李永濤

摘要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)也相應(yīng)地產(chǎn)生并發(fā)展起來。該文以虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的建模設(shè)計(jì)為主題。首先給出了虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的3D建?？傮w設(shè)計(jì)；然后介紹了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)建模的實(shí)現(xiàn)；最后給出了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的建模實(shí)現(xiàn)，為通用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)提供了有意義的探索。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬場(chǎng)景；建模；X3D

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）07-1543-03

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室與X3D技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)室最早在1989年，由美國弗吉尼亞大學(xué)（University Of Vinginia）的威廉·沃爾夫（William Wulf）教授提出，用來描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。1995年，聯(lián)合國教科文組織將虛擬實(shí)驗(yàn)室定義為：利用分散的信息和通信技術(shù)以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗(yàn)的一種電子協(xié)作組[1]。

X3D（Extensible 3D）是新一代網(wǎng)絡(luò)三維交互式圖形的軟件標(biāo)準(zhǔn)。X3D被定義為可交互操作、可擴(kuò)展、跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)三維標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于VRML而言，X3D增加了計(jì)算器和插值驅(qū)動(dòng)的連續(xù)動(dòng)畫、鍵盤輸入、人性化動(dòng)畫和變形、多通道/多進(jìn)程紋理貼圖、多邊形幾何體、參數(shù)化幾何體、2D矢量、平面圖形等新特性[2]。

利用強(qiáng)大X3D技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用戶能在更加生動(dòng)逼真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加人性化、智能化。因此，采用X3D技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)具有相當(dāng)可行性的。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室建模的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

在虛擬實(shí)驗(yàn)的“3I”特性中，“沉浸感”是其中一個(gè)重要的特性。沉浸感的實(shí)現(xiàn)需要生成逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的建立要求場(chǎng)景中各種實(shí)驗(yàn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)物品等都要和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境一致。這不但要求在外形上與真實(shí)環(huán)境一致，而且要求它們?cè)谛螒B(tài)、光照、質(zhì)感方面都十分逼真[3]。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模一般可分為兩大類：一是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，包括室內(nèi)室外建模，室內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建模如實(shí)驗(yàn)桌子、書架等。二是虛擬實(shí)驗(yàn)器材，包括虛擬儀器和虛擬物品。

虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境建?？梢越y(tǒng)一建立一次，基本保持不變，以統(tǒng)一風(fēng)格。如室外天空、室內(nèi)的墻壁、門窗、天花板等。虛擬儀器和物品可采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ瑢⑵浞庋b成一類一類的原型，方便實(shí)驗(yàn)的調(diào)用、裝配和修改。

經(jīng)過以上分析，虛擬實(shí)驗(yàn)室建模的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室建模的實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的設(shè)置

虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境繪制包括墻壁、天花板、門窗等。圖2所示為虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方案。

整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的場(chǎng)景主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)和室內(nèi)的裝飾設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空間、桌椅、門窗，實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用于播放實(shí)驗(yàn)操作視頻的投影儀等。這些模型可以通過X3D的基本建模節(jié)點(diǎn)，綜合運(yùn)用變換節(jié)點(diǎn)Transform、組節(jié)點(diǎn)Group、內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)Inline等實(shí)現(xiàn)造型。整個(gè)場(chǎng)景文件很小，非常有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸和瀏覽。

實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空間建模可以直接采用X3D的三維造型節(jié)點(diǎn)。其制作方法可以先采用Box建立六個(gè)不同長、寬、高的長方體，構(gòu)造出墻壁、天花板、地板六個(gè)面。然后利用外觀節(jié)點(diǎn)Appearance進(jìn)行外觀設(shè)置。

實(shí)驗(yàn)室的其它場(chǎng)景如實(shí)驗(yàn)臺(tái)，藥品架、投影儀等的建模都可以采用以上的原理實(shí)現(xiàn)。

3.2 簡(jiǎn)單虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、物品的建模實(shí)現(xiàn)

對(duì)于簡(jiǎn)單的儀器，可以利用X3D的基本造型節(jié)點(diǎn)如Box、Cylinder、Cone、IndexFaceSet、Extrusion實(shí)現(xiàn)。

下面以鐵架臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)例來說明虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、物品的建模實(shí)現(xiàn)過程。

利用幾何建模的思想分析，鐵架臺(tái)由臺(tái)體、鐵環(huán)、鐵夾三個(gè)部件構(gòu)成。臺(tái)體由底座子部件和鐵桿子部件構(gòu)成。

底座子部件和鐵桿子部件，由X3D的Box盒子節(jié)點(diǎn)和Cylinder圓柱體節(jié)點(diǎn)建模實(shí)現(xiàn)。

鐵架臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置中Extrusion中的鐵環(huán)造型，由crossSection定義一個(gè)放樣二維圖形輪廓，其輪廓是一個(gè)圓。因此，crossSection的二維坐標(biāo)點(diǎn)可以通過圓的參數(shù)方程計(jì)算出二維關(guān)鍵點(diǎn)，繪制出圓曲線。圓環(huán)幾何軌跡也是一個(gè)圓，通過Extrusion中的spine定義一個(gè)封閉的圓軌跡，造型將沿著這條曲線被拉伸。

