基于VRML技術的虛擬校園研究與實現

摘要:隨著計算機技術的不斷發展，相對于傳統的互聯網二維內容，當人們瀏覽虛擬現實技術創建的三維虛擬場景時，會產生身臨其境般的感受。VRML是可以用來創作虛擬現實系統的建模語言。文章介紹了VRML語言和江蘇廣播電視大學武進學院虛擬校園系統的開發和設計過程，重點討論了虛擬校園的構建技術，介紹了一些常用的樓宇建模、樹木建模的方法，并對各個問題提出相應措施。此技術有著較好的應用前景，必將對互聯網的發展產生新的推動。

關鍵詞:VRML; 虛擬現實; 虛擬校園

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9056-03

The Research and Implement of VRML Technology-based Virtual Campus

YU Jian

(Jiangsu TV University Wujin College， Wujin School， Jiangsu City Higher Vocational College， Changzhou 213161， China)

Abstract: With the constant development of computer technology， as opposed to the traditional two-dimensional content of the Internet， when people browse virtual reality technology to create three-dimensional virtual scene， it will create immersive feel. VRML can be used to create a virtual reality system modeling language. This paper introduces the VRML language and Wujin， Jiangsu Institute of Radio and Television University Virtual Campus system development and design process， focusing on the construction of the virtual campus technology， introduced a number of commonly used building modeling， tree modeling approach， and the issues propose appropriate measures. This technique has a good application prospects， The development of the Internet is bound to generate new impetus.

Key words: VRML; virtual reality; virtual campus

虛擬校園以提供訪問三維虛擬環境為主，對提高校園管理的現代化和校園綜合發展具有重要的意義。虛擬校園的蓬勃發展可以讓互聯網上世界各地的人們不必親臨現場，只需在網上就能暢游其間，方便人們隨時隨地了解校園的情況。交互式虛擬現實技術的發展必將更緊密地與多媒體、網絡、數據庫聯結起來。伴隨著虛擬技術的發展，虛擬校園必將成為今后校園信息化發展方向的主流，而基于網絡的大規模虛擬校園漫游將成為研究的新熱點。

本文以江蘇廣播電視大學武進學院為背景，利用VRML構建江蘇廣播電視大學武進學院虛擬校園，通過VRML技術對校園場景進行建模，構造生動逼真的三維校園，使更多的人能通過互聯網了解學校的結構。對推動江蘇廣播電視大學武進學院的校園信息化的進程具有十分重要的意義。

1 虛擬場景建設的相關技術

在虛擬現實技術中，首先要解決的問題是虛擬場景的建模方法，即虛擬世界的構造問題。而虛擬三維空間建模的好壞是產生沉浸感和真實感的先決條件，場景太簡單會使用戶覺得虛假，而復雜逼真的場景又勢必會增加交互的難度，影響實時性。目前圍繞虛擬場景建模問題的解決方式主要有三類:

l) 基于幾何模型的建模技術; 2) 基于圖像繪制的建模技術; 3) 幾何模型和圖像混合建模技術。

基于幾何模型渲染的建模技術要求手工設定模型參數，它借助各種造型、建模技術，用一些基本的幾何單元來構造虛擬場景，然后再進行紋理映射、光亮度計算，對幾何模型進行渲染。其缺點是建模前必須了解建筑物各組成部分的位置及大小，而且建模過程比較復雜且工作量大。

基于圖像的建模技術用建筑物圖像作為輸入，使用計算機視覺技術，自動恢復建筑物的幾何模型。它不依賴于幾何模型，而是利用事先獲取的一組真實圖像序列，對環境進行編碼，并通過適當地處理變換合成位于新視點的視圖，最終實現環境的完全漫游。其優點是建模過程方便，但由于現在計算機視覺技術還不成熟，對圖像噪聲比較敏感，為了保證圖像間立體匹配的正確性，不僅需要用戶輸入指定一些對應關系，還要求對輸入圖像密集采樣，使相鄰的兩圖像之間差別很小。

基于幾何模型和圖像混合建模技術綜合了基于幾何模擬建模和基于圖像建模方法的優點，能利用稀疏分布的圖像對建筑物進行建模。這種方法相對于基于幾何的建模方法更方便，相對于基于圖像的建模方法，只需少量圖像就能得到準確建模結果。

