1、·36· 計算機與信息技術 開發(fā)與應用基于VRML 的三維虛擬校園的設計與實現(xiàn)孫文霞 顧翔（南通大學計算機科學與技術學院，江蘇 南通 226019）摘 要 VRML 是可以用來創(chuàng)作桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建模語言。本文在介紹了VRML 的基礎上，以南通大學三維虛擬校園為例，討論了虛擬場景的構建技術，介紹了一些常用的建模的方法。關鍵詞 虛擬現(xiàn)實；VRML；虛擬校園0 引言VRML （Virtual Reality Modeling Language），是一種用于描述交互式三維空間的虛擬現(xiàn)實建模語言。借助VRML，可以建造虛擬的房間、建筑物、城市甚至星球等現(xiàn)實中的和想象中的事物；可以

2、編寫小程序來控制虛擬空間，賦予瀏覽者和虛擬空間進行交互的能力。VRML 制作的三維空間是以文本文件的形式保存的，由已安裝過插件的瀏覽器來解釋展示。文件短小的特點使之能夠很方便的在網(wǎng)絡上進行傳輸。因此，這一語言為軟件實現(xiàn)網(wǎng)上的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了重要途徑。構建網(wǎng)絡上的三維虛擬校園就是VRML 的一個有效應用。1 VRML 要點VRML 是解釋展示的，瀏覽器就是其解釋器。為了使IE 瀏覽器能夠支持VRML，需要安裝相應插件。一種比較流行的插件是Intervista 公司的World View，另有一種是SGI （Silicon Graphics Inc）公司的Cosmo Player。VRML 使用

3、場景圖數(shù)據(jù)結(jié)構來建立3D 實境，這是以SGI 的Open Inventor 3D 工具包為基礎的一種數(shù)據(jù)格式，其基本單元被稱為節(jié)點，場景圖規(guī)定了節(jié)點之間的等級關系與嵌套關系。VRML 總共定義有54個節(jié)點，它大致可以分為如下幾類：造型節(jié)點：用于表示各種基本的幾何體和用于任意幾何體的線框圖和面框圖。屬性節(jié)點：用于定義相關對象的顏色、材質(zhì)、紋理以及攝像機組、燈光組、視點、背景等。 組節(jié)點：用于將節(jié)點分組，把相關節(jié)點組合成為同一個對象。感應節(jié)點：用于感知用戶的輸入或動作，以觸發(fā)相應的動作。其它節(jié)點：包括移動和旋轉(zhuǎn)動作，腳本（Script）節(jié)點、超鏈接節(jié)點等。每個具體節(jié)點都包含有一個或多個域（Fiel

4、d），VRML對域名、域值類型以及缺省值都有規(guī)定。下面就是一個造型(Shape節(jié)點的結(jié)構。Shapeappearance NULL /exposed SFNode geometry NULL /exposed SFNode 這個節(jié)點包含2個域：appearance域用于指定節(jié)點的外觀，；geometry域用于指定造型的3D 構造或幾何構造，缺省的NULL 值表示沒有幾何結(jié)構。VRML 使用符合右手規(guī)則的三維坐標系統(tǒng)，原點在屏幕中心，它也是使用這一坐標系統(tǒng)的各種幾何體的中心。所以，當根據(jù)構圖要求，某個幾何體的中心不在屏幕中心時，就需要移動坐標系統(tǒng)，即使用Transform 節(jié)點，在該節(jié)點內(nèi)定義的

5、幾何體都使用該節(jié)點中所定義的平移后的坐標系統(tǒng)。最后，在場景圖結(jié)構中需要提及的Group 節(jié)點，即組節(jié)點。由于VRML 只提供最基本的幾何體，因而，要表現(xiàn)一個三維對象或場景，設計者只能通過組合這些基本幾何體來實現(xiàn)。Group節(jié)點為這種組合提供了支持。VRML 規(guī)定使用“#”來標記注釋。2 南通大學三維虛擬校園設計使用VRML，可以構建基于網(wǎng)絡的三維虛擬校園，下面就以南通大學三維虛擬校園為例，進行討論。 2.1 構建南通大學三維虛擬校園的目的虛擬的南通大學校園是一個規(guī)模較大的三維場景，旨在通過網(wǎng)絡展示南通大學的校園風貌。游覽者可以走進校園，觀賞校園的自然風貌，領略校園的生活氛圍，在虛擬旅游中了解通

