基于X3D的小區(qū)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)

馮振平

引言：X3D技術(shù)是Web3D聯(lián)盟提出的互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的標準和規(guī)范，它整合了Java、流媒體及多媒體等技術(shù)，使其具有更好的跨平臺性和動態(tài)性，更強大高效的3D計算能力、渲染質(zhì)量和傳輸速度。

前言

X3D （Extensible 3D）是Web3D 聯(lián)盟提出的新一代互聯(lián)網(wǎng)三維圖形標準（ISO/IEC 19775），它繼承并發(fā)展了VRML 技術(shù)，整合了Java、XML、流媒體及多媒體等技術(shù)，使其具有更好的跨平臺性和動態(tài)性，更強大高效的3D 計算能力、渲染質(zhì)量和傳輸速度。由于X3D基于XML 標準，其擴展性和跨平臺性大大增強。采用XML 編碼結(jié)構(gòu)使得X3D 瀏覽器使用DOM （文檔對象模型） 來存取數(shù)據(jù)成為可能，X3D 瀏覽器通過對樹形結(jié)構(gòu)各結(jié)點的操作，來實現(xiàn)虛擬三維場景的瀏覽與控制。

一、研究內(nèi)容

本論文主要是構(gòu)建一個基于X3D技術(shù)標準的虛擬小區(qū)信息系統(tǒng)。研究工作著重針對虛擬小區(qū)的系統(tǒng)模型設(shè)計與架構(gòu)，研究了景觀建模、場景交互和數(shù)據(jù)庫訪問等關(guān)鍵問題和技術(shù)，做出了一定的創(chuàng)新性工作。主要研究內(nèi)容：

1、系統(tǒng)研究X3D技術(shù)標準下的虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論基礎(chǔ)、技術(shù)架構(gòu)和應用現(xiàn)狀。

2、基于X3D的虛擬城市小區(qū)體系結(jié)構(gòu)和三維場景的實現(xiàn)方法。

3、構(gòu)建虛擬信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，重點研究基于X3D的交互功能。

4、深入研究了X3D技術(shù)理論及其在WebGIS中實際應用。

二、技術(shù)路線

虛擬小區(qū)信息系統(tǒng)主要是利用3DsMax建模工具進行建模，然后利用X3D編輯器編輯優(yōu)化整合各個模型，具體建模技術(shù)路線如下圖。

三、小區(qū)模型的建立

3.1 樓房模型的建立

3.1.1 獲取目標模型的屬性數(shù)據(jù)

為了在制作時不偏離實際情況并且使三維景觀具有真實感，應對目標進行了實地踏勘，主要是利用數(shù)碼相機對小區(qū)的外觀及每一個建筑物和標志性建筑進行了拍攝，獲得實際建筑物的外形資料（包括建筑物的外形、高度、層數(shù)、地理位置和顏色等），并且將拍攝到圖片保存到計算機中以供紋理貼圖時使用。

3.2 交通層模型的建立

因為道路層模型形體單一，可以使用簡單幾何形體造型，例如在3DS Max中利用長方體、柱體等加入旋轉(zhuǎn)角度可以快速的組建，或是采用建立交通的模型體庫，將相似的道路及人行道利用引用單體的方式進行組建[8]。道路層的空間坐標位置可以通過矢量化好的二維電子地圖與虛擬空間X、Y坐標平面進行擬合獲得。

3.3 植被層模型的構(gòu)建

對于樹木層的構(gòu)建，依據(jù)多地區(qū)樹木在形態(tài)種類方面的差異，可以有多種建模方式方法，考慮計算機中顯示的精細程度、計算機軟硬件及網(wǎng)絡延遲方面的影響，可以將樹木層的構(gòu)建分為六類方法：簡單型體造型、復雜型體造型、單面片造型、十字造型法、干葉分離法、廣告牌技術(shù)等。

對于細節(jié)化程度要求較低的樹木，可以采用簡單型體造型來表現(xiàn)植物，如圓柱（Cylinder）、圓錐（Cone）、甚至球體（Sphere）都可以用來表現(xiàn)樹，這些簡單造型可以很好的解決顯卡顯示帶來的延遲，前端顯示比較流暢。

3.4 場景優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計主要是將制作的模型全部導出為*.wrl格式的文件，之后使用InLine節(jié)點將模型連接到一個文檔中，再設(shè)置場景、燈光、視點、動畫等信息，以增加小區(qū)的真實效果。

3.4.1 天空、地面和燈光設(shè)置

設(shè)置天空地面主要用Background節(jié)點，設(shè)置燈光用DirectionalLight和SpotLight節(jié)點，具體代碼如下

DEF skycolor Background { #場景圖設(shè)置

groundColor 0 .6 0

skyAngle [ .785， 1.57 ]

skyColor .3 .4 .5

backUrl "image/sky_back.jpg"#后天空圖

frontUrl "image/sky_front.jpg"#前天空圖

leftUrl "image/sky_left.jpg" #左場景圖

rightUrl "image/sky_right.jpg"#右天空圖

3.4.2 動畫和視點設(shè)置

在三維漫游功能設(shè)計中，采用X3D中的攝像機（Camera Viewpoint）節(jié)點、時間傳感器節(jié)點（TimeSensor）、位置插補器節(jié)點（PositionInterpolator）、朝向插補器節(jié)點（OrientationInterpolator）以及控制時間傳感器的腳本程序完成。攝像機控制視野的角度及視界圍；時間傳感器控制漫游的速度與時長、漫游的起始與結(jié)束的時間；位置插補器控制虛擬場景中漫游位置，在系統(tǒng)中設(shè)定幾個漫游路線的拐點來控制場景漫游的位置變化，位置插補器節(jié)點（PositionInterpolator）通過設(shè)定PositionInterpolator下的KeyValue來定位漫游路線中的位置三維坐標（X，Y，Z），通過Key來設(shè)定設(shè)定變化的線性時間間隔；朝向插補器節(jié)點是用來控制虛擬場景中的漫游攝像機的朝向問題的，通過朝向插補器可以設(shè)定攝像機的朝向，通過朝向的變化達到視界范圍內(nèi)的虛擬地質(zhì)景觀的變化；Route路由功能是虛擬場景漫游的驅(qū)動，通過時間的變化導致位置的變化，通過位置的變化達到朝向的變化，近而達到漫游的效果。

3.4.3 自由導航設(shè)置

自由導航設(shè)置主要是鍵盤中的上下左右鍵操作系統(tǒng)，進行前后行進操作， navigation視點導航節(jié)點可以提供有關(guān)瀏覽者如何在X3D虛擬世界里導航的信息，可以使用移動、行走、飛行等類型進行瀏覽，并且提供了一個虛擬現(xiàn)實的替身的信息，使用該替身可在虛擬現(xiàn)實世界空間里遨游馳。

參考文獻

[1] 曾潤國，聶志鋒，盧建剛等_basiC/2005/08/17/0006.htm.

[2] 數(shù)字城市將帶給我們什么.http：//www.cin.gov.cn/ude/53103.htm.

（作者單位：沈陽市勘察測繪研究院）