鐵夾的建模方法和鐵環(huán)類似，只需通過Extrusion中的spine定義一個(gè)未被完完封閉的圓軌跡。

3.3 復(fù)雜虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

考慮到復(fù)雜實(shí)驗(yàn)儀器常常由多個(gè)部件組成這一事實(shí)，該文采用了層次化幾何建模方法[4]，將虛擬儀器的幾何建模分為：對(duì)象層、結(jié)構(gòu)層和屬性層3個(gè)基本層次。通過對(duì)化學(xué)儀器的分析，虛擬化學(xué)儀器是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的組件組成。其中組件還可以細(xì)分為子組件1，子組件2……。其基本設(shè)計(jì)可以用圖3來表示。

為了將虛擬儀器對(duì)象實(shí)例化，可以采用X3D的原型機(jī)制。下面以圓底燒瓶原型為設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹基于原型機(jī)制的虛擬儀器設(shè)計(jì)方法。

首先，在X3D程序中以ProtoDeclare聲明一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的名稱。ProtoDeclare中包含ProtoInterface及ProtoBody。在ProtoInterface中列出該節(jié)點(diǎn)所有的字段，并注明字段的名稱、數(shù)據(jù)類型、操作類型，在ProtoBody中定義出新節(jié)點(diǎn)的功能。以下為程序主要代碼：

在原型代碼中，引入三維坐標(biāo)，顏色參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)像的實(shí)例化。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室建模的優(yōu)化

在創(chuàng)建復(fù)雜的X3D場(chǎng)景時(shí)，除了創(chuàng)建大量的模型外，還必須考慮X3D文件的長度和場(chǎng)景的渲染速度。下面是在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)采用的場(chǎng)景優(yōu)化方法：

1）solid域值設(shè)置的優(yōu)化

我們可以設(shè)置X3D建模節(jié)點(diǎn)圓柱體、圓錐體的side；面造型、擠出造型節(jié)點(diǎn)的solid域值設(shè)置為TRUE，X3D只渲染表面，不渲染內(nèi)面，將用戶不需要觀察的面去掉。此時(shí)，并不影響用戶對(duì)儀器的觀察和交互操作，并且減少了渲染量，實(shí)現(xiàn)了瀏覽器的優(yōu)化。

2）利用DEF、USE對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重用

在場(chǎng)景中經(jīng)常有部分節(jié)點(diǎn)有著相同或相近的特點(diǎn)，比如擺放不同實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它們的模型是相同的，僅有位置上的區(qū)別，我們可以對(duì)一個(gè)包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)群組節(jié)點(diǎn)命名，如，然后再利用多次對(duì)table引用，從而減少代碼的重復(fù)。

3）采用原型PROTO機(jī)制

原型除了減少代碼重復(fù)外，還提供了內(nèi)部屬性的設(shè)置。原型可以用來創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)，并且可以靈活地修改所定義的原型，然后導(dǎo)入到虛擬場(chǎng)景中，從而在虛擬實(shí)驗(yàn)建模中節(jié)省大量的時(shí)間和精力。通過定義原型，我們可以不必重復(fù)建立模型，只需定義其內(nèi)部屬性和在場(chǎng)景中引用，從而達(dá)到建模的優(yōu)化。

4）利用Inline內(nèi)聯(lián)聯(lián)節(jié)點(diǎn)

將復(fù)雜的大場(chǎng)景分成幾個(gè)小的簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，在用戶需要觀察時(shí)候內(nèi)聯(lián)到場(chǎng)景中。如虛擬實(shí)驗(yàn)室中有門、窗、投影儀等，將這些造型分別存放在不同X3D文件中，在構(gòu)造場(chǎng)景時(shí)再內(nèi)聯(lián)需要的造型文件。

5 結(jié)束語

本文以X3D為核心技術(shù)，深入探討了如何利用X3D技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景的建模，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備建模，包括虛擬儀器和虛擬物品，做了深入的理論研究和實(shí)施規(guī)劃，提出了采用X3D建模的具體實(shí)施方案，并給出了建模方案的優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周雪松，豐美麗，馬幼捷，等.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2008，29（4）：1-2.

[2] ISO/IEC 19775-1.2[EB/Ol].（2008）[2012-12-27].http：//www.web3d.org/x3d/specifications/ISO-IEC-19775-1.2-X3D-AbstractSpecification/index.html.

[3] 徐凱宏，李會(huì)，岳聽.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].中國林業(yè)教育，2006 （1）：60-62.

[4] 趙沁平.DVENET分布式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)與開發(fā)工具[M].北京：科學(xué)出版社，2005：227-230.