6、大。為了較真實的反映校園的風貌，可以通過兩個方面來表現(xiàn)這個虛擬境界：第一，要根據(jù)南通大學實際的景觀風貌對校園內(nèi)的各個場景進行建模。這些場景包括道路、樓宇、校門、花草樹木及其它一些建筑物。通過對這些場景的建模構建出虛擬的南通大學校園。并且有一定的交互能力，例如游覽者可以進行開發(fā)與應用 計算機與信息技術 ·37·門、窗的開關。第二，通過聲音、文字、圖片等多媒體技術手段輔助性的介紹南通大學的概況、歷史等情況，從而實現(xiàn)介紹南通大學的目的。 2.2 虛擬校園的場景結(jié)構考慮到整個場景中的各個對象是通過空間相對位置的關系組織在一起的，因此我們先建立一個對象，然后將它作為參考來放置其它的對

7、象。經(jīng)過分析，我們首先建立整個校園的主干道。主干道在整個校園中起到基線的作用。這然后以這條道路作為參照，把獨立構建的各個樓群、校門、花草樹木及其它場景組合安放在相應的位置。完整的南通大學三維虛擬校園如圖1所示。 圖1 南通大學三維虛擬校園結(jié)構3 南通大學三維虛擬校園實現(xiàn)3.1 校園背景為了更逼真的表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實所描述的環(huán)境，需要給虛擬校園設置背景。建立的虛擬校園處于大地中心。背景可以通過Background 節(jié)點實現(xiàn)。具體代碼如下：Background skyColor 0 0 0frontUrl "tian.jpg" #為前景選擇文件tian.jpg 作為貼圖，下同bac

8、kUrl "tian.jpg" leftUrl "tian.jpg" rightUrl "tian.jpg" 其效果如圖2所示。 3.2 校園正門任何一所學校，校園正門都是最為突出的標志性景觀。也是整個學校給游覽者的第一印象。就南通大學而言，整個校門由“南通大學”校名、傳達室、自動伸縮門等場景組成。圖2 三維虛擬校園背景圖3 校名建模在場景構建中要解決的第一個問題是造型的外觀的控制。造型的外觀是通過材料控制的，材料屬性包括造型的顏色，是否發(fā)光，所發(fā)光的顏色，是否半透明，透明到什么程度等等。使用Appearance 和Material

9、節(jié)點，就能控制造型的顏色，發(fā)光顏色和透明度。例如，在校門的建模中，傳達室是由三個正方體造型構成的，外部是半透明的玻璃。在場景構建中要解決的第二個問題是漢字的顯示。按照VRML 規(guī)范，它應該支持包括漢字在內(nèi)的所有UTF8字符，但許多插件都不支持漢字的顯示。VRML不能顯示漢字的原因不在于其語言本身，而是在于VRML 瀏覽器的3D 引擎。為了在VRML 中實現(xiàn)3D 字的渲染，通常有兩種方法：第一中是用多邊形圍成字體，第二中是對字體進行紋理渲染。我們采用的是第二種方法。校名場景的具體實現(xiàn)代碼如下：Transform rotation 0.0 1.0 0.0 -0.52 translation 6 0

10、 2 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0.5 0.50.5#使用學校創(chuàng)始人張謇先生手書“南通大學”的紋理貼圖texture ImageTexture url"hanzi.jpg" geometry Box size 6.75 2.0 0.5 校名建模的效果如圖3所示。整個學校正門場景如圖4所示。 圖4 學校正門場景3.3 校內(nèi)建筑舉例方肇周教學樓校內(nèi)建筑在虛擬校園中是比較重要的建模對象，特別是對相關教學樓的建模要比較細致。在我們的設計中，對教學樓外觀的建模要求較高，對于樓

11、外觀上標志性的對象進行了仔細的設計，讓熟悉校園的游覽者一眼就能認同這就是那幢教學樓。在教學樓的建模中應該做到以下幾點：由于這個系統(tǒng)虛擬的是一個現(xiàn)實存在的環(huán)境，為了取得較真實的效果，現(xiàn)實存在的樓在虛擬環(huán)境中都應該進行建模。為某一樓宇建模時，要盡可能的利用重用機制簡化程序代碼。這一方面可以減少工作量，另一方面可以減輕瀏覽器負擔，提高瀏覽速度。選擇校園中的典型樓宇作細化場景，其它樓可進行復制，或稍做修改。教學樓的建模是一個較復雜，較大的場景，需要將整個教學樓分割建模，例如：窗戶、單個房間、由多個房間構成的樓層、由多個樓層構成的大樓。在方肇周教學樓的建模中，由于教學樓的前后大部分是對稱的，因此我們可以

12、先對前面的部分進行建模，最后用rotation 節(jié)點旋轉(zhuǎn)，再進行修改。下面的代碼描述了模型插入和旋轉(zhuǎn)的運用：Group children Transform Translation -6.9 -8.2 -3 children DEF Part Inline bboxSize 5.0 8.0 2.0 bboxCenter 1.0 4.0 0.0 url "part.wrl" #這一段用于插入教學樓的一部分Transform Translation -6.9 -4.2 -3 children USE Part #對上面的建模重用 Transform Translation -3

