毕业论文-基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现3712639.docx

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1、基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现【摘要】虚拟校校园是虚拟现现实技术在数数字化校园中中的具体应用用。虚拟校园园可以再现真真实的校园场场景，可以使使那些没有机机会实地参观观的人获得身身临其境的感感受。还可以以在此基础上上建立三维虚虚拟大学，提提供相应的网网上教育等，具具有较高的应应用价值。本文较为全面地地介绍了虚拟拟现实技术和和X3D技术术，对虚拟校校园漫游系统统所涉及的技技术问题进行行了比较详细细的研究。本本文以深圳大大学为对象，以以X3D技术术为主，综合合运用多种技技术，设计了了校园内的多多个场景，构构建了办公楼楼、图书馆、科科技楼等立体体模型，经过

2、过整体拼合，最最终实现了一一个虚拟校园园漫游系统。【关键词】虚拟拟现实；虚拟拟校园；漫游游系统；场景景设计；X33D第1章 绪论1.1 研究背景及意意义随着科学技术的的发展和人类类的进步，人人们对世界的的探索越来越越深入，人们们对事物的认认识与了解已已经不再局限限于表面，更更多地的是对对事物多方面面的接触与深深入了解。然然而，很多领领域的发展受受到了很多条条件的约束和和限制，很难难真正意义上上实现人类的的主观愿望，比比如对没有发发生的事物的的预测，未知知结果的提前前模拟等，也也有对现有事事物的可视化化描述。这些些社会的需求求摆在我们眼眼前，迫切需需要一个能解解决上述问题题的有效工具具，虚拟现实

3、实技术正是在在这样的背景景下诞生的1。虚拟现实技术一一经问世，人人们就对它产产生了浓厚的的兴趣。近几几年，虚拟现现实技术不但但已开始在军军事、医学、教教育、设计、艺艺术、娱乐等等诸多领域得得到了越来越越广泛的应用用，而且还给给社会带来了了巨大的经济济效益。因此此，有关人士士认为：200世纪80年年代是个人计计算机的时代代，90年代代是网络、多多媒体的时代代，而21世世纪初则将是是虚拟现实技技术的时代。虚拟校园是虚拟拟现实技术在在教育领域中中的一个重要要应用。它是是将现实中学学校的教学环环境和校园的的三维景观利利用先进的技技术在计算机机中虚拟的再再现出来。虚虚拟校园不仅仅能够构建一一个全三维的的

4、逼真的校园园环境，还能能够挂到校园园网上，让远远程用户下载载或者直接参参看。有了虚虚拟校园，学学校的对外宣宣传就不再仅仅仅局限于文文字、图片等等传统的宣传传方式，能够够更加直观的的将学校的情情况展现在用用户的眼前2。虚拟校园技术对对大学的对外外宣传、招生生就业、校容容校貌的展示示等具有非常常重要的作用用，是校园信信息化平台建建设的重要组组成部分。虚虚拟校园漫游游系统可以方方便浏览者直直观的了解校校园；方便师师生尽快的熟熟悉校园生活活；有利于树树立学校形象象、提高学校校知名度，吸吸引更多生源源；是校园文文化，校容校校貌的展示平平台、是校园园信息化建设设的重要组成成部分。1.2 虚拟现实研究究现状

5、1.2.1 国外虚拟现现实技术的研研究现状美国是虚拟现实实技术研究的的发源地，其其研究水平基基本就代表国国际虚拟现实实发展的水平平。近年来，虚虚拟现实在美美国航空航天天和军事领域域的若干成功功应用获得了了巨大经济效效益和社会效效益，促使美美国进一步加加大对虚拟现现实技术研究究的支持力度度。在军事领域，虚虚拟现实在武武器系统的性性能评价和设设计、操纵训训练和大规模模军事演习及及战役指挥方方面发挥了重重要作用，并并产生了巨大大的经济效益益。美国已初初步建成了一一些洲际范围围的分布式虚虚拟环境，并并将所有人操操纵和半自主主兵力引入虚虚拟的战役空空间，在世界界上处于领先先地位。在航天领域，美美国宇航局

6、（NNASA）已已经建立了航航空、卫星维维护VR训练练系统，空间间站VR训练练系统，并且且建立了可供供全国使用的的VR教育系系统。北卡罗罗来纳大学（UUNC）是进进行VR研究究最早的大学学，他们主要要研究分子建建模、航空驾驾驶、外科手手术仿真和建建筑仿真等。在欧洲，英国在在VR开发的的某些方面，特特别是分布并并行处理、辅辅助设备（包包括触觉反馈馈）设计和应应用研究方面面是领先的。英英国Brisstol公司司发现，VRR应用的焦点点应集中在整整体综合技术术上，在软件件和硬件的某某些领域处于于领先地位。英英国ARRLL公司关于远远地呈现的研研究实验，主主要包括VRR重构问题，其其产品还包括括建筑和

