徐超 李秀霞

摘 ?要： 為了實(shí)現(xiàn)用戶交互，并且可擴(kuò)展的平臺(tái)設(shè)計(jì)，使用戶以自身的意愿進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)，分析基于VRML的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計(jì)和人物漫游技術(shù)。文中在對(duì)VRML的使用領(lǐng)域，虛擬環(huán)境漫游理論基礎(chǔ)及背景知識(shí)分析的基礎(chǔ)上，闡述創(chuàng)建三維場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)，提出通過(guò)實(shí)例使用技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景對(duì)象的創(chuàng)建。通過(guò)VRML結(jié)合ASP技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，從而實(shí)現(xiàn)部分場(chǎng)景的漫游，得到基于VRML虛擬三維室內(nèi)設(shè)計(jì)和人物漫游的構(gòu)想。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，不同用戶使用不同賬號(hào)可實(shí)現(xiàn)注冊(cè)登錄，利用各自Brower實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景虛擬漫游。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬三維室內(nèi)系統(tǒng)和人物漫游進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其能夠滿足預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： VRML; 虛擬現(xiàn)實(shí); 三維室內(nèi)設(shè)計(jì); 人物漫游; 三維場(chǎng)景; 場(chǎng)景虛擬漫游

中圖分類號(hào)： TN915.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0086?04

Virtual 3D interior design and character roaming technology based on VRML

XU Chao， LI Xiuxia

（College of Arts， Changzhou University， Changzhou 213016， China）

Abstract： The virtual three?dimensional interior design and character roaming technology based on VRML are analyzed to realize the interaction with users， and perform the interior design according to the wishes of users by means of extensible platform design. The application field of VRML， and roaming theory foundation and background knowledge of virtual environment are analyzed to describe the key technology of creating three?dimensional scene， and the instance use technology is used to realize the creation of virtual scene object. The VRML and ASP technology are combined to realize the communication， so as to achieve the roaming of part scene， and get the concept of virtual three?dimensional interior design and character roaming based on VRML. In this system， different users can register and login the system with different accounts， and the Brower of each user is used to realize the virtual roaming of scenes. The designed virtual three?dimensional interior system and character roaming are tested， which can meet the expected goals.

Keywords： VRML; virtual reality; three?dimensional interior design; character roaming; three?dimensional scene; scene virtual roaming

目前，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代人們生活中尤為重要的內(nèi)容，對(duì)人們生產(chǎn)生活各方面具有一定的影響。人們不僅能夠利用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)得到數(shù)據(jù)，還能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)改變傳統(tǒng)生活生產(chǎn)方式，比如，網(wǎng)上社交、網(wǎng)上購(gòu)物及網(wǎng)上娛樂(lè)、教育等[1]。在此背景下，三維仿真技術(shù)的不斷發(fā)展使人們對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)提出了全新的要求，利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)三維漫游瀏覽，從而有效促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)三維仿真技術(shù)的發(fā)展。電子商務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)3D虛擬電子商城，人們能夠基于三維條件實(shí)現(xiàn)商品的瀏覽及體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)商品的可視化。其主要思想就是利用交互式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使傳統(tǒng)模態(tài)化城市信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理之后成為三維虛擬場(chǎng)景，使人們?cè)诩抑型ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)就能夠基于三維視角對(duì)城市瀏覽。目前，VRML技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)相應(yīng)領(lǐng)域的發(fā)展，比如，大規(guī)模三維數(shù)據(jù)、人工智能、人機(jī)交互機(jī)制等方面[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛使用，使計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理方式發(fā)生改變，促進(jìn)了科技發(fā)展和進(jìn)步，為人類創(chuàng)建了巨大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益?；诖吮尘?，本文實(shí)現(xiàn)基于VRML的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計(jì)和人物漫游分析。

1 ?VRML的基本使用原理

VRML也稱為虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，其屬于三維造型及渲染圖形描述語(yǔ)言，通過(guò)創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的效果。VRML能夠支持三維動(dòng)畫，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)交互功能，從而改善傳統(tǒng)交互性差的問(wèn)題，創(chuàng)建可參與及全新的三維虛擬世界。

VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言的主要目的就是在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建逼真的三維虛擬場(chǎng)景，其改進(jìn)網(wǎng)關(guān)中2D畫面狀態(tài)，還能夠有效實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)畫效果，尤其是克服了目前網(wǎng)絡(luò)及用戶交互的局限性，從而提高人機(jī)交互的靈活性及便利性，充分展現(xiàn)虛擬世界的交互性、真實(shí)性及動(dòng)態(tài)性。另外，其還是三維造型及渲染圖形描述性語(yǔ)言，能夠?qū)⑻摂M世界作為場(chǎng)景，場(chǎng)景中的事物都是對(duì)象，也可以稱之為節(jié)點(diǎn)，其每個(gè)對(duì)象描述都構(gòu)成了文件。VRML的主要特點(diǎn)如下：

1） VRML的網(wǎng)絡(luò)功能較為強(qiáng)大，通過(guò)運(yùn)行VRML程序和Internet接入，實(shí)現(xiàn)立體網(wǎng)頁(yè)及網(wǎng)站的創(chuàng)建。

2） 具備多媒體功能，能夠制作多媒體，合成圖像及聲音等，從而實(shí)現(xiàn)影視效果。

3） 具備人工智能功能，主要展現(xiàn)在VRML中，其具有一定的感知功能，通過(guò)感知傳感器節(jié)點(diǎn)充分感受到用戶和造型的動(dòng)態(tài)交互感覺(jué)。

4） 實(shí)現(xiàn)三維立體造型及場(chǎng)景的創(chuàng)建，從而實(shí)現(xiàn)良好立體交互界面。

虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VRML為第二代Web網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是21世紀(jì)主流的高科技軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，是掌握多媒體、寬帶網(wǎng)絡(luò)和人工智能的技術(shù)。

VRML訪問(wèn)方式主要是將客戶/服務(wù)器模式作為基礎(chǔ)，其中的服務(wù)器具備VRML文件并支持資源客戶利用網(wǎng)絡(luò)下載文件，利用本地平臺(tái)中的VRML瀏覽器交互式實(shí)現(xiàn)此文件虛擬境界的描述[3]。VRML的工作原理如圖1所示。

圖1 ?VRML的工作原理

VRML就像是HTML一樣，屬于ASCII碼描述語(yǔ)言，其能夠告訴瀏覽器如何實(shí)現(xiàn)三維世界的創(chuàng)建，并且得到航行指令，此指令通過(guò)再現(xiàn)器進(jìn)行解釋和執(zhí)行，再現(xiàn)器指的是在瀏覽器及外部放置的程序。VRML基本的工作原理為：遠(yuǎn)程傳輸、文本描述及本地計(jì)算機(jī)的生成，其中，文本描述是指VRML并不是通過(guò)三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)三維物體進(jìn)行描述，因?yàn)閿?shù)據(jù)量比較大，在Internet中傳輸會(huì)有多種問(wèn)題，VRML使用類似HTML標(biāo)記文本語(yǔ)言對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行描述，類似于編程語(yǔ)言。比如，描述立方體的文本為Box（size 3.0 3.0 3.0），VRML屬于描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三維場(chǎng)景文本描述語(yǔ)言進(jìn)行規(guī)定。遠(yuǎn)程傳輸指的是用戶瀏覽VRML中描述虛擬場(chǎng)景時(shí)，利用Internet使描述場(chǎng)景文本傳輸?shù)奖镜刂衃4]。

2 ?三維室內(nèi)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由多模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2中，反饋模塊主要接收來(lái)自傳感器模塊的信息，從而能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時(shí)的反饋;傳感器模塊主要接收用戶操作命令，使其在虛擬環(huán)境中使用，還能夠使操作之后的結(jié)果通過(guò)各種方式反饋給用戶;控制模塊的作用是控制傳感器，使其對(duì)虛擬環(huán)境、用戶及現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用;三維模塊指的是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界組成模塊的三維表示，通過(guò)其創(chuàng)建相應(yīng)虛擬環(huán)境;建模模塊能夠獲得現(xiàn)實(shí)世界中組成部分的三維數(shù)據(jù)，并且創(chuàng)建三維模型[5]。

