畢業(yè)論文-基于x3d的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　基于X3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　【摘要】虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園中的具體應(yīng)用。虛擬校園可以再現(xiàn)真實(shí)的校園場(chǎng)景，可以使那些沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)地參觀(guān)的人獲得身臨其境的感受。還可以在此基礎(chǔ)上建立三維虛擬大學(xué)，提供相應(yīng)的網(wǎng)上教育等，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　本文較為全面地介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和X3D技術(shù)，對(duì)虛擬校園漫游系統(tǒng)所涉及的技

2、術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。本文以深圳大學(xué)為對(duì)象，以X3D技術(shù)為主，綜合運(yùn)用多種技術(shù)，設(shè)計(jì)了校園內(nèi)的多個(gè)場(chǎng)景，構(gòu)建了辦公樓、圖書(shū)館、科技樓等立體模型，經(jīng)過(guò)整體拼合，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬校園；漫游系統(tǒng)；場(chǎng)景設(shè)計(jì)；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(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)的進(jìn)步，人們對(duì)世界的探索越來(lái)越深入，人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)與了解已經(jīng)不再局限于表面，更多地的是對(duì)事物多方面的接觸與深入了解。然而，很多領(lǐng)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(shí)現(xiàn)人類(lèi)的主觀(guān)愿望，比如對(duì)沒(méi)有發(fā)生的事物的預(yù)測(cè)，未知結(jié)果的提前模擬等，也有對(duì)現(xiàn)有事物的可視化描述。這些社會(huì)的需求擺在我們眼前，迫切需要一個(gè)能解決上

4、述問(wèn)題的有效工具，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正是在這樣的背景下誕生的[1]。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，人們就對(duì)它產(chǎn)生了濃厚的興趣。近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但已開(kāi)始在軍事、醫(yī)學(xué)、教育、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且還給社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有關(guān)人士認(rèn)為：20世紀(jì)80年代是個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，90年代是網(wǎng)絡(luò)、多媒體的時(shí)代，而21世紀(jì)初則將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時(shí)代。</p>

5、<p>　　虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用。它是將現(xiàn)實(shí)中學(xué)校的教學(xué)環(huán)境和校園的三維景觀(guān)利用先進(jìn)的技術(shù)在計(jì)算機(jī)中虛擬的再現(xiàn)出來(lái)。虛擬校園不僅能夠構(gòu)建一個(gè)全三維的逼真的校園環(huán)境，還能夠掛到校園網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)程用戶(hù)下載或者直接參看。有了虛擬校園，學(xué)校的對(duì)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(guān)的將學(xué)校的情況展現(xiàn)在用戶(hù)的眼前[2]。</p><p>　　虛擬校園技術(shù)對(duì)大學(xué)的對(duì)

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(tái)建設(shè)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(guān)的了解校園；方便師生盡快的熟悉校園生活；有利于樹(shù)立學(xué)校形象、提高學(xué)校知名度，吸引更多生源；是校園文化，校容校貌的展示平臺(tái)、是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。</p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實(shí)研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.2.1 國(guó)

7、外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　美國(guó)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的發(fā)源地，其研究水平基本就代表國(guó)際虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的水平。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)在美國(guó)航空航天和軍事領(lǐng)域的若干成功應(yīng)用獲得了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促使美國(guó)進(jìn)一步加大對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的支持力度。</p><p>　　在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)在武器系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)、操縱訓(xùn)練和大規(guī)模軍事演習(xí)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(jì)效益。美國(guó)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(lǐng)先地位。</p><p>　　在航天領(lǐng)域，美國(guó)宇航局（NASA）已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且建立了可供全國(guó)使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來(lái)納大學(xué)（UNC）是進(jìn)行VR研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真和建筑仿真等。</p><

9、p>　　在歐洲，英國(guó)在VR開(kāi)發(fā)的某些方面，特別是分布并行處理、輔助設(shè)備（包括觸覺(jué)反饋）設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究方面是領(lǐng)先的。英國(guó)Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的焦點(diǎn)應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，在軟件和硬件的某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國(guó)ARRL公司關(guān)于遠(yuǎn)地呈現(xiàn)的研究實(shí)驗(yàn)，主要包括VR重構(gòu)問(wèn)題，其產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)可視化計(jì)算。</p><p>　　日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)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(shí)庫(kù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面取得了很大的成就[3]。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。但是近十年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，?guó)家科委、國(guó)防科工委都已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和高校也都在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用，并取得了一些不錯(cuò)的研究成果

11、[3]。</p><p>　　如：北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研究室集成的分布式虛擬環(huán)境；清華大學(xué)國(guó)家光盤(pán)工程研究中心所做的“布達(dá)拉宮”，實(shí)現(xiàn)了大全景虛擬現(xiàn)實(shí)；浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院軟件所、上海交通大學(xué)等單位也進(jìn)行了交通領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)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(shí)現(xiàn)方法主要分為兩類(lèi)：</p><p>　　1.基于圖形軟件的開(kāi)發(fā)</p><p>　　基于圖形軟件的開(kāi)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?lái)開(kāi)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(diǎn)在于開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、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(huì)最具代表性的三種新技術(shù)是多媒體、Internet 和虛擬現(xiàn)實(shí)，而這三種新技術(shù)的交叉點(diǎn)是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言[6]（virtual reali

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

15、/p><p>　　基于 X3D 技術(shù)構(gòu)建的方法與第一種方法比較，雖然在真實(shí)感、實(shí)時(shí)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(diǎn)[8]:</p><p>　?。?）簡(jiǎn)單易學(xué)、開(kāi)發(fā)周期短、投資少收獲多。</p><p>　?。?）X3D 文件短小精悍，構(gòu)造的是動(dòng)態(tài)的虛擬場(chǎng)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(yǔ)言范圍的特性。且具有良好

16、的跨平臺(tái)性，能夠輕易地實(shí)現(xiàn) Internet 上的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。</p><p>　?。?）通過(guò)與 JavaScript 等腳本語(yǔ)言和 Java 語(yǔ)言容易實(shí)現(xiàn) GIS 查詢(xún)分析功能。結(jié)合建立深圳大學(xué)虛擬校園的實(shí)際情況，考慮目前的技術(shù)條件、時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)條件等綜合因素，本系統(tǒng)使用了基于X3D的方法實(shí)現(xiàn)虛擬校園的構(gòu)建。</p><p><b>　　本文研究?jī)?nèi)容</b></

