畢業(yè)論文-基于x3d的虛擬校園漫游系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、<p>　　基于X3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)設計與實現(xiàn)</p><p>　　【摘要】虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字化校園中的具體應用。虛擬校園可以再現(xiàn)真實的校園場景，可以使那些沒有機會實地參觀的人獲得身臨其境的感受。還可以在此基礎上建立三維虛擬大學，提供相應的網(wǎng)上教育等，具有較高的應用價值。</p><p>　　本文較為全面地介紹了虛擬現(xiàn)實技術和X3D技術，對虛擬校園漫游系統(tǒng)所涉及的技

2、術問題進行了比較詳細的研究。本文以深圳大學為對象，以X3D技術為主，綜合運用多種技術，設計了校園內(nèi)的多個場景，構建了辦公樓、圖書館、科技樓等立體模型，經(jīng)過整體拼合，最終實現(xiàn)了一個虛擬校園漫游系統(tǒng)。</p><p>　　【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實；虛擬校園；漫游系統(tǒng)；場景設計；X3D</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b&

3、gt;　　研究背景及意義</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展和人類的進步，人們對世界的探索越來越深入，人們對事物的認識與了解已經(jīng)不再局限于表面，更多地的是對事物多方面的接觸與深入了解。然而，很多領域的發(fā)展受到了很多條件的約束和限制，很難真正意義上實現(xiàn)人類的主觀愿望，比如對沒有發(fā)生的事物的預測，未知結(jié)果的提前模擬等，也有對現(xiàn)有事物的可視化描述。這些社會的需求擺在我們眼前，迫切需要一個能解決上

4、述問題的有效工具，虛擬現(xiàn)實技術正是在這樣的背景下誕生的[1]。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術一經(jīng)問世，人們就對它產(chǎn)生了濃厚的興趣。近幾年，虛擬現(xiàn)實技術不但已開始在軍事、醫(yī)學、教育、設計、藝術、娛樂等諸多領域得到了越來越廣泛的應用，而且還給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。因此，有關人士認為：20世紀80年代是個人計算機的時代，90年代是網(wǎng)絡、多媒體的時代，而21世紀初則將是虛擬現(xiàn)實技術的時代。</p>

5、<p>　　虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術在教育領域中的一個重要應用。它是將現(xiàn)實中學校的教學環(huán)境和校園的三維景觀利用先進的技術在計算機中虛擬的再現(xiàn)出來。虛擬校園不僅能夠構建一個全三維的逼真的校園環(huán)境，還能夠掛到校園網(wǎng)上，讓遠程用戶下載或者直接參看。有了虛擬校園，學校的對外宣傳就不再僅僅局限于文字、圖片等傳統(tǒng)的宣傳方式，能夠更加直觀的將學校的情況展現(xiàn)在用戶的眼前[2]。</p><p>　　虛擬校園技術對大學的對

6、外宣傳、招生就業(yè)、校容校貌的展示等具有非常重要的作用，是校園信息化平臺建設的重要組成部分。虛擬校園漫游系統(tǒng)可以方便瀏覽者直觀的了解校園；方便師生盡快的熟悉校園生活；有利于樹立學校形象、提高學校知名度，吸引更多生源；是校園文化，校容校貌的展示平臺、是校園信息化建設的重要組成部分。</p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.2.1 國

7、外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀</p><p>　　美國是虛擬現(xiàn)實技術研究的發(fā)源地，其研究水平基本就代表國際虛擬現(xiàn)實發(fā)展的水平。近年來，虛擬現(xiàn)實在美國航空航天和軍事領域的若干成功應用獲得了巨大經(jīng)濟效益和社會效益，促使美國進一步加大對虛擬現(xiàn)實技術研究的支持力度。</p><p>　　在軍事領域，虛擬現(xiàn)實在武器系統(tǒng)的性能評價和設計、操縱訓練和大規(guī)模軍事演習及戰(zhàn)役指揮方面發(fā)揮了重要作用，并產(chǎn)生了巨大的

8、經(jīng)濟效益。美國已初步建成了一些洲際范圍的分布式虛擬環(huán)境，并將所有人操縱和半自主兵力引入虛擬的戰(zhàn)役空間，在世界上處于領先地位。</p><p>　　在航天領域，美國宇航局（NASA）已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并且建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學（UNC）是進行VR研究最早的大學，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真和建筑仿真等。</p><

9、p>　　在歐洲，英國在VR開發(fā)的某些方面，特別是分布并行處理、輔助設備（包括觸覺反饋）設計和應用研究方面是領先的。英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應用的焦點應集中在整體綜合技術上，在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現(xiàn)的研究實驗，主要包括VR重構問題，其產(chǎn)品還包括建筑和科學可視化計算。</p><p>　　日本的虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建

10、立大規(guī)模VR知識庫和虛擬現(xiàn)實的游戲方面取得了很大的成就[3]。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國虛擬現(xiàn)實技術研究起步較晚，與發(fā)達國家還有一定的差距。但是近十年來，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)得到了相當?shù)闹匾暎瑖铱莆?、國防科工委都已將虛擬現(xiàn)實技術的研究列為重點攻關項目。國內(nèi)許多研究機構和高校也都在進行虛擬現(xiàn)實的研究和應用，并取得了一些不錯的研究成果

11、[3]。</p><p>　　如：北京航空航天大學計算機系虛擬現(xiàn)實與可視化新技術研究室集成的分布式虛擬環(huán)境；清華大學國家光盤工程研究中心所做的“布達拉宮”，實現(xiàn)了大全景虛擬現(xiàn)實；浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；另外，哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、國防科技大學、中科院軟件所、上海交通大學等單位也進行了交通領域的虛擬現(xiàn)實研究工作，并取得了一批研究成果[4]。<

12、/p><p>　　1.2.3 虛擬現(xiàn)實技術在虛擬校園方面的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，虛擬校園的研究與實現(xiàn)方法主要分為兩類：</p><p>　　1.基于圖形軟件的開發(fā)</p><p>　　基于圖形軟件的開發(fā)是指利用三維圖形程序接口軟件結(jié)合面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ邅黹_發(fā)[5]，三維圖形程序接口軟件主要有 OpenGL,Direct3D

13、和 Java3D?？梢暬幊坦ぞ呷?Visual C++,Visual Basic,Dephi,Java 等。這種方法的特點在于開發(fā)周期長、工作量大、投資大且數(shù)據(jù)兼容性差。</p><p>　　2.基于 VRML 的方法</p><p>　　數(shù)字化信息社會最具代表性的三種新技術是多媒體、Internet 和虛擬現(xiàn)實，而這三種新技術的交叉點是虛擬現(xiàn)實建模語言[6]（virtual reali

