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虚拟现实与VRML 电子教程
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第 1 章 虚拟现实与 VRML
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目 录
第 1 章 虚拟现实与 VRML………………………………………………… 1
1.1 虚拟现实(Virtual Reality)……………………………………… 1
1.2 VRML 基本概念……………………………………………………… 3
1.3 小结………………………………………………………………… 11
第 2 章 坐标变换 ………………………………………………………… 12
2.1 坐标变换原理……………………………………………………… 12
2.2 坐标变换的 VRML 实现………………………………………… 14
2.3 建模(造型)……………………………………………………… 20
2.4 小结………………………………………………………………… 20
第 3 章 三维物体的表示………………………………………………… 21
3.1 简单预定义物体造型……………………………………………… 21
3.2 简单预定义物体造型……………………………………………… 24
3.3 复杂预定义物体造型……………………………………………… 26
3.4 基于顶点的几何造型……………………………………………… 29
3.5 造型编组…………………………………………………………… 39
3.6 小结………………………………………………………………… 47
第 4 章 纹理映射………………………………………………………… 48
4.1 二维纹理映射技术……………………………………………… 48
4.2 纹理映射的 VRML 实现………………………………………… 50
4.3 小结……………………………………………………………… 56
第5章 VRML 和 Java 交互……………………………………………… 57
5.1 EAI 简介…………………………………………………………… 57
5.2 访问节点、处理事件……………………………………………… 59
5.3 小结………………………………………………………………… 66
附录 1 上机的环境设置 ………………………………………………… 67
附录 2 相关节点 ………………………………………………………… 69
附录 3 工大校园建模思路和技巧………………………………………… 76
参考文献 ………………………………………………………………… 90
第 1 章 虚拟现实与 VRML
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第 1 章 虚拟现实与 VRML
1.1 虚拟现实(Virtual Reality)
虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技
术,原本是美国军方开发研究出来的一项计算机技术。它融合了数字图像处理、计算机图
形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支,从而大大推进了计算机技术的发展。
由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的,人机交互是和谐友好的,因此虚拟现实
技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状,即计算机创造的环境将人们陶醉在
流连忘返的工作环境之中。通过 20 多年的研究探索,VR 技术于 20 世纪 80 年代末走出实
验室,开始进入实用化阶段。VR 技术具有强烈的“身临其境” 临场感、友好亲切的人机交
互性、引人想像的多感知性和虚拟现实世界的自主性。
从本质上说,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如
视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作,从而
减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。虚拟现实的定义可以归纳如下:虚拟现实是
利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过多种传感设备使用户“投
入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。
1.1.1 虚拟现实重要特征
(1)存在感:
它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使
用户难以分辨真假的程度。
(2)交互性:
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括
实时性)。例如,用户可以用手去直接抓取环境中的物体,这时手有握着东西的感觉,并
