数学建模社区-数学中国

标题: 虚拟现实技术的展望 [打印本页]

作者: zzwszj 时间: 2004-11-12 01:08
标题: 虚拟现实技术的展望
<

align=center>VRML技术在公路设计中的研究与展望 
<

>摘要：本文概括性地介绍了VRML，提出了构建公路VRML模型的原理、方法和优势，通过实例展示了采用VRML漫游公路、互通模型的效果，最后提出VRML技术的在公路设计中的深远意义，并且对VRML的应用前景作出了展望。 
<

>关键词：信息工程；计算机；VRML；三维模型；网络 
<

> 
<

>0 前言 
<

> VRML，全英文名为Virtual Reality Modeling Language, 虚拟实境模拟语言，一种在Inetnet上非常流行的语言,网页产生虚拟现实(Virtual Reality)的立体动画效果。VRML可以通过网络在电脑上逼真的还原现实生活中存在的或将要存在的环境及物体，支持光线、材质、语音和声效，具有很强的真实感和交互性。 
<

> VRML在网络传输和三维模型上有很大的优势，可以使人们把Web当成一个连续的三维空间来创建并浏览，但是在公路设计领域中VRML的应用还非常少，使用VRML可以让观察者在公路、桥梁全景中任意选择视点动态游览，对于我们的更新设计理念和改进设计手段上将会发挥出巨大的作用。 
<

>1 问题的提出 
<

> 在公路设计应用中，最大的难度就是完成VRML建模。首先，我们比较以前建立公路三维模型的方法，主要有三种： 
<

>1.1人工建模 
<

> 通过Autodesk公司的3DSMax软件完成，通过这种方法完成的三维模型都是手工在各个视图中绘制出来的，费时费力，而且不够真实准确，公路模型往往不同于建筑模型，一般里程较长、跨地域性大，对沿线的地面模型、边坡等构造物需要采用大量数据来描述，这些物体非常不规则，很难用手工精确制出。 
<

>1.2通过专业软件完成 
<

> 目前国内推出的各种公路路线、桥梁设计软件一般都带有三维建模功能，这些软件能将设计出的成果直接转换为三维模型，能直观地反映出设计成果，是以往人工建模很难做到的。由于这些公路设计软件一般是基于Autocad完成绘图，因此，其三维模型往往也在Autocad中绘制出，然后再到3DSMax中调出、修改，直到完成三维作品。这种方式相对于手工绘制应当是十分先进的，但还存在下面两个问题： a)需要通过Autocad辅助完成。 b)在3DSMax中要做较大修改工作，对使用者要求较大。 1.3利用OpenGL技术 OpenGL是开放式的三维图形标准，能通过编程在计算机屏幕上直接绘制三维图形。采用这种技术开发难度较大，开发者必须对OpenGL有比较深入的了解，因为所涉及到的建模不只是几何模型，还有对物体的环境、光源、材质、动画等方面进行描述，涉及面非常广泛，在这方面德国的CARD/1软件做得还是比较成功的。但是，通过这种方式建立的场景无法获取其三维模型，也就不能在3DSmax中再次运用了。 现在，我们提出一种全新的三维建模方式：VRML建模。采用VRML建立公路模型，在技术难度上较之OpenGL要为方便，和基于Autocad的建模相比，在建模方式、模型效果等方面有很大的优越性。VRML语言已经发展到2.0版本，其建模方式已经十分完善，VRML能够把三维、文本、多媒体集成为统一的整体，这些媒体类型能够和因特网的功能紧密结合，将产生一种全新的交互应用。 2 VRML的建模方法 VRML的建模方式有很多种，通过3DSMax可以完成其模型，但形式过于手工化，不值得推荐。另外就是通过外部工具软件完成VRML的建立和修改，VrmlPad是一个强有力而且灵活的VRML创作工具，它能够让作者设计和开发专 
<

> 
<

> 业的VRML工具，并可以建立一个VRML世界并把它发布到网上，提供的插件功能也能够方便的完成VRML模型创建。右图是利用VRMLpad观看的公路模型。 
<

> 由于公路模型的复杂特殊性，我们专门编写了软件完成VRML模型的建立。首先，我们必须研究VRML语言的特性，下面以一个公路三维模型的VRML描述为例： 
<

>2.1 对环境变量的定义： 
<

> VRML对环境变量的定义不是背景图形的简单套用，VRML语言能从六个方向定义背景：顶部、底部、前方、后侧、左侧、右侧，6张图片采用实地景物拍摄资料，这样就能真正实现实景的虚拟漫游。VRML使用DEF来定义其物体变量，对于环境背景物体，Background是物体属性，Background01是物体名称，其定义格式如下： 
<