7、科学学可视化计算算。日本的虚拟现实实技术的发展展在世界相关关领域的研究究中同样具有有举足轻重的的地位，它在在建立大规模模VR知识库库和虚拟现实实的游戏方面面取得了很大大的成就33。1.2.2 国内虚拟现现实技术的研研究现状我国虚拟现实技技术研究起步步较晚，与发发达国家还有有一定的差距距。但是近十十年来，虚拟拟现实技术已已经得到了相相当的重视，国国家科委、国国防科工委都都已将虚拟现现实技术的研研究列为重点点攻关项目。国国内许多研究究机构和高校校也都在进行行虚拟现实的的研究和应用用，并取得了了一些不错的的研究成果3。如：北京航空航航天大学计算算机系虚拟现现实与可视化化新技术研究究室集成的分分布式虚

8、拟环环境；清华大大学国家光盘盘工程研究中中心所做的“布达拉宫”，实现了大大全景虚拟现现实；浙江大大学CAD&CG国家重重点实验室开开发了一套桌桌面型虚拟建建筑环境实时时漫游系统；另外，哈尔尔滨工业大学学、西安交通通大学、国防防科技大学、中中科院软件所所、上海交通通大学等单位位也进行了交交通领域的虚虚拟现实研究究工作，并取取得了一批研研究成果44。1.2.3 虚拟现实技技术在虚拟校校园方面的研研究现状目前，虚拟校园园的研究与实实现方法主要要分为两类：1.基于图形软软件的开发基于图形软件的的开发是指利利用三维图形形程序接口软软件结合面向向对象的可视视化编程工具具来开发5，三维图形形程序接口软软件主

9、要有 OpenGGL,Dirrect3DD 和 Jaava3D。可可视化编程工工具如 Viisual C+,VVisuall Basiic,Depphi,Jaava 等。这这种方法的特特点在于开发发周期长、工工作量大、投投资大且数据据兼容性差。2.基于 VRRML 的方方法数字化信息社会会最具代表性性的三种新技技术是多媒体体、Inteernet 和虚拟现实实，而这三种种新技术的交交叉点是虚拟拟现实建模语语言6（virttual rrealitty moddelingg langguage）。它它是一种可以以发布到 33D 网页的的跨平台、简简单的文本语语言；也是一一种能提供更更自然地体验验方式

10、，包括括沉浸感、交交互性、动态态效果、延续续性以及用户户参与探索的的语言。在原 VRMLL 组织基础础上成立的 Web3DD 联盟，在在 20066 年 6 月制定了第第三代 VRRML标准 X3D，XX3D 结合合了 Javva3D 和和 XML 技术，已经经成为三维世世界的主要标标准7。基于 X3D 技术构建的的方法与第一一种方法比较较，虽然在真真实感、实时时性、交互功功能、渲染速速度等方面有有些欠缺，但但是它具有以以下几方面的的突出优点8:（1）简单易学学、开发周期期短、投资少少收获多。（2）X3D 文件短小精精悍，构造的的是动态的虚虚拟场景，它它尽可能的提提供几何造型型特征，却包包含了

11、大量不不属于造型语语言范围的特特性。且具有有良好的跨平平台性，能够够轻易地实现现 Inteernet 上的远程访访问。（3）通过与 JavaSScriptt 等脚本语语言和 Jaava 语言言容易实现 GIS 查查询分析功能能。结合建立立深圳大学虚虚拟校园的实实际情况，考考虑目前的技技术条件、时时间以及实验验条件等综合合因素，本系系统使用了基基于X3D的的方法实现虚虚拟校园的构构建。1.3 本文研究内容容本文主要研究建建设虚拟校园园的基本原理理和关键技术术，包括虚拟拟校园的设计计、三维建模模，场景构建建等功能。最最终实现一个个基于X3DD的虚拟校园园漫游系统。本文的研究内容容主要包括以以下几个