17、p><p>　　本文主要研究建設(shè)虛擬校園的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬校園的設(shè)計(jì)、三維建模，場(chǎng)景構(gòu)建等功能。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于X3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)。</p><p>　　本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1．X3D虛擬校園開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)</p><p>　　X3D虛擬校園開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循軟件工程的思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。從立項(xiàng)

18、、可行性分析，到需求分析，到總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，一直到編碼測(cè)試以及運(yùn)行維護(hù)等主要環(huán)節(jié)。</p><p>　　2．X3D幾何節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)</p><p>　　利用X3D幾何節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)虛擬校園，提高虛擬校園信息資源場(chǎng)景瀏覽速度，使瀏覽者在虛擬現(xiàn)實(shí)世界里體驗(yàn)虛擬校園所帶來(lái)的樂(lè)趣以及身臨其境的感覺(jué)。</p><p>　　利用X3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)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(diǎn)開(kāi)發(fā)虛擬校園中的造型和場(chǎng)景，可以提高開(kāi)發(fā)效率。</p><p>　　3．X3D虛擬現(xiàn)實(shí)建筑設(shè)計(jì)</p><p>　　X3D虛擬現(xiàn)實(shí)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)是由土地規(guī)劃、公路街道設(shè)計(jì)、各種建筑設(shè)計(jì)以及校園綠化設(shè)計(jì)組成。在總體框架設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，根據(jù)需求分析做進(jìn)一步調(diào)整、改進(jìn)和完善，最終達(dá)到要求，完成整個(gè)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)要求。土地規(guī)劃、公路街道設(shè)計(jì)、各種、建筑設(shè)

20、計(jì)和綠化設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶(hù)需求畫(huà)出草圖，再根據(jù)草圖繪制出計(jì)算機(jī)軟件層次結(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)圖畫(huà)出流程圖。</p><p>　　4. X3D虛擬校園整體設(shè)計(jì)</p><p>　　X3D虛擬校園整體設(shè)計(jì)采用深圳大學(xué)的真實(shí)校園為背景，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完整的體現(xiàn)真實(shí)校園的校容校貌。按照以下兩點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：</p><p>　?、?按照學(xué)校的實(shí)際情況進(jìn)行虛擬建模，勾勒出學(xué)校的真實(shí)

21、場(chǎng)景和自然風(fēng)貌。建立起包括：學(xué)校大門(mén)、辦公樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館、體育館、游泳館、田徑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、學(xué)生宿舍、花草樹(shù)木等對(duì)象。</p><p>　?、?為了增強(qiáng)真實(shí)的校園氣氛，可以加入汽車(chē)、行人、學(xué)生等人流。</p><p>　　最后使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行編碼和調(diào)試，作出合格的項(xiàng)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(jiǎn)要的介紹了論文的的研究背景、研究目的和研究意義，簡(jiǎn)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(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念、發(fā)展和現(xiàn)狀、虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于完成本系統(tǒng)所需要的X3D和相關(guān)的知識(shí)做了詳盡的介紹。</p>

23、<p>　　第三章為總體設(shè)計(jì)。對(duì)虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。討論了虛擬校園漫游系統(tǒng)的需求分析。對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程等進(jìn)行了闡述。</p><p>　　第四章為虛擬校園場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這一部分是虛擬校園漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐部分，整章針對(duì)校園場(chǎng)景中不同類(lèi)型的對(duì)象場(chǎng)景提出了多種建設(shè)思路，從效率和效果兩方面考慮，為每個(gè)對(duì)象選擇最優(yōu)的構(gòu)建方法。最終實(shí)現(xiàn)了可以為用戶(hù)提供漫游平臺(tái)的虛

24、擬校園場(chǎng)景，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)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(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并提出了進(jìn)一步的研究和改進(jìn)方案。</p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念</b></p><p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，

25、又稱(chēng)“靈境技術(shù)”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等，原來(lái)是美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)研究出來(lái)的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，其主要目的是用于軍事上的仿真，在美國(guó)軍方內(nèi)部使用。一直到20世紀(jì)80年代末期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)才開(kāi)始作為一個(gè)較完整的體系受到人們極大地關(guān)注。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)以來(lái)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)晶，集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、人體工程學(xué)、人機(jī)交互理論、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的最新成

26、果。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，利用計(jì)算機(jī)和一些特殊的輸入/輸出設(shè)備來(lái)營(yíng)造出一個(gè)多感官的三維虛擬世界。在這個(gè)虛擬世界中，人與虛擬世界可以進(jìn)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(shí)的定義</b></p><p>　　關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義，目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是一種先進(jìn)的人機(jī)交互方式。在這種情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被稱(chēng)為“基于自然的人機(jī)接口”，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶(hù)看到的是彩色的、立體的、隨視點(diǎn)不同而變化的景象，聽(tīng)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(lái)的作用力，由此使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。</p><p>　　所謂廣義的定義，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)虛擬想象（三維可視化）或真實(shí)的、多感官的三維虛擬世界的模擬

28、。它不僅僅是一種人機(jī)交互的接口，更主要的是對(duì)虛擬世界內(nèi)部的模擬。人機(jī)交互接口采用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式，對(duì)某個(gè)特定環(huán)境真實(shí)再現(xiàn)后，用戶(hù)通過(guò)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(jìn)行交流，使用戶(hù)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)[9]。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征</p><p>　　從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶(hù)接口，它通過(guò)給用戶(hù)同時(shí)提供諸如視、聽(tīng)、

29、觸等各種直觀(guān)而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段、最大限度地方便用戶(hù)的操作，從而減輕用戶(hù)的負(fù)擔(dān)、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。美國(guó)科學(xué)家BurdeaG.，Coiffet曾在Electro93國(guó)際會(huì)議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Applications”一文中，提出一個(gè)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形”，它簡(jiǎn)明地表示了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的三個(gè)最突出特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和構(gòu)想性（Im