14、ty modeling language）。它是一種可以發(fā)布到 3D 網(wǎng)頁的跨平臺、簡單的文本語言；也是一種能提供更自然地體驗方式，包括沉浸感、交互性、動態(tài)效果、延續(xù)性以及用戶參與探索的語言。</p><p>　　在原 VRML 組織基礎上成立的 Web3D 聯(lián)盟，在 2006 年 6 月制定了第三代 VRML標準 X3D，X3D 結(jié)合了 Java3D 和 XML 技術，已經(jīng)成為三維世界的主要標準[7]。<

15、/p><p>　　基于 X3D 技術構建的方法與第一種方法比較，雖然在真實感、實時性、交互功能、渲染速度等方面有些欠缺，但是它具有以下幾方面的突出優(yōu)點[8]:</p><p>　?。?）簡單易學、開發(fā)周期短、投資少收獲多。</p><p>　?。?）X3D 文件短小精悍，構造的是動態(tài)的虛擬場景，它盡可能的提供幾何造型特征，卻包含了大量不屬于造型語言范圍的特性。且具有良好

16、的跨平臺性，能夠輕易地實現(xiàn) Internet 上的遠程訪問。</p><p>　?。?）通過與 JavaScript 等腳本語言和 Java 語言容易實現(xiàn) GIS 查詢分析功能。結(jié)合建立深圳大學虛擬校園的實際情況，考慮目前的技術條件、時間以及實驗條件等綜合因素，本系統(tǒng)使用了基于X3D的方法實現(xiàn)虛擬校園的構建。</p><p><b>　　本文研究內(nèi)容</b></

17、p><p>　　本文主要研究建設虛擬校園的基本原理和關鍵技術，包括虛擬校園的設計、三維建模，場景構建等功能。最終實現(xiàn)一個基于X3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)。</p><p>　　本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：</p><p>　　1．X3D虛擬校園開發(fā)與設計</p><p>　　X3D虛擬校園開發(fā)與設計，應遵循軟件工程的思想進行開發(fā)與設計。從立項

18、、可行性分析，到需求分析，到總體設計，詳細設計，一直到編碼測試以及運行維護等主要環(huán)節(jié)。</p><p>　　2．X3D幾何節(jié)點設計</p><p>　　利用X3D幾何節(jié)點設計虛擬校園，提高虛擬校園信息資源場景瀏覽速度，使瀏覽者在虛擬現(xiàn)實世界里體驗虛擬校園所帶來的樂趣以及身臨其境的感覺。</p><p>　　利用X3D虛擬增強現(xiàn)實技術開發(fā)的“基于X3D的虛擬校園漫游系

19、統(tǒng)”，利用基本幾何節(jié)點開發(fā)虛擬校園中的造型和場景，可以提高開發(fā)效率。</p><p>　　3．X3D虛擬現(xiàn)實建筑設計</p><p>　　X3D虛擬現(xiàn)實建筑規(guī)劃設計是由土地規(guī)劃、公路街道設計、各種建筑設計以及校園綠化設計組成。在總體框架設計思想的基礎上，對各個部分進行詳細設計，根據(jù)需求分析做進一步調(diào)整、改進和完善，最終達到要求，完成整個建筑規(guī)劃設計要求。土地規(guī)劃、公路街道設計、各種、建筑設

20、計和綠化設計，根據(jù)用戶需求畫出草圖，再根據(jù)草圖繪制出計算機軟件層次結(jié)構圖，再根據(jù)軟件結(jié)構圖畫出流程圖。</p><p>　　4. X3D虛擬校園整體設計</p><p>　　X3D虛擬校園整體設計采用深圳大學的真實校園為背景，通過虛擬現(xiàn)實技術完整的體現(xiàn)真實校園的校容校貌。按照以下兩點進行設計：</p><p>　?、?按照學校的實際情況進行虛擬建模，勾勒出學校的真實

21、場景和自然風貌。建立起包括：學校大門、辦公樓、教學樓、圖書館、體育館、游泳館、田徑運動場、學生宿舍、花草樹木等對象。</p><p>　　⑵ 為了增強真實的校園氣氛，可以加入汽車、行人、學生等人流。</p><p>　　最后使用虛擬現(xiàn)實技術進行編碼和調(diào)試，作出合格的項目產(chǎn)品。</p><p><b>　　本文章節(jié)安排</b></p>

22、<p>　　本論文共分為五章，各章節(jié)的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　第一章為緒論。簡要的介紹了論文的的研究背景、研究目的和研究意義，簡要的介紹了本文研究的內(nèi)容，最后闡述了論文章節(jié)的安排。</p><p>　　第二章為虛擬現(xiàn)實技術基礎。介紹了虛擬現(xiàn)實的基本概念、發(fā)展和現(xiàn)狀、虛擬現(xiàn)實的關鍵技術。對于完成本系統(tǒng)所需要的X3D和相關的知識做了詳盡的介紹。</p>

23、<p>　　第三章為總體設計。對虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)和總體設計進行了描述。討論了虛擬校園漫游系統(tǒng)的需求分析。對系統(tǒng)的總體設計目標，系統(tǒng)的總體設計流程等進行了闡述。</p><p>　　第四章為虛擬校園場景設計與實現(xiàn)。這一部分是虛擬校園漫游系統(tǒng)的基礎支撐部分，整章針對校園場景中不同類型的對象場景提出了多種建設思路，從效率和效果兩方面考慮，為每個對象選擇最優(yōu)的構建方法。最終實現(xiàn)了可以為用戶提供漫游平臺的虛

24、擬校園場景，對系統(tǒng)進行了測試與分析，并提出了優(yōu)化方法。</p><p>　　第五章為工作總結(jié)。對本文的研究工作進行了總結(jié)，并提出了進一步的研究和改進方案。</p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實技術基礎</b></p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實的基本概念</b></p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術，

25、又稱“靈境技術”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等，原來是美國軍方開發(fā)研究出來的一種計算機技術，其主要目的是用于軍事上的仿真，在美國軍方內(nèi)部使用。一直到20世紀80年代末期，虛擬現(xiàn)實技術才開始作為一個較完整的體系受到人們極大地關注。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術是20世紀以來科學技術進步的結(jié)晶，集中體現(xiàn)了計算機技術、計算機圖形學、多媒體技術、傳感技術、顯示技術、人體工程學、人機交互理論、人工智能等多個領域的最新成

26、果。它以計算機技術為主，利用計算機和一些特殊的輸入/輸出設備來營造出一個多感官的三維虛擬世界。在這個虛擬世界中，人與虛擬世界可以進行自然地交互，使人與虛擬世界融為一體[9]。</p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實的定義</b></p><p>　　關于虛擬現(xiàn)實技術的定義，目前尚無統(tǒng)一的標準，有多種不同的定義，主要分為狹義和廣義兩種。</p><p&