12、方面面：1X3D虚拟拟校园开发与与设计X3D虚拟校园园开发与设计计，应遵循软软件工程的思思想进行开发发与设计。从从立项、可行行性分析，到到需求分析，到到总体设计，详详细设计，一一直到编码测测试以及运行行维护等主要要环节。2X3D几何何节点设计利用X3D几何何节点设计虚虚拟校园，提提高虚拟校园园信息资源场场景浏览速度度，使浏览者者在虚拟现实实世界里体验验虚拟校园所所带来的乐趣趣以及身临其其境的感觉。利用X3D虚拟拟增强现实技技术开发的“基于X3DD的虚拟校园园漫游系统”，利用基本本几何节点开开发虚拟校园园中的造型和和场景，可以以提高开发效效率。3X3D虚拟拟现实建筑设设计X3D虚拟现实实建筑规划

13、设设计是由土地地规划、公路路街道设计、各各种建筑设计计以及校园绿绿化设计组成成。在总体框框架设计思想想的基础上，对对各个部分进进行详细设计计，根据需求求分析做进一一步调整、改改进和完善，最最终达到要求求，完成整个个建筑规划设设计要求。土土地规划、公公路街道设计计、各种、建建筑设计和绿绿化设计，根根据用户需求求画出草图，再再根据草图绘绘制出计算机机软件层次结结构图，再根根据软件结构构图画出流程程图。4. X3D虚虚拟校园整体体设计X3D虚拟校园园整体设计采采用深圳大学学的真实校园园为背景，通通过虚拟现实实技术完整的的体现真实校校园的校容校校貌。按照以以下两点进行行设计： 按照学校的的实际情况进进

14、行虚拟建模模，勾勒出学学校的真实场场景和自然风风貌。建立起起包括：学校校大门、办公公楼、教学楼楼、图书馆、体体育馆、游泳泳馆、田径运运动场、学生生宿舍、花草草树木等对象象。 为了增强真真实的校园气气氛，可以加加入汽车、行行人、学生等等人流。最后使用虚拟现现实技术进行行编码和调试试，作出合格格的项目产品品。1.4 本文章节安排排本论文共分为五五章，各章节节的主要内容容如下：第一章为绪论。简简要的介绍了了论文的的研研究背景、研研究目的和研研究意义，简简要的介绍了了本文研究的的内容，最后后阐述了论文文章节的安排排。第二章为虚拟现现实技术基础础。介绍了虚虚拟现实的基基本概念、发发展和现状、虚虚拟现实的

15、关关键技术。对对于完成本系系统所需要的的X3D和相相关的知识做做了详尽的介介绍。第三章为总体设设计。对虚拟拟校园漫游系系统的开发和和总体设计进进行了描述。讨讨论了虚拟校校园漫游系统统的需求分析析。对系统的的总体设计目目标，系统的的总体设计流流程等进行了了阐述。第四章为虚拟校校园场景设计计与实现。这这一部分是虚虚拟校园漫游游系统的基础础支撑部分，整整章针对校园园场景中不同同类型的对象象场景提出了了多种建设思思路，从效率率和效果两方方面考虑，为为每个对象选选择最优的构构建方法。最最终实现了可可以为用户提提供漫游平台台的虚拟校园园场景，对系系统进行了测测试与分析，并并提出了优化化方法。第五章为工作总

16、总结。对本文文的研究工作作进行了总结结，并提出了了进一步的研研究和改进方方案。第2章 虚拟现实技术术基础2.1 虚拟现实的基基本概念虚拟现实技术，又又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，原来是是美国军方开开发研究出来来的一种计算算机技术，其其主要目的是是用于军事上上的仿真，在在美国军方内内部使用。一一直到20世世纪80年代代末期，虚拟拟现实技术才才开始作为一一个较完整的的体系受到人人们极大地关关注。虚拟现实技术是是20世纪以以来科学技术术进步的结晶晶，集中体现现了计算机技技术、计算机机图形学、多多媒体技术、传传感技术、显显示技术、人人体工程学、人人机交互理论论、人工智能能等多个领域域

17、的最新成果果。它以计算算机技术为主主，利用计算算机和一些特特殊的输入/输出设备来来营造出一个个多感官的三三维虚拟世界界。在这个虚虚拟世界中，人人与虚拟世界界可以进行自自然地交互，使使人与虚拟世世界融为一体体9。2.1.1 虚拟现实的定定义关于虚拟现实技技术的定义，目目前尚无统一一的标准，有有多种不同的的定义，主要要分为狭义和和广义两种。所谓狭义的定义义，认为虚拟拟现实技术就就是一种先进进的人机交互互方式。在这这种情况下，虚虚拟现实技术术被称为“基于自然的的人机接口”，在虚拟现现实环境中，用用户看到的是是彩色的、立立体的、随视视点不同而变变化的景象，听听到的是虚拟拟环境中的声声响，身体部部位可以