30、agination），也就是人們俗稱(chēng)的3個(gè)“I”特性，如圖1所示[10]。</p><p>　　交互性（Interactivity）</p><p>　　沉浸感（Immersion）構(gòu)想性（Imagination）</p><p>　　圖1 3個(gè)“I”特性圖 </p><p>　　1.交互性 指參與者對(duì)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(zhuān)用的三維交互設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），它們使人類(lèi)能夠利用自然技能，如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對(duì)象發(fā)生交互關(guān)系。</p><p>　　2.沉浸感 用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。它包括如下內(nèi)容。</p><p>　?。?）多感知性。它除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸

32、覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)的限制，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等幾種，無(wú)論感知范圍還是感知的精確程度都尚無(wú)法與人相比擬。</p><p>　　（2）自主性。它是指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。例如，當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)或翻倒，或從高處跌落到地面等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的四大特征使

33、得我們不難將VR與相關(guān)技術(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，如仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)及多媒體技術(shù)。</p><p>　　3.構(gòu)想性 人類(lèi)在許多領(lǐng)域都面臨著越來(lái)越多前所未有而又必須解決和突破的問(wèn)題。例如，載人航天、核試驗(yàn)、核反應(yīng)堆維護(hù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、醫(yī)療手術(shù)的模擬與訓(xùn)練等。借助于VR技術(shù)，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(rèn)識(shí)，進(jìn)而使人能深化概念，產(chǎn)生新意和構(gòu)想[10]。</p><p&g

34、t;<b>　　虛擬現(xiàn)技術(shù)的組成</b></p><p>　　一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括5大組成部分：虛擬世界、計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)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(gòu)筑、動(dòng)力學(xué)特征、物理約束、照明及碰撞檢測(cè)等；計(jì)算機(jī)環(huán)境涉及處理器配置、I/O通道及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等；虛擬現(xiàn)實(shí)軟件負(fù)責(zé)提供實(shí)時(shí)構(gòu)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(shè)備則用于觀(guān)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(jué)反饋等[10]。</p><p>　　圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一般構(gòu)成</p><p>　　構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本手段和目標(biāo)就是利用并集成高性能計(jì)算機(jī)軟硬件及各類(lèi)先進(jìn)的傳感器，去創(chuàng)建一個(gè)使參與者處于一個(gè)身臨其境的沉浸感，具有完美交互能力和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境。</p><p>　　1.硬件方面。需

36、要以下設(shè)備。</p><p>　　（1）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(jué)系統(tǒng)：提供力與壓力的反饋。</p><p>　　（3）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(jué)圖像和立體顯示。</p><p>　?。?）高性能的計(jì)算

37、機(jī)處理系統(tǒng)：具有高處理速度、大存儲(chǔ)量、強(qiáng)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(gè)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(yīng)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>　　（2）能生成立體的現(xiàn)實(shí)圖形。</p><p>

38、;　?。?）能把各種數(shù)據(jù)庫(kù)（如地圖地貌數(shù)據(jù)庫(kù)、物體形象數(shù)據(jù)庫(kù)等）、各種CAD軟件進(jìn)行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。</p><p>　　2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　2.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多種技術(shù)的飛速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)跟其他技術(shù)一樣，由于技術(shù)的要求和市場(chǎng)的需求也隨即發(fā)展起來(lái)。在這個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程中

39、，主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：</p><p>　　1. 20世紀(jì)50年代-70年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索階段</p><p>　　1956年，在全息電影技術(shù)的啟發(fā)下，美國(guó)電影攝影師Morton Heiling開(kāi)發(fā)了Sensorama。Sensorama是一個(gè)多通道體驗(yàn)的顯示系統(tǒng)。用戶(hù)可以感知到事先錄好的體驗(yàn)，包括景觀(guān)、聲音和氣味等。</p><p>　　1965年，計(jì)算

40、機(jī)圖形學(xué)的奠基者美國(guó)科學(xué)家Ivan Sutherland博士在國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)大會(huì)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(shù)，即不通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕這個(gè)窗口來(lái)觀(guān)看計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，而是是觀(guān)察者直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中，就像生活在客觀(guān)世界中。隨著觀(guān)察者隨意轉(zhuǎn)動(dòng)頭部與身體，其所看到的場(chǎng)景就會(huì)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(jìn)行交互，虛擬世界

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

42、線(xiàn)管（CRT）和光學(xué)器件，為每只眼鏡顯示獨(dú)立的圖像，并提供與機(jī)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(jī)和其他輸入設(shè)備創(chuàng)建了一個(gè)由參與者動(dòng)作控制的虛擬世界。</p><p>　　2. 20世紀(jì)80年代初期—中期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)化，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱秒A段</p><p>　　20世紀(jì)8

43、0年代，美國(guó)的VPL公司創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一詞。當(dāng)時(shí)，研究此項(xiàng)技術(shù)的目的是提供一種比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬更好的方法。</p><p>　　1984年，美國(guó)宇航局NASA研究中心虛擬行星探測(cè)試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬世界視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造火星表面的三維虛擬世界。</p><p>　　3. 20世紀(jì)

44、80年代末至今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高速發(fā)展的階段</p><p>　　1996年10月31日，世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦開(kāi)幕。全世界人們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)坐在家中參觀(guān)這個(gè)沒(méi)有場(chǎng)地，沒(méi)有工作人員，沒(méi)有真實(shí)展品的虛擬博覽會(huì)。</p><p>　　1996年12月，世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)行。這樣，互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)便可以在一個(gè)由立體虛擬現(xiàn)實(shí)世界組成的網(wǎng)絡(luò)中遨游，身臨其境般地欣賞各地風(fēng)光、

45、參觀(guān)博覽會(huì)和在大學(xué)課堂中聽(tīng)講座等。</p><p>　　目前，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)極大地推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，使基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為可能，人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，很多新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地出現(xiàn)在市場(chǎng)上，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)[3]。</p><p>　　2.2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用</p>