上述模塊中的反饋及檢測(cè)模塊是傳感器模塊及用戶連接的橋梁，控制模塊在傳感器模塊和三維模塊中具有承上啟下的作用，建模模塊通過(guò)用戶操作直接產(chǎn)生三維模塊，其之間的關(guān)系都是相互聯(lián)系和輔助的。

基于VRML的交互性、沉浸性、想象性，虛擬校園系統(tǒng)要能夠?yàn)樵L問(wèn)者提供三維可視化且形象逼真的環(huán)境，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

1） 訪問(wèn)者能夠隨意瀏覽校園中的景點(diǎn)，還能夠利用鼠標(biāo)鍵盤對(duì)視點(diǎn)進(jìn)行改變。

2） 訪問(wèn)者能夠做出和真實(shí)世界中相同的行為，比如人漫游、推門等。

3） 系統(tǒng)還具備良好擴(kuò)展性，從而為今后提高功能留下升級(jí)接口。

4） 系統(tǒng)要具備真實(shí)的力學(xué)性質(zhì)，比如，碰撞檢測(cè)功能，避免出現(xiàn)穿墻而過(guò)此種違背現(xiàn)實(shí)的情況[6]。

3 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 ?虛擬三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)

分析本系統(tǒng)的需求，與現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，將三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)劃分成為4種。圖3為系統(tǒng)建模整體結(jié)構(gòu)。

圖3 ?系統(tǒng)建模整體結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)場(chǎng)景模型主要包括環(huán)境模型、植物模型、建筑模型及運(yùn)動(dòng)物體模型，本文重點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體模型進(jìn)行分析。

通過(guò)已經(jīng)創(chuàng)建的三維場(chǎng)景模型實(shí)現(xiàn)對(duì)二維地圖文件的生成，通過(guò)處理之后能夠得出整體小區(qū)地圖。為了有效實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的導(dǎo)航功能，二維地圖要能夠?qū)崟r(shí)獲得瀏覽者在三維場(chǎng)景中的位置信息，也就是要實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景模型的實(shí)時(shí)信息交互[7]。圖4為二維地圖和三維場(chǎng)景的交互。

圖4 ?二維地圖和三維場(chǎng)景的交互

3.2 ?虛擬場(chǎng)景的層次結(jié)構(gòu)

虛擬場(chǎng)景在對(duì)基于地形數(shù)據(jù)大型虛擬環(huán)境進(jìn)行描繪的過(guò)程中，都會(huì)涉及到虛擬場(chǎng)景中的各個(gè)實(shí)體的具體結(jié)構(gòu)及詳細(xì)狀態(tài)，所以在創(chuàng)建場(chǎng)景模型以前要以虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體幾何空間位置和模型之間、模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)虛擬場(chǎng)景中全部實(shí)體模型層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中將室內(nèi)劃分成為多個(gè)小區(qū)塊，主要物體和外部景觀都在小區(qū)塊中。場(chǎng)景中的每個(gè)層次都是通過(guò)多個(gè)實(shí)體模型構(gòu)成，實(shí)體模型內(nèi)部使用樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)組織。使用VRML創(chuàng)建三維模型的過(guò)程中，最小幾何圖元包括點(diǎn)線面，其基本形狀就是三角形。使用多個(gè)圖元?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象，多個(gè)對(duì)象創(chuàng)建組，結(jié)構(gòu)的最上層屬于頭節(jié)點(diǎn)[8]。場(chǎng)景中的實(shí)體在頭節(jié)點(diǎn)中具有多個(gè)組，組中還具備多個(gè)對(duì)象，這都是以實(shí)體模型復(fù)雜度決定的。在劃分場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)之后，為便于實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型組織及管理，實(shí)體模型內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)的劃分從頂?shù)较路纸獬蔀槎鄠€(gè)基本單元，明確模型創(chuàng)建的目標(biāo)，從而降低建模工作量。另外，對(duì)場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)整和優(yōu)化，在場(chǎng)景調(diào)度輸出場(chǎng)景圖像的過(guò)程中能夠?qū)?chǎng)景系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行改善[9]。

本文將校園作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)校園虛擬三維室內(nèi)設(shè)計(jì)。學(xué)校中的辦公室和教室的構(gòu)造各有不同[10]，其中，辦公室基本的形體如圖5所示。

