網上虛擬展館的技術探索

摘要：VRML語言已經流行了很長時間，但網上的成功案例并不多，以前是受制于網絡的軟硬件環境條件，現在各種技術層面都有很大的提升，為虛擬現實的發展提供了很好的發展條件。該文結合現實需要，從實際需求出發，就網上虛擬展館進行相關的技術探索，希望能為豐富我們的互聯網體驗提供幫助。

關鍵詞：VRML；虛擬展館；虛擬現實；仿真技術；多媒體技術；技術探索

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)29-0458-03

The Technology Supposing of Virtual Reality Exhibition Mansion in Network

LI Zhi-sheng， CHEN Yu-qing

(Network Engineering and Research Center，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

Abstract: VRML language has already been popular for many years. But it’s hard to find a successful case on internet. Basely Virtual Reality is restriction by hardware and software since a long time. But as technology development the Virtual Reality finally has good conditions.In this paper， with the actual needs， starting from the actual demand， we hope to enrich the purpose of internet experience and discuss the Virtual Hall of related technology.

Key words: VRML; the mansion; virtual reality; emulation technology; multimedia; technology probe

21世紀是知識爆炸的時代，也是信息化革命的時代，中國正面臨前所未有的挑戰和機遇，信息網絡技術廣泛應用于社會的方方面面。設想在祖國的南大門某城市，是經濟文化的中心，這里經濟發達，思想活躍，高新科技技術生機勃勃。展望未來，該城市想繼續站在改革發展的潮頭浪尖，為建立和諧社會而努力，為建立充滿生機活力的信息時代而努力。為此，想利用互聯網的新技術——虛擬現實技術，把原改革開放的成果和經驗以及新思路，建立“虛擬展覽館”，讓全省、乃至全國的干部和群眾更多的了解該城市，讓該城市繼續走在全國的前列，為全國領先的現代化城市提供充裕的人文和技術條件。

1 虛擬展館需求

設想展覽館本身已經建成，展館大概有200平方，有較多的圖片文字資料，還陳列著一些獎杯、雕塑、書等物品，而且還有等離子大電視，觸摸屏等現代的設備。要求建立一個互動的、虛擬的、現代的虛擬展館，把現在已經有的實物展覽館在放到網絡上，供異地觀看和瀏覽；用戶可以使用遠程計算機通過互聯網絡，在虛擬展覽廳里面任意走動，用鼠標點擊展覽廳里面的圖畫、獎杯、雕塑等，可以彈出窗口仔細查看，并可以看到文字圖片等配套的介紹信息，同時還可以觀看到相關的視頻和聆聽到美妙的音樂。

2 技術路線

目前信息社會的三大特征是：多媒體（Multimedia）、因特網（Internet）、和虛擬現實（VR，VirtualReality）。本項目將使用VRML（虛擬現實造型語言，Virtual Reality Modeling Language）作為其技術解決路線，將用戶的行為作為瀏覽主體，展現一個三維、逼真的多媒體世界。

2.1 虛擬現實簡介

虛擬現實（VRML）是一種由計算機和電子技術創造的新世界，是一個看似真實的模擬環境，通過多種傳感設備用戶可根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界的物體進行考察或操作，參與其中的事件；同時提供視覺、聽覺、觸覺等多通道的信息，用戶通過視、聽、摸等直觀而又自然的實時感知，并使參與者沉浸于模擬環境中。VR的三個最突出的特征，即它的3“I”特性：交互性（interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）、想象（ imagination）。

虛擬現實技術是在眾多相關技術如計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、傳感器技術、人工智能的基礎上發展起來的。虛擬現實技術在最近十幾年里獲得了極大的發展，這主要歸因于計算機軟、硬件條件的飛速發展，以及虛擬現實專用設備價格的下降和性能的提高。目前虛擬現實技術已經獲得了廣泛的應用，而且日益普及，不僅在諸如NASA的大型工程得到應用，也出現在一些游戲中，在一些高檔的PC機上甚至可以構建自己的個人PCVRS（個人虛擬現實系統）。

設計一個VRML系統，首要的問題是創造一個虛擬環境，這個虛擬環境包括三維模型、三維聲音等，在這些要素中，因為在人的感覺中，視覺攝取的信息量最大，反應亦最為靈敏，所以創造一個逼真而又合理的模型，并且能夠實時動態地顯示是最重要的。虛擬現實系統構建的很大一部分工作也是建造逼真合適的三維模型。