18、感受受到虚拟环境境反馈回来的的作用力，由由此使用户产产生一种身临临其境的感觉觉。所谓广义的定义义，认为虚拟拟现实技术是是对虚拟想象象（三维可视视化）或真实实的、多感官官的三维虚拟拟世界的模拟拟。它不仅仅仅是一种人机机交互的接口口，更主要的的是对虚拟世世界内部的模模拟。人机交交互接口采用用虚拟现实的的方式，对某某个特定环境境真实再现后后，用户通过过自然的方式式接受和影响响模拟环境的的各种感官刺刺激，与虚拟拟世界中的人人及物体进行行交流，使用用户产生身临临其境的感觉觉9。2.1.2 虚拟现实技术术的基本特征征从本质上来说，虚虚拟现实系统统就是一种先先进的计算机机用户接口，它它通过给用户户同时提供诸

19、诸如视、听、触触等各种直观观而又自然的的实时感知交交互手段、最最大限度地方方便用户的操操作，从而减减轻用户的负负担、提高整整个系统的工工作效率。美美国科学家BBurdeaaG.，Cooiffett曾在Eleectro993国际会议议上发表的“Virtuual Reealityy Systtem annd Appplicattions”一文中，提提出一个“虚拟现实技技术三角形”，它简明地地表示了虚拟拟现实技术具具有的三个最最突出特征：交互性（IInteraactiviity）、沉沉浸感（Immmersiion）和构构想性（Immaginaation），也也就是人们俗俗称的3个“I”特性，如图图1

20、所示110。 交互性（IInteraactiviity）沉浸感（Immmersiion）构想性（IImaginnationn）图1 3个个“I”特性图 1.交互性 指指参与者对虚虚拟环境内的的物体的物体体的可操作程程度和从环境境中得到反馈馈的自然程度度。这种交互互的产生主要要借助于各种种专用的三维维交互设备（如如头盔显示器器、数据手套套等），它们们使人类能够够利用自然技技能，如同在在真实的环境境中一样与虚虚拟环境中的的对象发生交交互关系。2.沉浸感 用用户感到作为为主角存在于于模拟环境中中的真实程度度。它包括如如下内容。（1）多感知性性。它除了一一般计算机技技术所具有的的视觉感知之之外，还有听

21、听觉感知、力力觉感知、触触觉感知、运运动感知等。理理想的虚拟现现实技术应该该具有一切人人所具有的感感知功能。由由于相关技术术的限制，特特别是传感技技术的限制，目目前虚拟现实实技术所具有有的感知功能能仅限于视觉觉、听觉、力力觉、触觉、运运动等几种，无无论感知范围围还是感知的的精确程度都都尚无法与人人相比拟。（2）自主性。它它是指虚拟环环境中的物体体依据物理定定律动作的程程度。例如，当当受到力的推推动时，物体体会向力的方方向移动或翻翻倒，或从高高处跌落到地地面等。虚拟拟现实技术的的四大特征使使得我们不难难将VR与相相关技术区分分开来，如仿仿真技术、计计算机图形技技术及多媒体体技术。3.构想性 人人

22、类在许多领领域都面临着着越来越多前前所未有而又又必须解决和和突破的问题题。例如，载载人航天、核核试验、核反反应堆维护、新新产品的开发发与设计、医医疗手术的模模拟与训练等等。借助于VVR技术，人人有可能从定定性和定量综综合集成的虚虚拟环境中得得到感性和理理性的认识，进进而使人能深深化概念，产产生新意和构构想10。2.1.3 虚拟现技术的的组成一个典型的虚拟拟现实系统主主要包括5大大组成部分：虚拟世界、计计算机、虚拟拟现实软件、输输入设备和输输出设备,如如图2所示。其其中，虚拟世世界是可交互互的虚拟环境境，涉及模型型的构筑、动动力学特征、物物理约束、照照明及碰撞检检测等；计算算机环境涉及及处理器配

23、置置、I/O通通道及实时操操作系统等；虚拟现实软软件负责提供供实时构造和和参与虚拟世世界的能力，涉涉及建模、物物理仿真等；输入和输出出设备则用于于观察和操纵纵虚拟世界，涉涉及跟踪系统统、图像显示示、声音交互互、触觉反馈馈等10。 虚拟世界 VR软件 输入设备 输出设备 计算机 图2 虚拟拟现实系统的的一般构成构建一个虚拟现现实系统的基基本手段和目目标就是利用用并集成高性性能计算机软软硬件及各类类先进的传感感器，去创建建一个使参与与者处于一个个身临其境的的沉浸感，具具有完美交互互能力和启发发构思的信息息环境。1.硬件方面。需需要以下设备备。 （1）跟踪系系统：用以确确定参与者的的头手和身躯躯的位