27、gt;　　所謂狹義的定義，認為虛擬現(xiàn)實技術就是一種先進的人機交互方式。在這種情況下，虛擬現(xiàn)實技術被稱為“基于自然的人機接口”，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，用戶看到的是彩色的、立體的、隨視點不同而變化的景象，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲響，身體部位可以感受到虛擬環(huán)境反饋回來的作用力，由此使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。</p><p>　　所謂廣義的定義，認為虛擬現(xiàn)實技術是對虛擬想象（三維可視化）或真實的、多感官的三維虛擬世界的模擬

28、。它不僅僅是一種人機交互的接口，更主要的是對虛擬世界內(nèi)部的模擬。人機交互接口采用虛擬現(xiàn)實的方式，對某個特定環(huán)境真實再現(xiàn)后，用戶通過自然的方式接受和影響模擬環(huán)境的各種感官刺激，與虛擬世界中的人及物體進行交流，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺[9]。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術的基本特征</p><p>　　從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、

29、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個系統(tǒng)的工作效率。美國科學家BurdeaG.，Coiffet曾在Electro93國際會議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Applications”一文中，提出一個“虛擬現(xiàn)實技術三角形”，它簡明地表示了虛擬現(xiàn)實技術具有的三個最突出特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和構想性（Im

30、agination），也就是人們俗稱的3個“I”特性，如圖1所示[10]。</p><p>　　交互性（Interactivity）</p><p>　　沉浸感（Immersion）構想性（Imagination）</p><p>　　圖1 3個“I”特性圖 </p><p>　　1.交互性 指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的物體的可操作

31、程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。這種交互的產(chǎn)生主要借助于各種專用的三維交互設備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），它們使人類能夠利用自然技能，如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關系。</p><p>　　2.沉浸感 用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。它包括如下內(nèi)容。</p><p>　?。?）多感知性。它除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸

32、覺感知、運動感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術的限制，特別是傳感技術的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種，無論感知范圍還是感知的精確程度都尚無法與人相比擬。</p><p>　?。?）自主性。它是指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動或翻倒，或從高處跌落到地面等。虛擬現(xiàn)實技術的四大特征使

33、得我們不難將VR與相關技術區(qū)分開來，如仿真技術、計算機圖形技術及多媒體技術。</p><p>　　3.構想性 人類在許多領域都面臨著越來越多前所未有而又必須解決和突破的問題。例如，載人航天、核試驗、核反應堆維護、新產(chǎn)品的開發(fā)與設計、醫(yī)療手術的模擬與訓練等。借助于VR技術，人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認識，進而使人能深化概念，產(chǎn)生新意和構想[10]。</p><p&g

34、t;<b>　　虛擬現(xiàn)技術的組成</b></p><p>　　一個典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括5大組成部分：虛擬世界、計算機、虛擬現(xiàn)實軟件、輸入設備和輸出設備,如圖2所示。其中，虛擬世界是可交互的虛擬環(huán)境，涉及模型的構筑、動力學特征、物理約束、照明及碰撞檢測等；計算機環(huán)境涉及處理器配置、I/O通道及實時操作系統(tǒng)等；虛擬現(xiàn)實軟件負責提供實時構造和參與虛擬世界的能力，涉及建模、物理仿真等；輸入和輸

35、出設備則用于觀察和操縱虛擬世界，涉及跟蹤系統(tǒng)、圖像顯示、聲音交互、觸覺反饋等[10]。</p><p>　　圖2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一般構成</p><p>　　構建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本手段和目標就是利用并集成高性能計算機軟硬件及各類先進的傳感器，去創(chuàng)建一個使參與者處于一個身臨其境的沉浸感，具有完美交互能力和啟發(fā)構思的信息環(huán)境。</p><p>　　1.硬件方面。需

36、要以下設備。</p><p>　?。?）跟蹤系統(tǒng)：用以確定參與者的頭手和身軀的位置。</p><p>　?。?）觸覺系統(tǒng)：提供力與壓力的反饋。</p><p>　?。?）音頻系統(tǒng)：提供立體聲源和判定空間位置。</p><p>　?。?）圖像生成和顯示系統(tǒng)：產(chǎn)生視覺圖像和立體顯示。</p><p>　?。?）高性能的計算

37、機處理系統(tǒng)：具有高處理速度、大存儲量、強聯(lián)網(wǎng)特性。</p><p>　　2.軟件方面。除一般所需要的軟件支撐環(huán)境外，只要是提供一個能產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集，或產(chǎn)生虛擬環(huán)境的“外殼”。它應該具有以下功能。</p><p>　?。?）能夠接收各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息。</p><p>　?。?）能生成立體的現(xiàn)實圖形。</p><p>

38、;　　（3）能把各種數(shù)據(jù)庫（如地圖地貌數(shù)據(jù)庫、物體形象數(shù)據(jù)庫等）、各種CAD軟件進行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。</p><p>　　2.2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及應用</p><p>　　2.2.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展</p><p>　　計算機技術的發(fā)展促進了多種技術的飛速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術跟其他技術一樣，由于技術的要求和市場的需求也隨即發(fā)展起來。在這個漫長的過程中

39、，主要經(jīng)歷了以下三個階段：</p><p>　　1. 20世紀50年代-70年代，虛擬現(xiàn)實技術的探索階段</p><p>　　1956年，在全息電影技術的啟發(fā)下，美國電影攝影師Morton Heiling開發(fā)了Sensorama。Sensorama是一個多通道體驗的顯示系統(tǒng)。用戶可以感知到事先錄好的體驗，包括景觀、聲音和氣味等。</p><p>　　1965年，計算

40、機圖形學的奠基者美國科學家Ivan Sutherland博士在國際信息處理聯(lián)合會大會上提出了The Ultimate Display（終極顯示）的概念，首次提出了全新的、富有挑戰(zhàn)性的圖形顯示技術，即不通過計算機屏幕這個窗口來觀看計算機生成的虛擬世界，而是是觀察者直接沉浸在計算機生成的虛擬世界中，就像生活在客觀世界中。隨著觀察者隨意轉(zhuǎn)動頭部與身體，其所看到的場景就會隨之發(fā)生變化，也可以用手、腳等部位以自然的方式與虛擬世界進行交互，虛擬世界

41、會產(chǎn)生相應的反應，使觀察者有一種身臨其境的感覺[19]。</p><p>　　1968年，Ivan Sutherland使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管研制出了第一個頭盔式顯示器。</p><p>　　20世紀70年代，Ivan Sutherland在原來的基礎上把模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到系統(tǒng)中，研制出了一個功能較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng)。該顯示器使用類似于電視機顯像管的微型陰極射

42、線管（CRT）和光學器件，為每只眼鏡顯示獨立的圖像，并提供與機械或超聲波跟蹤器的接口。</p><p>　　1976年，Myron Kruger完成了Videoplace原型，它使用攝像機和其他輸入設備創(chuàng)建了一個由參與者動作控制的虛擬世界。</p><p>　　2. 20世紀80年代初期—中期，虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)化，從實驗室走向?qū)嵱秒A段</p><p>　　20世紀8

