網(wǎng)上三維虛擬史館模擬系統(tǒng)研究

朱英浩

（國防信息學(xué)院四系，湖北 武漢430010）

0 引言

當(dāng)前，基于Flash格式（SWF）全景影像的網(wǎng)上三維展示技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于展館、史館、校園和旅游景點的宣傳介紹，其優(yōu)點是所展示的三維場景表面逼真，文件大小與對象復(fù)雜程度基本無關(guān)，制作過程相對簡單，但缺點是必須以已經(jīng)存在的實際場景為依據(jù)，展示時只能繞若干個中心點旋轉(zhuǎn)或縮放，不能沿中心點形成的路線漫游，無論修改場景中的哪個要素都需要由開發(fā)者重新制作，不便于建設(shè)單位靈活修改和自由擴(kuò)充.如果用相機(jī)拍攝實際場景作為模型及其紋理主要素材來源，用Photoshop等工具處理紋理主要素材，用AutoCAD或3DStudio MAX等工具通過平面設(shè)計與三維建模，將生成的三維模型導(dǎo)出為虛擬現(xiàn)實建模語言（virtual reality modeling language，VRML）或可擴(kuò)展3D（eXtensible 3D，X3D）格式，再發(fā)布到網(wǎng)頁上，就可以克服上述缺點.這種方法除了也需要以已經(jīng)存在的實際場景為依據(jù)外，最主要缺點是平面設(shè)計與三維建模均由專業(yè)級制作工具軟件完成，制作過程相對復(fù)雜，對于紋理制作需要大量人工干預(yù)，比如需要手工排版與修飾的文字變?yōu)榧y理圖片后就不再有文字屬性，涉及要素修改也需要由開發(fā)者重新制作.積極吸取了國內(nèi)外史館網(wǎng)站和虛擬場景建設(shè)成果優(yōu)點，將標(biāo)準(zhǔn)化和擴(kuò)展性相結(jié)合，以Visual C＋＋for Windows為編程工具，把史館所涉及到的各個要素進(jìn)行了分層分解和統(tǒng)一編碼管理，構(gòu)建了“網(wǎng)上三維虛擬史館模擬系統(tǒng)”，已經(jīng)實現(xiàn)了在只有平面設(shè)計圖和版面圖片以及對應(yīng)主題的影像等部分特定要素而沒有實際存在的史館條件下，用戶經(jīng)過少量操作，系統(tǒng)就可以自動生成包含網(wǎng)頁框架、VRML／X3D格式三維場景、導(dǎo)航和控制按鈕以及JavaScript程序的網(wǎng)上三維虛擬史館，建設(shè)單位可以靈活修改和自我擴(kuò)充各個要素，不僅可以部分彌補(bǔ)沒有實體史館的缺失，而且可以為實體史館的建設(shè)提供參考.

1 主要功能模塊實現(xiàn)

要實現(xiàn)系統(tǒng)方便的網(wǎng)上三維虛擬史館生成、修改與擴(kuò)充功能及其在遠(yuǎn)程的瀏覽與交互控制，涉及的主要功能有文件目錄編碼管理、平面設(shè)計、版面設(shè)計、元素生成、場景生成和網(wǎng)頁生成等，對每一功能模塊都進(jìn)行了精心設(shè)計與實現(xiàn)，并與其他功能模塊協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián).

1.1 文件目錄編碼管理 通過分析平面設(shè)計圖的史館對外展示部分，主要內(nèi)容可以劃分為展板、展桌、標(biāo)牌、展牌、燈箱、燈光、墻面、壁柱、吊頂、天花板、地毯、地面、墻基、影像、塑像、音樂、花壇和參觀路線共計18類要素，構(gòu)成三維史館就以這18類要素為基本依據(jù).由于地面是場景其它所有要素的基礎(chǔ)，故在地面文件內(nèi)首先對展廳進(jìn)行編號作為一級編碼（2位，如00），按展廳劃分主題名稱、播放音樂和場景視點.展板是展廳內(nèi)最主要的對象，每個展廳都有展板，展板涉及到版面標(biāo)題、附加標(biāo)題、展板說明、數(shù)量不等的圖片及其字?jǐn)?shù)不等的圖片說明.因此，在一級編碼基礎(chǔ)上對展板進(jìn)行二級編碼（2位，如00＿00），展板涉及的底板圖片、版面標(biāo)題、附加標(biāo)題、展板說明就以此為依據(jù)進(jìn)行文件目錄編碼管理，再在二級編碼基礎(chǔ)上對展板圖片進(jìn)行三級編碼（3位，如00＿01＿000），每張圖片所對應(yīng)的紋理圖片、放大圖片和圖片說明及提示信息就以此為依據(jù)進(jìn)行文件目錄編碼管理.文件目錄編碼管理功能模塊用對話框?qū)ζ矫嬖O(shè)計所有要素圖層文件名稱及路徑進(jìn)行設(shè)置和自動產(chǎn)生.

