基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【文章摘要】

以一個(gè)物理電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹了VRML及其實(shí)現(xiàn)原理，并詳細(xì)論述了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的創(chuàng)建過程和創(chuàng)建方法。

【關(guān)鍵詞】

虛擬現(xiàn)實(shí)；VRML；虛擬實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及，遠(yuǎn)程教育得到了強(qiáng)大的技術(shù)支持，使網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)允，實(shí)現(xiàn)了其時(shí)間上的拓展和空間上的延伸。目前的虛擬實(shí)驗(yàn)多為二維演示實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)真實(shí)感、交互性和教學(xué)效果等方面與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)。VRML（Virtual Reality Modeling Language）是開放的、可擴(kuò)展的、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)描述語言，它能夠在Web上創(chuàng)建可導(dǎo)航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間，并使用戶與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬對(duì)象，因而能夠提供更佳的性能和更好的教學(xué)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是一項(xiàng)綜合集成人——機(jī)界面交互技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成具有表面色彩的立體圖形模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶融入到該環(huán)境中，并與該環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行自然的、實(shí)時(shí)的交互，從而使用戶產(chǎn)生一種沉浸在虛擬環(huán)境中的真實(shí)感覺。

VRML作為一種與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，用來描述三維交互世界的程序語言，可應(yīng)用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的對(duì)象、景象和展示模型等。VRML的工作原理是用文本信息描述三維場(chǎng)景，在Internet網(wǎng)上傳輸，在本地機(jī)上由VRML瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景，解釋生成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即是VRML規(guī)范，而把復(fù)雜的處理任務(wù)交給本地機(jī)從而減輕了網(wǎng)路的負(fù)荷。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬場(chǎng)景的建立

VRML語言本身可以進(jìn)行三維建模，但是它的標(biāo)記語言特性使得建立三維虛擬場(chǎng)景比較麻煩，尤其是對(duì)一些龐大、復(fù)雜、要求精細(xì)逼真的場(chǎng)景。一種比較通用的方法是用3D Max這樣的三維建模軟件來建立靜態(tài)虛擬場(chǎng)景，然后再導(dǎo)入到VRML編輯器中添加動(dòng)態(tài)效果和交互控制。

但是，一般建模軟件建立的場(chǎng)景文件都很大，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸是不利的，必須進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化。通常我們可以采用以下幾種方法進(jìn)行優(yōu)化。

①利用VRML 中的LOD節(jié)點(diǎn)（Level of Detail，細(xì)節(jié)層次）。LOD節(jié)點(diǎn)主要是以視覺效應(yīng)為每個(gè)物體建立多個(gè)相似模型，根據(jù)距離由遠(yuǎn)及近依次使用從粗到細(xì)的不同模型描述物體，減少不需要的模型細(xì)節(jié)，從而加速模型的繪制，達(dá)到優(yōu)化處理的目的。②多使用DEF/USE方式。對(duì)于在場(chǎng)景中多次使用的對(duì)象，可在對(duì)象首次使用時(shí)用DEF給物體命名，以后僅需通過“USE+對(duì)象名”即可引用該物體。這種方法不但能夠提高代碼重用度，減少文件體積，還可以減少場(chǎng)景中要繪制的多邊形，提高場(chǎng)景生成速度。③多使用PROTO原型定義。使用原型可以獲得與DEF/USE方式相同效果，此外它還有動(dòng)畫效果，能進(jìn)行交互控制，其使用更為靈活，功能更為強(qiáng)大。④復(fù)雜模型盡可能用簡(jiǎn)單模型拼裝。用布爾運(yùn)算得到的復(fù)雜模型不利于修改和貼圖，為此可用Box、Cone、Cylinder、Sphere這些簡(jiǎn)單模型來構(gòu)建復(fù)雜模型，這樣既可以節(jié)省在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間，也有利于瀏覽器的優(yōu)化。⑤利用壓縮工具壓縮VRML文件。在VRML的構(gòu)建過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些冗余信息，通過壓縮工具，可以刪掉冗余空間，減少文件體積。

