基于VRML的虛擬三維室內設計及人物漫游技術

徐超 李秀霞

摘 ?要： 為了實現用戶交互，并且可擴展的平臺設計，使用戶以自身的意愿進行室內設計，分析基于VRML的虛擬三維室內設計和人物漫游技術。文中在對VRML的使用領域，虛擬環境漫游理論基礎及背景知識分析的基礎上，闡述創建三維場景的關鍵技術，提出通過實例使用技術實現虛擬場景對象的創建。通過VRML結合ASP技術實現通信，從而實現部分場景的漫游，得到基于VRML虛擬三維室內設計和人物漫游的構想。所設計的系統中，不同用戶使用不同賬號可實現注冊登錄，利用各自Brower實現場景虛擬漫游。最后，對設計的虛擬三維室內系統和人物漫游進行測試，結果表明其能夠滿足預期目標。

關鍵詞： VRML; 虛擬現實; 三維室內設計; 人物漫游; 三維場景; 場景虛擬漫游

中圖分類號： TN915.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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，互聯網已經成為現代人們生活中尤為重要的內容，對人們生產生活各方面具有一定的影響。人們不僅能夠利用簡單網絡得到數據，還能夠通過互聯網改變傳統生活生產方式，比如，網上社交、網上購物及網上娛樂、教育等[1]。在此背景下，三維仿真技術的不斷發展使人們對于互聯網提出了全新的要求，利用互聯網實現三維漫游瀏覽，從而有效促進網絡三維仿真技術的發展。電子商務領域已經初步實現3D虛擬電子商城，人們能夠基于三維條件實現商品的瀏覽及體驗，實現網絡商品的可視化。其主要思想就是利用交互式虛擬現實技術使傳統模態化城市信息實現數字化，通過計算機處理之后成為三維虛擬場景，使人們在家中通過計算機就能夠基于三維視角對城市瀏覽。目前，VRML技術及虛擬現實技術的不斷發展促進了計算機相應領域的發展，比如，大規模三維數據、人工智能、人機交互機制等方面[2]。虛擬現實技術的廣泛使用，使計算機領域大規模數據的處理方式發生改變，促進了科技發展和進步，為人類創建了巨大的社會效益及經濟效益。基于此背景，本文實現基于VRML的虛擬三維室內設計和人物漫游分析。

1 ?VRML的基本使用原理

VRML也稱為虛擬現實建模語言，其屬于三維造型及渲染圖形描述語言，通過創建虛擬場景，從而實現現實中的效果。VRML能夠支持三維動畫，具有較強的實時交互功能，從而改善傳統交互性差的問題，創建可參與及全新的三維虛擬世界。

VRML虛擬現實建模語言的主要目的就是在網絡中創建逼真的三維虛擬場景，其改進網關中2D畫面狀態，還能夠有效實現3D動畫效果，尤其是克服了目前網絡及用戶交互的局限性，從而提高人機交互的靈活性及便利性，充分展現虛擬世界的交互性、真實性及動態性。另外，其還是三維造型及渲染圖形描述性語言，能夠將虛擬世界作為場景，場景中的事物都是對象，也可以稱之為節點，其每個對象描述都構成了文件。VRML的主要特點如下：

1） VRML的網絡功能較為強大，通過運行VRML程序和Internet接入，實現立體網頁及網站的創建。

2） 具備多媒體功能，能夠制作多媒體，合成圖像及聲音等，從而實現影視效果。

3） 具備人工智能功能，主要展現在VRML中，其具有一定的感知功能，通過感知傳感器節點充分感受到用戶和造型的動態交互感覺。

4） 實現三維立體造型及場景的創建，從而實現良好立體交互界面。

虛擬現實三維立體網絡程序設計語言VRML為第二代Web網絡程序設計語言，也是21世紀主流的高科技軟件開發技術，是掌握多媒體、寬帶網絡和人工智能的技術。

VRML訪問方式主要是將客戶/服務器模式作為基礎，其中的服務器具備VRML文件并支持資源客戶利用網絡下載文件，利用本地平臺中的VRML瀏覽器交互式實現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碼描述語言，其能夠告訴瀏覽器如何實現三維世界的創建，并且得到航行指令，此指令通過再現器進行解釋和執行，再現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：遠程傳輸、文本描述及本地計算機的生成，其中，文本描述是指VRML并不是通過三維坐標點數據對三維物體進行描述，因為數據量比較大，在Internet中傳輸會有多種問題，VRML使用類似HTML標記文本語言對三維場景進行描述，類似于編程語言。比如，描述立方體的文本為Box（size 3.0 3.0 3.0），VRML屬于描述語言標準，對三維場景文本描述語言進行規定。遠程傳輸指的是用戶瀏覽VRML中描述虛擬場景時，利用Internet使描述場景文本傳輸到本地中[4]。

