基于VRML的虛擬現(xiàn)實研究

楊明亞，楊穎潔

（1. 安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 蘇州德勝電機有限公司，江蘇 蘇州 215122）

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面技術(shù)，是20世紀末逐漸興起的一門綜合性技術(shù)。它涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，借助它人們可以完全置身于由計算機創(chuàng)造的虛擬世界中。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于計算機系統(tǒng)形成人們常說的VR系統(tǒng)，即虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。目前市場上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到幾十種之多，如： VRML、Atmosphere、Cult3D、JaVa3D、Viewpoint等。這些技術(shù)各有特點，主要應(yīng)用于電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)娛樂、遠程教育、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[1]。

1 虛擬現(xiàn)實建模語言vrml介紹

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言）是一種網(wǎng)絡(luò)上使用的描述三維環(huán)境的場景描述語言，它將三維圖形和動畫、音頻、視頻等多種效果融合在一起，使場景的信息在一定的空間感和時實感，同時它還提供了靈活方便的人機交互功能，使虛擬場景的真實性和交互性得到了充分的體現(xiàn)。將VRML與WWW（Word Wide Web）一起使用，創(chuàng)建一個通過Internet和WWW鏈接而成的虛擬世界。

瀏覽VRML虛擬空間，需要使用瀏覽器插件，它的功能是接收和解釋 VRML文件的信息，在虛擬空間中創(chuàng)建3D模型，并提供實時渲染的自動顯示，所以選擇一個好的瀏覽器對虛擬場景的運行速度和渲染的效果都會產(chǎn)生很大的影響。VRML瀏覽器有多種，其中以Blaxxun和Parallel Graphics公司的VRML瀏覽器最為突出。Parallel Graphics公司的VRML瀏覽器Cortona，支持MPEG等視頻文件，流媒體文件，Mp3等多種音頻文件，F(xiàn)lash動畫文件，多種材質(zhì)效果，支持Nurbs曲線，粒子效果，霧化效果。支持鍵盤輸入、拖放控制，支持VR眼鏡等硬件設(shè)備，更是業(yè)內(nèi)第一個（也是唯一）支持最新EAI功能的VRML瀏覽器，支持微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)，Cortona瀏覽器使用方便，3D的效果，交互性能近乎完美，是目前最多用戶使用的VRML瀏覽器。

2 VRML語言特點

作為一種固定的編程語言，其結(jié)構(gòu)如下[2]：

（1）VRML文件頭。即：#VRML V2.0 utf8

（2）原型。原型是一種用戶定義的新節(jié)點類型，而不是一種節(jié)點。原型有三部分組成，即原型名、節(jié)點接口和節(jié)點體。

（3）造型。包括幾何造型、文本造型、擠壓造型。

（4）腳本。腳本相當于用其他高級語言編寫的用來控制VRML語言的高級語言，它提供了與VRML語言進行交互的接口。

（5）路由。路由相當于一個連接各個場景的“流程圖”，它定義了整個場景的運行過程，使兩個節(jié)點之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

如果要建立一個半徑為10 mm，高度為30 mm的圓柱體，其VRML語言如下：

圖1是VRML語言格式，圖2是在VRML軟件中虛擬后的效果。

圖1 VRML語言格式

圖2 VRML虛擬效果

VRML語句雖然簡練，能通過編程接受用戶操作，與用戶進行實時交互，但用VRML程序代碼建立零件三維數(shù)字化虛擬模型，要把復(fù)雜模型不同結(jié)構(gòu)的位置數(shù)據(jù)和VRML立體空間坐標對應(yīng)起來是很煩瑣的，建立模型的難度和工作量很大。

3 三維圖形建模

虛擬現(xiàn)實中模型的建立是整個虛擬系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，雖然用 VRML、VC++等其它語言也可以寫出一個三維交互的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，但是程序設(shè)計是從代碼開始，非常復(fù)雜的且工作量巨大。其實虛擬現(xiàn)實建模的工具軟件根據(jù)系統(tǒng)需求可以有多種軟件選擇，主要有：3Ds Max、Pro/E、AutoCAD和SolidWorks等軟件。其中3Ds Max軟件集三維動畫和虛擬現(xiàn)實建模的工具軟件，它集三維建模、材質(zhì)制作、燈光攝象機使用、動畫設(shè)置及渲染于一體，提供了三維動畫及靜態(tài)效果圖全面完整的解決方案[3]。與同類軟件相比它以其強大的建模功能和動畫制作等優(yōu)勢，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建模的首選工具。3Ds Max建模過程直觀，模型形象逼真，立體感強，但生成的三維模型不具備實時的交互性，在3Ds Max環(huán)境下建立零件三維數(shù)字化虛擬模型，輸出為.wrl格式，利用VRML瀏覽器實現(xiàn)虛擬設(shè)計系統(tǒng)的人機可交互性。

4 虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)

建立好三維模型后觀看其虛擬的效果，即要觀看虛擬場景，瀏覽器就可以用Cortona VRML Client瀏覽器，打開時的效果圖如圖3所示。

Cortona VRML Client提供了三種主要的瀏覽模式：WALK、FLY和 STUDY。瀏覽者點擊豎直工具欄上的按鈕來選擇不同的瀏覽模式。每個瀏覽模式都可能有一些選項：PLAN（水平移動），PAN（垂直移動）PLAN（水平移動），PAN（垂直移動），TURN（空間旋轉(zhuǎn)），和ROLL（平面旋轉(zhuǎn)）。瀏覽模式的結(jié)合以及它們的選項決定了使用者替身的運動和方向，使用者可以使用鼠標、鍵盤或者鼠標和鍵盤來進行瀏覽，下面我們來感受一下虛擬現(xiàn)實技術(shù)，跟隨鼠標的移動我們進入建筑物的內(nèi)部看看它內(nèi)部的結(jié)果。

圖3 Cortvrml 瀏覽器打開效果圖

圖4 建筑物的外部

圖5 走進建筑物

圖6 走向樓梯口

圖7 上樓梯

圖8 樓上情景

圖4-圖7是在虛擬場景中的幾個畫片，由圖4進入，一步步的走進場景，由圖5準備上樓梯，圖6上樓梯，圖7走上樓梯，圖8可以看到樓上的情景，如同我們親自進入到場景中去一樣，真實體驗場景所帶來的視覺沖擊。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域，基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)更是這一些領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性知識。通過對虛擬現(xiàn)實建模語言的應(yīng)用、運行和設(shè)計方法的總結(jié)，從而更好的將其服務(wù)于各個前沿領(lǐng)域之中，體驗身臨其境的感覺。在場景的建模中，如果是簡單的模型可以應(yīng)用 VRML語言建模，反之則采用建模軟件建模如：3Ds Max、Pro/E、AutoCAD和SolidWorks等軟件，這樣可以節(jié)省大量的時間和繁瑣的程序語言。

[1]申蔚.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:1-130.

[2]張武軍.VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)與實踐教程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008:1-105.

[3]郭萬軍.3dsMAX5.0精彩實例詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:1-25.