> DEF Background01 Background { 
<

> frontUrl "../maps/bjtx8.jpg" 
<

> backUrl "../maps/bjtx1.jpg" 
<

> leftUrl "../maps/bjtx2.jpg" 
<

> rightUrl "../maps/bjtx3.jpg" 
<

> bottomUrl "../maps/bjtx5.jpg" 
<

> topUrl "../maps/bjtx6.jpg"} 
<

>2.2 光线的定义 
<

> 光线的定义类似于3DSMax中的灯光参数设定，包括了光源类型、光照强度、色彩、光源位置、作用范围。在VRML中表述如下： 
<

> DEF Light_0 PointLight { 
<

> intensity 2 
<

> color 0.7059 0.7059 0.7059 
 location 519.4 2012 736.5 
 on TRUE 
 radius 12891} 
2.3 摄影机的定义 
 摄影机是我们实现实地漫游的重要工具，通过摄影机的运动，可以完成在公路路线上的模拟行车，也可以通过鼠标按自己设定路线随心所欲地漫游公路全景。摄影机的设置是非常简单的，Viewpoint的定义如下： 
 DEF _dCm Viewpoint { 
 position -416.9 107.2 -47.51 
 orientation 0.0006254 -1 -0.0006501 -1.609 
 fieldOfView 0.6446 
 description "_dCm"} 
 摄影机的运动描述比较复杂，我们需要计算出摄影机运动的轨迹，运动的帧间隔时间。 
 描述摄影机的运动包括坐标运动轨迹插值(PositionInterpolator)和方位运动轨迹插值(OrientationInterpolator)，在公路路线中其数值需要根据路线逐桩坐标计算出，一个运动的摄影机轨迹用VRML语言描写如下： 
 DEF _dCm-TIMER TimeSensor { loop TRUE cycleInterval 26.67 }, 
 DEF _dCm-POS-INTERP PositionInterpolator { 
 Key [0, 0.00375, 0.0075, 0.01125, 0.015, 0.01875, 0.0225, 0.02625, 
 0.03, 0.03375, 0.0375, 0.04125, 0.045, 0.04875, 0.0525, 0.05625, 
 ...... ] 
 KeyValue [-416.9 107.2 -47.51, -420.6 107.2 -47.37, -424.4 107.2 -47.22, 
 -428.1 107.2 -47.07, -431.9 107.2 -46.9, -435.6 107.2 -46.73, 
 ......] }, 
 DEF_dCm-ROT-INTERP OrientationInterpolator {Key [0, 0.00375, 0.0075, 0.01125, 0.015, 0.01875, 0.0225, 
 0.02625, 
 ......0.9825, 0.9863, 0.99, 0.9938, 0.9975, 1, ] 
 
 
 
图1 使用VRMLPAD观看的公路VRML模型 
 
 KeyValue [0.0006254 -1 -0.0006501 -1.609, 0.0005364 -1 -0.0005589 -1.612, 
 0.0004487 -1 -0.0004688 -1.615, 0.0003593 -1 -0.0003764 -1.617, ......] }, 
2.4三维模型的描述 
 三维模型是建立VRML模型的最关键之处。公路上的三维物体包括路面、栏杆、标线、绿化带、地面模型、树木、边沟、护坡、标志牌等，将这些物体进行有机组合，加上环境、灯光、动画，便是一个真实的VRML场景。对于三维物体的建模在有关3DSMax和Autocad的文章中都有非常详细的介绍，我们现在所研究的重点，就是通过VRML语言建立物体的三维模型。在VRML语言中，通过translation定义出物体的中心位置坐标，其它各点的坐标通过与该坐标求和而算得；光线参数包括了以下几种：扩散光（diffuseColor）、环境光（ambientIntensity）、镜面反射（ specularColor）、自然光（shininess ）、透明光（transparency）放射光（ emissiveColor）；以Texture和TextureTransform 定义物体的材质属性。然后将物体分割为若干个三角面，计算出各个顶点的坐标值和每个面的顶点构成序列（coord Index）。对于需要赋予材质的物体，还需要计算出物体的贴图文件路径、材质坐标（TextureCoordinate）和材质序列（TextureCoordinate Index），其计算相对物体三维坐标计算要复杂一点，限于篇幅，不作详细介绍。下面是使用VRMLPad打开的VRML模型描述的是一个挖方边坡的例子(图1)，从中可以看到使用VRML描述公路模型是行之有效的，无论在材质坐标、数据精度、表现手法等方面都是优于一般建模工具的。
 从上面可以看出，VRML语言描述三维场景结构清晰、效率高，利于计算机程序化生成。 
3 VRML的运用 
3.1 在Internet上的运用 
 早在1997年为火星探路者登上火星时，美国人已经采用VRML技术将实景展现在全世界Internet用户的眼前，人们在HTM页面上所看到的就不仅是单纯的文本和图片了，而是具有交互性质的三维空间，并且不需要大量的网络带宽来传送。在娱乐领域中，VRML更能大显身手，三维立体化、网络化是今后游戏发展的方向，而VRML就是一个功能非常强大的在Internet上交换场景的语言，能提供更好的多人之间的交互和更加逼真的虚拟环境。 3.2 运用于公路实景漫游 在公路设计领域上，VRML能带动设计的三维化、网络化。我们认为今后VRML能在公路模型三维化、实地检测路线设计指标等方面发挥重要作用。比如我们能将设计项目采用VRML模型放置于Internet中，不需要进行复杂的三维建模、不需要大量的影响数据，设计者可就以在任意时间和设计的任意阶段“开车”进入自己的公路模型中，从任意的角度观察和检测自己设计，身临其境地感受空间、尺度、环境光线甚至是声音的变化，从而使设计创作更臻完美。 图3“公路VRML漫游系统”创建的大型 互通VRML模型 图2 “公路VRML漫游系统”创建的公路VRML 
 