圖5 ?辦公室物體劃分

教室構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，里面有講桌、課桌、電扇、日光燈等。因?yàn)檗k公室和教室為主要節(jié)點(diǎn)，所以組成教室與辦公室的物體為基本節(jié)點(diǎn)。綜上，整個(gè)校園都是通過(guò)基本節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在接下來(lái)的工作中，利用節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成就能夠創(chuàng)建完整的校園[11]。

3.3 ?室內(nèi)前方設(shè)計(jì)

室內(nèi)前方的結(jié)構(gòu)主要包括：

1） 觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)。此節(jié)點(diǎn)主要是用戶和虛擬對(duì)象相互接觸的傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)的主要目的就是實(shí)現(xiàn)用戶觸摸事件的測(cè)試，比如實(shí)現(xiàn)多媒體觸摸事件等。

2） 時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)利用此節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)虛擬時(shí)鐘的創(chuàng)建，對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間值的發(fā)送，對(duì)立體空間中多媒體對(duì)象開(kāi)始、變化和結(jié)果的過(guò)程時(shí)間進(jìn)行控制，還能夠有效實(shí)現(xiàn)多媒體升降自動(dòng)變化。

3） 腳本節(jié)點(diǎn)。此節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)用戶自定義制作的插補(bǔ)器及檢測(cè)器。

4） 路由。指的是連接節(jié)點(diǎn)的eventIn入事件及eventOut出事件的節(jié)點(diǎn)通道。

5） 聲音節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中利用此節(jié)點(diǎn)能夠?yàn)閂RML世界中添加聲音，并且指定生源位置及聲音立體化的表現(xiàn)。

3.4 ?教室物體設(shè)計(jì)

教室物體主要包括：

1） 空間坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)。利用此節(jié)點(diǎn)能夠在VRML立體空間中創(chuàng)建局部空間坐標(biāo)系，且坐標(biāo)系能夠隨意旋轉(zhuǎn)、平移及縮放，以此實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系造型的旋轉(zhuǎn)、平移及縮放。

2） 空間物體造型模型節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)教室虛擬空間造型的制作，比如門、講桌、風(fēng)扇等。其能夠定義VRML空間造型中的材料、幾何尺寸、外觀及紋理等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)VRML虛擬空間中的空間造型創(chuàng)建。

3） 紋理坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)利用其作為立體空間中三維物體貼圖，也就是利用平移、轉(zhuǎn)動(dòng)及改變圖像尺寸作為坐標(biāo)表面貼圖，有效創(chuàng)建三維實(shí)體。

3.5 ?VRML EAI的交互

VRML內(nèi)部定義感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)只能夠?qū)崿F(xiàn)指定事件的感應(yīng)，Script節(jié)點(diǎn)也只能夠根據(jù)預(yù)定規(guī)則對(duì)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)函數(shù)進(jìn)行改變，之后使此函數(shù)輸出到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由。為了能夠有效實(shí)現(xiàn)外部應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和VRML文件節(jié)點(diǎn)的相互交互，就要利用VRML中EAI方法。具體來(lái)說(shuō)，此方法依賴和VRML瀏覽器相互聯(lián)系的Java包支持，其主要包括Vrml.external，Vrml.external.field和Vrml.external.exception，此包裝的主要功能如下：

1） 對(duì)VRML瀏覽器工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

2） 在VRML場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)事件入口實(shí)現(xiàn)事件的發(fā)送。

3） 實(shí)現(xiàn)VRML場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)事件出口發(fā)送事件的接收。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)用戶從外部應(yīng)用程序?qū)﹂_(kāi)燈交互的控制，其執(zhí)行函數(shù)為：

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了虛擬化的校園教室和辦公室，系統(tǒng)包括VRML EAI的交互、教室物體設(shè)計(jì)、室內(nèi)前方設(shè)計(jì)、虛擬場(chǎng)景的層次結(jié)構(gòu)、虛擬三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，充分結(jié)合VRML生成并且完善VRML場(chǎng)景，使用VRML，ASP及XML混合編程提高系統(tǒng)使用靈活性。通過(guò)實(shí)際使用表明，此平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)校園教室和辦公室的虛擬化，滿足使用需求。

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