24、置。 （2）触觉系系统：提供力力与压力的反反馈。 （3）音频系系统：提供立立体声源和判判定空间位置置。 （4）图像生生成和显示系系统：产生视视觉图像和立立体显示。 （5）高性能能的计算机处处理系统：具具有高处理速速度、大存储储量、强联网网特性。2.软件方面。除除一般所需要要的软件支撑撑环境外，只只要是提供一一个能产生虚虚拟环境的工工具集，或产产生虚拟环境境的“外壳”。它应该具具有以下功能能。 （1）能够接接收各种高性性能传感器的的信息，如头头盔的跟踪信信息。 （2）能生成成立体的现实实图形。 （3）能把各各种数据库（如如地图地貌数数据库、物体体形象数据库库等）、各种种CAD软件件进行调用和和互

25、联的集成成环境。2.2 虚拟拟现实技术的的发展及应用用2.2.1 虚拟现实技技术的发展计算机技术的发发展促进了多多种技术的飞飞速发展。虚虚拟现实技术术跟其他技术术一样，由于于技术的要求求和市场的需需求也随即发发展起来。在在这个漫长的的过程中，主主要经历了以以下三个阶段段：1. 20世纪纪50年代-70年代，虚虚拟现实技术术的探索阶段段1956年，在在全息电影技技术的启发下下，美国电影影摄影师Moorton Heiliing开发了了Sensoorama。SSensorrama是一一个多通道体体验的显示系系统。用户可可以感知到事事先录好的体体验，包括景景观、声音和和气味等。1965年，计计算机图形

26、学学的奠基者美美国科学家IIvan SSutherrland博博士在国际信信息处理联合合会大会上提提出了Thee Ultiimate Displlay（终极极显示）的概概念，首次提提出了全新的的、富有挑战战性的图形显显示技术，即即不通过计算算机屏幕这个个窗口来观看看计算机生成成的虚拟世界界，而是是观观察者直接沉沉浸在计算机机生成的虚拟拟世界中，就就像生活在客客观世界中。随随着观察者随随意转动头部部与身体，其其所看到的场场景就会随之之发生变化，也也可以用手、脚脚等部位以自自然的方式与与虚拟世界进进行交互，虚虚拟世界会产产生相应的反反应，使观察察者有一种身身临其境的感感觉19。1968年，IIva

27、n SSutherrland使使用两个可以以戴在眼睛上上的阴极射线线管研制出了了第一个头盔盔式显示器。20世纪70年年代，Ivaan Suttherlaand在原来来的基础上把把模拟力量和和触觉的力反反馈装置加入入到系统中，研研制出了一个个功能较齐全全的头盔式显显示器系统。该该显示器使用用类似于电视视机显像管的的微型阴极射射线管（CRRT）和光学学器件，为每每只眼镜显示示独立的图像像，并提供与与机械或超声声波跟踪器的的接口。1976年，MMyron Krugeer完成了VVideopplace原原型，它使用用摄像机和其其他输入设备备创建了一个个由参与者动动作控制的虚虚拟世界。2. 20世纪纪8

28、0年代初初期中期，虚拟拟现实技术系系统化，从实实验室走向实实用阶段20世纪80年年代，美国的的VPL公司司创始人Jaaron LLanierr正式提出了了Virtuual Reealityy一词。当时时，研究此项项技术的目的的是提供一种种比传统计算算机模拟更好好的方法。1984年，美美国宇航局NNASA研究究中心虚拟行行星探测试验验室开发了用用于火星探测测的虚拟世界界视觉显示器器，将火星探探测器发回的的数据输入计计算机，为地地面研究人员员构造火星表表面的三维虚虚拟世界。3. 20世纪纪80年代末末至今，虚拟拟现实技术高高速发展的阶阶段1996年100月31日，世世界上第一个个虚拟现实技技术博览

29、会在在伦敦开幕。全全世界人们可可以通过互联联网坐在家中中参观这个没没有场地，没没有工作人员员，没有真实实展品的虚拟拟博览会。1996年122月，世界上上第一个虚拟拟现实环球网网在英国投入入运行。这样样，互联网用用户便可以在在一个由立体体虚拟现实世世界组成的网网络中遨游，身身临其境般地地欣赏各地风风光、参观博博览会和在大大学课堂中听听讲座等。目前，迅速发展展的计算机硬硬件技术与不不断改进的计计算机软件系系统极大地推推动了虚拟现现实技术的发发展，使基于于大型数据集集合的声音和和图像的实时时动画制作成成为可能，人人机交互系统统的设计不断断创新，很多多新颖、实用用的输入输出出设备不断地地出现在市场场上