2.2 VRML的工作原理

VRML的訪問方式是基于客戶/服務器模式（見圖1），其中服務器提供VRML文件（后綴為．ｗRL）及支持資源客戶通過網絡下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的瀏覽器（Ｂrowse）加上專用的VRML Web插件（Player）交互式訪問該文件描述的虛擬境界（Virtual World），因為瀏覽器是本地平臺提供的，從而實現了和硬件平臺的無關性。

VRML象HTML一樣，是一種ASCII碼描述語言，它是一套告訴瀏覽器如何創建一個三維世界并在其中航行（navigation）的指令，這些指令由再現器（Render）解釋執行，再現器（播放器）是一個內置于瀏覽器中或外部的程序。VRML文件描述的基于時間的三維空間稱為虛擬境界（Virtual World），它由對象構成，而對象及其屬性用節點描述，節點是VRML的基本單元。每個節點由類型、域、事件、實現、名字組成，節點按一定規則構成場景圖（Scene graph）。

由于VRML是一個三維造型和渲染的圖形描述性語言，復雜的3D術語轉換為動態虛擬世界是高速的硬件和瀏覽器，又由于其交互性強和跨平臺性，使虛擬現實在Internet上有著廣泛的應用。

2.3 VRML播放器

VRML雖然是國際標準化程序語言，但我們日常使用的瀏覽器（IE，Netcaptore等等）都不能直接瀏覽解釋這些文件，必須像我們平常用Flash一樣，安裝專用的VRML播放器插件（Player）后，才能瀏覽這些文件。VRML是可以不受限制的使用，就像HTML一樣，但它的播放器，必須是專用的。VRML97發布后，互聯網上的3D圖形幾乎都使用了VRML。由于技術的局限性，如帶寬不夠，需要下栽插件瀏覽，文件量大，真實感、交互性需要進一步加強等原因，最近一二年，許多制作Web3D圖形的軟件公司的產品，并沒有完全遵循VRML97標準，而是使用了專用的文件格式和瀏覽器插件，開發了比較實用的VR軟件。這些軟件有些比VRML有了進步，在渲染速度、圖像質量、造型技術、交互性以及數據的壓縮與優化上，都有勝過VRML之處。目前全球的VRML播放器有不少，但真正設計得好的卻很少，其中德國的Bitmanagement Software 公司開發的“BS_Contact_VRML-X3D_62.exe”是屬于比較優良的一款。

2.4 BS Contact 6.2 特性

1) 支持 DirectX 9 FX 特效文件和 HLSL（高級著色語言.DirectX 9 圖形驅動下支持 TGA、HDR 圖像格式）；

2) 支持高級程序化著色引擎（Shader）節點，支持提議中的 X3D 程序化著色標準；

3) 支持 OpenGL 圖形驅動下的紅藍立體顯示，另外還提供支持 OpenGL 四方立體顯示加速的特別版本的 BS Contact Stereo；

4) 支持專門的組節點調節 Z-buffer 順序；

5) 支持 X3D 事件工具節點；

6) 支持由場景來指定瀏覽器的設置；

7) 截圖和視頻截取工具。

3 虛擬展館的實現

3.1 開發運行環境

VRML，從用戶的角度來說，基本上是HTML加上三維數字模型，但從開發者角度來說，VRML環境的產生提供了一套完全的新標準，新過程以及新的Web 技術。

交叉平臺和瀏覽器的兼容性是首先要解決的問題。設計之前，必須明確指定目標平臺（PC、Mac、SGI的新O2等等），CPU速度、可以運行的帶寬以及最適合使用的VRML瀏覽器。

本項目的開發環境為PC的WindowX操作平臺，服務器操作系統是WindowXP ，Unix或linux，CPU速度要求為奔三800Hz以上，網絡帶寬為56K以上，最適合使用瀏覽器為IE5.0以上，插件是BS Contact VRML X3D 6.2。

3.2 虛擬展館系統結構圖

圖3為虛擬展館系統結構圖。

3.3 前期資料的采集

為了設計出優良的作品，必須對現實展館的方方面面進行仔細的資料搜集，如地理位置，樓層結構，建筑布局，面積，裝修設計，圖文資料，藏品等等，該登記的登記，該畫草圖的畫草圖，把要展示的資料錄入電腦中。