46、<p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，目前在軍事應(yīng)用、城市仿真、教育與培訓(xùn)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和藝術(shù)與娛樂(lè)中有著較高的應(yīng)用[10]。</p><p><b>　　軍事應(yīng)用</b></p><p>　　VR技術(shù)的發(fā)展源于航天和軍事部門(mén)。VR的最新技術(shù)成果往往被率先應(yīng)用于航天和軍事領(lǐng)域。VR技術(shù)將為武器裝備確定需求、設(shè)計(jì)、制作樣機(jī)。為部隊(duì)的模擬訓(xùn)練、戰(zhàn)備，

47、為制定合成作戰(zhàn)條令，為戰(zhàn)后評(píng)估及戰(zhàn)史分析等幾乎全部軍事活動(dòng)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(chǎng)順利地過(guò)渡到真實(shí)武器與戰(zhàn)場(chǎng)，VR技術(shù)對(duì)各種軍事活動(dòng)的影響將是極為深遠(yuǎn)的，有著極為廣泛的軍事應(yīng)用前景。</p><p><b>　　城市仿真</b></p><p>　　由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對(duì)全新的可視化技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一

48、。從總體規(guī)劃到城市設(shè)計(jì)，在規(guī)劃的各個(gè)階段，通過(guò)現(xiàn)狀和未來(lái)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(fēng)格提供了強(qiáng)有力的支持。VR技術(shù)能夠使政府規(guī)劃部門(mén)、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商、工程人員及公眾從任意角度，實(shí)時(shí)互動(dòng)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(dá)到的。</p><p><b>　　教育與培訓(xùn)</b></p><p>　　針對(duì)教育事業(yè)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將三

49、維空間的意念清楚地表示出來(lái)，能使學(xué)習(xí)者直接、自然地與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象進(jìn)行交互作用，并通過(guò)多種形式參與到事件的發(fā)展變化過(guò)程中去。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最直觀(guān)、最有效的方式掌握一門(mén)新知識(shí)、新技能提供前所未有的新途徑。</p><p><b>　　4. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用</b></p><p>　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義

50、。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用范圍包括建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模擬，進(jìn)行模擬人體解剖和外科手術(shù)培訓(xùn)等。如通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)前，先用外科手術(shù)仿真器模擬出手術(shù)臺(tái)和虛擬的病人人體，醫(yī)生用帶有跟蹤器的手術(shù)器械演練。根據(jù)演練結(jié)果，醫(yī)生可制定出最佳手術(shù)方案。</p><p><b>　　藝術(shù)與娛樂(lè)</b></p&

51、gt;<p>　　豐富的感覺(jué)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(lè)方面對(duì)VR的真實(shí)感要求不是太高，故近幾年來(lái)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(lái)藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可低估。VR所具有的臨場(chǎng)參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的，可以使觀(guān)賞者更好地欣賞作品。</p><p>　　2.3 X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)</p>&l

52、t;p>　　2.3.1 X3D簡(jiǎn)介</p><p>　　VRML 組織于 1998 年改名為 Web3D 聯(lián)盟，并開(kāi)始著手制訂了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)：2002年 8 月，Web3D 聯(lián)盟發(fā)布了 VRML97 的升級(jí)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(gè)輕型的、可擴(kuò)展的內(nèi)核之中，并實(shí)現(xiàn)了 VRML 的全部功

53、能[14]。</p><p>　　X3D 在 VRML 的基礎(chǔ)上提出了新的特性，2004 年 8 月，X3D 規(guī)范通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的審批，成為新一代的 Web3D 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。X3D 的主要特性有以下幾點(diǎn)：</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(qiáng) X3D 的可移植性，有利于對(duì)數(shù)據(jù)歸檔和移植，有效延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)信息的生命周期。同時(shí)，XML 編碼可以讓 X3D 的開(kāi)發(fā)、播放都變得更加簡(jiǎn)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(yùn)作場(chǎng)景和環(huán)境的 X3D 行為規(guī)范，保證了 X3D場(chǎng)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(kuò)展內(nèi)核。VRML97 是相對(duì)龐大的標(biāo)準(zhǔn)，完全實(shí)現(xiàn)是比較復(fù)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(shí)現(xiàn) X3D，減少實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，因而改善了執(zhí)行過(guò)程的可維護(hù)性。</p><p><b>　　4. 可移植性<

56、/b></p><p>　　允許在計(jì)算機(jī)以外的設(shè)備上使用 X3D。</p><p>　　2.3.2 X3D的組成</p><p>　　X3D整體結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分:內(nèi)核(核心特性集),VRML97特性集,應(yīng)用程序接口和擴(kuò)展集。如圖3所示。特性集是VRML元素的一個(gè)子集,是滿(mǎn)足特定用戶(hù)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(guān)鍵的特性,形成核心構(gòu)件,并將其封裝在一個(gè)小型的、可擴(kuò)展的內(nèi)核。規(guī)范規(guī)定內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的大小應(yīng)在Flash和Realplyaer之間,可被用戶(hù)快速下載,運(yùn)行時(shí)占用很少的系統(tǒng)資源,當(dāng)前的核心特性集已確定只實(shí)現(xiàn)VRML97的54個(gè)節(jié)點(diǎn)中的23個(gè)節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　2.VRML97特性集:實(shí)現(xiàn)內(nèi)核以外的VRML97元素"VRML97的節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為可插拔的構(gòu)件,通過(guò)擴(kuò)展

58、內(nèi)核,完整的實(shí)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(yīng)用兼容。</p><p>　　3.應(yīng)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(duì)象模型(Document Object Model簡(jiǎn)稱(chēng)DOM)自動(dòng)為X3D提供了一組API,外部應(yīng)用程序可以通過(guò)DOM訪(fǎng)問(wèn)X3D文件。</p><p>　　4.擴(kuò)展集:通過(guò)在內(nèi)核之上進(jìn)行特性集擴(kuò)展

59、,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的或是用戶(hù)自定義的功能。用戶(hù)可以在內(nèi)核之上建立一個(gè)完整的VRML97特性集"也可以添加其它的擴(kuò)展,如NURBS擴(kuò)展,二進(jìn)制文件格式擴(kuò)展等。通過(guò)擴(kuò)展還可以利用VRML97規(guī)范中未定義的新的硬件渲染技術(shù)。構(gòu)件化的設(shè)計(jì)為X3D的內(nèi)核提供了一種插件機(jī)制,允許擴(kuò)展功能被實(shí)時(shí)的加入到運(yùn)行內(nèi)核。</p><p><b>　　圖3 X3D的組成</b></p><p&

