一個(gè)復(fù)雜的VRML場(chǎng)景的設(shè)計(jì)

　　摘要：
　　
　　本文通過(guò)對(duì)HTML和VRML的比較，闡述了VRML的工作原理及特性，簡(jiǎn)要介紹了VRML的核心體系，并分析了一個(gè)復(fù)雜的VRML場(chǎng)景的設(shè)計(jì)制作流程，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題作了相應(yīng)的解答。
　　
　　關(guān)鍵詞：HTML語(yǔ)言  VRML語(yǔ)言、虛擬現(xiàn)實(shí)、交互
　　
　　A Design Of A Complex VRML Scene
　　
　　Zhangchaoqin Tanxianhai
　　
　�。–omputer Department Of Southwest Jiaotong Univerity, SiChuan ChengDu 610031）
　　
　　Abstract :In this paper,,through comparing the HTML with the VRML ,the author describles the working principle of the VRML,introduces the kernel scheme of the VRML in brief,analyses the facture procession of a complex VRML Scence ,and solves the problem which may occur.
　　
　　Key Words:HTML 、 VRML、 VR 、interaction
　　
　　1. 前言
　　
　　未來(lái)信息社會(huì)的三大特征是：多媒體（Multimedia）、因特網(wǎng)（Internet）、和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR,Virtual　Reality）。1995年，HTML（超文本標(biāo)識(shí)語(yǔ)言，Hyper Text Marked Language）語(yǔ)言以其簡(jiǎn)單及跨平臺(tái)特性，將全球處于十分分散的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，它以超鏈接為基礎(chǔ)，把文本、圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)、影像集成在一起，提供了基本的多媒體功能。
　　
　　但是受HTML語(yǔ)言自身局限，網(wǎng)頁(yè)只能是簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)，就算Java語(yǔ)言為WWW增色不少，也僅僅停留在平面設(shè)計(jì)階段；即使CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口，Common Gateway Interface）能使Wed有更強(qiáng)的交互功能，但也僅限于單調(diào)的文檔及表格。
　　
　　近幾年出現(xiàn)的VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言，Virtual Reality Modeling Language）徹底改變了WWW上單調(diào)、交互性差的弱點(diǎn)，它將用戶的行為作為瀏覽主體，展現(xiàn)在用戶面前的是一個(gè)三維、逼真的多媒體界面。
　　
　　2. VRML的工作原理
　　
　　VRML的訪問(wèn)方式是基于客戶/服務(wù)器模式（見(jiàn)圖1），其中服務(wù)器提供VRML文件（后綴為。wRL）及支持資源客戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問(wèn)的文件，并通過(guò)本地平臺(tái)上的VRML瀏覽器（Browse）交互式訪問(wèn)該文件描述的虛擬境界（Virtual World），因?yàn)闉g覽器是本地平臺(tái)提供的，從而實(shí)現(xiàn)了和硬件平臺(tái)的無(wú)關(guān)性。
　　
　　圖1 VRML的客戶/服務(wù)器模型
　　
　　VRML象HTML一樣，是一種ASCII碼描述語(yǔ)言，它是一套告訴瀏覽器如何創(chuàng)建一個(gè)三維世界并在其中航行（navigation）的指令，這些指令由再現(xiàn)器（Render）解釋執(zhí)行，再現(xiàn)器是一個(gè)內(nèi)置于瀏覽器中或外部的程序。
　　
　　由于VRML是一個(gè)三維造型和渲染的圖形描述性語(yǔ)言，復(fù)雜的3D術(shù)語(yǔ)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)虛擬世界是高速的硬件和瀏覽器，又由于其交互性強(qiáng)和跨平臺(tái)性，使虛擬現(xiàn)實(shí)（VR,Virtual Reality）在Internet上有著廣泛的應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程教育、商業(yè)宣傳、娛樂(lè)等等，下面作者就一個(gè)大型復(fù)雜的VRML場(chǎng)景設(shè)計(jì)，做一些粗淺的分析，先介紹有關(guān)概念。
　　
　　3. VRML的核心體系
　　
　　VRML文件描述的基于時(shí)間的三維空間稱為虛擬境界（Virtual World），它由對(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VRML的基本單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由類型、域、事件、實(shí)現(xiàn)、名字組成，節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)則構(gòu)成場(chǎng)景圖（Scene graph），場(chǎng)景圖中分兩類節(jié)點(diǎn)，第一類節(jié)點(diǎn)用于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)角度表現(xiàn)對(duì)象，它們按層次體系組織，反映境界的空間結(jié)構(gòu)，提供顏色、燈光、超鏈接、材質(zhì)、化身、重力、碰撞、地形隨動(dòng)、飛行等功能，支持局部坐標(biāo)系；第二類節(jié)點(diǎn)參與事件產(chǎn)生和路由機(jī)制，形成路由圖，確定境界隨時(shí)間推移如何動(dòng)態(tài)變化。
