毕业论文-基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现.pdf

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维护、新产品的开发与设计、医疗手术的模拟与训练等。借助于VR技术,人有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识,进而使人能深化概念,产生新意和构想[10]。:虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备,如图2所示。其中,虚拟世界是可交互的虚拟环境,涉及模型的构筑、动力学特征、物理约束、照明及碰撞检测等;计算机环境涉及处理器配置、I/O通道及实时7:..基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现操作系统等;虚拟现实软件负责提供实时构造和参与虚拟世界的能力,涉及建模、物理仿真等;输入和输出设备则用于观察和操纵虚拟世界,涉及跟踪系统、图像显示、声音交互、触觉反馈等[10]。虚拟世界VR软件计算机输入设备输出设备图2虚拟现实系统的一般构成构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软硬件及各类先进的传感器,去创建一个使参与者处于一个身临其境的沉浸感,具有完美交互能力和启发构思的信息环境。。需要以下设备。(1)跟踪系统:用以确定参与者的头手和身躯的位置。(2)触觉系统:提供力与压力的反馈。(3)音频系统:提供立体声源和判定空间位置。(4)图像生成和显示系统:产生视觉图像和立体显示。(5)高性能的计算机处理系统:具有高处理速度、大存储量、强联网特性。。除一般所需要的软件支撑环境外,只要是提供一个能产生虚拟环境的工具集,或产生虚拟环境的“外壳”。它应该具有以下功能。(1)能够接收各种高性能传感器的信息,如头盔的跟踪信息。(2)能生成立体的现实图形。(3)能把各种数据库(如地图地貌数据库、物体形象数据库等)、各种CAD软件进行调用和互联的集成环境。。虚拟现实技术跟其他技术一样,由于技术的要求和市场的需求也随即发展起来。在这个漫长的过程中,主要经历了以下三个阶段:-70年代,虚拟现实技术的探索阶段1956年,在全息电影技术的启发下,美国电影摄影师MortonHeiling开发了Sensorama。Sensorama是一个多通道体验的显示系统。用户可以感知到事先录好的体验,包括景观、声8:..基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现音和气味等。1965年,计算机图形学的奠基者美国科学家IvanSutherland博士在国际信息处理联合会大会上提出了TheUltimateDisplay(终极显示)的概念,首次提出了全新的、富有挑战性的图形显示技术,即不通过计算机屏幕这个窗口来观看计算机生成的虚拟世界,而是是观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中,就像生活在客观世界中。随着观察者随意转动头部与身体,其所看到的场景就会随之发生变化,也可以用手、脚等部位以自然的方式与虚拟世界进行交互,虚拟世界会产生相应的反应,使观察者有一种身临其境的感觉[19]。1968年,IvanSutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管研制出了第一个头盔式显示器。20世纪70年代,IvanSutherland在原来的基础上把模拟力量和触觉的力反馈装置加入到系统中,研制出了一个功能较齐全的头盔式显示器系统。该显示器使用类似于电视机显像管的微型阴极射线管(CRT)和光学器件,为每只眼镜显示独立的图像,并提供与机械或超声波跟踪器的接口。1976年,MyronKruger完成了Videoplace原型,它使用摄像机和其他输入设备创建了一个由参与者动作控制的虚拟世界。—中期,虚拟现实技术系统化,从实验室走向实用阶段20世纪80年代,美国的VPL公司创始人JaronLanier正式提出了VirtualReality一词。当时,研究此项技术的目的是提供一种比传统计算机模拟更好的方法。1984年,美国宇航局NASA研究中心虚拟行星探测试验室开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造火星表面的三维虚拟世界。,虚拟现实技术高速发展的阶段1996年10月31日,世界上第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。全世界人们可以通过互联网坐在家中参观这个没有场地,没有工作人员,没有真实展品的虚拟博览会。1996年12月,世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。