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基于VRML的建筑模型场景设计与演示.docx
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基于VRML的建筑模型场景设计与演示.docx
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内容提要
虚拟现实技术是一门涉及多学科、多领域的新兴研究领域,它的应用
研究水平表征了一个国家整个的科学技术发展水平。因此,将被誉为“梦
幻般的技术”的虚拟现实技术应用于建筑领域的产品促销、建筑设计、建
筑检测等领域,具有十分重要的理论研究价值和实际应用意义。该课题所
研究的是一个基于 VRML 的建筑模型演示系统,是利用 VRML 和 Java 语言共同
实现的一种新的构建和演示建筑模型的方法。
虚拟现实建模语言(VRML)是一种新型的描述型语言,它是建立基于
Internet 的分布式虚拟环境的有力工具。此论文介绍了如何利用 VRML 构建
虚拟建筑模型和实现演示系统。主要工作如下:
第一,阐述如何通过 VRML 技术使建筑模型与图像、声音、文字、视频
等多媒体技术相结合,构建出了一个生动逼真的三维建筑形体。
第二,如何利用 Java 的强大编程能力及其和 VRML 的接口技术,来实现
对实体行为的控制。
第三,互联网特性使得更多的人可以通过 Internet 来观看此建筑,并
允许用户通过整合的控制面板来自我定制场景。
第四,对一些技术难点,如二维图形三维化、360 度全景图和挤出面实
现复杂模型等作了较为详尽的阐述。
最后,探讨了如何优化 VRML 代码和如何发布 VRML 作品。
关键词: VRML 虚拟现实 Java Script1
目 录
第一章 绪论..............................................1
1.1 概述...............................................1
1.2 本课题研究的意义...................................1
1.3 国内外的发展动态...................................2
1.4 虚拟现实技术.......................................3
1.4.1 虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR)简介.........3
1.4.2 虚拟现实的基本特征...........................4
1.4.3 虚拟现实的分类...............................5
1.4.4 虚拟现实的应用...............................5
1.5 演示系统的设计目标.................................8
第二章 VRML 的介绍和研究 ..................................9
2.1 VRML 语言 ..........................................9
2.1.1 VRML 简介 .....................................10
2.1.2 VRML 发展过程及应用 ...........................10
2.1.3 VRML 场景图及节点 .............................12
2.1.4 VRML 中对象的变换和层次 .......................13
2.1.5 VRML 中场景对象的组织关系 .....................14
2.1.6 构造动态的虚拟现实模型........................15
2.1.7 VRML 浏览器介绍 ...............................18
2.1.8 VRML 的创作工具 ...............................19
2.1.9 VRML 的工作方式 ...............................19
2.2 VRML 交互技术的两种机制 ............................20
2.2.1 利用 EAI 扩展 VRML 场景.........................20
2.2.2 利用 Script 扩展 VRML 场景......................21
2.2.3 EAI 与 Script 之间的异同......................23
第三章 开发平台和构建、演示工具............................24
3.1 VRML 对硬件的要求 ..................................24
3.2 系统采用的开发平台.................................24
3.3 系统演示时使用的浏览器插件.........................24
3.3.1 插件的介绍...................................24
3.3.2 插件的安装和设置.............................26
3.4 构建系统使用的编译系统.............................28
第四章 系统的总体设计.......................................31
4.1 概述...............................................31
4.2 框架模块的设计.....................................31
4.3 独立实体模块的设计.................................322
4.4 整体链接模块.......................................35
4.4.1 多路由问题..................................35
4.4.2 递归引用造成浏览器出错......................36
4.4.3 内联.......................................36
4.4.4 境界信息...................................37
4.4.5 自定义节点.................................37
4.5 操作面板的整合.....................................37
