虛擬現(xiàn)實vrml程序設(shè)計-章

VRML程序設(shè)計第一頁，共五十四頁。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述1.1虛擬現(xiàn)實概念特點系統(tǒng)基本構(gòu)成關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用1.2VRMLChapter1第二頁，共五十四頁。1.1虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實是利用計算機(jī)生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺以及嗅覺等的模擬環(huán)境(如飛機(jī)駕駛艙、分子結(jié)構(gòu)世界等)，通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，用戶可通過其感官與這一生成的虛擬實體進(jìn)行交互溝通，如同與真實的環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。這里所謂的“模擬環(huán)境”一般是指用計算機(jī)生成的有立體感的圖形，它可以是某一特定現(xiàn)實環(huán)境的表現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的是人所感受到的虛擬幻境，所以錢學(xué)森建議把VirtualReality的技術(shù)叫做“靈境技術(shù)”，由它構(gòu)成的信息處理環(huán)境稱作“靈境”。第三頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實的特點(3I特性)第一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過計算機(jī)生成一個非常逼真的實體，逼真要達(dá)到三維的視感，甚至還包括聽覺、觸覺和嗅覺等。這個逼真的實體足以成為“迷惑”人類視覺的虛幻的世界，這種“迷惑”是多方面的，不僅可以看到而且可以聽到、觸到以及嗅到這個虛擬世界中所發(fā)生的一切。這種感覺是如此的真實，以至于能全方位地浸沒在這個虛幻的世界中，這就是虛擬現(xiàn)實的第一個特征，即浸沒感（Immersion）或臨場參與感。第四頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實的特點第二，虛擬現(xiàn)實與通常CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型是不一樣的，它不是一個靜態(tài)的世界，而是一個動態(tài)的、開放的環(huán)境，它可以對使用者的輸入（如手勢，語言命令）作出響應(yīng)。如拿起一個虛擬的火炬并打開其開關(guān)，推動操縱桿，就可以在虛擬環(huán)境中的漫游，甚至還可以用虛擬的手感觸到虛擬物體的存在。虛擬現(xiàn)實環(huán)境可以通過一些三維傳感設(shè)備來完成交互動作，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的第二個特征，即交互性（Interaction）。第五頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實的特點第三，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個媒體，一個高級用戶界面，它還是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問題而由開發(fā)者設(shè)計出來的應(yīng)用軟件，它以詳盡的形式反映了設(shè)計者的思想。如在蓋一座現(xiàn)代化的大廈之前，首先要做的事是對這座大廈的結(jié)構(gòu)做細(xì)致的構(gòu)思，為了使之定量化，還需設(shè)計許多圖紙。這些圖紙反映的是設(shè)計者的構(gòu)思，虛擬現(xiàn)實同樣反映的是某個設(shè)計者的思想，只不過它的功能遠(yuǎn)比那些呆板的圖紙生動、強(qiáng)大的多，所以國外有些學(xué)者稱虛擬現(xiàn)實為放大人們心靈的工具，或人工現(xiàn)實（artificalreality）。這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的第三個特征，即思想性（Imagation）。第六頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)成第七頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

（2）實時三維圖形生成技術(shù)

（3）立體顯示和傳感器技術(shù)

（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

（5）系統(tǒng)集成技術(shù)

第八頁，共五十四頁。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用（1）醫(yī)學(xué)

（2）娛樂、藝術(shù)與教育

（3）軍事與航天工業(yè)

（4）管理工程

簡單場景示例如下:第九頁，共五十四頁。1.2虛擬現(xiàn)實建模語言VRML

第十頁，共五十四頁。VRML2.0標(biāo)準(zhǔn)被稱為第二代Web語言第十一頁，共五十四頁。VRML的特點（1）與其它Web技術(shù)語言相比，其語法簡單、易懂，編輯操作方便，學(xué)習(xí)相對容易。（2）VRML具有創(chuàng)建三維造型與場景，并可以實現(xiàn)很好的交互效果。而且可以嵌入Java、JavaScript等程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，從而極大的擴(kuò)充其表現(xiàn)能力，形成更為逼真的虛擬環(huán)境。（3）具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，文件容量小，適宜網(wǎng)絡(luò)傳輸，并可方便地創(chuàng)建立體網(wǎng)頁與網(wǎng)站。（4）具有多媒體功能，在其程序中可方便地加入聲音、圖像、動畫等多媒體效果。（5）具有人工智能功能，在VRML中具有感知功能，可以利用各種傳感器節(jié)點來實現(xiàn)用戶與虛擬場景之間的智能交互。（6）在當(dāng)前各種瀏覽器中還不能直接運行，必須安裝VRML相關(guān)插件才能看到其效果。