可以感觉物体的重量,视场中的物体也随着手的移动而移动。
(3)多感知性:
所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、
触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人
所具有的感知功能。
(4)自主性:
是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如,当受到力的推动时,物体会向
力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操
作,并得到实时三维显示和其它反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。当系统与外部世界通
过传感装置构成反馈闭环时,在用户的控制下,用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界
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产生作用(如遥操作等)。
1.1.2 虚拟现实的应用
虚拟现实技术的应用领域相当广泛,大致有以下几个领域:
1) 娱乐:电脑虚拟游戏、电脑玩具机,虚拟电影院,虚拟主持人等;
2) 教育:虚拟科学实验室,虚拟天文馆,虚拟体育馆,青少年数理、生活教
育、专业领域的教育训练等 CAI 软件;
3) 训练:驾车(一般车辆、吊车、推土机等),飞行,滑雪,机械人操作模
拟,各种救灾演练及各式仪器,设备操作,安装与检修训练;
4) 医学:外科手术,远程遥控手术,虚拟超音波影像、牙齿矫正及药物合成
等;
5) 设计:器材,室内,景观,建筑,土木,管线工程,机械人辅助设计等;
6) 商业:广告,财产分析,电传会议及虚拟购物中心等;
7) 简报:博物馆,纪念馆简介及游客导览系统等;
8) 军事:飞行模拟,各式军车、军舰、武器操控系统及军事演习等;
9) 科学视觉化:行星表面重建,虚拟风洞实验,分子结构分析等;
10) 网络应用:及时性、互动式的广告,虚拟银行、证卷交易厅,商店,博物
馆,大学校园多人互动式教学,游戏及分布式互动模拟(DIS)等;
上述的应用是目前最常被讨论的范围,随着虚拟实境系统相关科技的日趋成熟,来自
各种领域的研究与应用势不断推陈出新,范围也将不断地扩大。
1.1.3 虚拟现实的关键技术
(1)动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环
境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维
数据的获取可以采用 CAD 技术(有规则的环境),而更多的环境则需要采用非接触式的视
觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
(2)实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟,其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的
目的,至少要保证图形的刷新率不低于 15 帧/秒,最好是高于 30 帧/秒。在不降低图形的
质量和复杂度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
(3)立体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不
能满足系统的需要,例如,数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点;
虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高,因此有必要开发新的三维显示技术。
第 1 章 虚拟现实与 VRML
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1.1.4 Web 与 3D 的融合
WWW 技术从诞生之初,发展到空前繁荣的今天,都在不断带给我们惊喜和快乐,
Web 似乎从没有停止改变和影响我们的生活和工作。但是,现有的 Web 技术仅局限于文本
和图像的交互,如果在页面上包含其它类型的信息,而不仅仅只有文本和图像,将会是怎
样呢?
让我们看看下面的场景:一位女士站在机场大厅里不知如何才能到达登机口,于是她
求助于指路亭内的电脑。这时她欣喜地发现,可以通过电脑里的虚拟场景看到自己所在的
大厅,有如附近的角落里有架摄像机。她将视角从大厅移到整个大楼顶,看到整个机场的
全貌。在其右侧有两个大楼,其中一个屋顶上立着一个巨大的闪闪发光的 E 字。然后她单
击该大楼,看到了楼内的场景。哦,登机口就在前面!她点中远处的登机口,视角迅速转
换到登机口前。于是她按下 replay 键,刚才的场景被清晰的再现了:从现在的位置,转身
走下过渡通道,经过优美的现代雕像,同过下一个走廊到达大楼 E 的入口,现在只需右转
传过大厅,通过安全检查,到达登机口。一切历历在目,仿佛自己亲自走了一回。于是这