43、0年代，美國的VPL公司創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一詞。當時，研究此項技術的目的是提供一種比傳統(tǒng)計算機模擬更好的方法。</p><p>　　1984年，美國宇航局NASA研究中心虛擬行星探測試驗室開發(fā)了用于火星探測的虛擬世界視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構造火星表面的三維虛擬世界。</p><p>　　3. 20世紀

44、80年代末至今，虛擬現(xiàn)實技術高速發(fā)展的階段</p><p>　　1996年10月31日，世界上第一個虛擬現(xiàn)實技術博覽會在倫敦開幕。全世界人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)坐在家中參觀這個沒有場地，沒有工作人員，沒有真實展品的虛擬博覽會。</p><p>　　1996年12月，世界上第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng)在英國投入運行。這樣，互聯(lián)網(wǎng)用戶便可以在一個由立體虛擬現(xiàn)實世界組成的網(wǎng)絡中遨游，身臨其境般地欣賞各地風光、

45、參觀博覽會和在大學課堂中聽講座等。</p><p>　　目前，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)極大地推動了虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，使基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統(tǒng)的設計不斷創(chuàng)新，很多新穎、實用的輸入輸出設備不斷地出現(xiàn)在市場上，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎[3]。</p><p>　　2.2.2 虛擬現(xiàn)實技術的應用</p>

46、<p>　　虛擬現(xiàn)實技術的應用非常廣泛，目前在軍事應用、城市仿真、教育與培訓、工業(yè)應用、醫(yī)學應用和藝術與娛樂中有著較高的應用[10]。</p><p><b>　　軍事應用</b></p><p>　　VR技術的發(fā)展源于航天和軍事部門。VR的最新技術成果往往被率先應用于航天和軍事領域。VR技術將為武器裝備確定需求、設計、制作樣機。為部隊的模擬訓練、戰(zhàn)備，

47、為制定合成作戰(zhàn)條令，為戰(zhàn)后評估及戰(zhàn)史分析等幾乎全部軍事活動提供一種一體化的作戰(zhàn)環(huán)境。這將有助于從虛擬武器及戰(zhàn)場順利地過渡到真實武器與戰(zhàn)場，VR技術對各種軍事活動的影響將是極為深遠的，有著極為廣泛的軍事應用前景。</p><p><b>　　城市仿真</b></p><p>　　由于城市規(guī)劃的關聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一

48、。從總體規(guī)劃到城市設計，在規(guī)劃的各個階段，通過現(xiàn)狀和未來的描繪，為改善人居生活環(huán)境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。VR技術能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、工程人員及公眾從任意角度，實時互動地看到規(guī)劃效果。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖等所不能達到的。</p><p><b>　　教育與培訓</b></p><p>　　針對教育事業(yè)來說，虛擬現(xiàn)實技術能將三

49、維空間的意念清楚地表示出來，能使學習者直接、自然地與虛擬環(huán)境中的各種對象進行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發(fā)展變化過程中去。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學習和培訓環(huán)境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識、新技能提供前所未有的新途徑。</p><p><b>　　4. 醫(yī)學應用</b></p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學方面的應用具有十分重要的現(xiàn)實意義

50、。虛擬現(xiàn)實技術的使用范圍包括建立合成藥物的分子結(jié)構模型到各種醫(yī)學模擬，進行模擬人體解剖和外科手術培訓等。如通過虛擬現(xiàn)實仿真器，研究人員可以看到和感受到藥物內(nèi)的分子與其他生化物質(zhì)的相互作用。在實施復雜的外科手術前，先用外科手術仿真器模擬出手術臺和虛擬的病人人體，醫(yī)生用帶有跟蹤器的手術器械演練。根據(jù)演練結(jié)果，醫(yī)生可制定出最佳手術方案。</p><p><b>　　藝術與娛樂</b></p&

51、gt;<p>　　豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近幾年來VR在該方面發(fā)展最為迅猛。作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術轉(zhuǎn)化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作品。</p><p>　　2.3 X3D虛擬現(xiàn)實技術</p>&l

52、t;p>　　2.3.1 X3D簡介</p><p>　　VRML 組織于 1998 年改名為 Web3D 聯(lián)盟，并開始著手制訂了一個新的標準：2002年 8 月，Web3D 聯(lián)盟發(fā)布了 VRML97 的升級版本 X3D 的最終草案。新版本的 X3D 與VRML97 向后兼容（即能用 X3D 瀏覽器播放 VRML 文件）。它把 VRML 的功能封裝到一個輕型的、可擴展的內(nèi)核之中，并實現(xiàn)了 VRML 的全部功

53、能[14]。</p><p>　　X3D 在 VRML 的基礎上提出了新的特性，2004 年 8 月，X3D 規(guī)范通過國際標準化組織（ISO）的審批，成為新一代的 Web3D 國際標準。X3D 的主要特性有以下幾點：</p><p><b>　　1. 整合 XML</b></p><p>　　XML 已經(jīng)成為整合并管理信息的必選。X3D 采用

54、XML 作為它的編碼規(guī)范是有利于增強 X3D 的可移植性，有利于對數(shù)據(jù)歸檔和移植，有效延長了數(shù)據(jù)信息的生命周期。同時，XML 編碼可以讓 X3D 的開發(fā)、播放都變得更加簡潔、高效[15]。</p><p><b>　　2. 統(tǒng)一性</b></p><p>　　X3D 中訂制了在不同瀏覽器之間協(xié)同運作場景和環(huán)境的 X3D 行為規(guī)范，保證了 X3D場景和環(huán)境在不同播放器中

55、的操作的統(tǒng)一性。</p><p><b>　　3. 組件化</b></p><p>　　使用輕型的可擴展內(nèi)核。VRML97 是相對龐大的標準，完全實現(xiàn)是比較復雜的。把VRML 的功能分割到一系列較小的內(nèi)核，就可以比較容易的實現(xiàn) X3D，減少實現(xiàn)的復雜性，因而改善了執(zhí)行過程的可維護性。</p><p><b>　　4. 可移植性<

56、/b></p><p>　　允許在計算機以外的設備上使用 X3D。</p><p>　　2.3.2 X3D的組成</p><p>　　X3D整體結(jié)構包括四個部分:內(nèi)核(核心特性集),VRML97特性集,應用程序接口和擴展集。如圖3所示。特性集是VRML元素的一個子集,是滿足特定用戶需求的一組功能的集合[13]。</p><p>　　1

57、.內(nèi)核(核心特性集):定義了VRML中最關鍵的特性,形成核心構件,并將其封裝在一個小型的、可擴展的內(nèi)核。規(guī)范規(guī)定內(nèi)核實現(xiàn)的大小應在Flash和Realplyaer之間,可被用戶快速下載,運行時占用很少的系統(tǒng)資源,當前的核心特性集已確定只實現(xiàn)VRML97的54個節(jié)點中的23個節(jié)點。</p><p>　　2.VRML97特性集:實現(xiàn)內(nèi)核以外的VRML97元素"VRML97的節(jié)點被設計為可插拔的構件,通過擴展