30、，为虚拟拟现实系统的的发展打下了了良好的基础础3。2.2.2 虚拟现实技技术的应用虚拟现实技术的的应用非常广广泛，目前在在军事应用、城城市仿真、教教育与培训、工工业应用、医医学应用和艺艺术与娱乐中中有着较高的的应用10。1. 军事应用VR技术的发展展源于航天和和军事部门。VVR的最新技技术成果往往往被率先应用用于航天和军军事领域。VVR技术将为为武器装备确确定需求、设设计、制作样样机。为部队队的模拟训练练、战备，为为制定合成作作战条令，为为战后评估及及战史分析等等几乎全部军军事活动提供供一种一体化化的作战环境境。这将有助助于从虚拟武武器及战场顺顺利地过渡到到真实武器与与战场，VRR技术对各种种

31、军事活动的的影响将是极极为深远的，有有着极为广泛泛的军事应用用前景。2. 城市仿真由于城市规划的的关联性和前前瞻性要求较较高，城市规规划一直是对对全新的可视视化技术需求求最为迫切的的领域之一。从从总体规划到到城市设计，在在规划的各个个阶段，通过过现状和未来来的描绘，为为改善人居生生活环境，以以及形成各具具特色的城市市风格提供了了强有力的支支持。VR技技术能够使政政府规划部门门、项目开发发商、工程人人员及公众从从任意角度，实实时互动地看看到规划效果果。这是传统统手段如平面面图、效果图图等所不能达达到的。3. 教育与培训针对教育事业来来说，虚拟现现实技术能将将三维空间的的意念清楚地地表示出来，能能

32、使学习者直直接、自然地地与虚拟环境境中的各种对对象进行交互互作用，并通通过多种形式式参与到事件件的发展变化化过程中去。这这种呈现多维维度信息的虚虚拟学习和培培训环境，将将为参与者以以最直观、最最有效的方式式掌握一门新新知识、新技技能提供前所所未有的新途途径。4. 医学应用用虚拟现实技术在在医学方面的的应用具有十十分重要的现现实意义。虚虚拟现实技术术的使用范围围包括建立合合成药物的分分子结构模型型到各种医学学模拟，进行行模拟人体解解剖和外科手手术培训等。如如通过虚拟现现实仿真器，研研究人员可以以看到和感受受到药物内的的分子与其他他生化物质的的相互作用。在在实施复杂的的外科手术前前，先用外科科手术

33、仿真器器模拟出手术术台和虚拟的的病人人体，医医生用带有跟跟踪器的手术术器械演练。根根据演练结果果，医生可制制定出最佳手手术方案。5. 艺术与娱乐丰富的感觉能力力与3D显示示环境使得VVR成为理想想的视频游戏戏工具。由于于在娱乐方面面对VR的真真实感要求不不是太高，故故近几年来VVR在该方面面发展最为迅迅猛。作为传传输显示信息息的媒体，VVR在未来艺艺术领域方面面所具有的潜潜在应用能力力也不可低估估。VR所具具有的临场参参与感与交互互能力可以将将静态的艺术术转化为动态态的，可以使使观赏者更好好地欣赏作品品。2.3 X33D虚拟现实实技术2.3.1 X3D简介介VRML 组织织于 19998 年改

34、名名为 Webb3D 联盟盟，并开始着着手制订了一一个新的标准准：20022年 8 月月，Web33D 联盟发发布了 VRRML97 的升级版本本 X3D 的最终草案案。新版本的的 X3D 与VRMLL97 向后后兼容（即能能用 X3DD 浏览器播播放 VRMML 文件）。它它把 VRMML 的功能能封装到一个个轻型的、可可扩展的内核核之中，并实实现了 VRRML 的全全部功能114。X3D 在 VVRML 的的基础上提出出了新的特性性，20044 年 8 月，X3DD 规范通过过国际标准化化组织（ISSO）的审批批，成为新一一代的 Weeb3D 国国际标准。XX3D 的主主要特性有以以下几点

35、：1. 整合 XXMLXML 已经成成为整合并管管理信息的必必选。X3DD 采用 XXML 作为为它的编码规规范是有利于于增强 X33D 的可移移植性，有利利于对数据归归档和移植，有有效延长了数数据信息的生生命周期。同同时，XMLL 编码可以以让 X3DD 的开发、播播放都变得更更加简洁、高高效15。2. 统一性X3D 中订制制了在不同浏浏览器之间协协同运作场景景和环境的 X3D 行行为规范，保保证了 X33D场景和环环境在不同播播放器中的操操作的统一性性。3. 组件化使用轻型的可扩扩展内核。VVRML977 是相对庞庞大的标准，完完全实现是比比较复杂的。把把VRML 的功能分割割到一系列较较