1.2 元素生成功能 由于原始圖片通常分辨率較高，不同分辨率和寬高比例的原始圖片僅適用于輸出采樣，難以直接用于排版，解決方法是對每張原始圖片都生成256×256同名小圖片，建立圖目表，用邏輯值標(biāo)識小圖片是否已經(jīng)生成，避免修改和擴(kuò)充時重復(fù)生成.屬于不同類型要素的版面名稱、版面說明、照片說明和標(biāo)牌及展牌所對應(yīng)的文字都需要考慮排版換行和保持字體比率，生成對應(yīng)的不同方向、大小、顏色、字體紋理圖片，比如標(biāo)牌主要是豎排的漢字名稱，但下方可能還有橫排的年月數(shù)字，需要合成為同一塊標(biāo)牌.解決方法是建立標(biāo)牌目錄表，賦予文字內(nèi)容和不同類型要素以及幾何尺寸等屬性，通過Visual C＋＋調(diào)用三維圖形庫OpenGL技術(shù)編程實現(xiàn)不同類型文字生成專用程序，分別用“門牌生成”、“標(biāo)牌生成”、“展牌生成”、“標(biāo)題生成”和“年月生成”把對應(yīng)文字先屏幕立體感顯示，再按照需要自動旋轉(zhuǎn)、縮放、剪切和排列保存為圖片文件作為紋理來源，并構(gòu)建對應(yīng)的矢量提示文字.

1.3 平面設(shè)計功能 平面設(shè)計功能模塊以平面設(shè)計圖為依據(jù)對18類要素圖層自動生成一個項目工作空間（＊.wor）文件，對每個圖層分別產(chǎn)生MapInfo交換格式（＊.mif／＊.mid）的圖形信息和屬性信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其輸入／輸出批處理功能，用戶可以很方便地用MapInfo完成每個圖層的修改與輸入／輸出.

1.4 版面設(shè)計功能 展板本身都具有位置、朝向、基高、寬度、高度以及厚度等幾何屬性，內(nèi)部又涉及到復(fù)雜的排版，工作量較大，版面設(shè)計功能模塊可以對應(yīng)每塊展板自動生成一個工作空間（＊.wor），包含了由展板寬度和元素圖片大小自動確定的版面標(biāo)題層和附加標(biāo)題層，由展板高寬比、版面圖片平均高寬比與說明文字?jǐn)?shù)量初步自動分布好的展板說明層、版面圖片層和圖片說明層，用戶可以很方便地對每塊展板進(jìn)行文字修改和少量版面調(diào)整.

1.5 場景生成功能 場景生成功能模塊可以在指定路徑目錄生成主場景文件（Museum＊.wrl）和18類VRML／X3D三維對象文件（＊.wrl）及其對應(yīng)紋理圖片、放大圖片和圖片說明（如圖1所示）.主場景包含了多個視點語句、交互控制語句、彈出放大圖片語句和調(diào)用其他文件的“Inline”語句，考慮到用戶需要網(wǎng)絡(luò)條件，對可帶音樂的地面、標(biāo)牌與燈箱的紋理圖片和展板彈出放大圖片分瀏覽版、標(biāo)準(zhǔn)版和高清版3個版本.每個圖層修改后對應(yīng)三維對象文件獨立更新，無需修改其他三維對象文件和主場景文件，大大方便了用戶自我修改和靈活擴(kuò)充.