2 ?三維室內設計的目標

虛擬現實系統由多模塊構成，如圖2所示。

圖2 ?虛擬現實技術系統的構成

圖2中，反饋模塊主要接收來自傳感器模塊的信息，從而能夠為用戶提供實時的反饋;傳感器模塊主要接收用戶操作命令，使其在虛擬環境中使用，還能夠使操作之后的結果通過各種方式反饋給用戶;控制模塊的作用是控制傳感器，使其對虛擬環境、用戶及現實世界產生作用;三維模塊指的是實現現實世界組成模塊的三維表示，通過其創建相應虛擬環境;建模模塊能夠獲得現實世界中組成部分的三維數據，并且創建三維模型[5]。

上述模塊中的反饋及檢測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，建模模塊通過用戶操作直接產生三維模塊，其之間的關系都是相互聯系和輔助的。

基于VRML的交互性、沉浸性、想象性，虛擬校園系統要能夠為訪問者提供三維可視化且形象逼真的環境，其設計目標為：

1） 訪問者能夠隨意瀏覽校園中的景點，還能夠利用鼠標鍵盤對視點進行改變。

2） 訪問者能夠做出和真實世界中相同的行為，比如人漫游、推門等。

3） 系統還具備良好擴展性，從而為今后提高功能留下升級接口。

4） 系統要具備真實的力學性質，比如，碰撞檢測功能，避免出現穿墻而過此種違背現實的情況[6]。

3 ?系統設計分析

3.1 ?虛擬三維場景結構

分析本系統的需求，與現有虛擬現實系統開發經驗結合，將三維場景結構劃分成為4種。圖3為系統建模整體結構。

圖3 ?系統建模整體結構

整體系統場景模型主要包括環境模型、植物模型、建筑模型及運動物體模型，本文重點對運動物體模型進行分析。

通過已經創建的三維場景模型實現對二維地圖文件的生成，通過處理之后能夠得出整體小區地圖。為了有效實現相應的導航功能，二維地圖要能夠實時獲得瀏覽者在三維場景中的位置信息，也就是要實現三維場景模型的實時信息交互[7]。圖4為二維地圖和三維場景的交互。

圖4 ?二維地圖和三維場景的交互

3.2 ?虛擬場景的層次結構

虛擬場景在對基于地形數據大型虛擬環境進行描繪的過程中，都會涉及到虛擬場景中的各個實體的具體結構及詳細狀態，所以在創建場景模型以前要以虛擬場景中的實體幾何空間位置和模型之間、模型內部結構關系，對虛擬場景中全部實體模型層次結構進行確定。本文在設計過程中將室內劃分成為多個小區塊，主要物體和外部景觀都在小區塊中。場景中的每個層次都是通過多個實體模型構成，實體模型內部使用樹狀層次結構組織。使用VRML創建三維模型的過程中，最小幾何圖元包括點線面，其基本形狀就是三角形。使用多個圖元創建對象，多個對象創建組，結構的最上層屬于頭節點[8]。場景中的實體在頭節點中具有多個組，組中還具備多個對象，這都是以實體模型復雜度決定的。在劃分場景層次結構之后，為便于實現實體模型組織及管理，實體模型內部層次結構的劃分從頂到下分解成為多個基本單元，明確模型創建的目標，從而降低建模工作量。另外，對場景模型結構實現調整和優化，在場景調度輸出場景圖像的過程中能夠對場景系統運行質量進行改善[9]。

本文將校園作為基礎，實現校園虛擬三維室內設計。學校中的辦公室和教室的構造各有不同[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

教室構成較為簡單，里面有講桌、課桌、電扇、日光燈等。因為辦公室和教室為主要節點，所以組成教室與辦公室的物體為基本節點。綜上，整個校園都是通過基本節點構成，在接下來的工作中，利用節點的構成就能夠創建完整的校園[11]。

3.3 ?室內前方設計

室內前方的結構主要包括：

1） 觸摸傳感器節點。此節點主要是用戶和虛擬對象相互接觸的傳感器節點，系統的主要目的就是實現用戶觸摸事件的測試，比如實現多媒體觸摸事件等。

2） 時間傳感器節點。系統利用此節點實現虛擬時鐘的創建，對于其他節點實現時間值的發送，對立體空間中多媒體對象開始、變化和結果的過程時間進行控制，還能夠有效實現多媒體升降自動變化。

3） 腳本節點。此節點能夠實現通過用戶自定義制作的插補器及檢測器。

4） 路由。指的是連接節點的eventIn入事件及eventOut出事件的節點通道。

5） 聲音節點。在系統中利用此節點能夠為VRML世界中添加聲音，并且指定生源位置及聲音立體化的表現。

3.4 ?教室物體設計

教室物體主要包括：

1） 空間坐標變換節點。利用此節點能夠在VRML立體空間中創建局部空間坐標系，且坐標系能夠隨意旋轉、平移及縮放，以此實現坐標系造型的旋轉、平移及縮放。

2） 空間物體造型模型節點。該節點可實現教室虛擬空間造型的制作，比如門、講桌、風扇等。其能夠定義VRML空間造型中的材料、幾何尺寸、外觀及紋理等，可實現對VRML虛擬空間中的空間造型創建。