这样,互联网用户便可以在一个由立体虚拟现实世界组成的网络中遨游,身临其境般地欣赏各地风光、参观博览会和在大学课堂中听讲座等。目前,迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统极大地推动了虚拟现实技术的发展,使基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能,人机交互系统的设计不断创新,很多新颖、实用的输入输出设备不断地出现在市场上,为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础[3]。,目前在军事应用、城市仿真、教育与培训、工业应用、医学应用和艺术与娱乐中有着较高的应用[10]。。VR的最新技术成果往往被率先应用于航天和军事9:..的虚拟校园漫游系统设计与实现领域。VR技术将为武器装备确定需求、设计、制作样机。为部队的模拟训练、战备,为制定合成作战条令,为战后评估及战史分析等几乎全部军事活动提供一种一体化的作战环境。这将有助于从虚拟武器及战场顺利地过渡到真实武器与战场,VR技术对各种军事活动的影响将是极为深远的,有着极为广泛的军事应用前景。,城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计,在规划的各个阶段,通过现状和未来的描绘,为改善人居生活环境,以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众从任意角度,实时互动地看到规划效果。这是传统手段如平面图、效果图等所不能达到的。,虚拟现实技术能将三维空间的意念清楚地表示出来,能使学****者直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用,并通过多种形式参与到事件的发展变化过程中去。这种呈现多维度信息的虚拟学****和培训环境,将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途径。。虚拟现实技术的使用范围包括建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟,进行模拟人体解剖和外科手术培训等。如通过虚拟现实仿真器,研究人员可以看到和感受到药物内的分子与其他生化物质的相互作用。在实施复杂的外科手术前,先用外科手术仿真器模拟出手术台和虚拟的病人人体,医生用带有跟踪器的手术器械演练。根据演练结果,医生可制定出最佳手术方案。。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高,故近几年来VR在该方面发展最为迅猛。作为传输显示信息的媒体,VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作品。,并开始着手制订了一个新的标准:2002年8月,Web3D联盟发布了VRML97的升级版本X3D的最终草案。新版本的X3D与VRML97向后兼容(即能用X3D浏览器播放VRML文件)。它把VRML的功能封装到一个轻型的、可扩展的内核之中,并实现了VRML的全部功能。X3D在VRML的基础上提出了新的特性,2004年8月,X3D规范通过国际标准化组织(ISO)的审批,成为新一代的Web3D国际标准。X3D的主要特性有以下几点::..的虚拟校园漫游系统设计与实现XML已经成为整合并管理信息的必选。X3D采用XML作为它的编码规范是有利于增强X3D的可移植性,有利于对数据归档和移植,有效延长了数据信息的生命周期。同时,XML编码可以让X3D的开发、播放都变得更加简洁、高效。,保证了X3D场景和环境在不同播放器中的操作的统一性。。VRML97是相对庞大的标准,完全实现是比较复杂的。把VRML的功能分割到一系列较小的内核,就可以比较容易的实现X3D,减少实现的复杂性,因而改善了执行过程的可维护性。。的组成X3D整体结构包括四个部分:内核(核心特性集),VRML97特性集,应用程序接口和扩展集。如图3所示。特性集是VRML元素的一个子集,是满足特定用户需求的一组功能的集合[13]。(核心特性集):定义了VRML中最关键的特性,形成核心构件,并将其封装在一个小型的、可扩展的内核。规范规定内核实现的大小应在Flash和Realplyaer之间,可被用户快速下载,运行时占用很少的系统资源,当前的核心特性集已确定只实现VRML97的54个节点中的23个节点。:实现内核以外的VRML97元素的节点被设计为可插拔的构件,通过扩展内核,完整的实现了VR人IL97规范定义的功能,从而确保了X3D与已有的VRML应用兼容。:X3D是描述几何体和行为的一种文件格式,由于使用XML编码,beplayapp体育下载对象模型(DocumentObjectModel简称DOM)自动为X3D提供了一组API,外部应用程序可以通过DOM访问X3D文件。