60、gt;　　2.3.3 X3D的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　X3D 的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是 XML 文檔和組件思想。</p><p><b>　　1．XML 文檔</b></p><p>　　可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(Extensible Markup Language，簡(jiǎn)稱(chēng) XML)是萬(wàn)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(biāo)記語(yǔ)言)。但與 HTML 不同，XML 是一種元標(biāo)記語(yǔ)言，可以依據(jù)用戶(hù)的需求，自行定義標(biāo)簽及屬性名，從而突破了 HTML 固定標(biāo)記集合的約束，具有自描述性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)[16]。</p><p><b>　　2. 組件思想</b></p><p>　　組件思想來(lái)源于面向?qū)ο罄碚??；诿?/p>

62、向?qū)ο蟮乃枷氲奶攸c(diǎn)，以及傳統(tǒng) VRML 的不易擴(kuò)展性在最新的X3D規(guī)范中，使用了組件思想對(duì)X3D規(guī)范進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以增強(qiáng)與其他編程語(yǔ)言的交互。依據(jù)開(kāi)發(fā)人員的需求，通過(guò)調(diào)用模塊動(dòng)態(tài)的將有用的底層摸塊裝配成應(yīng)用處理。使用組件模型的好處有以下幾點(diǎn)[17]:</p><p>　?。?）精巧的內(nèi)核。就實(shí)現(xiàn)而言，VRML97 是一個(gè)龐大而復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)將 VRML精簡(jiǎn)為一個(gè)小的核心功能集合，減少了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且增強(qiáng)了軟件的

63、可維護(hù)性。同時(shí)，精巧的內(nèi)核可以方便用戶(hù)，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)用戶(hù)都需要那些復(fù)雜的擴(kuò)展，如果不加分辨的將這些復(fù)雜的應(yīng)用集成上去，無(wú)疑會(huì)增加用戶(hù)端的大小，所以只為用戶(hù)提供簡(jiǎn)單的內(nèi)核，擴(kuò)展依照用戶(hù)的需求自行加入。</p><p>　　（2）擴(kuò)展能力。借助擴(kuò)展集和特性集的概念，開(kāi)發(fā)者可以在內(nèi)核上添加新的擴(kuò)展集，也可擴(kuò)展新的特性。這樣就可以依據(jù)不同的需求，定制不同的應(yīng)用。</p><p>　?。?）減少了

64、對(duì)資源的占用。一個(gè)小型但可擴(kuò)展的瀏覽器為用戶(hù)節(jié)省不必要的資源開(kāi)支將會(huì)大大地方便用戶(hù)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(gòu)</p><p>　　X3D文件架構(gòu)包含文件結(jié)構(gòu)、文件頭、文件體及注釋等內(nèi)容。X3D文件結(jié)構(gòu)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(shuō)明及場(chǎng)景等。在場(chǎng)景中利用基本幾何造型造型節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn)、紋理節(jié)點(diǎn)、效果節(jié)點(diǎn)、組件節(jié)點(diǎn)、人性化節(jié)點(diǎn)及動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)等創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體場(chǎng)景。在編寫(xiě)X3D文件、節(jié)點(diǎn)和域時(shí)，特別要注意大小寫(xiě)，X3D語(yǔ)言對(duì)大小寫(xiě)是敏感的[18]。</p><p>　　X3D文件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 X3D文件結(jié)構(gòu)圖</p>

66、<p>　　X3D文件語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是由X3D文件頭、主程序概貌（頭文檔和場(chǎng)景）組成，其中，頭文檔又包含組件和元數(shù)據(jù)；場(chǎng)景主體涵蓋X3D所有節(jié)點(diǎn)。X3D文件頭是序碼部分，是X3D文件必須書(shū)寫(xiě)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(shuō)明，概貌中的場(chǎng)景主體描述是對(duì)X3D文件三位立體場(chǎng)景中的自然景觀(guān)、人文環(huán)境、建筑造型、街道等創(chuàng)建和編碼過(guò)程。</p>

67、<p>　　2.3.5 X3D場(chǎng)景</p><p>　　X3D 使用場(chǎng)景圖（Scene Graph）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立 3D 虛擬境界, 虛擬境界由對(duì)象構(gòu)成，而對(duì)象及其屬性用節(jié)點(diǎn)描述，節(jié)點(diǎn)是 X3D 的基本單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由類(lèi)型、域、事件、實(shí)現(xiàn)、名字組成，X3D 文件包含包括零個(gè)或多個(gè)根節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)則構(gòu)成場(chǎng)景圖（Scene graph）[19]。</p><p>　　X3D節(jié)

68、點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)：場(chǎng)景（Scene）根節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)。以場(chǎng)景作為三維立體場(chǎng)景的根節(jié)點(diǎn)，以此增加節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)以創(chuàng)建種復(fù)雜的三維立體場(chǎng)景。在每個(gè)X3D文件中只允許有一個(gè)場(chǎng)景根節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上在增加需要的節(jié)點(diǎn)造型。</p><p>　　在一個(gè)嵌套節(jié)點(diǎn)中，最頂層節(jié)點(diǎn)就是根節(jié)點(diǎn)，由它派生整個(gè)場(chǎng)景的全部節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)派生出來(lái)的，再由父節(jié)點(diǎn)派生子節(jié)點(diǎn)，循環(huán)下去直至全部場(chǎng)景。例如：在場(chǎng)景根節(jié)點(diǎn)下，創(chuàng)建一個(gè)模型節(jié)點(diǎn)（shap

69、e節(jié)點(diǎn)），此節(jié)點(diǎn)成為父節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)又包含兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，分別為Appearance節(jié)點(diǎn)和Geometry節(jié)點(diǎn)，在Geometry節(jié)點(diǎn)下又包含一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)（Sphere節(jié)點(diǎn)），完成三維立體空間整體造型。X3D場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)如圖6所示：</p><p><b>　　根節(jié)點(diǎn)</b></p><p><b>　　父節(jié)點(diǎn)</b></p><

