VRML虚拟校园漫游与交互技术

2011-07-07冯桂珍池建斌王大鸣张德莹

图学学报 2011年5期

冯桂珍，池建斌，王大鸣，张德莹

（1. 石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043）

随着Internet在全世界范围内的迅速发展，虚拟现实技术得到越来越广泛的应用。而信息技术、通信技术的迅速发展以及网络的普及，为高等院校提升信息化层次、构建数字校园提供了良好的条件和机遇。虚拟校园是虚拟现实技术在数字化校园中的具体应用。虚拟校园再现真实校园的景观，使人们通过网络在计算机上进行漫游，对校园景观、校内的各种设施和服务等获得身临其境的感受；规划设计校园场景；还可以在此基础上建立三维虚拟大学，提供相应的网上教育等。为此，国内外在构建虚拟校园及相关技术进行了研究。如文献[1-2]以及德国的 Rostock，Stuttgart大学[3]、北京航空航天大学[4]、浙江大学[5]、香港中文大学[6]的虚拟校园系统等。由于虚拟校园提供了校园景观及设施最直观的表现形式，方便了用户对校园信息的访问，从而可以促进大学的建设和远程教学的发展。

1 系统框架结构及采用的相关技术

系统采用服务器／浏览器(B/S)模式，服务器端存放 VRML虚拟校园场景及相关数据信息，浏览器端是嵌入 VRML格式文件(*.wrl)的主界面，提供虚拟场景的浏览和基于鼠标及控件的交互操作、设置和导航。该系统的功能框架结构如图1所示，该系统具有交互操作、信息查询、校园环境设计以及良好的导航功能等。采用的相关技术如下：

（1）VRML

虚拟实现模型语言 VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种基于网络的三维场景描述性语言，具有动态性、交互性、低带宽网络传输等优点，将图、文、声、色及动态性等信息集于一体，建立具有交互性和导航功能的三维虚拟场景[8-9]。

（2）脚本语言

脚本语言JavaScript是一种解释性的语言，不需要编译，可直接使用并由浏览器负责解释。系统采用 JavaScript实现 VRML内部交互以及VRML与HTML网页的交互与通信控制。

图1 系统框架结构

2 系统的设计和实现

2.1 虚拟校园三维模型的创建

VRML作为一种网络三维场景描述性语言，模型的创建一般有以下几种方式：

（1）文本编辑目前比较好的 VRML编辑器如Parallel Graphics公司的VrmlPad，但编程不直观，不适合复杂场景的构建。

（2）可视化编辑工具如Parallel Graphics公司ISB、ISA、ICA，分别用于模型的创建、场景的布局和人物动画，Silicon Graphics公司的Cosmo World等，但这些工具不便于构建复杂场景。另外，针对VRML在造型方面的不足，笔者在对VRML研究的基础上，利用VC与OpenGL开发了一个VRML可视化编辑工具[10-11]。

（3）其它软件的支持目前支持 VRML格式的三维软件有3DMax、Pro/E、UG等，这种方式可以构建复杂模型，且效率较高。

鉴于校园模型建造的工作量及复杂度较大，系统采用第三种与第一种相结合的方式完成。根据校园中的模型，建模过程按以下几种方法实现：

1）建筑物模型。先根据校园平面规划图用AutoCAD绘制数字化的场景布局平面图，导入3DMax，然后根据场景布局平面图中建筑物的轮廓线进行外扩、挤出、拉伸及布尔运算等操作，建立建筑物的雏形。为了增强模型的真实感和视觉效果，添加材质或纹理贴图。在此需利用Photoshop对纹理照片进行旋转、拉伸、修补、合成等处理，使得纹理图像满足需要。这些建筑物包括各个教学楼、图书馆、体育场、办公楼、学生宿舍楼等建筑设施。由于 VRML不能显示汉字，需将汉字转化为UTF8代码，如办公楼上方的“石家庄铁道学院”，其对应的 UTF8代码为“鐭冲搴勯搧閬撳闄?”。

2）道路及环境设施。沁园、翠园等公共环境设施，道路、树木、路灯、五星红旗以及虚拟环境，包括背景、光照效果、背景音乐等的创建，这些虚拟对象根据规划图利用 VRML造型与纹理帖图的方式完成。为了减小文件容量，提高渲染速度，对于树木、假山等采用 VRML的表面帖图和布告牌节点 Billboard完成。如图2所示的竹子造型，文件大小为900k，而采用透明背景的帖图只有1k。

图2 竹子

3）场景组合。将建立的各种造型通过VRML的Transform节点和内联节点Inline组合为最终的虚拟校园场景。模型创建与场景组合时，为保证能顺畅地漫游虚拟校园，必须对VRML文件进行优化，优化分为模型自身优化以及利用 VRML语法特点优化两种。方法一是指采用 3DMax建模时将结构分解，尽量采用拉伸或放样功能生成简单几何形体的组合，然后进行纹理帖图。这样可以大量减少模型的三角面片，从而减少 VRML文件大小。方法二优化的措施包括：

· 用LOD节点描述复杂造型不同细节层次的组织关系，提高场景真实感和渲染速度；

· 使用DEF/USE机制减少代码的重复编写；

· 利用inline技术，将不同VRML文件内联成复杂的场景；

· 将VRML文件保存为压缩形式(*.wrz)。

2.2 系统集成与交互性实现

VRML中的交互行为通过事件体系实现。VRML场景以HTML中OBJECT标记形式嵌入到网页中。系统集成后交互功能通过两种方式实现。

（1）基于内部脚本编程接口( JavaScript Authoring Interface, SAI)的交互

通过在 VRML文件中编辑脚本节点 Script实现用户与虚拟校园的交互。Script节点是与外部程序相连的接口。该节点主要包括四部分：url域、field域、eventIn事件和eventOut事件（图3）。Script通过接受eventIn事件调用相应的处理过程函数，经过程处理后得出的数据作为 eventOut事件发送出去，其中 eventIn事件的值可以作为过程函数的因变量值，如果需要则用field域定义某个中间变量。处理过程函数可以使用 VRML浏览器支持的程序语言编写，通常有 Java、JavaScript等。

图3 Script传递事件

VRML场景内部的动态和交互利用 SAI实现的包括升国旗唱国歌、汽车引航、虚拟教室与办公室的交互、沁园中世纪钟的运转及路灯的开关、办公楼上方和大门上方颜色不断变化的文字，五星红旗随风飘扬等。其中，汽车引航功能的实现方法和部分代码如下。

系统通过一辆汽车为用户导航，汽车一路行驶经过学校的主要建筑物和景点，行驶路线是：学校大门——第一教学楼——高层办公楼——主席像、升国旗唱国歌——大礼堂——学生宿舍区——图书馆——沁园世纪钟——第二教学楼等。通过视点的自动切换与绑定，实现汽车引航功能。实现引航的部分代码如下：

（2）基于外部编程接口(External Authoring Interface, EAI)的交互

通过EAI系统实现视点设置和追踪、景点选择、信息提示、虚拟教室与办公室的交互操作等功能。系统主界面如图4，分上下两个部分。上方显示 VRML场景，下方是交互控制区，通过下拉列表选择景点和导航方式，当前视点的信息显示在视点文本框，用户也可以设置视点，景点的相关信息显示在最下方。图5是选择沁园世纪钟视点的画面。图6是进入虚拟教室的场景，用户可以通过按钮控制投影的开关、教室内灯的开关、桌椅的增减等。

视点自动切换及追踪的代码如下：