　　
　　環(huán)境變化、用戶交互、時(shí)間推移產(chǎn)生事件，傳感器（Sensor）檢測(cè)并發(fā)出初始事件，實(shí)踐產(chǎn)生其他事件或修改場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)，從而提供動(dòng)態(tài)特性。插入器（Interpolator）是特殊事件處理器，利用它可以設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)。
　　
　　對(duì)于復(fù)雜行為處理則須利用腳本節(jié)點(diǎn)（Script node），它包含一組腳本描述語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)，Script節(jié)點(diǎn)收到事件后，將執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，該函數(shù)可以通過(guò)常規(guī)的事件路由機(jī)制發(fā)送事件或直接向Script節(jié)點(diǎn)指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送事件，腳本也能動(dòng)態(tài)增、刪路由。以下（圖2）是場(chǎng)景中事件流程圖。
　　
　　圖2場(chǎng)景中事件流程圖
　　
　　4. 基于VRML的場(chǎng)景設(shè)計(jì)
　　
　　VRML,從用戶的角度來(lái)說(shuō)，基本上是HTML加上第三維，但從開(kāi)發(fā)者角度來(lái)說(shuō)，VRML環(huán)境的產(chǎn)生提供了一套完全的新標(biāo)準(zhǔn)，新過(guò)程以及新的Web 技術(shù)。
　　
　　交叉平臺(tái)和瀏覽器的兼容性是首先要解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)之前，必須明確指定目標(biāo)平臺(tái)（PC、Mac、SGI的新O2等等），CPU速度、可以運(yùn)行的帶寬以及最適合使用的VRML瀏覽器。
　　
　　VRML制作大致可分為兩個(gè)階段
　　
　�、� 第一階段 獨(dú)立與計(jì)算機(jī)工作之外的建模
　　
　　VRML世界的建造概念和其他工程建模概念相似，必須解決交流的問(wèn)題，畫(huà)出草圖并研究材質(zhì)的處理，生成模型（models）、空間（spaces）、化身（avatars），但必須考慮一些技術(shù)的限制，如，考慮到目標(biāo)平臺(tái)，決定在VRML文件中放入多少多邊圖形；預(yù)先考慮到VRML世界的運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行的動(dòng)作，把相應(yīng)的目標(biāo)歸類，用于設(shè)定三維物體之間的相互聯(lián)系，建模與動(dòng)畫(huà)相互配合，如果歸類正確合適，就會(huì)縮小生成動(dòng)畫(huà)效果之后文件的體積。
　　
　　虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)中必須考慮加入重力（gravity）和碰撞（collision）的效果，以使虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和生活中的相似。建模者需要生成代理幾何模塊（一系列的調(diào)用指令），其作用在于是瀏覽器在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中只需監(jiān)測(cè)一個(gè)很小的子目標(biāo)，而無(wú)須計(jì)算虛擬場(chǎng)景中所有目標(biāo)的重力和碰撞效果，最大限度的減少瀏覽器的工作量，并改善VRML的演示效果。
　　
　　還必須考慮VRML文件的體積。VRML文件對(duì)自由曲面描述方式一直是基于ploygon,文件中描述了曲面上各個(gè)點(diǎn)在場(chǎng)景中的位置，故而文件中產(chǎn)生了大量的數(shù)字，致使文件體積龐大，NURBS（非均勻有理B樣條，Non-Uniform B-Splines）是一種在3D模型空間中，用曲線和曲面表示物體輪廓和形狀的方法，簡(jiǎn)化了對(duì)復(fù)雜曲面的描述，VRML97（VRML的最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)里已經(jīng)加入了NURBS的描述語(yǔ)句，NURBS在VRML上的廣泛應(yīng)用使得三維模型文件變得很小，效果也要比ploygon的描述方式好的多，另外，VRML文件格式支持Zip壓縮，也使模型文件體積進(jìn)一步縮小，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，卻不影響瀏覽效果。
　　
　　加入虛擬顏色、材質(zhì)和燈光。各個(gè)瀏覽器有不同的染色器（負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換顏色），各個(gè)染色器的工作方法個(gè)不一樣，染色器中使用適時(shí)的3D著色引擎，它使虛擬現(xiàn)實(shí)建模與實(shí)時(shí)訪問(wèn)隔離，可能出現(xiàn)在不同瀏覽器里顏色不同的現(xiàn)象，因而著色必須保證制作者與用戶在不同的平臺(tái)、瀏覽器里顯示都是相同的。
　　
　　加入材質(zhì)、燈光能夠產(chǎn)生層次感和現(xiàn)場(chǎng)效果，增加真實(shí)性，但也必須質(zhì)感與實(shí)際運(yùn)行效果之間權(quán)衡，因?yàn)槭刮募�體積增大，占用CPU執(zhí)行時(shí)間。