2.2 自動(dòng)演示功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)演示功能主要用來演示實(shí)驗(yàn)的全過程，以幫助用戶了解實(shí)驗(yàn)。例如，本系統(tǒng)中的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)就是通過電源開關(guān)的開、合控制燈泡的亮滅。自動(dòng)演示功能可利用預(yù)定義動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)，這主要涉及下面的幾個(gè)功能節(jié)點(diǎn)。

①傳感器Sensor。傳感器是虛擬場(chǎng)景中的動(dòng)作感知器，利用它來感知場(chǎng)景中各種物體的動(dòng)作。本例中可以為電源開關(guān)添加感知鼠標(biāo)單擊動(dòng)作的接觸傳感器TouchSensor和自動(dòng)時(shí)間控制的時(shí)間傳感器TimeSensor。②插補(bǔ)器Interpolator。插補(bǔ)器是實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果必不可少的節(jié)點(diǎn)，它給出了動(dòng)畫過程中各個(gè)時(shí)刻變化量的參數(shù)值。電源開關(guān)的開合和電流表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)都是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以為它們添加插補(bǔ)器OrientationInterpolator，而燈泡亮度的變化要由顏色插補(bǔ)器ColorInterpolator來實(shí)現(xiàn)。③ROUTE命令。ROUTE命令根據(jù)動(dòng)畫響應(yīng)的順序?qū)⒏鱾鞲衅鳌⒉逖a(bǔ)器、以及要控制的節(jié)點(diǎn)串連起來共同實(shí)現(xiàn)一個(gè)效果。

2.3 使用JavaScript實(shí)現(xiàn)交互功能

交互功能要求系統(tǒng)根據(jù)用戶對(duì)場(chǎng)景中不同節(jié)點(diǎn)的操作做出不同的響應(yīng)，這就不能通過預(yù)定義的方式來實(shí)現(xiàn)，而必須采用更復(fù)雜的程序代碼進(jìn)行處理。VRML中常用的腳本語言是JavaScrip。此外，對(duì)于一些需要與網(wǎng)頁進(jìn)行信息傳遞的場(chǎng)景，還可以利用網(wǎng)頁中的Java Applet來實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能。Java EAI（External Authoring Interface，外部創(chuàng)作接口）是增強(qiáng)VRML場(chǎng)景與外部環(huán)境通信聯(lián)系和融合能力的一個(gè)高層次的Java類包，它使得外部的Java Applet程序可以利用VRML的事件模型訪問和控制VRML場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)。

本例中采用JavaScript腳本的形式進(jìn)行代碼編程來判斷電源開關(guān)開、合狀態(tài)并確定其轉(zhuǎn)向動(dòng)畫。最后腳本代碼要用ROUTE命令與相關(guān)傳感器、插補(bǔ)器、和節(jié)點(diǎn)串連起來，形成一條動(dòng)畫通路。

2.4 將VRML場(chǎng)景嵌入網(wǎng)頁

利用HTML語言的EMBED元素可以實(shí)現(xiàn)VRML和HTML語言的結(jié)合。網(wǎng)頁中嵌入虛擬場(chǎng)景文件，能將三維立體信息和二維平面信息融合在同一個(gè)網(wǎng)頁之中，網(wǎng)頁部分既可以對(duì)三維立體場(chǎng)景進(jìn)行解釋、說明，又能夠作為用戶與場(chǎng)景交互的界面，彌補(bǔ)三維場(chǎng)景在文本方面的不足。

3 結(jié)束語

VRML語言具有交互性、分布式、場(chǎng)景逼真、易于實(shí)現(xiàn)等特性，是開發(fā)基于Internet虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的首選。利用VRML構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬出逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)踐體驗(yàn)，不但可以提高實(shí)驗(yàn)的效率和效果，拓寬學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的途徑，而且能夠更好地完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]張紅軍，吳志剛.VRML與JAVA在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25（9）：1081-1085

【作者簡(jiǎn)介】

呂宛陽（1984年10月—），女，吉林省四平市人，同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院碩士研究生。