36、小的内核，就就可以比较容容易的实现 X3D，减减少实现的复复杂性，因而而改善了执行行过程的可维维护性。4. 可移植性性允许在计算机以以外的设备上上使用 X33D。2.3.2 X3D的组组成X3D整体结构构包括四个部部分:内核(核心特性集集),VRMML97特性性集,应用程程序接口和扩扩展集。如图图3所示。特特性集是VRRML元素的的一个子集,是满足特定定用户需求的的一组功能的的集合133。1.内核(核心心特性集):定义了VRRML中最关关键的特性,形成核心构构件,并将其其封装在一个个小型的、可可扩展的内核核。规范规定定内核实现的的大小应在FFlash和和Realpplyaerr之间,可被被用户

37、快速下下载,运行时时占用很少的的系统资源,当前的核心心特性集已确确定只实现VVRML977的54个节节点中的233个节点。2.VRML997特性集:实现内核以以外的VRMML97元素素VRMLL97的节点点被设计为可可插拔的构件件,通过扩展展内核,完整整的实现了VVR人IL997规范定义义的功能,从从而确保了XX3D与已有有的VRMLL应用兼容。3.应用程序接接口:X3DD是描述几何何体和行为的的一种文件格格式,由于使使用XML编编码,文档对对象模型(DDocumeent Obbject Modell简称DOMM)自动为XX3D提供了了一组APII,外部应用用程序可以通通过DOM访访问X3D文

38、文件。4.扩展集:通通过在内核之之上进行特性性集扩展,实实现复杂的或或是用户自定定义的功能。用用户可以在内内核之上建立立一个完整的的VRML997特性集也可以添加加其它的扩展展,如NURRBS扩展,二进制文件件格式扩展等等。通过扩展展还可以利用用VRML997规范中未未定义的新的的硬件渲染技技术。构件化化的设计为XX3D的内核核提供了一种种插件机制,允许扩展功功能被实时的的加入到运行行内核。 图3 X33D的组成2.3.3 X3D的关关键技术X3D 的两项项关键技术是是 XML 文档和组件件思想。1XML 文文档可扩展标记语言言(Exteensiblle Marrkup LLanguaage，

39、简称称 XML)是万维网联联盟(W3CC)创建的一一组规范。与与 HTMLL 一样，它它也源自 SSGML(SStandaard Geenerallize MMarkupp Langguage 通用标记语语言)。但与与 HTMLL 不同，XXML 是一一种元标记语语言，可以依依据用户的需需求，自行定定义标签及属属性名，从而而突破了 HHTML 固固定标记集合合的约束，具具有自描述性性和可扩展性性的特点116。2. 组件思想想组件思想来源于于面向对象理理论。基于面面向对象的思思想的特点，以以及传统 VVRML 的的不易扩展性性在最新的XX3D规范中中，使用了组组件思想对XX3D规范进进行实现，以

40、以增强与其他他编程语言的的交互。依据据开发人员的的需求，通过过调用模块动动态的将有用用的底层摸块块装配成应用用处理。使用用组件模型的的好处有以下下几点177:（1）精巧的内内核。就实现现而言，VRRML97 是一个庞大大而复杂的标标准。通过将将 VRMLL精简为一个个小的核心功功能集合，减减少了实现的的复杂度，并并且增强了软软件的可维护护性。同时，精精巧的内核可可以方便用户户，因为并不不是每个用户户都需要那些些复杂的扩展展，如果不加加分辨的将这这些复杂的应应用集成上去去，无疑会增增加用户端的的大小，所以以只为用户提提供简单的内内核，扩展依依照用户的需需求自行加入入。（2）扩展能力力。借助扩展展

41、集和特性集集的概念，开开发者可以在在内核上添加加新的扩展集集，也可扩展展新的特性。这这样就可以依依据不同的需需求，定制不不同的应用。（3）减少了对对资源的占用用。一个小型型但可扩展的的浏览器为用用户节省不必必要的资源开开支将会大大大地方便用户户的使用。X3D的组件模模型如图4所所示。 图4 X3D的组组件模型2.3.4 X3D文件件结构X3D文件架构构包含文件结结构、文件头头、文件体及及注释等内容容。X3D文文件结构又包包含文件头、主主程序概貌，在在主程序概貌貌中包括头文文档、组件、说说明及场景等等。在场景中中利用基本几几何造型造型型节点、复杂杂节点、组节节点、纹理节节点、效果节节点、组件节节