13、.6 -0.2 -12 rotation 0 1 0 3.14 children USE Part #旋轉(zhuǎn) 方肇周教學樓建模的效果如圖5所示。圖5 方肇周教學樓建模3.4 植物在真實校園中，種植有大量景觀植物。這一點在構建虛擬校園時也應當加以考慮。以樹為例，在建模過程中可以遵循以下步驟： 節(jié)點使用Billboard，它有一項特殊的功能，就是使它的子節(jié)點永遠面向觀看者。Box 的設置是根據(jù)樹的高低來決定的，并且要使長方體基本沒有厚度。使用PhotoShop 生成和處理樹的紋理映像。首先將拍攝的樹的照片上除了樹以外的其它事物處理掉，最好樹葉間的空隙也能處理出來，使樹的最終效果更好；然后把圖像的背景

14、設置為背景透明；調(diào)整圖像的大小，將其存儲為GIF 文件格式。這是因為GIF 文件格式可以存儲一些背景顏色并將其轉(zhuǎn)換成透明性信息，而JEPG 和MEPG 不能存儲透明性信息。將處理好的樹的圖像映射到Box 節(jié)點上去。 樹的建模代碼具體如下：BillboardChildren Shapeappearance Appearancetexture ImageTextureurl”tree.gif” geometry Boxsize 2 5 0.00001下轉(zhuǎn)第104 頁因此，為了提高員工在網(wǎng)絡培訓中信息搜索效率，為員工舉辦的培訓既要包括專業(yè)培訓，也要包括信息技術的培訓；加強咨詢、提供更多員工與員工之間

15、、員工與技術人員之間、員工與管理者之間的溝通機會，等等。這些行為都會讓員工在學習過程中吸收更多的相關知識，同時得到更多的信息知識，逐漸培養(yǎng)信息鑒別、吸收能力，由此增加問題解決策略制定的有效性。4 結(jié)論知識的管理是一項復雜的管理活動。處于知識經(jīng)濟的社會環(huán)境下，企業(yè)主管信息化建設的領導者要開闊眼界和思路，在企業(yè)網(wǎng)絡培訓中不僅注重知識的傳播，還要更多地關注培養(yǎng)員工的信息處理能力；要明確信息搜尋的原則，對于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡培訓的知識、內(nèi)容、機制等方面進行全盤的考慮，在傳播信息的同時，不僅提高自身的信息素質(zhì)，同時提高企業(yè)整體的信息素質(zhì)，提高解決問題的能力，為實現(xiàn)知識型企業(yè)、實現(xiàn)知識與生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)企業(yè)利

16、用信息化技術高速進和發(fā)展的企業(yè)目標。參考文獻1 賈利軍. 基于網(wǎng)絡傳播的經(jīng)濟學分析北京理工大學學報：社會科學版-2006年2期:17-192 王甦 汪安圣. 認知心理學. 北京大學出版.2003 3 甘利人，高依曼. 科技用戶信息搜索行為特點初探情報學報，2005(1:26334 甘利人 李恒. 科技用戶信息搜尋過程中的問題解決機制解釋 情報學報 2006(8:441-4505 Lin Shin-jeng. Modeling and supporting multiple information seeking episodes over the Web, Ph.D. Rutgers The

17、State University of New Jersey - New Brunswick. 2001收稿日期：6月28日 修改日期：7月2日作者簡介：王志兵，系天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司干部；彭維系北京林業(yè)大學信息學院研究生，研究方向為認知模型在信息化中的應用。 上接第38頁 其建模的效果如圖6所示。 校園中的花草也可以通過類似方法實現(xiàn)。圖6 樹的建模3.5 場景組合當各部分場景構建完成后，即可使用行插入節(jié)點Inline 將這些場景組合成為一個完整的三維虛擬校園。Inline 節(jié)點有一個url 域，該域值指定了一個URL，這個URL 就是將要插入到VRML 世界中的文件位置。URL告訴了

18、VRML 瀏覽器如何能獲得這個文件，在哪里能找到這個文件以及這個文件的文件名。URL還可以指出該文件是在WEB 上還是在本機的硬盤中。在場景組合時，經(jīng)常需要調(diào)整個部分場景之間的物理位置和比例。下面的代碼將構建好的方肇周教學樓安置在虛擬校園中。Transform translation 0 0 -150 rotation 0 1 0 -1.396 children DEF JSJ Inline url"jsj.wrl" 最終構建完成的三維虛擬校園效果如圖7 所示。圖7 南通大學三維虛擬校園4 結(jié)束語VRML 提供了較為完善的節(jié)點來構建具有真實感的三維場景。使用VRML 構建的三維虛擬校園，可以供瀏覽者在網(wǎng)上進行參觀。瀏覽者在參觀時可以自由走動，而不是象一般的三維造型軟件那樣必須預先設定好一條參觀路徑。需要說明的是，目