使用VRML構(gòu)建虛擬境界的技術(shù)研究

鄒珺

摘 要：VRML是網(wǎng)絡(luò)上使用的三維形體和交互環(huán)境的場(chǎng)景描述語言，支持一切用于建立虛擬世界的所具有的特性，基本目標(biāo)是建立互聯(lián)網(wǎng)上的交互式三維媒體。本文主要描述VRML的基本技術(shù)、基本特性，綜合XML和VRML技術(shù)的X3D及VRML所面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：VRML；三維；交互；虛擬；X3D

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言）是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或虛擬的三維世界的場(chǎng)景建模語言，也是目前網(wǎng)絡(luò)上基于WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語言，即面向Web又面向?qū)ο?，屬于解釋性語言[1]。

2 VRML的基本技術(shù)（Basic technology of VRML）

VRML是專為WWW而設(shè)計(jì)的三維圖像置標(biāo)語言，其標(biāo)準(zhǔn)中定義了用來描述三維模型的編碼格式和交互或腳本的編碼及行為模式。用文本描述的信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸比圖形文件迅速，把一些復(fù)雜的任務(wù)交給本機(jī)處理，能在一定程度上減輕網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。由于該工作機(jī)制，VRML在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中已經(jīng)有很快的發(fā)展。

2.1 VRML的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

VRML把虛擬世界看作成一個(gè)“場(chǎng)景”，而場(chǎng)景中的每一個(gè)實(shí)體都看作節(jié)點(diǎn)。VRML提供53種節(jié)點(diǎn)，主要包含造型節(jié)點(diǎn)、聲音節(jié)點(diǎn)、光源節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、編組節(jié)點(diǎn)等。通常一個(gè)節(jié)點(diǎn)有四種特征：節(jié)點(diǎn)名、域名、域值和域值類型。節(jié)點(diǎn)大致可分為形體節(jié)點(diǎn)、屬性節(jié)點(diǎn)和組節(jié)點(diǎn)三大類。每一類又包含若干不同的類型，每一類型有不同的功能。域是節(jié)點(diǎn)包含的參數(shù)，事件是節(jié)點(diǎn)參數(shù)的傳遞[2]。

2.2 VRML的事件體系

節(jié)點(diǎn)主要由事件和域組成，事件使節(jié)點(diǎn)不僅能夠接收外界的信息，而且能和外界傳遞信息。域的取值決定了節(jié)點(diǎn)的取值和場(chǎng)景的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)通過事件入口接收事件，通過事件出口發(fā)送事件。路由是兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)通過事件入口和出口傳遞事件的通道，通過路由把不同的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來組成了事件體系。事件體系的事件流程如圖1所示。

圖1 事件體系的事件流程

Fig.1 The flow of events of the event system

VRML由一系列包含對(duì)象的形狀和描述信息的節(jié)點(diǎn)來組建場(chǎng)景，每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成某一特殊功能。節(jié)點(diǎn)包含一系列的域，主要用來保存定義該功能所需的參數(shù)和數(shù)值。VRML使用父節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景圖的層次，它的人機(jī)交互功能建立在事件的基礎(chǔ)之上，場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)通過事件入口來接收事件，通過事件出口發(fā)送事件，節(jié)點(diǎn)間的事件通路由路由指定[3]。

3 VRML的基本特性（Basic characteristics of

VRML）

3.1 基于ASCⅡ碼的低帶寬可行性

VRML像HTML一樣，用ASCⅡ碼來實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景，在各種平臺(tái)上都能使用，同時(shí)降低了數(shù)據(jù)流量，即使帶寬很低的網(wǎng)絡(luò)上也可以實(shí)現(xiàn)。

3.2 改進(jìn)的實(shí)時(shí)3D渲染引擎

實(shí)時(shí)3D渲染引擎在傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)中曾使用過，但在VRML中有了更好地體現(xiàn)。這個(gè)特性把虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和實(shí)時(shí)訪問更清晰地隔離開來，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)與三維建模和動(dòng)畫的區(qū)別。后者由于事先著色，所以不能提供交互性。VRML提供了6+1個(gè)自由度，即三個(gè)方向的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以及與其他3D空間的超鏈接。

3.3 可擴(kuò)充性

VRML雖然是一種標(biāo)準(zhǔn)，但無法滿足所有應(yīng)用的需要。有些應(yīng)用需要交互性很強(qiáng)，有些需要畫面質(zhì)量更高，有些需要虛擬現(xiàn)實(shí)世界更復(fù)雜。這些需求一方面相互約束，另一方面受到用戶平臺(tái)硬件的約束，所以VRML是可擴(kuò)展的，可根據(jù)需求定義自己的對(duì)象及其屬性，并通過Java語言等方式使瀏覽器可以解釋這種對(duì)象及其行為。

Web技術(shù)的迅速發(fā)展是VRML97的缺點(diǎn)逐漸暴露出來，VRML發(fā)展也日漸趨緩，已經(jīng)不能滿足人們的實(shí)際需求。究其原因主要有：性能表現(xiàn)力上有不足；編程能力束縛其推廣；軟件龐大，造成不必要的性能冗余等[4]。