第十二頁，共五十四頁。二、VRML的基本知識2.1VRML文件的編輯運行2.2一個VRML程序示例2.3VRML基本概念Chapter2第十三頁，共五十四頁。2.1VRML文件的編輯運行

VRML的編輯VRML是文本文件，它向VRML瀏覽器發(fā)出如何為虛擬空間創(chuàng)建3D造型的指令。使用VRML創(chuàng)建自己的虛擬空間，需要VRML瀏覽器（例如Windows中IE的組件VRML2.0）和某種字處理器（如記事本）就可以實現(xiàn)了。在字處理器鍵入VRML指令。然后，將文本文件存成*.wrl文件，最后將它裝入VRML瀏覽器，以3D形式查看。為了向空間添加更多東西，返回字處理器，鍵入其他VRML指令，保存文件，并將它重新讀回VRML瀏覽器。重復(fù)上述操作，逐漸創(chuàng)建自己的虛擬空間。編輯工具推薦VrmlPad第十四頁，共五十四頁。VRML的運行運行環(huán)境要求較低，采用Pentium4以上的計算機(jī)，主頻2G以上、內(nèi)存128M以上、顯存64M以上、硬盤10G以上即可常用的VRML文件瀏覽器有CortonaPlayer和CosmoPlayer，我們這里使用CortonaPlayer第十五頁，共五十四頁。2.2VRML程序示例#VRMLV2.0utf8DEFqiutiTransform{#坐標(biāo)變換節(jié)點Children[Shape{appearanceAppearance{ materialMaterial{ diffuseColor010 }}GeometrySphere{radius1.1}}]}DEFtimeTimeSensor{#時間傳感器節(jié)點 cycleInterval2.0 loopTRUE}DEFbianhua

PositionInterpolator{#位置插補節(jié)點 key[0.0,1.0] keyValue[00-10006]}ROUTEtime.fraction_changedTObianhua.set_fraction#路由ROUTEbianhua.value_changedTOqiuti.set_translation#路由第十六頁，共五十四頁。注意事項：

vrml文件區(qū)分大小寫

vrml文件的語法結(jié)構(gòu)。一個實用的vrml文件一般由文件頭，節(jié)點和路由組成

vrml文件實際上是眾多節(jié)點的組合。一個節(jié)點由節(jié)點名和一對花括號組成，花括號內(nèi)可以有多條語句。路由語句根據(jù)需要可以有多個。一個最基本的vrml文件處必需的文件頭外，可以沒有路由語句，但至少應(yīng)包含一個節(jié)點。文件頭中的utf8表示文件使用的UTF-8字符集。計算機(jī)中使用的ASCII字符集是UTF-8字符集的子集。第十七頁，共五十四頁。2.3VRML基本概念

文件頭 VRML文件中的第一行#VRMLV2.0utf8，這是VRML文件頭，任何VRML文件都必須有這樣的文件頭，并且必須放在第一行，它表述了以下三個含義：（1）#這個#不是注釋，而是VRML文件的一個部分；（2）VRML表示告訴瀏覽器，這是個vrml文件；（3）V2.0表示告訴瀏覽器，這個文件使用vrml2.0版的規(guī)范完成；（4）utf8表示文件是使用國際UTF-8的字符集。第十八頁，共五十四頁。域可理解為其他高級語言中的“變量”。分為兩種：普通域，公共域。如上例中radius是普通域，diffuseColor，cycleInterval，loop，key，keyValue為公共域，children也為公共域。VRML的空間坐標(biāo)與計量單位在構(gòu)建虛擬場景中，構(gòu)成場景的造型有大小的差別，物體間有相對位置的不同，并且造型還會有旋轉(zhuǎn)、移動等運動。這就涉及到物體的空間坐標(biāo)系、相應(yīng)的長度、角度及顏色等。在VRML中，采用空間直角坐標(biāo)系確定造型的位置，并且用特定的計量單位定量表示長度。