 笔者积累了大量公路三维建模上的经验， 
 开发出了一套“公路VRML漫游系统”，该系统采用VRML 2.0语言编写脚本，并能够支持在Internet Explorer 或Netscape浏览器中完成在公路实景的虚拟漫游。由于VRML是一种国际化的标准，支持在IE中播放VRML模型的工具非常多，我们在这里推荐PLATINUM 公司开发的Cosmo Player和Microsoft vrml 2.0 viewer。通过本系统用户能迅速从公路路线、桥梁、隧道等数据中生成VRML模型，并能够交互性地在场景中漫游，如沿线开车、逆行、近看、远看等等。在浏览器界面中我们可以看到Walk、Pan、Turn、Roll等按钮分别完成在场景中的步行、平移、拐弯、旋转等动作，在场景中我们想漫游某个地方，只需要拖动鼠标到指定位置，十分灵活，操作者可以走近去观看栏杆、边沟、桥墩等构造物的设置情况。系统让操作者仿佛置身于一个真实的场景，如同在操作游戏，并且场景是真实的，因为这个游戏中的模型数据都是根据勘测数据精确计算出来的。
 图2是采用“公路VRML漫游系统”创建的公路VRML模型，只要单击鼠标向前拖动，我们就能够沿着路线漫游场景，向后拖动鼠标，场景后退，选取“ROLL”再拖动鼠标就能够到对面车道检查逆向路线行驶的线形。使用该系统生成的模型，不做任何修改，就可以直接在Inetnet上浏览和发布，其画面细腻、交互性强，是一般公路建模软件无法做到的。 
 图3是采用“公路VRML漫游系统”创建的大型互通立交VRML模型，在场景中操作者能够通过“Walk”功能任意穿越场景，动态观察每个匝道的设计情况，在不同角度观看互通立交建成后的实景。 
3.3 运用于3DSMax制作渲染动画 
 在建立VRML脚本过程中采用VRML2.0格式编写，这样就能直接在3DSMax中调用VRML场景，有利于我们制作精度较高的渲染图，而且调入的模型光线、动画、材质帖图等都已经制作好，极大避免了重复建模的工作，这些都是在Autocad三维建模中无法做到的。图4是3DSMax调用上个互通立交的VRML脚本，我们可以看到VRML模型具备很高的重复利用价值。 
4 结语 
 对于公路行业，VRML还是一个全新的领域，期待我们去开发，去应用。尽管目前VRML技术在公路设计中运用较少，但是随着计算机网络技术持续飞速发展，VRML在公路设计中的运用也必将逐渐普及。到时，公路和桥梁设计将突破“平面、立面、剖面”的传统模式，VRML将把公路、桥梁设计带到一个更加直观、更加真实、交互性更强的虚拟世界中，加上因特网在带宽、速度以及传输技术上的更新与发展，VRML的应用前景将是非常广阔的。 参考文献： [1]《计算机图形学》Donald Hearn ,M.Pauline Baker 著 
[2] “三维动画在模拟公路行车中的实现与应用” 《公路》2000.6 张伯根陈国陈园 
[3] <a href="http://www.evision.com.cn/cn/vr" target="_blank" >http://www.evision.com.cn/cn/vr</A>
 [4] <a href="http://www.fenglei.net/vr/index.htm" target="_blank" >http://www.fenglei.net/vr/index.htm</A> 
图4 3DSMAX中调入的VRML模

作者: zzwszj 时间: 2004-12-8 12:42
寻求虚拟现实爱好者！！

作者: libin77 时间: 2005-1-20 13:15
ding ding

欢迎光临数学建模社区-数学中国 (http://www.madio.net/)