58、內(nèi)核,完整的實現(xiàn)了VR人IL97規(guī)范定義的功能,從而確保了X3D與已有的VRML應用兼容。</p><p>　　3.應用程序接口:X3D是描述幾何體和行為的一種文件格式,由于使用XML編碼,文檔對象模型(Document Object Model簡稱DOM)自動為X3D提供了一組API,外部應用程序可以通過DOM訪問X3D文件。</p><p>　　4.擴展集:通過在內(nèi)核之上進行特性集擴展

59、,實現(xiàn)復雜的或是用戶自定義的功能。用戶可以在內(nèi)核之上建立一個完整的VRML97特性集"也可以添加其它的擴展,如NURBS擴展,二進制文件格式擴展等。通過擴展還可以利用VRML97規(guī)范中未定義的新的硬件渲染技術。構件化的設計為X3D的內(nèi)核提供了一種插件機制,允許擴展功能被實時的加入到運行內(nèi)核。</p><p><b>　　圖3 X3D的組成</b></p><p&

60、gt;　　2.3.3 X3D的關鍵技術</p><p>　　X3D 的兩項關鍵技術是 XML 文檔和組件思想。</p><p><b>　　1．XML 文檔</b></p><p>　　可擴展標記語言(Extensible Markup Language，簡稱 XML)是萬維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)創(chuàng)建的一組規(guī)范。與 HTML 一樣，它也源自 SGM

61、L(Standard Generalize Markup Language 通用標記語言)。但與 HTML 不同，XML 是一種元標記語言，可以依據(jù)用戶的需求，自行定義標簽及屬性名，從而突破了 HTML 固定標記集合的約束，具有自描述性和可擴展性的特點[16]。</p><p><b>　　2. 組件思想</b></p><p>　　組件思想來源于面向?qū)ο罄碚?。基于?/p>

62、向?qū)ο蟮乃枷氲奶攸c，以及傳統(tǒng) VRML 的不易擴展性在最新的X3D規(guī)范中，使用了組件思想對X3D規(guī)范進行實現(xiàn)，以增強與其他編程語言的交互。依據(jù)開發(fā)人員的需求，通過調(diào)用模塊動態(tài)的將有用的底層摸塊裝配成應用處理。使用組件模型的好處有以下幾點[17]:</p><p>　?。?）精巧的內(nèi)核。就實現(xiàn)而言，VRML97 是一個龐大而復雜的標準。通過將 VRML精簡為一個小的核心功能集合，減少了實現(xiàn)的復雜度，并且增強了軟件的

63、可維護性。同時，精巧的內(nèi)核可以方便用戶，因為并不是每個用戶都需要那些復雜的擴展，如果不加分辨的將這些復雜的應用集成上去，無疑會增加用戶端的大小，所以只為用戶提供簡單的內(nèi)核，擴展依照用戶的需求自行加入。</p><p>　?。?）擴展能力。借助擴展集和特性集的概念，開發(fā)者可以在內(nèi)核上添加新的擴展集，也可擴展新的特性。這樣就可以依據(jù)不同的需求，定制不同的應用。</p><p>　?。?）減少了

64、對資源的占用。一個小型但可擴展的瀏覽器為用戶節(jié)省不必要的資源開支將會大大地方便用戶的使用。</p><p>　　X3D的組件模型如圖4所示。</p><p>　　圖4 X3D的組件模型</p><p>　　2.3.4 X3D文件結(jié)構</p><p>　　X3D文件架構包含文件結(jié)構、文件頭、文件體及注釋等內(nèi)容。X3D文件結(jié)構又包含文件頭、主

65、程序概貌，在主程序概貌中包括頭文檔、組件、說明及場景等。在場景中利用基本幾何造型造型節(jié)點、復雜節(jié)點、組節(jié)點、紋理節(jié)點、效果節(jié)點、組件節(jié)點、人性化節(jié)點及動態(tài)感知節(jié)點等創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實三維立體場景。在編寫X3D文件、節(jié)點和域時，特別要注意大小寫，X3D語言對大小寫是敏感的[18]。</p><p>　　X3D文件結(jié)構圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 X3D文件結(jié)構圖</p>

66、<p>　　X3D文件語法結(jié)構是由X3D文件頭、主程序概貌（頭文檔和場景）組成，其中，頭文檔又包含組件和元數(shù)據(jù)；場景主體涵蓋X3D所有節(jié)點。X3D文件頭是序碼部分，是X3D文件必須書寫的部分。主程序概貌是X3D文件主程序框架的主題部分，是X3D文件的精髓和靈魂。概貌中的頭文件作用是引入外部組件及文檔說明，概貌中的場景主體描述是對X3D文件三位立體場景中的自然景觀、人文環(huán)境、建筑造型、街道等創(chuàng)建和編碼過程。</p>

67、<p>　　2.3.5 X3D場景</p><p>　　X3D 使用場景圖（Scene Graph）數(shù)據(jù)結(jié)構來建立 3D 虛擬境界, 虛擬境界由對象構成，而對象及其屬性用節(jié)點描述，節(jié)點是 X3D 的基本單元。每個節(jié)點由類型、域、事件、實現(xiàn)、名字組成，X3D 文件包含包括零個或多個根節(jié)點。節(jié)點按一定規(guī)則構成場景圖（Scene graph）[19]。</p><p>　　X3D節(jié)

68、點層次結(jié)構：場景（Scene）根節(jié)點、父節(jié)點、子節(jié)點。以場景作為三維立體場景的根節(jié)點，以此增加節(jié)點和子節(jié)點以創(chuàng)建種復雜的三維立體場景。在每個X3D文件中只允許有一個場景根節(jié)點，在此基礎上在增加需要的節(jié)點造型。</p><p>　　在一個嵌套節(jié)點中，最頂層節(jié)點就是根節(jié)點，由它派生整個場景的全部節(jié)點。父節(jié)點是根節(jié)點派生出來的，再由父節(jié)點派生子節(jié)點，循環(huán)下去直至全部場景。例如：在場景根節(jié)點下，創(chuàng)建一個模型節(jié)點（shap

69、e節(jié)點），此節(jié)點成為父節(jié)點。父節(jié)點又包含兩個子節(jié)點，分別為Appearance節(jié)點和Geometry節(jié)點，在Geometry節(jié)點下又包含一個葉節(jié)點（Sphere節(jié)點），完成三維立體空間整體造型。X3D場景節(jié)點層次結(jié)構如圖6所示：</p><p><b>　　根節(jié)點</b></p><p><b>　　父節(jié)點</b></p><