2 VRML技術概述

VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虛擬現實建模語言。它是在WWW上創建3D圖形的工具，是一種用于描述3D交互環境的簡單的文本語言，是一種可以發布3D網頁的跨平臺語言，是一種能夠提供更自然的體驗方式包括交互性、動態效果、延續性以及用戶參與探索的語言。

VRML文件可以包括下列四個主要成份:VRML文件頭， 造型和事件，腳本，路由，原型。并不是所有的文件都包括這些要素，唯一必須的是VRML文件頭。

VRML中的場景由造型組成，而造型則由節點創建，這些是VRML的構件。單個節點描述造型，顏色，光照，視點，以及造型，動畫定時器，傳感器，內插器等的定位和朝向等等。節點可以有零個域或多個域，VRML定義了20多種基本數據類型，主要有SF的單值類型及MF的多值類型。節點除了域屬性外，還具有事件屬性，事件是VRML實現用戶交互及場景動態變化的最主要內容。概況說來，節點由域和事件組成，其中域的取值決定了節點的取值，從而決定了當前虛擬環境的狀態;事件則為節點提供了接受外界信息以及向外界發送信息的能力。

所有的VRML造型均使用Shape節點創建，且必須包含在Shape節點內。Shape包含了兩個即appearance和geometry域(同時也是子節點)，shape節點結構如下:

Shape{appearanceNULL#exposedField SFNode

geometryNULL#exposedField SFNode}

這個節點包含2個域:appearance域用于指定節點的外觀，geometry域用于指定造型的3D構造或幾何構造，缺省的NULL值表示沒有幾何結構。

VRML制作的三維空間是以文本文件的形式保存的，由已安裝過插件的瀏覽器來解釋展示。文件短小的特點使之能夠很方便的在網絡上進行傳播。因此，這一語言為網上的虛擬現實系統提供了重要途徑。虛擬校園就是VRML的一個有效應用。

3 三維虛擬校園的設計

虛擬校園旨在通過網絡展示校園風貌，訪問者“走”進虛擬校園中，觀賞校園的自然風貌，領略校園的生活氛圍。但基于VRML的三維場景規模較大，因此設計前要充分考慮虛擬校園的最終運行環境因素，這里主要是針對當前的PMⅢ以上的微機和windows系統，10M/1OOM自適應網絡條件下場景的建模、顯示技術。還要考慮到不同的瀏覽器的支持與兼容問題。較為復雜的場景，在最簡化的三維模型特征描述完成后，多采用無縫貼圖方式來實現細節。當場景中的建筑物對象過多時，為減少運算量保證實時響應速度，則采用更為極度的簡化，并采用LOD算法來實現場景內容調度。

使用VRML可以構建基于網絡的三維虛擬校園。作為實例，本文選取了江蘇廣播電視大學武進學院的部分場景，進行三維虛擬校園構建。

為了比較真實的反映校園風貌，通過兩個方面來表現這個虛擬境界，首先要繪制校園平面圖，根據校園實際的建筑布局和自然風貌對校園內各個對象進行建模，這些對象包括地表道路、建筑樓宇、樹木綠化、運動場地、人物雕塑、室內家具、車輛等實物，還包括背景、光源、視點等因素，通過這些對象構建出虛擬校園的基礎框架;其次要有一定的交互能力，如門、窗、燈、電梯的開啟與關閉等;第三是通過聲音、文字、圖片、視頻等多媒體技術手段輔助性地介紹虛擬校園的概況。虛擬校園的場景框架如圖1所示。

4 三維虛擬校園的實現

4.1 校門設計

任何一個學校，校園正門都是最為突出的標志性景觀。也是整個學校給用戶的第一印象。

在場景構建中要解決的第一個問題是造型的外觀的控制。造型的外觀是通過材料控制的，材料屬性包括造型的顏色，是否發光，所發光的顏色，是否半透明，透明程度等等。使用Appearance和Material節點，就能控制造型的顏色，發光顏色和透明度。

在場景構建中要解決的第二個問題 是漢字的顯示。按照VRML規范，它應該支持包括漢字在內的所有UTF8字符，但目前常見插件都不支持漢字顯示。VRML不能顯示漢字的原因不在于其語言本身，而在于VRML瀏覽器的3D引擎。為了在VRML中進行3D漢字渲染，通常有兩種方法:一種是用多邊形圍成字體，另一種是對字體進行紋理渲染。我們采用的是第二種方法。校名場景的關鍵代碼如下:

Transform{

rotation 0.0 1.0 0.0 -0.52

translation 6 0 2

children[

Shape{

appearance Appearance{

material Material{diffuseColor 0.5 0.5 0.5}

textureImageTexture{URL \"xiaomen.jpg\"}}

grometry Box {size 6.75 2.0 0.5}

}]}

整個學校正門場景如圖2所示。

4.2 典型建筑物的設計

樓宇建筑中一般有很多相同的地方，如門窗、柱、房間等，盡可能利用重用及原型機制簡化程序代碼，減輕瀏覽器的負擔，提高場景的瀏覽速度。對于即不能進入的樓宇只構造其外造型，對可以進入的樓宇內的造型則只對參觀路徑經過的部分構建造型。

一般室內物品的形狀比較規則，采用基本形狀的組合即可實現。建模的重點在于材質貼圖要保證逼真性。貼圖的合理運用可以極大地減小模型的復雜度，設計中參照真實模型進行材質設定和貼圖處理，盡量還原其真實度，使之表現盡量接近于現實。

校園中的典型建筑物例如教學樓、圖書館、行政樓等都是學校必須的建筑物，這些建筑物都是虛擬校園的重要組成部分，對于這些建筑物的實現需要進行細化場景，我們以教學樓的建模為例。在教學樓的建模中，由于教學樓的前后大部分是對稱的，因此可以先對前面的部分進行建模，然后使用rotation節點旋轉，最后再進行修改。

下面的關鍵代碼描述了模型插入和旋轉的運行:

Group{

children[

Transform{

Translation -6.9 -8.2 -3

children[

DEF Part Inline{

bboxCenter 1.0 4.0 0.0

url “part.wrl”

}]

} #這一段用于插入教學樓的一部分

Transform{

Translation -6.9 -4.2 -3

children USE Part

} #對上面的建模重用

Transform{

Translation -3.6 -0.2 -12

rotation 0 1 0 3.14

children USE Part

}#旋轉

] }}

4.3 植被建模

植被的建設是武進學院建設的重要組成部分，長期以來，武進學院一直重視校園整體規劃和生態綠化建設，因此校園整體綠化效果比較好。這一點在構建虛擬校園時也應當加以考慮。

以樹木為例，在VRML中樹木模型的創建有兩種方法:一種是利用計算機圖形學中分形技術或旋轉成形的方法，按照不同的分形規則生成的樹木，但由于場景中樹木太多，分形計算過程對計算機來講負擔過重，因此這種編程的方法不適用，采用旋轉成形的方法對構建軸對稱植物比較有利，但通用性不好。另一種是采用樹木貼圖方法來近似建模，但必須解決平面貼圖的立體化問題，

圖4所示的就是采用方法實現的樹木造型，其樹的建模實現代碼如下:

Billboard{

Children Shape{

appearance Appearance{rexture Image Texure{url \"tree.gif\"}

geometry Box{size 2 5 0.00001}

4.4 場景組合

當各部分場景構建完成后，即可使用行插入節點Inline將這些場景組合成為一個完整的三維虛擬校園。Inline節點有一個url域，該域值指定了一個URL，這個URL就是將要插入到VRML世界中的文件位置。URL告訴了VRML瀏覽器如何能獲得這個文件，在哪里能找到這個文件以及這個文件的文件名。URL還可以指出該文件是在WEB上還是在本機的硬盤中。在場景組合時，經常需要調整各部分場景之間的物理位置和比例。

下面的代碼將構建好的教學樓安置在虛擬校園中。

Transform{

translation 0 0 -150

rotation 0 1 0 -1.396

children[

DEF JXL Inline{ url \"jxl.wrl\"}

]}

5 結束語

基于VRML技術的虛擬校園是采用三維全景、虛擬現實造型語言、3DS MAX技術通過添加場景熱點、交互地圖以及虛擬漫游路線等方式創建校園交互式虛擬漫游效果。訪問者通過電腦和網絡就能身臨其境感受優美的校園風光、良好的教學環境和教學資源，可隨意選擇園中的景點和參觀路線，并通過鼠標鍵盤來漫步并且改變視點，校園中各景點可配有聲音解說介紹。系統發布形式多樣，所有場景都是真實空間中存在的場景，真實感非常強，同時也可以表現虛擬建模生成的場景，運用特殊的程序處理，使生成效果交互性強。需要說明的是在使用VRML進行三維場景構建時，工作是相當繁瑣的。設計并完善這樣一個創作工具將是下一步工作的重點。

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