第十九頁，共五十四頁。1.VRML空間坐標(biāo)系在VRML場景中，空間直角坐標(biāo)滿足右手螺旋法則，就是說，右手四指從X方向轉(zhuǎn)到Y(jié)方向，則拇指的指向是Z方向。在默認(rèn)情況下，X坐標(biāo)向右為正；Y坐標(biāo)向上為正；而Z坐標(biāo)指向觀察者，如圖所示。第二十頁，共五十四頁。2.VRML長度單位長度及坐標(biāo)的計量單位采用VRML單位計量，在三維空間中，它是統(tǒng)一的，簡稱為單位。需要注意的是，這里表示的單位和實際環(huán)境中的計量沒有任何可比性，和一些三維建模軟件如3DSMAX的計量單位也沒有可比性。在VRML場景中，只有物體間的大小和相對位置都用VRML單位計量，才能模擬出真實的現(xiàn)實。3.VRML角度單位在VRML中，使用的角度不是普通的角度，而是用弧度表示，這是瀏覽器接受的角度描述。當(dāng)在VRML中使用角度單位中，要先將其換算成弧度后，再將其寫入到VRML源程序中。VRML中的360o角度等于2π弧度，由此，1弧度約等于57o。4.空間立體著色在VRML三維空間中，無論是背景、光線的顏色、物體，它們的顏色都是由紅、綠、藍(lán)（RGB）組合而成，它們分別對應(yīng)3個浮點數(shù)，其域值為0.0-1.0之間，由這三原色組合成各種顏色。第二十一頁，共五十四頁。節(jié)點和域節(jié)點是VRML文檔中最基本的組成單元，是VRML的精髓與核心。VRML借助于節(jié)點描述對象某一方面的特征，如各種形狀、材質(zhì)以及顏色等等。VRML場景往往由一組具有一定層次結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造出來。每個節(jié)點包含有子節(jié)點和描述節(jié)點屬性的“域名”、“域值”。相當(dāng)于其它高級語言中的變量、數(shù)組等，或是數(shù)據(jù)庫中的字段。第二十二頁，共五十四頁。一般節(jié)點語法定義如：Shape{#Shape模型節(jié)點appearanceAppearance{#定義造型外觀、顏色和表面紋理

materialMaterial{}#描述外觀材質(zhì)屬性

} geometryCone{#指定造型外觀為圓錐體節(jié)點

bottomRadius5.5#指定圓錐體底面半徑

height6.0}#指定圓錐體的高度}第二十三頁，共五十四頁。上述的一段VRML文檔描述了一個圓錐體的建立，其中Shape、Appearance、Material以及Cone就是節(jié)點。節(jié)點由節(jié)點名、節(jié)點類型、域、事件接口等基本組成部分。不同的節(jié)點包含有不同的域，各個域沒有次序之分，每個域都有自己的默認(rèn)值，而且有些域還可用同名的節(jié)點作為域值。根據(jù)域具有的域值情況的不同，可以把域分為兩類，一類為單值域，用SF標(biāo)記，它用一個值來描述對應(yīng)節(jié)點相應(yīng)的特征。另一類為多值域，用MF標(biāo)記。VRML的域值類型有很多種：比如SFBool表示單域值布爾型，取值為True或者False，以確定某個屬性是否打開；SFVec2f、MFVec2f表示單(多)域值二維浮點型，取值為兩個浮點數(shù)值，可用來確定一個二維坐標(biāo)；而SFVec3f、MFVec3f則表示單(多)域值三維浮點型，取值為三個浮點數(shù)值，可用來確定一個三維坐標(biāo)。第二十四頁，共五十四頁。事件和路由在現(xiàn)實環(huán)境中，事物往往隨著時間會有相應(yīng)的變化。比如，物體的顏色隨著時間發(fā)生變化。在VRML中借助事件和路由的概念反映這種現(xiàn)實。1.事件在VRML中，每一個節(jié)點一般都有兩種事件，“入事件”(eventIn)和“出事件”(eventOut)，每個節(jié)點通過這些“入事件”和“出事件”來改變節(jié)點自己的域值。如節(jié)點的顏色可以改變，可以表示為接收了這樣一種事件：set_color。當(dāng)節(jié)點被改變了，會對改變的狀態(tài)有所反應(yīng)，送出一些事件,比如發(fā)出信號，顏色改變了：Color_changed。事件相當(dāng)于高級程序語言中的函數(shù)調(diào)用。其中，“入事件”相當(dāng)于函數(shù)調(diào)用的入口參數(shù)，而“出事件”相當(dāng)于函數(shù)調(diào)用時返回的參數(shù)。在VRML中的每一個節(jié)點內(nèi)部有些域被定義為“暴露域”，即指它能夠接收事件，也能輸出事件。事件的調(diào)用是臨時的，事件的值不會被寫入VRML中。第二十五頁，共五十四頁。2.路由路由的功能是連接一個節(jié)點的“入事件”eventIn和另外一個節(jié)點的“出事件”eventOut。通過簡單的語法結(jié)構(gòu)，建立兩個節(jié)點之間的時間傳送的路徑。路由的說明可以在VRML頂部，也可以在文件節(jié)點的某個域中。路由的出現(xiàn)，可使虛擬空間具有交互性、動感性與靈活性。借助于事件和路由，能夠使得所建立的虛擬場景更接近于現(xiàn)實。