3） 紋理坐標變換節點。系統利用其作為立體空間中三維物體貼圖，也就是利用平移、轉動及改變圖像尺寸作為坐標表面貼圖，有效創建三維實體。

3.5 ?VRML EAI的交互

VRML內部定義感應器節點只能夠實現指定事件的感應，Script節點也只能夠根據預定規則對場景節點數據函數進行改變，之后使此函數輸出到目標節點路由。為了能夠有效實現外部應用程序數據和VRML文件節點的相互交互，就要利用VRML中EAI方法。具體來說，此方法依賴和VRML瀏覽器相互聯系的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VRML瀏覽器工作狀態進行控制。

2） 在VRML場景節點事件入口實現事件的發送。

3） 實現VRML場景節點事件出口發送事件的接收。

為了能夠實現用戶從外部應用程序對開燈交互的控制，其執行函數為：

4 ?結 ?語

本文設計了虛擬化的校園教室和辦公室，系統包括VRML EAI的交互、教室物體設計、室內前方設計、虛擬場景的層次結構、虛擬三維場景結構，充分結合VRML生成并且完善VRML場景，使用VRML，ASP及XML混合編程提高系統使用靈活性。通過實際使用表明，此平臺能夠實現校園教室和辦公室的虛擬化，滿足使用需求。

參考文獻

[1] 曾子力.基于VRML的虛擬現實中三維建模技術的研究[J].電腦編程技巧與維護，2016（11）：78?79.

ZENG Zili. Research on three?dimensional modeling technology in virtual reality based on VRML [J]. Computer programming skills and maintenance， 2016（11）： 78?79.

[2] 巢海鯨，張雨晴.基于VRML的虛擬校園漫游系統的設計[J].信息通信，2015（2）：114?115.

CHAO Haijing， ZHANG Yuqing. Design of virtual campus roaming system based on VRML [J]. Information and communications， 2015（2）： 114?115.

[3] 曾雪松，尚光龍.基于VRML的三維虛擬校園研究與實現[J].福建電腦，2016，32（3）：108?109.

ZENG Xuesong， SHANG Guanglong. Research and implementation of three?dimensional virtual campus based on VRML [J]. Fujian computer， 2016， 32（3）： 108?109.

[4] 吳靜松，程萬里.基于VRML的虛擬家園的設計與實現[J].安陽工學院學報，2017，16（4）：75?78.

WU Jingsong， CHENG Wanli. Design and implementation of virtual home based on VRML [J]. Journal of Anyang Institute of Technology， 2017， 16（4）： 75?78.

[5] 甘泉，李瑋瑤.基于VRML的平頂山市博物館虛擬漫游系統[J].太赫茲科學與電子信息學報，2015，13（4）：625?628.

GAN Quan， LI Weiyao. VRML?based virtual roaming system for Pingdingshan Museum [J]. Journal of terahertz science and electronic information， 2015， 13（4）： 625?628.

[6] 姜圓圓，王磊.基于VRML?DONET的Web3D研究與設計[J].軟件導刊，2015，14（7）：41?43.

JIANG Yuanyuan， WANG Lei. Web3D research and design based on VRML?DONET [J]. Software guide， 2015， 14（7）： 41?43.

[7] 符瑞方.基于VRML的工業產品交互設計[J].信息與電腦，2015（12）：85?87.

FU Ruifang. Interactive design of industrial products based on VRML [J]. Information and computer， 2015（12）： 85?87.

[8] 李洪義，顧呈劍，但承龍.基于VRML的土壤電導率三維空間變異性虛擬現實建模研究[J].土壤學報，2015，52（4）：776?782.

LI Hongyi， GU Chengjian， DAN Chenglong. Modeling of three?dimensional spatial variability of soil conductivity based on VRML [J]. Journal of soil science， 2015， 52（4）： 776?782.

[9] 曹航程，馬志遂，盛佳龍，等.基于虛擬現實的室內布局系統及碰撞檢測算法研究[J].無線互聯科技，2016（10）：58?59.

CAO Hangcheng， MA Zhisui， SHENG Jialong， et al. Research on indoor layout system and collision detection algorithm based on virtual reality [J]. Wireless interconnection technology， 2016（10）： 58?59.

[10] 劉建國，王世超，趙林明.水電站虛擬實踐教學系統的開發[J].小水電，2015（6）：9?12.

LIU Jianguo， WANG Shichao， ZHAO Linming. Development of virtual practice teaching system for hydropower station [J]. Small hydro power， 2015（6）： 9?12.

[11] 李世丁，黃啟昭，薛裕童，等.基于VRML的虛擬車床仿真系統[J].無線互聯科技，2017（11）：143?144.

LI Shiding， HUANG Qizhao， XUE Yutong， et al. Virtual lathe simulation system based on VRML [J]. Wireless Internet technology， 2017（11）： 143?144.