位女士按照刚才从电脑中获得的行走路线行走时,心中便已有了明确的路标,并对步行所
需的大概时间也有了大致了解。上述展示的是一个虚拟的机场。用 3D 描述更为丰富的、
动态的信息,并将其很好的运用于 Web,这便是许多公司竞相开发和研究的技术。这因为
如此,Web 上的 3D 才找到了它的立足点。
在 Web 上运用 3D 的有许多益处。首先,它允许大量的虚拟交互方式。例如我们可以
不用像以前一样,亲自走进博物馆,而可以通过网络实现对世界各地博物馆的虚拟观光。
比如在卢浮宫中,大可以进你所能的距离去欣赏《蒙娜丽莎》。其次,3D 技术是一种比文
本和图像更为简洁的技术,如果一幅图片可以相当于上千个字的描述,那么一个 3D 世界
就相当于上千张图片。例如我们想通过某公司的网页了解他们的产品,于是我们点击网页
上这个公司的图标,于是此标志渐渐淡化,变成了一间摆满各种新型电器的琳琅满目的房
间。在这个虚拟的视听展厅中的所有产品都拥有真正能够操作的按钮,如果有兴趣,你可
以随意触碰以使它们开始演示相应功能,我们同样可以在这间屋子里转来转去,围着一样
东西从各个角度来看。再也不是逼着用户阅读那些枯燥的,有时甚至是夸大的只有静态图
像和文本网页。
1.2 VRML 基本概念
1.2.1 VRML 的定义
VRML(Virtual Reality Modeling Language)即“虚拟现实建模语言”,是一种三维造型和
渲染的图形描述性语言,它把“虚拟世界”看作一个“场景”,场景中的一切都看作“对
象”(也就是“节点”),对每一个对象的描述就构成了 WRL 文件(描述场景的模型)。而
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要把这些枯燥的语言和符号变成动态的虚拟世界,需要配备高速的硬件和浏览器。通过浏
览器解释这些语句可以实时生成虚拟场景。VRML 和
(1)多媒体通讯(Multimedia Communication),
(2)因特网(Internet),
(3)虚拟现实(Virtual Reality, 简称 VR)
及其他领域密切相关,其基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体。VRML 于
1998 年 1 月被正式批准为国际标准(ISO/IEC 14772-1:1997,通常称为 VRML2.0)。
VRML 是一种 3D 交换格式,它定义了当今 3D 应用中的绝大多数常见概念,诸如变换层
级,光源,视点,几何,动画,雾化,材质属性和纹理映射等等。VRML 的文件是一种普通的文本,
因而人们可以用普通的文本编辑器编写 VRML 文件。例如 WordPad。就像 HTML 一样,
任何人都可以在不需要专门为编写 HTML 而设计的编辑工具之下,写出 HTML 文件来,
VRML 同样如此。它可以实时的以交互方式显示高质量的多媒体信息,此特点是普通的多
媒体格式在小数据量的情况下很难达到的。
VRML 是 HTML 的 3D 模型。是它把交互式三维能力带入了 Internet,即 VRML 是一
种可以发布 3D 网页的跨平台语言。事实上,3D 提供了一种更自然的体验方式,例如游戏、
工程和科学可视化、教育和建筑。诸如此类的典型项目仅靠基于网页的文本和图像是不够
的,而需要增强交互性、动态效果、连续感以及用户的参与探索,这正是 VRML 的目标。
VRML 提供的技术能够把三维,二维,文本和多媒体集成为统一的整体。当把这些媒
体类型和脚本描述语言(scripting language)以及 Internet 结合在一起时,就可能产生一种
全新的交互式应用。VRML 在支持经典二维桌面模型的同时,把它扩展到更广阔的时空背
景中。
在 VRML 诞生前,Web 页面一般都是由超文本语言生成的,其网页只能是简单的平
面结构,即使利用 Java 语言能够为网络提供动态效果,但也仅仅停留在平面设计阶段,而
制作精美的 3D 动画则难以在 Web 上发表,更不要说动态交互了。而且实现环境与参与者
的交互是非常繁琐的,VRML 改变了原 Internet 上单调、交互性差的弱点,将人的行动作
为浏览的主体,所有的现象都随浏览者的一言一行而改变,它创造了一个可进入、可参与的
虚拟世界。VRML 的诞生将使 Web 更加完善。
VRML 可以在各行各业应用,如创建虚拟城市、虚拟景区、虚拟校园、虚拟商场、虚
拟企业、 电子商务等等。例如在科技探索方面,在火星探路者登上火星时,已经借助 VRML
技术利用三维的虚拟太阳系模拟来自火星的大量数据,并且将这些数据放在全球 Internet
用户的眼前,使人仿佛在火星上漫步。在文物保护方面,意大利教堂的壁画被破坏已经很长
时间了,但是仍有足够的信息恢复它原来的模样。采用建筑造型恢复教堂和图像扫描技术
恢复壁画,然后把它们集成到 VRML 文件中,这样艺术学院的学员就能在走廊里行走,
观看头顶的壁画在一天中不同的时刻随光线不同呈现的不同图案。当然还可以增加鉴赏评
论等有关壁画的信息。
1.2.2 VRML 文件的组成
VRML 文件由文件头、造型、原型、事件和路由五部分组成。其中,只有文件头是必
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