70、p>　　Geometry節(jié)點</p><p><b>　　子節(jié)點</b></p><p>　　圖6 X3D根節(jié)點層次結(jié)構圖</p><p>　　根據(jù)X3D語法結(jié)構的要求，除根節(jié)點外，其他節(jié)點之間可以并列或?qū)訉忧短资褂?。不同作用的?jié)點有著不同語法結(jié)構，父節(jié)點包含一個或多個子節(jié)點，子節(jié)點中又包含子節(jié)點等。</p><p&

71、gt;　　2.3.6 X3D常用節(jié)點</p><p>　　在虛擬現(xiàn)實中，節(jié)點是 X3D 核心所在，可以說如果沒有節(jié)點，就沒有 X3D，所以 X3D 的節(jié)點起著重要作用。學好 X3D 的節(jié)點，也就學好 X3D。以下是 X3D中常用的節(jié)點[18]。</p><p><b>　　1.基本2D節(jié)點</b></p><p>　　X3D 支持點的節(jié)點是

72、PointSet，它可以包含 Color 和 Coordinate 節(jié)點。Color 節(jié)點是用來構造顏色值的索引表用于指定對應點或?qū)ο蟮念伾?，Coordinate 節(jié)點是用來構造坐標的列表。</p><p>　　繪制直線是采用 IndexedLineSet 節(jié)點，它可以包含 Color 和 Coordinate 子節(jié)點。IndexedLineSet 節(jié)點屬性中，coordIndex 屬性用來指定直線端點在Coor

73、dinate子節(jié)點的索引號(0表示第一個點)，每條直線索引值3個數(shù)組成，前兩個是點的索引號，第三個是-1。</p><p>　　Rectangle2D 幾何節(jié)點用來指定一個平面矩形。Arc2D、ArcClose2D、Circle2D 和 Disk2D節(jié)點分別用來繪制圓弧、封閉圓弧、圓和環(huán)。</p><p><b>　　2.基本3D節(jié)點</b></p>&

74、lt;p>　　X3D 提供了立方體(Box)、圓柱(Cylinder)、圓錐(Cone)、球體(Sphere)等基本 3D 造型節(jié)點。</p><p>　　Box 節(jié)點的主要屬性是 size，用來確定長度(x 方向)、高度(y 方向)和寬度(z)方向的大小。</p><p>　　Cylinder 節(jié)點的主要屬性有 height(高度)、radius(半徑)以及是否包含頂面(top)、

75、側(cè)面(side)和底面(bottom)等。</p><p>　　Cone 節(jié)點的主要屬性有 height(高度)、bottomRadius(底面半徑)以及是否包含側(cè)面(side)和底面(bottom)等。</p><p>　　Sphere 節(jié)點的主要屬性是 radius，用來確定球體的半徑。</p><p><b>　　3.復雜節(jié)點</b>&l

76、t;/p><p>　　利用X3D的幾何2D和幾何3D節(jié)點，可以創(chuàng)建出一些簡單的幾何造型。一個虛擬現(xiàn)實空間的內(nèi)容是豐富多彩的，僅有一些簡單造型不能滿足X3D設計需要，因此需要創(chuàng)建出更加復雜多變的場景和造型以滿足設計需求。</p><p>　　X3D復雜幾何造型節(jié)點涵蓋PointSet（點）節(jié)點、IndexedLineSet（線）節(jié)點、IndexedFaceSet（面）節(jié)點、ElevationGr

77、id（海拔柵格）節(jié)點及Extrusion（擠出造型）節(jié)點等復雜節(jié)點。</p><p>　　ElevationGrid節(jié)點先將某一個地表區(qū)域分割成很多網(wǎng)格，定義網(wǎng)格的個數(shù)，再定義網(wǎng)格的長和寬，最后定義網(wǎng)格的高度，可創(chuàng)建該區(qū)域所需的海拔柵格幾何造型。該節(jié)點可以創(chuàng)建高山、丘陵、及不規(guī)則地表的空間造型。</p><p>　　Extrusion節(jié)點可以創(chuàng)建出用戶需要的所有立體空間造型，是X3D文件中

78、最重要、最復雜、也是最有用的節(jié)點。Extrusion用以創(chuàng)建出造型，創(chuàng)建擠出造型過程類似于在工業(yè)生產(chǎn)中加工材料的流體通過一個金屬板的模型孔，按照模型孔的設計，擠壓成為一個新的造型，這個過程就是擠出。Extrusion節(jié)點主要由crossSection域和spine域 的域值決定。crossSection域控制斷面形狀，是一系列的二維輪廓線，可以組成圓形、方形、多邊形等。Spine域定義一系列的三維路徑，crossSection域定義好的

79、斷面的幾何中心沿spine路徑創(chuàng)造。常見幾種斷面形狀如圖7所示。</p><p><b>　　x x x</b></p><p><b>　　zzz</b></p><p>　　圖7 常見幾種斷面（x-z）形狀</p><p><b>　　4.視點效果節(jié)點</b><

80、;/p><p>　　在X3D文件中的視點就是指在立體空間中預先定義的觀察位置和空間朝向。在這個位置上通過這個朝向，瀏覽者可以觀察到虛擬世界中的場景。Viewpoint 節(jié)點指明了一個 X3D 場景空間中的觀察位置和視角方向。NavigationInfo 節(jié)點用來指定場景的觀看方式和替身的物理特征。</p><p>　　5.空間坐標變換節(jié)點</p><p>　　在 X3D

81、 場景空間中，每一個造型都有其空間坐標，通過修改空間坐標系就可以使該造</p><p>　　型在場景空間中移動、旋轉(zhuǎn)和縮放等。X3D 提供 Transform 節(jié)點來進行造型的大小變換，位置變化。</p><p><b>　　6.組節(jié)點</b></p><p>　　利用X3D組節(jié)點設計可以創(chuàng)建X3D立體空間的復雜造型，可以將所有節(jié)點包含其中，看

82、作一個整體對象造型。在組節(jié)點中節(jié)點可以是基本節(jié)點、子節(jié)點或者組節(jié)點本身。組節(jié)點的種類有很多，如Group（編組）節(jié)點、Inline（內(nèi)聯(lián)）節(jié)點、Billboard（廣告、警示牌）節(jié)點及LOD（細節(jié)層次）節(jié)點等。</p><p>　　Group節(jié)點用來編組各種幾何造型，并將其作為一個整體造型來看待。Group節(jié)點是將多個節(jié)點進行組合創(chuàng)建較復雜的立體空間造型。如果利用DEF（重定義節(jié)點名）為Group節(jié)點命名，則可以

83、使用USE（重用節(jié)點）在相同文件中重復使用這一節(jié)點，從而增強程序設計的可重用性和靈活性。</p><p>　　Inline節(jié)點可以使X3D程序設計模塊化。由基本X3D程序模塊組成復雜和龐大的X3D立體空間靜態(tài)或動態(tài)場景。Inline節(jié)點還可以從其他網(wǎng)站中引入X3D文件（程序），可以實現(xiàn)分工協(xié)作。在X3D程序設計中，編寫X3D程序時，由于創(chuàng)建的節(jié)點造型復雜，使X3D源程序過大或過長，給程序編寫和調(diào)試帶來諸多的不變，

