VRML虛擬校園漫游與交互技術

2011-07-07 06:52:02馮桂珍池建斌王大鳴張德瑩

圖學學報 2011年5期

馮桂珍，池建斌，王大鳴，張德瑩

（1. 石家莊鐵道大學機械工程學院河北石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043）

隨著Internet在全世界范圍內的迅速發展，虛擬現實技術得到越來越廣泛的應用。而信息技術、通信技術的迅速發展以及網絡的普及，為高等院校提升信息化層次、構建數字校園提供了良好的條件和機遇。虛擬校園是虛擬現實技術在數字化校園中的具體應用。虛擬校園再現真實校園的景觀，使人們通過網絡在計算機上進行漫游，對校園景觀、校內的各種設施和服務等獲得身臨其境的感受；規劃設計校園場景；還可以在此基礎上建立三維虛擬大學，提供相應的網上教育等。為此，國內外在構建虛擬校園及相關技術進行了研究。如文獻[1-2]以及德國的 Rostock，Stuttgart大學[3]、北京航空航天大學[4]、浙江大學[5]、香港中文大學[6]的虛擬校園系統等。由于虛擬校園提供了校園景觀及設施最直觀的表現形式，方便了用戶對校園信息的訪問，從而可以促進大學的建設和遠程教學的發展。

1 系統框架結構及采用的相關技術

系統采用服務器／瀏覽器(B/S)模式，服務器端存放 VRML虛擬校園場景及相關數據信息，瀏覽器端是嵌入 VRML格式文件(*.wrl)的主界面，提供虛擬場景的瀏覽和基于鼠標及控件的交互操作、設置和導航。該系統的功能框架結構如圖1所示，該系統具有交互操作、信息查詢、校園環境設計以及良好的導航功能等。采用的相關技術如下：

（1）VRML

虛擬實現模型語言 VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種基于網絡的三維場景描述性語言，具有動態性、交互性、低帶寬網絡傳輸等優點，將圖、文、聲、色及動態性等信息集于一體，建立具有交互性和導航功能的三維虛擬場景[8-9]。

（2）腳本語言

腳本語言JavaScript是一種解釋性的語言，不需要編譯，可直接使用并由瀏覽器負責解釋。系統采用 JavaScript實現 VRML內部交互以及VRML與HTML網頁的交互與通信控制。

圖1 系統框架結構

2 系統的設計和實現

2.1 虛擬校園三維模型的創建

VRML作為一種網絡三維場景描述性語言，模型的創建一般有以下幾種方式：

（1）文本編輯目前比較好的 VRML編輯器如Parallel Graphics公司的VrmlPad，但編程不直觀，不適合復雜場景的構建。

（2）可視化編輯工具如Parallel Graphics公司ISB、ISA、ICA，分別用于模型的創建、場景的布局和人物動畫，Silicon Graphics公司的Cosmo World等，但這些工具不便于構建復雜場景。另外，針對VRML在造型方面的不足，筆者在對VRML研究的基礎上，利用VC與OpenGL開發了一個VRML可視化編輯工具[10-11]。

（3）其它軟件的支持目前支持 VRML格式的三維軟件有3DMax、Pro/E、UG等，這種方式可以構建復雜模型，且效率較高。

鑒于校園模型建造的工作量及復雜度較大，系統采用第三種與第一種相結合的方式完成。根據校園中的模型，建模過程按以下幾種方法實現：

1）建筑物模型。先根據校園平面規劃圖用AutoCAD繪制數字化的場景布局平面圖，導入3DMax，然后根據場景布局平面圖中建筑物的輪廓線進行外擴、擠出、拉伸及布爾運算等操作，建立建筑物的雛形。為了增強模型的真實感和視覺效果，添加材質或紋理貼圖。在此需利用Photoshop對紋理照片進行旋轉、拉伸、修補、合成等處理，使得紋理圖像滿足需要。這些建筑物包括各個教學樓、圖書館、體育場、辦公樓、學生宿舍樓等建筑設施。由于 VRML不能顯示漢字，需將漢字轉化為UTF8代碼，如辦公樓上方的“石家莊鐵道學院”，其對應的 UTF8代碼為“鐭沖搴勯搧閬撳闄?”。