第五章 详细设计............................................39
5.1 概述..............................................39
5.2 二维图形三维化.....................................39
5.2.1 360 度全景图 .................................39
5.2.2 单枝叶实现立体藤蔓...........................40
5.2.3 平面树图实现立体树效果.......................40
5.3 利用挤出面构建三维花的叶子和床.....................40
5.4 多媒体视频支持.....................................42
5.5 移动的茶几和茶杯...................................42
5.6 构建一个多功能办公桌...............................43
5.7 带开关的灯.........................................44
5.8 自动门的实现.......................................45
5.9 旋转风扇的实现.....................................46
5.10 沙发的构建.........................................46
5.11 地毯...............................................47
5.12 栏杆的制作.........................................48
5.13 草地的制作.........................................48
5.14 控制中心的制作.....................................49
第六章 代码的优化和发布.....................................51
6.1 利用 VrmlPad 及其插件进行 VRML 文件的优化...............51
6.2 利用 VrmlPad 发布演示系统............................52
第七章 结论和进一步研究......................................53
参考文献.....................................................54
摘要.........................................................I
Abstract.....................................................IV
致谢第一章 绪论
1
第一章 绪论
本章是此论文的开始部分,在这一章里我将主要说明此课题的研究意
义,虚拟现实技术以及目前此课题在国内外的发展情况等。
1.1 概述
当今时代是数字化、信息化的时代。上个世纪八十年代以来,计算机
软硬件技术的飞速发展带来了信息存储、交流和获取的数字化革命,而近
十年来互联网技术的兴起使这些数字化信息的获取更加快捷方便,地球仿
佛变成了一个小小的村落,人们瞬间就可以了解到地球另一端发生的事
情。三维建模和虚拟现实技术都是近些年来随着计算机图形学的发展而日
渐成熟的新兴技术,而基于互联网虚拟现实技术己经越来越成为计算机图
形学领域的新课题之一。VRML(Virtual Reality Modeling Language)是
一项集虚拟现实(Virtual Reality)与 Internet 多媒体于一身的新技术。
本课题以“建筑模型演示系统”为研究对象,实现虚拟现实技术在建筑建
模及演示方面的新尝试。系统利用 Java Script 脚本控制语言实现了三维
虚拟现实场景的交互式浏览。
1.2 本课题研究的意义
随着中国改革的不断深化和经济建设的加速,房地产建设成为中国国
民经济新的增长点,住房日益成为老百姓关心焦点,对于建筑模型构建和
演示的方法也提出更高的要求。Web-3D GIS 发展时间较短,还处于初级阶
段,在建筑建模方面的应用也刚刚起步。目前,Web 环境下房产测绘信息的
三维可视化还存在着诸多问题。其中主要问题有 Web 环境下房产测绘三维
场景的实时构建难以实现,三维成果发布困难,建筑模型三维场景与房产
平面图没有有机结合以及现有的网上房产三维成果功能有限等等。针对这
些问题,该文确定的研究目标为:在 Web 环境下实现建筑模型构建和演示。
研究并设计一套行之有效的解决方案,实现三维建筑模型在 Web 环境下的
构建和演示。本文分析了建筑模型构建和演示的特点,引入 VRML 技术作为
此方法的实现技术,具体实现了在 Web 环境下建筑模型三维场景的动态构
建及演示。
作为一种刚刚兴起的技术,VRML 的发展历史并不长,VRML2.0 规范更
是在 1997 年才确定,但是由于 VRML 自身独特的魅力,使其应用由原来的
军事、医疗迅速向制造业、商业、教育和娱乐等领域迅速扩展,并成为教
育应用的一大热点。然而目前虚拟现实在教育中的应用研究大多局限在一第一章 绪论
2
些高校,研究领域也是主要集中在虚拟校园、仿真实验、工业造型等方面。
再加之一些技术上的、开发成本上的因素,使得虚拟现实的教育应用还处
于一种研究探索的阶段,还未达到普及应用的阶段。经过将近十年的发展,
这项技术日趋成熟,在工业制造、教育、商品展示、房地产、旅游参观、
娱乐等方面表现出极好的应用前景。
1.3 国内外的发展动态
目前 3D 和虚拟现实技术已经在国内外有了长足的发展,并日渐涉及到
越来越多的领域,如城市规划、场景仿真、信息管理、战场指挥、生产管
理等等。2003 年 1 月,美国一所著名大学成功地对古罗马竞技场进行了虚
拟再现,这一课题震惊了考古界和建筑界,为研究古罗马建筑提供了极具
科学价值的可视化参考。在欧洲、日本和美国,虚拟现实日益广泛地被家
具商和房地产商用作展示方式和促销手段。北卡罗来那大学的建筑师们曾
把虚拟现实用于一栋教堂的设计。之后,它们在该校新建的电脑科学大楼
的设计中也采纳了虚拟现实。1992 年 6 月, Intel 和 Sense 两家电脑商联合
主办了名为“Designing a Virtual house"的展览。为期两天的展览旨在
向人们介绍利用虚拟现实技术进行建筑设计的过程。他们利用一台"VR 工
作站”演示建筑师和业主在一起工作的过程。建筑师带领业主一起“进入”
设计中,并在走动过程中向业主讲述设计思想。业主可以随时随地“挑剔”