70、p>　　Geometry節(jié)點(diǎn)</p><p><b>　　子節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　圖6 X3D根節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)X3D語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的要求，除根節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)之間可以并列或?qū)訉忧短资褂?。不同作用的?jié)點(diǎn)有著不同語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，父節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)中又包含子節(jié)點(diǎn)等。</p><p&

71、gt;　　2.3.6 X3D常用節(jié)點(diǎn)</p><p>　　在虛擬現(xiàn)實(shí)中，節(jié)點(diǎn)是 X3D 核心所在，可以說(shuō)如果沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，就沒(méi)有 X3D，所以 X3D 的節(jié)點(diǎn)起著重要作用。學(xué)好 X3D 的節(jié)點(diǎn)，也就學(xué)好 X3D。以下是 X3D中常用的節(jié)點(diǎn)[18]。</p><p><b>　　1.基本2D節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　X3D 支持點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)是

72、PointSet，它可以包含 Color 和 Coordinate 節(jié)點(diǎn)。Color 節(jié)點(diǎn)是用來(lái)構(gòu)造顏色值的索引表用于指定對(duì)應(yīng)點(diǎn)或?qū)ο蟮念伾?，Coordinate 節(jié)點(diǎn)是用來(lái)構(gòu)造坐標(biāo)的列表。</p><p>　　繪制直線(xiàn)是采用 IndexedLineSet 節(jié)點(diǎn)，它可以包含 Color 和 Coordinate 子節(jié)點(diǎn)。IndexedLineSet 節(jié)點(diǎn)屬性中，coordIndex 屬性用來(lái)指定直線(xiàn)端點(diǎn)在Coor

73、dinate子節(jié)點(diǎn)的索引號(hào)(0表示第一個(gè)點(diǎn))，每條直線(xiàn)索引值3個(gè)數(shù)組成，前兩個(gè)是點(diǎn)的索引號(hào)，第三個(gè)是-1。</p><p>　　Rectangle2D 幾何節(jié)點(diǎn)用來(lái)指定一個(gè)平面矩形。Arc2D、ArcClose2D、Circle2D 和 Disk2D節(jié)點(diǎn)分別用來(lái)繪制圓弧、封閉圓弧、圓和環(huán)。</p><p><b>　　2.基本3D節(jié)點(diǎn)</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(diǎn)。</p><p>　　Box 節(jié)點(diǎn)的主要屬性是 size，用來(lái)確定長(zhǎng)度(x 方向)、高度(y 方向)和寬度(z)方向的大小。</p><p>　　Cylinder 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的主要屬性是 radius，用來(lái)確定球體的半徑。</p><p><b>　　3.復(fù)雜節(jié)點(diǎn)</b>&l

76、t;/p><p>　　利用X3D的幾何2D和幾何3D節(jié)點(diǎn)，可以創(chuàng)建出一些簡(jiǎn)單的幾何造型。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)空間的內(nèi)容是豐富多彩的，僅有一些簡(jiǎn)單造型不能滿(mǎn)足X3D設(shè)計(jì)需要，因此需要?jiǎng)?chuàng)建出更加復(fù)雜多變的場(chǎng)景和造型以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。</p><p>　　X3D復(fù)雜幾何造型節(jié)點(diǎn)涵蓋PointSet（點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)、IndexedLineSet（線(xiàn)）節(jié)點(diǎn)、IndexedFaceSet（面）節(jié)點(diǎn)、ElevationGr

77、id（海拔柵格）節(jié)點(diǎn)及Extrusion（擠出造型）節(jié)點(diǎn)等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　ElevationGrid節(jié)點(diǎn)先將某一個(gè)地表區(qū)域分割成很多網(wǎng)格，定義網(wǎng)格的個(gè)數(shù)，再定義網(wǎng)格的長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)可以創(chuàng)建出用戶(hù)需要的所有立體空間造型，是X3D文件中

78、最重要、最復(fù)雜、也是最有用的節(jié)點(diǎn)。Extrusion用以創(chuàng)建出造型，創(chuàng)建擠出造型過(guò)程類(lèi)似于在工業(yè)生產(chǎn)中加工材料的流體通過(guò)一個(gè)金屬板的模型孔，按照模型孔的設(shè)計(jì)，擠壓成為一個(gè)新的造型，這個(gè)過(guò)程就是擠出。Extrusion節(jié)點(diǎn)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(xiàn)，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(jiàn)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(jiàn)幾種斷面（x-z）形狀</p><p><b>　　4.視點(diǎn)效果節(jié)點(diǎn)</b><

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

81、 場(chǎng)景空間中，每一個(gè)造型都有其空間坐標(biāo)，通過(guò)修改空間坐標(biāo)系就可以使該造</p><p>　　型在場(chǎng)景空間中移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等。X3D 提供 Transform 節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行造型的大小變換，位置變化。</p><p><b>　　6.組節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　利用X3D組節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以創(chuàng)建X3D立體空間的復(fù)雜造型，可以將所有節(jié)點(diǎn)包含其中，看

82、作一個(gè)整體對(duì)象造型。在組節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)可以是基本節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)或者組節(jié)點(diǎn)本身。組節(jié)點(diǎn)的種類(lèi)有很多，如Group（編組）節(jié)點(diǎn)、Inline（內(nèi)聯(lián)）節(jié)點(diǎn)、Billboard（廣告、警示牌）節(jié)點(diǎn)及LOD（細(xì)節(jié)層次）節(jié)點(diǎn)等。</p><p>　　Group節(jié)點(diǎn)用來(lái)編組各種幾何造型，并將其作為一個(gè)整體造型來(lái)看待。Group節(jié)點(diǎn)是將多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合創(chuàng)建較復(fù)雜的立體空間造型。如果利用DEF（重定義節(jié)點(diǎn)名）為Group節(jié)點(diǎn)命名，則可以