第二十六頁，共五十四頁。（續(xù)上頁）如語句：ROUTEtime.fraction_changedTObianhua.set_fraction這里，時間傳感器對象time在定時時間到時發(fā)生fraction_changed出事件，輸出的時間值傳送給位置插補節(jié)點對象bianhua的入事件set_fraction，計算出和時間值對應(yīng)的坐標(biāo)變化值。又語句：ROUTEbianhua.value_changedTOqiuti.set_translationBianhua通過本身的value_changed出事件將計算出的新坐標(biāo)值傳遞給球體造型qiuti的入事件set_translation，使球體造型產(chǎn)生位移，于是動畫出現(xiàn)了。事件和路由構(gòu)成了VRML的動畫體系。第二十七頁，共五十四頁。三、創(chuàng)建三維立體造型3.1造型節(jié)點3.2簡單幾何造型節(jié)點3.3復(fù)雜幾何造型節(jié)點3.4造型的外觀設(shè)計3.5創(chuàng)建文本造型Chapter3第二十八頁，共五十四頁。3.1造型節(jié)點在VRML中創(chuàng)建三維立體造型是最基礎(chǔ)和重要的工作。Shape造型節(jié)點定義了立體造型的幾何形狀、尺寸、色彩、材質(zhì)、紋理等外觀特征。其語法格式如下：Shape{ appearance外觀域結(jié)點

geometry幾何造型域結(jié)點}第二十九頁，共五十四頁。3.2簡單幾何造型節(jié)點基本體素的建立形狀幾何由幾何節(jié)點描述，如Box,Cone,Cylinder等。第三十頁，共五十四頁。1．長方體（Box） Box { sizexyz }x、y、z默認(rèn)值均為2.0域值為默認(rèn)值的域也可省略不寫第三十一頁，共五十四頁。2．圓柱體（Cylinder）

Cylinder { radiusr heighth }默認(rèn)r=1.0、h=2.0以y軸為對稱軸第三十二頁，共五十四頁。3．圓錐體（Cone）

Cone { bottomRadiusr heighth }默認(rèn)r=1.0、h=2.0以y軸為對稱軸錐頂指向y+向第三十三頁，共五十四頁。4．球體（Sphere）

Sphere { radiusr }默認(rèn)r=1.0第三十四頁，共五十四頁。3.3復(fù)雜幾何造型節(jié)點

復(fù)雜形狀的建立

--動物、植物、地表、機(jī)械零件，等等...--可借助點、線、面來構(gòu)建--對于地表等，甚至有特定的節(jié)點描述，如

ElevationGrid節(jié)點第三十五頁，共五十四頁。PointSetShape{appearanceAppearance{...}geometryPointSet{coordCoordinate{point[...]}}}IndexedLineSetShape{appearanceAppearance{...}geometryIndexedLineSet{coordCoordinate{point[...]}coordIndex[...]}}第三十六頁，共五十四頁。IndexedFaceSetShape{appearanceAppearance{...}geometryIndexedFaceSet{coordCoordinate{...}coordIndex[...]solidTRUEccwTRUEconvexTRUE}}第三十七頁，共五十四頁。ElevationGridShape{appearanceAppearance{...}geometryElevationGrid{xDimension3zDimension2xSpacing1.0zSpacing1.0 height[……]...}}第三十八頁，共五十四頁。Extrusion--條形、管形、環(huán)形…--可由Extrusion節(jié)點建立第三十九頁，共五十四頁。Extrusion擠出造型節(jié)點語法格式如下:節(jié)點名稱域名稱或事件域值#域、域值或事件類型Extrusion{crossSection[11,1-1,-1-1,,-11,11]#MFVec2fspine [000,010]#MFVec2fscale11#MFVec2forientation0010#MFRotationbeginCapTRUE#SFBoolendCapTRUE#SFBoolccwTRUE#SFBoolconvexTRUE#SFBoolso1idTRUE#SFBoolcreaseAngle0.0#SFF1oatset_crossSection#eventInMFVec3fset_spine#eventInMFVec2fset_scale#eventInMFVec2fset_orientauon#eventInMFRotation}第四十頁，共五十四頁。Extrusion擠出造型的一個例子第四十一頁，共五十四頁。3.4造型的外觀設(shè)計Appearance節(jié)點描述外觀