4 X3D（X3D）

X3D（Extensible 3D）是具有擴(kuò)充性的三維圖形規(guī)范，它組合XML和VRML技術(shù)，使其更適應(yīng)Web3D發(fā)展的需要。X3D第一版發(fā)布于2002年3月，結(jié)合了JAVA、XML、流等先進(jìn)技術(shù)，包含更強(qiáng)大、更高效的3D計(jì)算能力、渲染質(zhì)量和傳輸速率。

X3D主要的目標(biāo)是：包含VRML97的功能；支持大量的數(shù)據(jù)編碼格式，包括XML；分離數(shù)據(jù)編碼和運(yùn)行時(shí)間結(jié)構(gòu)；增添了新的行為對(duì)象、交互對(duì)象、繪圖對(duì)象；為3D場(chǎng)景提供可選的應(yīng)用程序接口；組件化，封裝輕量級(jí)的核心技術(shù)，使其能夠輕易地加入新的功能；允許在不同層次的服務(wù)上都能實(shí)現(xiàn)X3D規(guī)格；可擴(kuò)充性，使用組件增加新節(jié)點(diǎn)，而且符合核心技術(shù)的運(yùn)行代碼。為了滿足共享虛擬世界、科學(xué)可視化、多媒體再現(xiàn)、工程設(shè)計(jì)、娛樂、教育、網(wǎng)頁等方面使用的需要，X3D添加了以下的新特性：

（1）三維圖形：多通道/多進(jìn)程紋理貼圖、多邊形化幾何體、參數(shù)化幾何體、層次變化、光照、質(zhì)地。

（2）二維圖形：在3D變換層級(jí)中顯示2D矢量、平面圖形、文本。

（3）動(dòng)畫：計(jì)時(shí)器和時(shí)間軸驅(qū)動(dòng)的連續(xù)動(dòng)畫，人性化動(dòng)畫和變形。

（4）空間化的音頻和視頻：在場(chǎng)景實(shí)體上映射視聽源。

（5）用戶交互：基于鼠標(biāo)的選取和拖動(dòng)，鍵盤輸入。

（6）導(dǎo)航：實(shí)體在3D場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)、碰撞、近距離和可見性檢測(cè)。

5 X3D及VRML所面臨的挑戰(zhàn)（The challenge

which X3D and VRML face）

眾多新的Web3D解決方案應(yīng)運(yùn)而生，有些3D軟件標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速，并且在某些方面達(dá)到或超過了VRML，其中最引人注意的是Java3D和Shockwave3D。

Java在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用廣泛，同時(shí)在三維圖形上具有更顯著的特色。Java的獨(dú)有特性是平臺(tái)無關(guān)性。它只需部分編譯，負(fù)責(zé)編譯的是Java Virtual Machine（JVM），不同平臺(tái)有各自的JVM，用于處理與平臺(tái)相關(guān)的功能。平臺(tái)只要支持JVM，就能運(yùn)行Java小程序，IE和Netscape都支持JVM。所以使用Java制作的3D圖形幾乎可以在所有的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器上顯示。Java3D的這種“無插件技術(shù)”特性，即不需要下載插件，客戶端也能渲染出優(yōu)質(zhì)的圖形質(zhì)量，物體動(dòng)畫的動(dòng)作流暢自然。

Shockwave3D也是非常有特色的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)。Shockwave3D是由Intel和Macromedia公司合作開發(fā)的，植入Macromedia Director Studio 8.5中的3D引擎。使用Shockwave3D可靈活地控制三維模型進(jìn)行各種交互操作，并充分利用Director中的資源制作高品質(zhì)的動(dòng)畫，以Shockwave影片格式在網(wǎng)上發(fā)布。Intel的技術(shù)使Shockwave3D可以利用OpenGL或DirectX進(jìn)行硬件加速，并且它還支持骨骼變形動(dòng)畫和層次細(xì)分表面。

另外，Viewpoint、Cult3D由于其畫面生成質(zhì)量?jī)?yōu)越，在需要高質(zhì)量畫面生成的產(chǎn)品展示領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用地位。而Adobe Atmosphere在實(shí)現(xiàn)所謂的虛擬社區(qū)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，Pulse3D則在游戲娛樂領(lǐng)域內(nèi)領(lǐng)先[5]。

6 結(jié)論（Conclusion）

目前，研究人員已研發(fā)出很多基于VRML的模擬或虛擬系統(tǒng)，如動(dòng)漫、網(wǎng)上教育、建筑群漫游、臨床醫(yī)學(xué)演示和虛擬影院等。同時(shí)，VRML也引入了某些傳統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由于VRML能提供較好的交互性和真實(shí)性，在協(xié)同工作中各開發(fā)者之間的交流聯(lián)系變得更直觀自然。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 許愛軍，張文金，易丹.基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009（04）：33-34.

[2] 王森，等.大規(guī)模VRML虛擬場(chǎng)景的快速瀏覽算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（01）：112-113.

[3] 陳華，陳福民.基于VRML的虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002（06）：67-68.

[4] 陸亞萍，劉厚泉，王莉.基于X-VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模的研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006（05）：52.

[5] 丘威，鐘治初，張立臣.基于VRML的在線虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007（04）：98-99.

作者簡(jiǎn)介：

鄒 珺（1981-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).