83、使用USE（重用節(jié)點(diǎn)）在相同文件中重復(fù)使用這一節(jié)點(diǎn)，從而增強(qiáng)程序設(shè)計(jì)的可重用性和靈活性。</p><p>　　Inline節(jié)點(diǎn)可以使X3D程序設(shè)計(jì)模塊化。由基本X3D程序模塊組成復(fù)雜和龐大的X3D立體空間靜態(tài)或動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。Inline節(jié)點(diǎn)還可以從其他網(wǎng)站中引入X3D文件（程序），可以實(shí)現(xiàn)分工協(xié)作。在X3D程序設(shè)計(jì)中，編寫(xiě)X3D程序時(shí)，由于創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)造型復(fù)雜，使X3D源程序過(guò)大或過(guò)長(zhǎng)，給程序編寫(xiě)和調(diào)試帶來(lái)諸多的不變，

84、因此需要將一個(gè)很大的X3D源程序拆分成幾個(gè)小程序。這就是軟件工程的設(shè)計(jì)思想，采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、層次化的程序設(shè)計(jì)方法，提高軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)出層次清晰，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理的軟件項(xiàng)目。</p><p>　　Billboard節(jié)點(diǎn)可以在世界坐標(biāo)系下創(chuàng)建一個(gè)局部坐標(biāo)系，選定一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的虛擬對(duì)象的正面會(huì)永遠(yuǎn)自動(dòng)地面對(duì)觀(guān)眾，而不管觀(guān)察者如何行走或旋轉(zhuǎn)。在X3D場(chǎng)景中，可以用來(lái)給單位、公司做廣告宣傳，路

85、標(biāo)指示、張貼海報(bào)等。</p><p><b>　　7.紋理繪制節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　X3D紋理繪制節(jié)點(diǎn)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(guò)程稱(chēng)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(shí)感，紋理圖的使用能增強(qiáng)視覺(jué)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(diǎn)，如ImageTexture（圖像紋理）節(jié)點(diǎn)、Image3DTexture（三維圖像紋理）節(jié)點(diǎn)、PixelTexture（像素紋理）節(jié)點(diǎn)和MovieTexture（電影紋理）節(jié)點(diǎn)。</p><p><b>　　8.動(dòng)畫(huà)節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　?。?）時(shí)間觸發(fā)器 TimeSensor</p><p>　　觸

87、發(fā)器或者叫做傳感器，是用來(lái)產(chǎn)生不同類(lèi)型的事件。時(shí)間觸發(fā)器 TimeSensor 是根據(jù)時(shí)間來(lái)不斷產(chǎn)生事件，它有許多屬性，通常把用于輸入的屬性稱(chēng)為域，或稱(chēng)為輸入事件，而把輸出的屬性稱(chēng)為產(chǎn)生的事件，或稱(chēng)為輸出事件。</p><p><b>　　（2）插值器</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)按生成的方法可以分為逐幀動(dòng)畫(huà)、關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)和造型動(dòng)畫(huà)等幾大類(lèi)。在關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)中

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

89、節(jié)點(diǎn)(ScalarInterpolator)。除此之處，X3D 還提供比較專(zhuān)業(yè)的插值器，如 NURBS 曲線(xiàn)系列插值器等。</p><p><b>　?。?）事件</b></p><p>　　事件(Events)是在 X3D 運(yùn)行時(shí)環(huán)境中產(chǎn)生行為的主要方法，這種方法用來(lái)改變域的輸入值或接受域的輸出值，分別又稱(chēng)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>　?。?） 路由</b></p><p>　　路由(Route)聲明允許我們?cè)诎岩粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出事件連接到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入事件上，這樣可以執(zhí)行復(fù)雜的行為，而不需要使用程序命令。在路由中，一個(gè)輸出事件發(fā)生，相應(yīng)目的的輸入事件就會(huì)接受到通知，同時(shí)可以對(duì)輸入事件變動(dòng)做出相應(yīng)的處理。這個(gè)處理可以改變節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，產(chǎn)生額外的事件，或者改變場(chǎng)景圖的結(jié)構(gòu)。Route(路由)不是節(jié)

91、點(diǎn)，它是一個(gè)語(yǔ)句。ROUTE 語(yǔ)句是建立指定節(jié)點(diǎn)的域之間通道的語(yǔ)法構(gòu)件。ROUTE 語(yǔ)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(diǎn)中任何可以使用域的地方。ROUTE語(yǔ)句應(yīng)該放置在路由的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)定義之后，而不能放置在源節(jié)點(diǎn)中或目的節(jié)點(diǎn)中。</p><p><b>　　9.交互節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　X3D 的交互實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)類(lèi)似的映射機(jī)制。

92、用戶(hù)事件的產(chǎn)生是通過(guò)相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生的，而 ROUTE 語(yǔ)句就是相當(dāng)于事件的映射，它映射到另一個(gè)輸入事件中。X3D 中，用戶(hù)事件的傳感器有：KeySensor(鍵盤(pán)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(diǎn)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(diǎn)</b></p><p>　　在X3D中，通過(guò)使用程序化的節(jié)點(diǎn)Script 來(lái)嵌入腳本程序。它支持ECMAScript/JavaScript或Java 語(yǔ)言。ECMAScript也是一種腳本語(yǔ)言，由 Netscape 和Microsoft 使用開(kāi)發(fā)，它是一種面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，ECMAScript 和 DOM 一起十分接近于現(xiàn)在對(duì) JavaScript 和 JScript 的實(shí)現(xiàn)

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

95、它是一個(gè)真實(shí)空間或假想空間的實(shí)時(shí)仿真虛擬空間，用戶(hù)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(duì)環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行觀(guān)察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，漫游其中。</p><p>　　本系統(tǒng)旨在開(kāi)發(fā)深圳大學(xué)的校園虛擬漫游系統(tǒng)，主要從三維場(chǎng)景建模、建立漫游系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)交互功能等方面來(lái)考慮。首先按校園環(huán)境選取幾個(gè)典型場(chǎng)景建立模型，然后建立漫游系統(tǒng)，即完成對(duì)三維場(chǎng)景漫游控制的設(shè)計(jì)。最后為系統(tǒng)增加各種交互功能，進(jìn)一步

96、提高虛擬系統(tǒng)的真實(shí)感覺(jué)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：</p><p>　　1.進(jìn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)等。</p><p>　　2.基于實(shí)景建立場(chǎng)景模型，然后進(jìn)行紋理貼圖，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理矯正，盡量實(shí)現(xiàn)真實(shí)感效果。</p><p>　　3.設(shè)定漫游方式，開(kāi)發(fā)交互功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬校園的交互漫游。</p><p>　　3