Appearance { material材質(zhì)域結(jié)點

texture貼圖域結(jié)點

}

--

可通過Material節(jié)點控制材料屬性，如顏色、高光、透明度等。

--可通過紋理映射為表面增添細(xì)節(jié)。

ImageTexture,PixelTexture,MovieTexture第四十二頁，共五十四頁。Material材質(zhì)節(jié)點 Material { diffuseColor0.80.80.8--材料漫反射光色（r,g,b），0.0~1.0 specularColor0.00.00.0--材料鏡面反射光色（r,g,b），0.0~1.0 shininess0.2--亮度，0.0~1.0 ambientIntensity0.2--對比度，0.0~1.0 emissiveColor0.00.00.0--材料發(fā)射光色（r,g,b），0.0~1.0 transparency0.0--材料透明度，0.0~1.0 }第四十三頁，共五十四頁。造型的色彩設(shè)計常見RGB分量的配比值RedGreenBlue顏色0.00.O0.0黑0.20.20.2深灰0.50.50.5中灰0.80.80.8淺灰1.01.01,0自1.00.00.0紅0.01.00.0綠0.00.01.0藍(lán)1.01.00.0黃第四十四頁，共五十四頁。幾何造型的簡單色彩設(shè)計VRML為整體造型添加同樣的顏色時，只需為diffuseColor域的域值設(shè)置一組合適的RGB分量值，就完成了對造型基本顏色的設(shè)計。幾何造型的復(fù)雜色彩設(shè)計點集和線集造型的色彩設(shè)計：一是通過Materia1材質(zhì)節(jié)點的emissiveColor域的域值，為造型設(shè)定單一的顏色。（注意：不能使用diffuseColor域的域值設(shè)定點和線造型的顏色，因為前面已經(jīng)說過點集和線集節(jié)點創(chuàng)建的造型不受光源的影響，沒有光照的情況下，無論diffuseColor域的域值設(shè)定成什么顏色，瀏覽器均顯示為黑色）二是通過Pointset點集節(jié)點和IndexedLineSet線集節(jié)點的color域的域值Color顏色節(jié)點，為造型設(shè)定不同的顏色。IndexedLineSet線集節(jié)點有color、colorIndex、colorPerVertex三個域的域值用于為所創(chuàng)建的線段著色。面集造型的色彩設(shè)計：color、colorIndex、colorPerVertex網(wǎng)格標(biāo)高造型的色彩設(shè)計

color、colorPerVertex

第四十五頁，共五十四頁。四、造型的材質(zhì)設(shè)計造型的材質(zhì)設(shè)計是一項復(fù)雜的工作,現(xiàn)實世界中常用的材料,如金屬、木材、磚瓦、石料、玻璃、塑料等不僅僅是外觀顏色上的差別,材質(zhì)的屬性更多反映在透明度、發(fā)光顏色、反光度、外觀亮度的不同。因此,材質(zhì)設(shè)計必須依賴于Material節(jié)點中六個域值的綜合設(shè)定來完成。下表是常用材質(zhì)域值設(shè)定的參考表。視覺效果材料漫反射顏色環(huán)境光反射物體鏡面反射顏色材質(zhì)外觀亮度diffuseColorambientIntensitySpecularColorshininess黃金0.50.30.00.40.70.70.60.2白銀0.50.50.70.40.80.80.90.2銅0.40.20.00.280.80.40.00.1鋁0.30.30.50.30.70.70.80.1紅塑料0.80.20.20.10.80.80.80.15綠塑料0.20.20.80.10.80.80.80.15藍(lán)塑料0.20.80.20.10.80.80.80.15第四十六頁，共五十四頁。造型的紋理包裝設(shè)計ImageTexture節(jié)點示例1

Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{}textureImageTexture{url"wood.jpg"}}geometry...}VRML只支持.jpg、.gif圖像格式幾何造型所有的面都有貼圖拉伸型覆蓋圖像文件應(yīng)與VRML文件在同一位置第四十七頁，共五十四頁。ImageTexture節(jié)點示例2

Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{}texturePixelTexture{image213//width,height,bytes

0xFFFF000xFF0000//pixel,pixelvalues}}geometry...}第四十八頁，共五十四頁。MovieTexture節(jié)點示例

Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{}textureMovieTexture{url"movie.mpg"loopTRUEspeed1.0startTime0.0stopTime0.0}}