　　
　　設(shè)定執(zhí)行參數(shù)。NavigationInfo（VRML文件的一個(gè)要素）用于設(shè)定用戶航行的基本原則，例如，用戶在場(chǎng)景中顯示的比例，穿過(guò)整個(gè)場(chǎng)景的速度，采用何種方式穿過(guò)場(chǎng)景。
　　
　　視角選定。建模者應(yīng)設(shè)想出最能表現(xiàn)出場(chǎng)景效果的某一區(qū)域，因此視角人員最好能有較好的技術(shù)背景以便分析出制作工具在實(shí)際應(yīng)用上述特色時(shí)可能會(huì)遇到的問(wèn)題及在不同瀏覽器上顯示效果及該瀏覽器是否支持這些特色，視角設(shè)計(jì)對(duì)VRML世界設(shè)計(jì)至關(guān)重要，視角選擇不當(dāng)可能將之毀于一旦。
　　
　�、� 第二階段 生成VRML行為并設(shè)定虛擬現(xiàn)實(shí)中可以實(shí)現(xiàn)的功能
　　
　　VRML97的交互性很強(qiáng)，用戶可以通過(guò)化身（用戶在虛擬空間的代表）與其他的用戶化身“面對(duì)面”交流和溝通，真正實(shí)現(xiàn)WWW上的多人環(huán)境，而它的實(shí)現(xiàn)需要編制復(fù)雜的行為。
　　
　　VRML制作的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)能在所有的瀏覽器上運(yùn)行。一種方法是使用動(dòng)畫(huà)，動(dòng)畫(huà)可以使VRML世界更加逼真，許多制作程序都需要用大量的時(shí)間檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（TimeSensors）來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，但同時(shí)也占用大量的CPU工作時(shí)間，減少TimeSensors的數(shù)量并在其不執(zhí)行實(shí)時(shí)工作時(shí)關(guān)閉是提高VRML文件運(yùn)行性能的通用方法。
　　
　　另一種方法是通過(guò)語(yǔ)言編制復(fù)雜的行為，VRML97互動(dòng)性很強(qiáng)，除了包括內(nèi)部的屬性，更支持Java、ECMAScript（JavaScript）、VRMLScript,甚至CGI等的接口，以便建立真3D虛擬社區(qū)，目前VRML主流編程是基于Java、JavaScript,特別是Java語(yǔ)言的日益成熟將成為VRML的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互提供良好的程序環(huán)境。無(wú)論那一種都必須使用Script節(jié)點(diǎn)。
　　
　　現(xiàn)在有三種編程方式：一，內(nèi)嵌在Script節(jié)點(diǎn)中的描述性語(yǔ)言 二，在Script節(jié)點(diǎn)中引用外部的Java字節(jié)流（后綴為“.class”），通常只是實(shí)現(xiàn)一些特殊的，描述性語(yǔ)言不能實(shí)現(xiàn)的功能，或者是為了源程序保密 三，通過(guò)VRML瀏覽器EAI（外部編程接口，External Authoring Interface）進(jìn)行編程，允許VRML世界與網(wǎng)頁(yè)上其他對(duì)象溝通。雖然編程方式各不相同，但所用語(yǔ)言都必須是有面向?qū)ο�、面向事件、跨平臺(tái)的特性。
　　
　　由于各瀏覽器對(duì)上述編程語(yǔ)言可能不支持，為了使其在各平臺(tái)都能運(yùn)行，可以在Script節(jié)點(diǎn)將所有編程方式逐一列出，當(dāng)然將加大文件的體積，以后VRML瀏覽器標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言的規(guī)范化，這種現(xiàn)象或許將得到改觀。
　　
　　5. 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　雖然目前主宰WWW服務(wù)的仍是HTML標(biāo)準(zhǔn)，但由于VRML以其交互性強(qiáng)、分布式、三維、多媒體集成、境界逼真等特性，加之價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)，受到各大公司重視，相信作為代Web的強(qiáng)力后盾，從其誕生之日就預(yù)示它取代HTML的趨勢(shì)。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
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　　②張旆 杜可亮 劉見(jiàn)灼等《WWW上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)-棗VRML語(yǔ)言》電子工業(yè)出版社 1998年8月
　　
　　張超欽 男 西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)系99級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專用研究生
　　
　　感興趣方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)
　　
　　通訊地址：西南交通大學(xué)306信箱
　　
　　郵編：610031
　　
　　電話：028-7601945
　　
　　E-mail :***
　　
　　譚獻(xiàn)海 男 西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)系副教授，碩士 張超欽的指導(dǎo)老師
　　
　　研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、協(xié)議開(kāi)發(fā)

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