方案并提出修改意见。建筑师立即根据业主的意见调整设计,直到业主满
意,才一起“走出”设计。
虚拟现实在建筑设计中的应用可归纳为 3 方面:设计手段、设计检测手
段和市场促销手段。
设计检测手段:虚拟现实技术可以被用来研究建筑及周围环境的声、光
线效果及结构性能。如模拟自然光和人造光的效果,检测建筑物的隔音效
果和声学指标。
市场促销手段:虚拟现实技术一出现,即受到房地产商的青睐,成为他
们应付苛刻的买家的得力工具。这一技术也大大方便了买家。利用虚拟现
实技术,买家只要戴上头盔和手套等传感设备,就可以任意走动,挑选自
己中意的房产。从而节省了大量时间和奔波之苦,也使得房地产交易周期
大幅缩短。
设计手段:如上所述,虚拟现实为建筑师们提供了新的设计方法。它带
给建筑师的工作方式的变革,完全可以媲美 CAD 问世所产生的影响。最新
的虚拟现实技术,使设计者能够漫游的同时对设计做出修改和补充,迅速、
准确地对比各种设计方案的可行性。虚拟现实使设计者对建筑与环境,人
与空间的体验更加生动和准确,从而使得设计更加美观实用
[1]
。
随着网络时代的来临,网络教育迅猛发展,尤其是宽带技术将大规模第一章 绪论
3
应用的今天。国内一些大型的建筑模型设计院已经把虚拟现实作为首选的
建模语言。真实、互动、情节化的特点是虚拟现实技术独特的魅力所在,
新技术必将引起教育方式的革命,让我们感受到全方位的场景效果。以虚
拟现实为特征的 Web3D 技术的诞生,是人们不满足于二维网页、渴求在网
络上营造三维虚拟空间的结果。作为一种新的 Web 文件,虚拟现实建模语
言(Virtual Reality Modeling Language 简称 VRML)以节点(Node)
和事件路由为最基本的组成要素来描述三维对象和交互行为,经过浏览器
解释执行后,网上用户就可实现异地漫游,感受一个有声有色的虚构世界。
1.4 虚拟现实技术
1.4.1 虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR)简介
自 1945 年世界上第一台电子计算机问世以来,计算机技术一直处在飞
速发展阶段。现在计算机已经应用在社会生活的各个领域,替人类做大量
的工作。随着计算机的处理能力、存储能力的飞速提高和成本的降低,特
别是近年来,多媒体技术、并行处理技术、开放系统以及面向对象技术、
网络技术等信息技术的飞速发展,人们已经把注意力从提高计算机本身的
处理、存储能力方面,逐渐转移到改善人机交互的手段和界面方面。传统
的信息处理环境一直是“人适应计算机”,而当今的目标或理念是逐步使
“计算机适应人”。人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉,以及形体、
手势或口令,参与到信息处理的环境中去,从而获得身临其境的体验。这
种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上,而是建立在一个多
维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。
虚拟现实作为一种全新的人机交互技术,提供了强大的人机交互工具。
虚拟现实技术是近年来迅速发展的一门新兴技术,也是多媒体技术发
展的更高境界。虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR),又称临境技术,是
最近几年得到迅速发展的技术。“虚拟现实”一词是由美国 VPL Research
Inc 公司的 J. Lanier 在 1989 年所创造的一个词,它通常是指用立体眼镜和
传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实,人们通过这些设
施以自然的方式(如头的转动、身体的运动等)向计算机送入各种动作信
息,并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触
觉等感觉世界。它要创建一个酷似客观环境、又超越客观时空,能沉浸其
中、又能驾驭其上的人机环境,即由一个多维信息所构成的可操作空间,
它最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互。虚拟现实就是采
用以计算机为中心的现代高科技,生成逼真的视、听、触、嗅觉等一体化
的虚拟环境,用户借助必要的外部设备(如特制的数据服、头盔、数据手
套等) 以自然的方式与虚拟环境中的客体进行交互作用、相互影响,从而第一章 绪论
4
产生身临其境的感觉和体验。实现一种虚拟幻觉。它是一种高级的仿真技
术,即可以做真实世界的物体仿真(建筑物模型),又可以做抽象物体的虚
拟建模(如原子模型)。因此,虚拟现实技术在人工智能、CAD、图形仿真、
虚拟通信、遥感、娱乐、军事模拟训练的许多学科带来革命的变化,将对
一个国家的国防、军事、政治、经济、文化甚至日常生活产生深远的影响。
目前,与虚拟现实相关的内容己经扩大到了与之相关的许多方面,像“人
工现实(Artificial Reality)”、“遥现”(Tele presence)、“虚拟环
境”(Virtual Environment)、“赛伯空间”(Cyberspace)等,都可以认
为是虚拟现实的不同术语。事实上,虚拟实现技术不仅仅是指那些戴头盔
和手套的技术,而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、仿真体验
的技术与方法。它的最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交
互,能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统
[2]
。
1.4.2 虚拟现实的基本特征
虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和
反应,它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技
术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学,将计算机处理的数字化
信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉
等作用于使用者,对使用者的控制行为作出动态的交互反应.传统的仿真
技术很少研究人的感知模型的仿真,无法模拟人对外界环境的感知(听觉、
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南抖北快东卫
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