42、点、人性化化节点及动态态感知节点等等创建虚拟现现实三维立体体场景。在编编写X3D文文件、节点和和域时，特别别要注意大小小写，X3DD语言对大小小写是敏感的的18。X3D文件结构构图如图5所所示。X3D文件结构X3D头文件X3D主程序概貌Head（头文档）：Scene（场景）：component（组件）metadata（元数据）节点节点图5 X3D文文件结构图X3D文件语法法结构是由XX3D文件头头、主程序概概貌（头文档档和场景）组组成，其中，头头文档又包含含组件和元数数据；场景主主体涵盖X33D所有节点点。X3D文文件头是序码码部分，是XX3D文件必必须书写的部部分。主程序序概貌是X33D文件

43、主程程序框架的主主题部分，是是X3D文件件的精髓和灵灵魂。概貌中中的头文件作作用是引入外外部组件及文文档说明，概概貌中的场景景主体描述是是对X3D文文件三位立体体场景中的自自然景观、人人文环境、建建筑造型、街街道等创建和和编码过程。2.3.5 X3D场景景X3D 使用场场景图（Sccene GGraph）数数据结构来建建立 3D 虚拟境界, 虚拟境界界由对象构成成，而对象及及其属性用节节点描述，节节点是 X33D 的基本本单元。每个个节点由类型型、域、事件件、实现、名名字组成，XX3D 文件件包含包括零零个或多个根根节点。节点点按一定规则则构成场景图图（Scenne graaph）119。X3

44、D节点层次次结构：场景景（Scenne）根节点点、父节点、子子节点。以场场景作为三维维立体场景的的根节点，以以此增加节点点和子节点以以创建种复杂杂的三维立体体场景。在每每个X3D文文件中只允许许有一个场景景根节点，在在此基础上在在增加需要的的节点造型。在一个嵌套节点点中，最顶层层节点就是根根节点，由它它派生整个场场景的全部节节点。父节点点是根节点派派生出来的，再再由父节点派派生子节点，循循环下去直至至全部场景。例例如：在场景景根节点下，创创建一个模型型节点（shhape节点点），此节点点成为父节点点。父节点又又包含两个子子节点，分别别为Appeearancce节点和GGeomettry节点，在

45、在Geomeetry节点点下又包含一一个叶节点（SSpheree节点），完完成三维立体体空间整体造造型。X3DD场景节点层层次结构如图图6所示：场景（Scene）场景（Scene）Sphere节点Appearance节点根节点 父节点点Geomettry节点 子子节点图6 X3D根根节点层次结结构图根据X3D语法法结构的要求求，除根节点点外，其他节节点之间可以以并列或层层层嵌套使用。不不同作用的节节点有着不同同语法结构，父父节点包含一一个或多个子子节点，子节节点中又包含含子节点等。2.3.6 X3D常用用节点在虚拟现实中，节节点是 X33D 核心所所在，可以说说如果没有节节点，就没有有 X3D

46、，所所以 X3DD 的节点起起着重要作用用。学好 XX3D 的节节点，也就学学好 X3DD。以下是 X3D中常常用的节点18。1.基本2D节节点X3D 支持点点的节点是 PointtSet，它它可以包含 Colorr 和 Cooordinnate 节节点。Collor 节点点是用来构造造颜色值的索索引表用于指指定对应点或或对象的颜色色，Coorrdinatte 节点是是用来构造坐坐标的列表。绘制直线是采用用 IndeexedLiineSett 节点，它它可以包含 Colorr 和 Cooordinnate 子子节点。InndexeddLineSSet 节点点属性中，ccoordIIndex 属

47、性用来指指定直线端点点在Coorrdinatte子节点的的索引号(00表示第一个个点)，每条条直线索引值值3个数组成成，前两个是是点的索引号号，第三个是是-1。Rectanggle2D 几何节点用用来指定一个个平面矩形。AArc2D、AArcCloose2D、CCirclee2D 和 Disk22D节点分别别用来绘制圆圆弧、封闭圆圆弧、圆和环环。2.基本3D节节点X3D 提供了了立方体(BBox)、圆圆柱(Cyllinderr)、圆锥(Cone)、球体(SSpheree)等基本 3D 造型型节点。Box 节点的的主要属性是是 sizee，用来确定定长度(x 方向)、高高度(y 方方向)和宽度度(z)方向向的大小。Cylindeer 节点的的主要属性有有 heigght(高度度)、r