84、因此需要將一個很大的X3D源程序拆分成幾個小程序。這就是軟件工程的設計思想，采用結(jié)構化、模塊化、層次化的程序設計方法，提高軟件設計質(zhì)量。設計出層次清晰，結(jié)構結(jié)構合理的軟件項目。</p><p>　　Billboard節(jié)點可以在世界坐標系下創(chuàng)建一個局部坐標系，選定一個旋轉(zhuǎn)軸后，這個節(jié)點下的子節(jié)點所構成的虛擬對象的正面會永遠自動地面對觀眾，而不管觀察者如何行走或旋轉(zhuǎn)。在X3D場景中，可以用來給單位、公司做廣告宣傳，路

85、標指示、張貼海報等。</p><p><b>　　7.紋理繪制節(jié)點</b></p><p>　　X3D紋理繪制節(jié)點將紋理圖按一定規(guī)則粘貼到X3D文件立體空間造型表面的過程稱為紋理映射。紋理是一種位圖，即二維圖像。使用紋理映射能使立體空間造型更具有真實感，紋理圖的使用能增強視覺效果，提高渲染質(zhì)量。在X3D文件中，瀏覽器支持JPEG、GIF、PNG及MPEG等格式的紋理圖

86、像。X3D文件提供了多種紋理節(jié)點，如ImageTexture（圖像紋理）節(jié)點、Image3DTexture（三維圖像紋理）節(jié)點、PixelTexture（像素紋理）節(jié)點和MovieTexture（電影紋理）節(jié)點。</p><p><b>　　8.動畫節(jié)點</b></p><p>　?。?）時間觸發(fā)器 TimeSensor</p><p>　　觸

87、發(fā)器或者叫做傳感器，是用來產(chǎn)生不同類型的事件。時間觸發(fā)器 TimeSensor 是根據(jù)時間來不斷產(chǎn)生事件，它有許多屬性，通常把用于輸入的屬性稱為域，或稱為輸入事件，而把輸出的屬性稱為產(chǎn)生的事件，或稱為輸出事件。</p><p><b>　?。?）插值器</b></p><p>　　計算機動畫按生成的方法可以分為逐幀動畫、關鍵幀動畫和造型動畫等幾大類。在關鍵幀動畫設計中

88、，通常需要我們指定關鍵幀，而中間幀往往由計算機自動生成。X3D 中的插值器就起到設定關鍵幀并自動生成中間幀的作用。它主要有顏色插值器節(jié)點(ColorInterpolator) 、坐標插值器節(jié)點(CoordinateInterpolator)、法向量插值器節(jié)點(NormalInterpolator)、方向插值器節(jié)點(OrientationInterpolator) 、位置插值器節(jié)點(PositionInterpolator) 和比例插值器

89、節(jié)點(ScalarInterpolator)。除此之處，X3D 還提供比較專業(yè)的插值器，如 NURBS 曲線系列插值器等。</p><p><b>　?。?）事件</b></p><p>　　事件(Events)是在 X3D 運行時環(huán)境中產(chǎn)生行為的主要方法，這種方法用來改變域的輸入值或接受域的輸出值，分別又稱為發(fā)送到輸入域的事件和輸出域發(fā)送的事件。</p>

90、<p><b>　　（4） 路由</b></p><p>　　路由(Route)聲明允許我們在把一個節(jié)點的輸出事件連接到另一個節(jié)點的輸入事件上，這樣可以執(zhí)行復雜的行為，而不需要使用程序命令。在路由中，一個輸出事件發(fā)生，相應目的的輸入事件就會接受到通知，同時可以對輸入事件變動做出相應的處理。這個處理可以改變節(jié)點的狀態(tài)，產(chǎn)生額外的事件，或者改變場景圖的結(jié)構。Route(路由)不是節(jié)

91、點，它是一個語句。ROUTE 語句是建立指定節(jié)點的域之間通道的語法構件。ROUTE 語句可以出現(xiàn)在 X3D 文件的最上層，或者也可以出現(xiàn)在節(jié)點中任何可以使用域的地方。ROUTE語句應該放置在路由的源節(jié)點和目的節(jié)點定義之后，而不能放置在源節(jié)點中或目的節(jié)點中。</p><p><b>　　9.交互節(jié)點</b></p><p>　　X3D 的交互實現(xiàn)也是通過類似的映射機制。

92、用戶事件的產(chǎn)生是通過相應的傳感器產(chǎn)生的，而 ROUTE 語句就是相當于事件的映射，它映射到另一個輸入事件中。X3D 中，用戶事件的傳感器有：KeySensor(鍵盤傳感器) 、StringSensor(字符串傳感器)、TouchSensor(觸摸傳感器)、PlaneSensor(平移傳感器) 、SphereSensor(繞點旋轉(zhuǎn)感器)和CylinderSensor(Y 軸旋轉(zhuǎn)傳感器)等。</p><p><

93、b>　　10.腳本節(jié)點</b></p><p>　　在X3D中，通過使用程序化的節(jié)點Script 來嵌入腳本程序。它支持ECMAScript/JavaScript或Java 語言。ECMAScript也是一種腳本語言，由 Netscape 和Microsoft 使用開發(fā)，它是一種面向?qū)ο笳Z言，ECMAScript 和 DOM 一起十分接近于現(xiàn)在對 JavaScript 和 JScript 的實現(xiàn)

94、，雖然說是用于網(wǎng)絡環(huán)境，但它可以用于任何腳本環(huán)境中，并且其語法與 JavaScript 基本相同。</p><p>　　第3章 虛擬校園漫游系統(tǒng)總體設計</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的需求分析與設計目標</p><p>　　3.1.1 需求分析</p><p>　　虛擬校園漫游系統(tǒng)包括一個逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，

95、它是一個真實空間或假想空間的實時仿真虛擬空間，用戶借助必要的裝備以自然的方式在該虛擬空間中漫游，從任意角度對環(huán)境中的虛擬對象進行觀察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺，漫游其中。</p><p>　　本系統(tǒng)旨在開發(fā)深圳大學的校園虛擬漫游系統(tǒng)，主要從三維場景建模、建立漫游系統(tǒng)、實現(xiàn)交互功能等方面來考慮。首先按校園環(huán)境選取幾個典型場景建立模型，然后建立漫游系統(tǒng)，即完成對三維場景漫游控制的設計。最后為系統(tǒng)增加各種交互功能，進一步