97、.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)</p><p>　　虛擬校園漫游系統(tǒng)應(yīng)該表現(xiàn)出虛擬環(huán)境中的地形、花草樹(shù)木、校內(nèi)建筑等對(duì)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(gòu)筑的栩栩如生的虛擬校園中漫游，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)[18]：</p><p>　　1.虛擬校園漫游系統(tǒng)的界面應(yīng)該盡可能的簡(jiǎn)單化，能使不同層次的用戶(hù)都可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。</p><p>　　2.虛擬

98、校園漫游系統(tǒng)應(yīng)按校園的實(shí)景建立虛擬環(huán)境，能充分體現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)中的校園自然景觀(guān)。</p><p>　　3.為了使虛擬校園中的物體具有更好的真實(shí)感，系統(tǒng)應(yīng)該能夠表達(dá)物體表面的紋理細(xì)節(jié)，即要進(jìn)行詳細(xì)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(yīng)具有逼真的材質(zhì)、明暗效應(yīng)。</p><p>　　5.系統(tǒng)應(yīng)該具備良好的漫游功能，使用戶(hù)可以從任意角度和方向

99、對(duì)校園的景觀(guān)進(jìn)行瀏覽。</p><p>　　6.系統(tǒng)應(yīng)具有碰撞檢測(cè)機(jī)能。</p><p>　　7.為了使虛擬校園能夠適應(yīng)不斷變化的要求，系統(tǒng)應(yīng)具備刪除、添加建筑物的功能。</p><p>　　8．系統(tǒng)應(yīng)具有較好的可移植性和可擴(kuò)展性。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程</p><p>　　虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

100、應(yīng)力求真實(shí)，所以對(duì)校園的實(shí)地考察是很有必要的。通過(guò)實(shí)地考察，分析校園建筑的構(gòu)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(gòu)建。處理收集到的信息，做出整體規(guī)劃，構(gòu)建三維立體模型，整合各個(gè)場(chǎng)景與模型，最終形成完整的虛擬校園漫游系統(tǒng)。具體的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖8所示。</p><p>　　圖8 總體設(shè)計(jì)的流程圖</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及規(guī)劃</p>

101、<p>　　將前期收集的數(shù)據(jù)整理之后，對(duì)整個(gè)場(chǎng)景里的數(shù)據(jù)模型按照一定的邏輯規(guī)則進(jìn)行組織，采用層次結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的組織，有利于模型的構(gòu)建、場(chǎng)景的合并以及場(chǎng)景優(yōu)化等維護(hù)和管理。總體規(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(gòu)就是按照物體的類(lèi)別進(jìn)行劃分，同一類(lèi)物體作為一個(gè)集合，而在每一個(gè)集合里又可以再細(xì)分，比如：整個(gè)場(chǎng)景

102、可以由建筑物、道路、樹(shù)木等組成，而建筑物又分為教學(xué)樓、宿舍、圖書(shū)館等，如圖10所示。這樣組織數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)構(gòu)清楚、層次明確。</p><p>　　圖10 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟硬件環(huán)境</p><p>　　開(kāi)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(shè)備：SONY DSC-T300，Ipad4</p><p>　　開(kāi)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(kāi)發(fā)工具：X3D-Edit，Notepad++</p><p>　　運(yùn)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(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　虛擬校園場(chǎng)景的建設(shè)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，虛擬校園場(chǎng)景的建設(shè)可以分成分三步[2]：</p><p>　　第一步，想要建立一個(gè)真實(shí)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(méi)有這些圖形，也必須要知道學(xué)校的整體占地面積和每一個(gè)物體的長(zhǎng)度、寬度、高度以及在校園中所處的坐標(biāo)位置等這些基本的數(shù)據(jù)。還必須

106、要掌握學(xué)校各部分的大概高度，最底點(diǎn)最高點(diǎn)等地形信息。這些信息可通過(guò)實(shí)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(duì)校園內(nèi)各單個(gè)實(shí)體對(duì)象分別單獨(dú)建模，虛擬校園中的場(chǎng)景模型分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以場(chǎng)為基礎(chǔ)，在空間上連續(xù)分布的景觀(guān)對(duì)象，如地形、天空等；另一類(lèi)是以離散實(shí)體為特征，以獨(dú)立的個(gè)體而存在的地物對(duì)象，如建筑物、樹(shù)木、路燈等。根據(jù)具體場(chǎng)景模型的類(lèi)型和復(fù)雜情況采取適當(dāng)

107、的建模方法，最終得到了校園中各個(gè)實(shí)體的場(chǎng)景文件（*.x3d）。</p><p>　　第三步，各個(gè)單獨(dú)的實(shí)體場(chǎng)景構(gòu)建好了以后，再把這些場(chǎng)景整合成完整的虛擬校園場(chǎng)景，本系統(tǒng)中深圳大學(xué)的完整場(chǎng)景文件是 school.x3d。</p><p>　　通過(guò)上述三個(gè)步驟，即可完成虛擬校園漫游系統(tǒng)的建設(shè)。</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(xué)樓、圖書(shū)館、宿舍樓、體育館等建筑的平面圖</p><p>　　和通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍得的照片。為保證虛擬校園系統(tǒng)的真實(shí)顯示和空間分析的正確進(jìn)行，本體統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集方案如下：</p><p>　　1．對(duì)于各對(duì)象實(shí)體的在虛擬校園中的位置，先確定一個(gè)原點(diǎn)，如學(xué)校的正門(mén)，然后通過(guò)電子地圖（如百度地圖）上的測(cè)距功能，測(cè)量對(duì)象實(shí)體到原點(diǎn)的距離。</

109、p><p>　　2．對(duì)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(cè)量出其中一層的高度，然后根據(jù)樓層數(shù)計(jì)算出總的高度。此外可以利用虛擬地球軟件（如谷歌地球）進(jìn)行輔助性的測(cè)量。</p><p>　　3．對(duì)于紋理數(shù)據(jù)主要采用自己拍攝的方式。由于受拍攝時(shí)的天氣及周?chē)h(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。