup chiildrenn

31、 DEEF boxx Trannsformm ttransllationn 5 0 0 childdren Shappe apppearannce Apppearaance maateriaal Matteriall ddiffusseColoor 1 00 0 geoometryy Box DEF touchhBox TTouchSSensorr 触感 DEEF sphhere TTransfform ttransllationn 0 0 0 childdren Shappe apppearannce Apppearaance maateriaal Matteriall ddiffusseC

32、oloor 0 11 0 geoometryy Spheere DEEF conne Traansforrm ttransllationn -5 00 0 childdren Shappe apppearannce Apppearaance maateriaal Matteriall ddiffusseColoor 0 00 1 geoometryy Conee #end of Grroup cchildrren ROUUTE toouchBoox.isAActivee TO vview2.set_bbind 传递把这个文件件调入浏览器器，然后把鼠鼠标指向方块块并按下左钮钮（先别松开开！），可

33、以以看到视点已已经变为viiew2,内内部的机制我我们已经很清清楚：左钮按按下时方块节节点的接触检检测器被触发发，接着接触触检测器从事事件出口issActivve送出一个个事件“TRRUE”，这这个事件通过过路由进入视视点节点viiew2的事事件入口seet_binnd,vieew2收到“TTRUE”后后成为当前视视点，所以在在我们眼前场场景发生了变变化。 当松开开鼠标左键，又又回到原来的的视点，称为为视点回跳。因因为松开鼠标标左键后，接接触传感器向向view22发送了“FALSEE”事件，这这样vieww2的当前地地位被解除。若若不想回跳，则则要自己来定定义。4.利用脚本编编写自定义行行为在

34、VRML中，利利用Scriipt节点（脚脚本节点）定定义用户自定定义行为，所所谓定义即用用脚本描述语语言（Scrriptinng Lannguagee）编写脚本本的过程。VVRML977支持的脚本本描述语言目目前有两种：Java和和EMCASScriptt(这是JaavaScrript标准准化后的名称称)，关于这这两种语言本本身，请参考考相应参考书书，VRMLL97标准中中定义了它们们和VRMLL的接口方法法。应提请注注意的是：VVRML是基基于节点的语语言，所以脚脚本也是封装装在Scriipt这个特特殊节点中的的。这里我们们不过多讨论论脚本描述语语言的细节，主主要讨论把脚脚本集成到VVRML

35、文件件中的方法。 上面我们曾曾把接触检测测器toucchBox 和视点viiew2直接接通过路径连连接起来，现现在要定义我我们指定的行行为，就需要要在二者之间间插入一个脚脚本节点，也也就是让路径径绕个弯： ROUTEE toucchBox.isActtive TTO touuchScrript.ttouchBBoxIsAActivee ROUTEE toucchScriipt.biindVieew2 TOO vieww2.sett_bindd 其中的脚本本节点touuchScrript有一一个事件人口口touchhBoxIssActivve和一个事事件出口biind_Viiew2,前前者接收来

36、自自接触检测器器touchhBox的事事件，然后经经自己的脚本本处理后，把把结果发送给给视点节点vview2: DEF ttouchSScriptt Scriipt evenntIn SSFBooll toucchBoxIIsActiive 入口evenntOut SFBoool binndVieww2 出口urljavesscriptt: 脚本funnctionn toucchBoxIIsActiive(acctive) 与入口同同名的函数被被调用biindVieew2= TTRUE; 返回到到出口 关于这个Scrript节点点，请注意一一下几点：（1）它的的事件入口ttouchBBoxIs

37、AActivee和事件出口口bindVView2是是自定义的，其其它VRMLL节点的域和和事件都是固固定的。（2）这里里定义的事件件入口touuchBoxxIsActtive(即即入事件)和和事件出口bbindViiew2(即即出事件)的的类型都是SSFBooll(单值布尔尔型)，它们们与toucchBox的的事件出口iisActiive和viiew2的事事件入口seet_binnd的类型保保持一致。（3）“uurl”是脚脚本节点的一一个域，可以以直接包含脚脚本，也可以以包含一个或或多个用URRL地址指示示的脚本，若若有多个地址址，则按照先先后次序获取取第一个可得得到的脚本。（4）脚本本是以函

38、数（ffunctiion）的形形式给出的，函函数名touuchBoxxIsActtive 与与事件入口的的名称相同，这这是和ECMMAScriipt语言的的接口约定，表表示相应事件件入口收到事事件后调用此此函数进行处处理。5.事件流程与与小结 下面我们整整理一下事件件流程： （1）用户户在方块上按按下鼠标左键键。 （2）接触触检测器发出出一个“TRRUE”事件件。 （3）此事事件进入脚本本节点touuchScrript的事事件入口toouchBooxIsAcctive. （4）调用用脚本函数ttouchBBoxIsAActivee(注意函数数并没有判断断入事件的值值)。 （5）函数数向touc

39、chScriipt的事件件出口binndVieww2发送一个个“TRUEE”事件（还还可以进行其其它判断或执执行其它事件件）。 （6）viiew2节点点收到“TRRUE”事件件，成为当前前视点。按照照VRML约约定，“认为为”上述事件件是同时发生生的，也就是是这些事件的的时间戳相同同。 （7）若用用户松开鼠标标左键，则接接触检测器发发出一个“FFALSE”事事件，此事件件同样引起脚脚本函数调用用并发送“TTRUE”事事件，所以vview2仍仍然保持为当当前视点。 本节的完整代码码是： #VRMLL V2.00 utf88 DEF view11 Viewwpointt possitionn 0

40、0 20 desscripttion view11 DEF view22 Viewwpointt possitionn 5 0 20 desscripttion view22 Grouup chiildrenn DEEF boxx Trannsformm ttransllationn 5 0 0 cchildrren Shapee appeearancce Apppearannce matteriall Mateerial diiffuseeColorr 1 0 0 geommetry Box DEF ttouchBBox ToouchSeensor DEEF sphhere TTransfform ttransllationn 0 0 0 c