96、提高虛擬系統(tǒng)的真實感覺。具體實現(xiàn)過程如下：</p><p>　　1.進行前期需求分析，確定漫游系統(tǒng)的規(guī)模、顯示效果以及開發(fā)平臺等。</p><p>　　2.基于實景建立場景模型，然后進行紋理貼圖，并對數(shù)據(jù)進行預處理矯正，盡量實現(xiàn)真實感效果。</p><p>　　3.設定漫游方式，開發(fā)交互功能，實現(xiàn)對虛擬校園的交互漫游。</p><p>　　3

97、.1.2 設計目標</p><p>　　虛擬校園漫游系統(tǒng)應該表現(xiàn)出虛擬環(huán)境中的地形、花草樹木、校內(nèi)建筑等對象的三維模型，在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分逼真，使參考者能在構筑的栩栩如生的虛擬校園中漫游，系統(tǒng)應實現(xiàn)如下目標[18]：</p><p>　　1.虛擬校園漫游系統(tǒng)的界面應該盡可能的簡單化，能使不同層次的用戶都可以對系統(tǒng)進行操作。</p><p>　　2.虛擬

98、校園漫游系統(tǒng)應按校園的實景建立虛擬環(huán)境，能充分體現(xiàn)出現(xiàn)實中的校園自然景觀。</p><p>　　3.為了使虛擬校園中的物體具有更好的真實感，系統(tǒng)應該能夠表達物體表面的紋理細節(jié)，即要進行詳細的紋理影射。</p><p>　　4.為了使虛擬物體具有立體感，虛擬物體應具有逼真的材質(zhì)、明暗效應。</p><p>　　5.系統(tǒng)應該具備良好的漫游功能，使用戶可以從任意角度和方向

99、對校園的景觀進行瀏覽。</p><p>　　6.系統(tǒng)應具有碰撞檢測機能。</p><p>　　7.為了使虛擬校園能夠適應不斷變化的要求，系統(tǒng)應具備刪除、添加建筑物的功能。</p><p>　　8．系統(tǒng)應具有較好的可移植性和可擴展性。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設計流程</p><p>　　虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計

100、應力求真實，所以對校園的實地考察是很有必要的。通過實地考察，分析校園建筑的構造，收集校園建筑的圖片信息，確定建筑比例，做出草圖方便模型的構建。處理收集到的信息，做出整體規(guī)劃，構建三維立體模型，整合各個場景與模型，最終形成完整的虛擬校園漫游系統(tǒng)。具體的實現(xiàn)流程圖如圖8所示。</p><p>　　圖8 總體設計的流程圖</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構及規(guī)劃</p>

101、<p>　　將前期收集的數(shù)據(jù)整理之后，對整個場景里的數(shù)據(jù)模型按照一定的邏輯規(guī)則進行組織，采用層次結(jié)構的形式進行數(shù)據(jù)模型的組織，有利于模型的構建、場景的合并以及場景優(yōu)化等維護和管理?？傮w規(guī)劃效果圖如圖9所示。</p><p>　　圖9 虛擬校園總體規(guī)劃效果圖</p><p>　　層次結(jié)構就是按照物體的類別進行劃分，同一類物體作為一個集合，而在每一個集合里又可以再細分，比如：整個場景

102、可以由建筑物、道路、樹木等組成，而建筑物又分為教學樓、宿舍、圖書館等，如圖10所示。這樣組織數(shù)據(jù)庫，結(jié)構清楚、層次明確。</p><p>　　圖10 系統(tǒng)的總體結(jié)構圖 </p><p>　　3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的軟硬件環(huán)境</p><p>　　開發(fā)本系統(tǒng)的硬件環(huán)境為：</p><p>　　處理器：Intel(R) Core(TM) i5 M4

103、30 @ 2.27GHz 雙核</p><p>　　內(nèi)存：2GBx2 雙通道</p><p>　　顯卡：ATI Mobility Radeon HD 5145 (512 MB)</p><p>　　圖片拍攝設備：SONY DSC-T300，Ipad4</p><p>　　開發(fā)本系統(tǒng)的軟件環(huán)境為：</p><p>　　操

104、作系統(tǒng)：Microsoft Windows 7 旗艦版 Service Pack 1 (build 7601), 64-bit</p><p>　　開發(fā)工具：X3D-Edit，Notepad++</p><p>　　運行軟件：BS_Contact 8.0 </p><p>　　圖像處理軟件：Photoshop CS5，可牛影像 </p><p&g

105、t;　　第四章 虛擬校園場景設計與實現(xiàn)</p><p>　　虛擬校園場景的建設是整個虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的基礎，虛擬校園場景的建設可以分成分三步[2]：</p><p>　　第一步，想要建立一個真實的虛擬校園，就必須要有校園中各建筑物各環(huán)境物體的分布圖和具體的平面圖，如果沒有這些圖形，也必須要知道學校的整體占地面積和每一個物體的長度、寬度、高度以及在校園中所處的坐標位置等這些基本的數(shù)據(jù)。還必須

106、要掌握學校各部分的大概高度，最底點最高點等地形信息。這些信息可通過實地考察以及結(jié)合電子地圖（如百度地圖）、虛擬地球軟件（如谷歌地球）獲得。</p><p>　　第二步，對校園內(nèi)各單個實體對象分別單獨建模，虛擬校園中的場景模型分為兩類：一類是以場為基礎，在空間上連續(xù)分布的景觀對象，如地形、天空等；另一類是以離散實體為特征，以獨立的個體而存在的地物對象，如建筑物、樹木、路燈等。根據(jù)具體場景模型的類型和復雜情況采取適當

107、的建模方法，最終得到了校園中各個實體的場景文件（*.x3d）。</p><p>　　第三步，各個單獨的實體場景構建好了以后，再把這些場景整合成完整的虛擬校園場景，本系統(tǒng)中深圳大學的完整場景文件是 school.x3d。</p><p>　　通過上述三個步驟，即可完成虛擬校園漫游系統(tǒng)的建設。</p><p>　　4.1 信息的收集與處理</p><

108、;p>　　本文使用的原始數(shù)據(jù)主要有辦公樓、教學樓、圖書館、宿舍樓、體育館等建筑的平面圖</p><p>　　和通過數(shù)碼相機拍得的照片。為保證虛擬校園系統(tǒng)的真實顯示和空間分析的正確進行，本體統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集方案如下：</p><p>　　1．對于各對象實體的在虛擬校園中的位置，先確定一個原點，如學校的正門，然后通過電子地圖（如百度地圖）上的測距功能，測量對象實體到原點的距離。</

109、p><p>　　2．對于部分建筑物的高度，從總平面圖和收集到的數(shù)據(jù)中不能獲取的情況，自行測量出其中一層的高度，然后根據(jù)樓層數(shù)計算出總的高度。此外可以利用虛擬地球軟件（如谷歌地球）進行輔助性的測量。</p><p>　　3．對于紋理數(shù)據(jù)主要采用自己拍攝的方式。由于受拍攝時的天氣及周圍環(huán)境的影響，</p><p>　　拍出的照片通常不能直接使用，需要在亮度、色調(diào)上做出調(diào)校。