:通过在内核之上进行特性集扩展,实现复杂的或是用户自定义的功能。用户可以在内核之上建立一个完整的VRML97特性集也可以添加其它的扩展,如NURBS扩展,二进制文件格式扩展等。通过扩展还可以利用VRML97规范中未定义的新的硬件渲染技术。构件化的设计为X3D的内核提供了一种插件机制,允许扩展功能被实时的加入到运行内核。11:..的虚拟校园漫游系统设计与实现图3X3D的组成的关键技术X3D的两项关键技术是XMLbeplayapp体育下载和组件思想。(ExtensibleMarkupLanguage,简称XML)是万维网联盟(W3C)创建的一组规范。与HTML一样,它也源自SGML(StandardGeneralizeMarkupLanguage通用标记语言)。但与HTML不同,XML是一种元标记语言,可以依据用户的需求,自行定义标签及属性名,从而突破了HTML固定标记集合的约束,具有自描述性和可扩展性的特点。。基于面向对象的思想的特点,以及传统VRML的不易扩展性在最新的X3D规范中,使用了组件思想对X3D规范进行实现,以增强与其他编程语言的交互。依据开发人员的需求,通过调用模块动态的将有用的底层摸块装配成应用处理。使用组件模型的好处有以下几点:(1)精巧的内核。就实现而言,VRML97是一个庞大而复杂的标准。通过将VRML精简为一个小的核心功能集合,减少了实现的复杂度,并且增强了软件的可维护性。同时,精巧的内核可以方便用户,因为并不是每个用户都需要那些复杂的扩展,如果不加分辨的将这些复杂的应用集成上去,无疑会增加用户端的大小,所以只为用户提供简单的内核,扩展依照用户的需求自行加入。(2)扩展能力。借助扩展集和特性集的概念,开发者可以在内核上添加新的扩展集,也可扩展新的特性。这样就可以依据不同的需求,定制不同的应用。(3)减少了对资源的占用。一个小型但可扩展的浏览器为用户节省不必要的资源开支将会大大地方便用户的使用。X3D的组件模型如图4所示。12:..的虚拟校园漫游系统设计与实现图4X3D的组件模型文件结构X3D文件架构包含文件结构、文件头、文件体及注释等内容。X3D文件结构又包含文件头、主程序概貌,在主程序概貌中包括头beplayapp体育下载、组件、说明及场景等。在场景中利用基本几何造型造型节点、复杂节点、组节点、纹理节点、效果节点、组件节点、人性化节点及动态感知节点等创建虚拟现实三维立体场景。在编写X3D文件、节点和域时,特别要注意大小写,X3D语言对大小写是敏感的。X3D文件结构图如图5所示。X3D文件结构X3D头文件X3D主程序概貌Head(头beplayapp体育下载):component(组件)metadata(元数据)Scene(场景):节点节点图5X3D文件结构图13:..的虚拟校园漫游系统设计与实现X3D文件语法结构是由X3D文件头、主程序概貌(头beplayapp体育下载和场景)组成,其中,头beplayapp体育下载又包含组件和元数据;场景主体涵盖X3D所有节点。X3D文件头是序码部分,是X3D文件必须书写的部分。主程序概貌是X3D文件主程序框架的主题部分,是X3D文件的精髓和灵魂。概貌中的头文件作用是引入外部组件及beplayapp体育下载说明,概貌中的场景主体描述是对X3D文件三位立体场景中的自然景观、人文环境、建筑造型、街道等创建和编码过程。场景X3D使用场景图(SceneGraph)数据结构来建立3D虚拟境界,虚拟境界由对象构成,而对象及其属性用节点描述,节点是X3D的基本单元。每个节点由类型、域、事件、实现、名字组成,X3D文件包含包括零个或多个根节点。节点按一定规则构成场景图(Scenegraph)。X3D节点层次结构:场景(Scene)根节点、父节点、子节点。以场景作为三维立体场景的根节点,以此增加节点和子节点以创建种复杂的三维立体场景。在每个X3D文件中只允许有一个场景根节点,在此基础上在增加需要的节点造型。在一个嵌套节点中,最顶层节点就是根节点,由它派生整个场景的全部节点。父节点是根节点派生出来的,再由父节点派生子节点,循环下去直至全部场景。例如:在场景根节点下,创建一个模型节点(shape节点),此节点成为父节点。父节点又包含两个子节点,分别为Appearance节点和Geometry节点,在Geometry节点下又包含一个叶节点(Sphere节点),完成三维立体空间整体造型。X3D场景节点层次结构如图6所示:场景(Scene)根节点场景(Scene)父节点Geometry节点Appearance节点Sphere节点子节点图6X3D根节点层次结构图根据X3D语法结构的要求,除根节点外,其他节点之间可以并列或层层嵌套使用。不同作用的节点有着不同语法结构,父节点包含一个或多个子节点,子节点中又包含子节点等。,节点是X3D核心所在,可以说如果没有节点,就没有X3D,所以X3D的节点起着重要作用。学好X3D的节点,也就学好X3D。以下是X3D中常用的节点[18]。1