基于X3D的小区虚拟现实系统实现

冯振平

引言：X3D技术是Web3D联盟提出的互联网3D图形的标准和规范，它整合了Java、流媒体及多媒体等技术，使其具有更好的跨平台性和动态性，更强大高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。

前言

X3D （Extensible 3D）是Web3D 联盟提出的新一代互联网三维图形标准（ISO/IEC 19775），它继承并发展了VRML 技术，整合了Java、XML、流媒体及多媒体等技术，使其具有更好的跨平台性和动态性，更强大高效的3D 计算能力、渲染质量和传输速度。由于X3D基于XML 标准，其扩展性和跨平台性大大增强。采用XML 编码结构使得X3D 浏览器使用DOM （文档对象模型） 来存取数据成为可能，X3D 浏览器通过对树形结构各结点的操作，来实现虚拟三维场景的浏览与控制。

一、研究内容

本论文主要是构建一个基于X3D技术标准的虚拟小区信息系统。研究工作着重针对虚拟小区的系统模型设计与架构，研究了景观建模、场景交互和数据库访问等关键问题和技术，做出了一定的创新性工作。主要研究内容：

1、系统研究X3D技术标准下的虚拟现实技术理论基础、技术架构和应用现状。

2、基于X3D的虚拟城市小区体系结构和三维场景的实现方法。

3、构建虚拟信息系统的关键技术，重点研究基于X3D的交互功能。

4、深入研究了X3D技术理论及其在WebGIS中实际应用。

二、技术路线

虚拟小区信息系统主要是利用3DsMax建模工具进行建模，然后利用X3D编辑器编辑优化整合各个模型，具体建模技术路线如下图。

三、小区模型的建立

3.1 楼房模型的建立

3.1.1 获取目标模型的属性数据

为了在制作时不偏离实际情况并且使三维景观具有真实感，应对目标进行了实地踏勘，主要是利用数码相机对小区的外观及每一个建筑物和标志性建筑进行了拍摄，获得实际建筑物的外形资料（包括建筑物的外形、高度、层数、地理位置和颜色等），并且将拍摄到图片保存到计算机中以供纹理贴图时使用。

3.2 交通层模型的建立

因为道路层模型形体单一，可以使用简单几何形体造型，例如在3DS Max中利用长方体、柱体等加入旋转角度可以快速的组建，或是采用建立交通的模型体库，将相似的道路及人行道利用引用单体的方式进行组建[8]。道路层的空间坐标位置可以通过矢量化好的二维电子地图与虚拟空间X、Y坐标平面进行拟合获得。

3.3 植被层模型的构建

对于树木层的构建，依据多地区树木在形态种类方面的差异，可以有多种建模方式方法，考虑计算机中显示的精细程度、计算机软硬件及网络延迟方面的影响，可以将树木层的构建分为六类方法：简单型体造型、复杂型体造型、单面片造型、十字造型法、干叶分离法、广告牌技术等。

对于细节化程度要求较低的树木，可以采用简单型体造型来表现植物，如圆柱（Cylinder）、圆锥（Cone）、甚至球体（Sphere）都可以用来表现树，这些简单造型可以很好的解决显卡显示带来的延迟，前端显示比较流畅。

3.4 场景优化设计

优化设计主要是将制作的模型全部导出为*.wrl格式的文件，之后使用InLine节点将模型连接到一个文档中，再设置场景、灯光、视点、动画等信息，以增加小区的真实效果。

3.4.1 天空、地面和灯光设置

设置天空地面主要用Background节点，设置灯光用DirectionalLight和SpotLight节点，具体代码如下

DEF skycolor Background { #场景图设置

groundColor 0 .6 0

skyAngle [ .785， 1.57 ]

skyColor .3 .4 .5

backUrl "image/sky_back.jpg"#后天空圖

frontUrl "image/sky_front.jpg"#前天空图

leftUrl "image/sky_left.jpg" #左场景图

rightUrl "image/sky_right.jpg"#右天空图

3.4.2 动画和视点设置

在三维漫游功能设计中，采用X3D中的摄像机（Camera Viewpoint）节点、时间传感器节点（TimeSensor）、位置插补器节点（PositionInterpolator）、朝向插补器节点（OrientationInterpolator）以及控制时间传感器的脚本程序完成。摄像机控制视野的角度及视界围；时间传感器控制漫游的速度与时长、漫游的起始与结束的时间；位置插补器控制虚拟场景中漫游位置，在系统中设定几个漫游路线的拐点来控制场景漫游的位置变化，位置插补器节点（PositionInterpolator）通过设定PositionInterpolator下的KeyValue来定位漫游路线中的位置三维坐标（X，Y，Z），通过Key来设定设定变化的线性时间间隔；朝向插补器节点是用来控制虚拟场景中的漫游摄像机的朝向问题的，通过朝向插补器可以设定摄像机的朝向，通过朝向的变化达到视界范围内的虚拟地质景观的变化；Route路由功能是虚拟场景漫游的驱动，通过时间的变化导致位置的变化，通过位置的变化达到朝向的变化，近而达到漫游的效果。

3.4.3 自由导航设置

自由导航设置主要是键盘中的上下左右键操作系统，进行前后行进操作， navigation视点导航节点可以提供有关浏览者如何在X3D虚拟世界里导航的信息，可以使用移动、行走、飞行等类型进行浏览，并且提供了一个虚拟现实的替身的信息，使用该替身可在虚拟现实世界空间里遨游驰。

参考文献

[1] 曾润国，聂志锋，卢建刚等_basiC/2005/08/17/0006.htm.

[2] 数字城市将带给我们什么.http：//www.cin.gov.cn/ude/53103.htm.

（作者单位：沈阳市勘察测绘研究院）