2）道路及環境設施。沁園、翠園等公共環境設施，道路、樹木、路燈、五星紅旗以及虛擬環境，包括背景、光照效果、背景音樂等的創建，這些虛擬對象根據規劃圖利用 VRML造型與紋理帖圖的方式完成。為了減小文件容量，提高渲染速度，對于樹木、假山等采用 VRML的表面帖圖和布告牌節點 Billboard完成。如圖2所示的竹子造型，文件大小為900k，而采用透明背景的帖圖只有1k。

圖2 竹子

3）場景組合。將建立的各種造型通過VRML的Transform節點和內聯節點Inline組合為最終的虛擬校園場景。模型創建與場景組合時，為保證能順暢地漫游虛擬校園，必須對VRML文件進行優化，優化分為模型自身優化以及利用 VRML語法特點優化兩種。方法一是指采用 3DMax建模時將結構分解，盡量采用拉伸或放樣功能生成簡單幾何形體的組合，然后進行紋理帖圖。這樣可以大量減少模型的三角面片，從而減少 VRML文件大小。方法二優化的措施包括：

· 用LOD節點描述復雜造型不同細節層次的組織關系，提高場景真實感和渲染速度；

· 使用DEF/USE機制減少代碼的重復編寫；

· 利用inline技術，將不同VRML文件內聯成復雜的場景；

· 將VRML文件保存為壓縮形式(*.wrz)。

2.2 系統集成與交互性實現

VRML中的交互行為通過事件體系實現。VRML場景以HTML中OBJECT標記形式嵌入到網頁中。系統集成后交互功能通過兩種方式實現。

（1）基于內部腳本編程接口( JavaScript Authoring Interface, SAI)的交互

通過在 VRML文件中編輯腳本節點 Script實現用戶與虛擬校園的交互。Script節點是與外部程序相連的接口。該節點主要包括四部分：url域、field域、eventIn事件和eventOut事件（圖3）。Script通過接受eventIn事件調用相應的處理過程函數，經過程處理后得出的數據作為 eventOut事件發送出去，其中 eventIn事件的值可以作為過程函數的因變量值，如果需要則用field域定義某個中間變量。處理過程函數可以使用 VRML瀏覽器支持的程序語言編寫，通常有 Java、JavaScript等。

圖3 Script傳遞事件

VRML場景內部的動態和交互利用 SAI實現的包括升國旗唱國歌、汽車引航、虛擬教室與辦公室的交互、沁園中世紀鐘的運轉及路燈的開關、辦公樓上方和大門上方顏色不斷變化的文字，五星紅旗隨風飄揚等。其中，汽車引航功能的實現方法和部分代碼如下。

系統通過一輛汽車為用戶導航，汽車一路行駛經過學校的主要建筑物和景點，行駛路線是：學校大門——第一教學樓——高層辦公樓——主席像、升國旗唱國歌——大禮堂——學生宿舍區——圖書館——沁園世紀鐘——第二教學樓等。通過視點的自動切換與綁定，實現汽車引航功能。實現引航的部分代碼如下：

（2）基于外部編程接口(External Authoring Interface, EAI)的交互

通過EAI系統實現視點設置和追蹤、景點選擇、信息提示、虛擬教室與辦公室的交互操作等功能。系統主界面如圖4，分上下兩個部分。上方顯示 VRML場景，下方是交互控制區，通過下拉列表選擇景點和導航方式，當前視點的信息顯示在視點文本框，用戶也可以設置視點，景點的相關信息顯示在最下方。圖5是選擇沁園世紀鐘視點的畫面。圖6是進入虛擬教室的場景，用戶可以通過按鈕控制投影的開關、教室內燈的開關、桌椅的增減等。

視點自動切換及追蹤的代碼如下：