3.4 展館場景設計

VRML世界的建造概念和其他工程建模概念相似，必須解決交流的問題，虛擬展館要畫出草圖并研究材質的處理，生成模型（models）、空間（spaces）、化身（avatars），但必須考慮一些技術的限制，如，考慮到目標平臺，決定在VRML文件中放入多少多邊圖形；預先考慮到VRML世界的運動和執行的動作，把相應的目標歸類，用于設定三維物體之間的相互聯系，建模與動畫相互配合，如果歸類正確合適，就會縮小生成動畫效果之后文件的體積。

虛擬現實的設計中還要考慮加入重力(gravity)和碰撞(collision)的效果，以使虛擬現實的場景和生活中的相似。需要生成代理幾何模塊（一系列的調用指令），其作用在于是瀏覽器在虛擬現實場景中只需監測一個很小的子目標，而無須計算虛擬場景中所有目標的重力和碰撞效果，最大限度的減少瀏覽器的工作量，并改善VRML的演示效果。

還必須考慮VRML文件的體積。VRML文件對自由曲面描述方式一直是基于ploygon，文件中描述了曲面上各個點在場景中的位置，故而文件中產生了大量的數字，致使文件體積龐大，NURBS（非均勻有理B樣條，Non-Uniform B-Splines）是一種在3D模型空間中，用曲線和曲面表示物體輪廓和形狀的方法，簡化了對復雜曲面的描述，VRML97（VRML的最新國際標準）的擴展標準里已經加入了NURBS的描述語句，NURBS在VRML上的廣泛應用使得三維模型文件變得很小，效果也要比ploygon的描述方式好的多。

加入虛擬顏色、材質和燈光能夠產生層次感和現場效果，增加真實性，但也必須質感與實際運行效果之間權衡，因為使文件體積增大，占用CPU執行時間。

視角選定。設想出最能表現出場景效果的某一區域，因此視角人員最好能有較好的技術背景以便分析出制作工具在實際應用上述特色時可能會遇到的問題及在不同瀏覽器上顯示效果及該瀏覽器是否支持這些特色。

VR系統要求實時動態逼真地模擬環境，考慮到硬件的限制和虛擬現實系統的實時性的要求，VR系統的建模與以造型為主的動畫建模方法有著顯著的不同，VR的建模大都采用模型分割、紋理映射等技術。目前VR中的虛擬場景的構造主要通過第三方3D建模軟件的途徑來實現，如3D Max，Maya等。

這里簡單介紹一下3D Max：3D Studio MAX是Aoutodesk公司推出的一套強大的三維建模軟件，由于它是基于Windows平臺的，方便易用，功能強大；3DS MAX的幾何建模方法主要有多邊形（Polygon）建模、非均勻有理B樣條曲線建模（NURBS）、細分曲面技術建模（Subdivision Surface），我們可以在為虛擬現實系統制作相應模型前，根據虛擬現實系統的要求選取合適的建模途徑，多快好省地完成虛擬現實的作品的制作。3DS MAX有著出色的紋理貼圖能力和強大的燈光布置、控制能力，為VRML提供更真實的虛擬效果。

3.5 生成VRML文件并設定虛擬現實中可以實現的功能

VRML97的交互性很強，用戶可以通過化身（用戶在虛擬空間的代表）與其他的用戶化身“面對面”交流和溝通，真正實現WWW上的多人環境，而它的實現需要編制復雜的行為。

VRML制作的內容應當能在所有的瀏覽器上運行。一種方法是使用動畫，動畫可以使VRML世界更加逼真，許多制作程序都需要用大量的時間檢測節點（TimeSensors）來驅動動畫，但同時也占用大量的CPU工作時間，減少TimeSensors的數量并在其不執行實時工作時關閉是提高VRML文件運行性能的通用方法。

另一種方法是通過語言編制復雜的行為，如圖4，VRML97互動性很強，除了包括內部的屬性，更支持Java、JavaScript、VRMLScript，甚至CGI等的接口，以便建立真3D虛擬社區，目前VRML主流編程是基于Java、JavaScript，特別是Java語言日益成熟，成為VRML的實時動態交互提供良好的程序環境。無論那一種都必須使用Script節點。

虛擬場景里面使用的貼圖像素并不太高，還有考慮到瀏覽的方便，所以要建立與普通html頁面的鏈接，讓具體展覽內容在彈出的html頁面里顯示。所有這些功能都要使用程序來進一步實現和溝通。

4 總結

隨著計算機技術的飛速發展，CPU速度越來越快，網絡帶寬也越來越大，網上虛擬現實將突破瓶頸，迎來飛速的發展，為我們提供更豐富更好的內容和互聯網體驗。

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