1.6 網(wǎng)頁生成功能 網(wǎng)頁生成功能模塊使得用戶無需編程就可以根據(jù)指定的路徑目錄自動生成包含三維場景、導(dǎo)航條、導(dǎo)航圖和控制條的框架網(wǎng)頁（＊.html）及其包含的JavaScript程序，與三維主場景內(nèi)部對象自動按圖層編碼確定所有模型名稱的放大鏈接對應(yīng)關(guān)系和瀏覽路線的視點控制關(guān)系，通過網(wǎng)頁操作可以實現(xiàn)對場景中展板圖片、說明或展牌的彈出放大圖片和視點控制.其中導(dǎo)航條和導(dǎo)航圖的每塊區(qū)域均代表一個展廳，分別按歷史階段和幾何位置排列，用于實現(xiàn)鼠標(biāo)對展廳視點的切換.導(dǎo)航控制條圖標(biāo)分別用于實現(xiàn)停止、漫游、行進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、放大、縮小、仰視和俯視等操作.

圖1 系統(tǒng)部分界面

2 網(wǎng)上三維場景交互關(guān)鍵技術(shù)

三維主場景是網(wǎng)頁的嵌入對象，在三維主場景文件和網(wǎng)頁文件中均嵌入了JavaScript程序，開發(fā)編程時調(diào)試好源碼后分別放在各自生成模塊內(nèi)，訪問網(wǎng)頁使事件傳入到三維主場景內(nèi)，點擊三維場景對象又將其屬性傳到網(wǎng)頁.設(shè)高清版場景中某個展板圖片編號為xx＿xx＿xxx，序號為xxxxx，三維坐標(biāo)為［x1 y1z1，x2y2z1，x2y2z2，x1y1z2］，放大圖片像素寬高分別為Imwidth與Imheigh，主要步驟如下：

1）在網(wǎng)頁內(nèi)標(biāo)識為Scene的嵌入VRML對象，把showDiv（）作為其鼠標(biāo)進(jìn)入事件函數(shù)：

〈object onmouseover＝"showDiv（）"classid＝"CLSID：86A88967-7A20-11d2-8EDA-00600818EDB1"align＝"absmiddle"id＝"Scene"〉〈param name＝"Scene"value＝"MuseumHDMI.wrl"〉〈／object〉.

2）在網(wǎng)頁的JavaScript程序內(nèi)定義相應(yīng)的變量M＿e和函數(shù)showDiv（）：

其中Groupofscript［］是與元素圖片同時生成的“＊.js”文件內(nèi)提示文字字符串?dāng)?shù)組，可以避免VRML

對象的漢字亂碼問題，函數(shù)pup（）、dowhat（）和dismiss（）分別用于彈出圖片和文字提示及其消失：

3）在三維主場景文件內(nèi)分別定義帶觸摸傳感器的圖片框架RectPT＿xx＿xx＿xxx、JavaScript函數(shù)JS（）以及路由語句：

這樣根據(jù)展板或展牌圖片編號從指定的文件目錄而不是從VRML對象中讀取觸摸展牌圖片對應(yīng)的彈出放大圖片，可以大大減少三維主場景的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)所有展板圖片的彈出放大.

3 結(jié)語

建設(shè)單位只要具備相關(guān)數(shù)字資料，用本文中開發(fā)的系統(tǒng)按流程運行后，很快就可以建立瀏覽版、標(biāo)準(zhǔn)版和高清版的網(wǎng)上三維史館（如圖2所示），具有60年光榮歷史的某單位由此所構(gòu)建的網(wǎng)上三維史館目前已經(jīng)試運行，初步表明建設(shè)單位可以靈活修改，訪問用戶可以滿足應(yīng)用服務(wù).

圖2 網(wǎng)上三維史館部分場景

［1］張杰編.VRML2.0交互式三維圖形編程［M］.汕頭：汕頭大學(xué)出版社，1991.

［2］汪志達(dá)，葉偉.VRML虛擬現(xiàn)實網(wǎng)頁設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］［加］Jonathan Snook.JavaScript捷徑教程［M］.北京：人民郵電出版社，2009.