桑沈丹，楊永國

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

基于3ds Max和VRML的連云港虛擬現(xiàn)實研究

桑沈丹?，楊永國

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

結(jié)合VRML技術(shù)和3ds Max強大的三維建模優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)場景的虛擬動態(tài)交互。文章采用非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合VRML和3ds Max技術(shù)構(gòu)建連云港地區(qū)花果山、西大堤等地的虛擬現(xiàn)實場景，在真實場景模擬的基礎(chǔ)上實現(xiàn)場景的縮放、漫游及地質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢、更新等功能，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實在除虛擬校園等規(guī)則空間之外的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實；VRML；3ds Max；不規(guī)則幾何體

1 引 言

非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機屏幕作為用戶觀察虛擬場景和二維信息的窗口，通過各種輸入設(shè)備可以實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的交互。VRML(Virtual Reality Modeling Language)作為一種基于網(wǎng)絡(luò)的交互式三維多媒體的建模語言，它可以創(chuàng)建逼真的三維場景，通過程序設(shè)計可以實現(xiàn)虛擬場景的動態(tài)交互[1]。在對數(shù)字校園、數(shù)字城市等多涉及規(guī)則幾何體的研究中常采用VRML對規(guī)則幾何體進行建模而后實現(xiàn)場景的動態(tài)交互。本文選取山體為研究對象，在虛擬場景構(gòu)建時單純使用VRML無法達到逼真的效果，而將VRML與功能強大的三維建模軟件(如3ds Max)結(jié)合，可以構(gòu)建逼真的虛擬場景。

本文采用VRML和3ds Max相結(jié)合的方式來實現(xiàn)連云港地區(qū)花果山、西大堤等場景的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的創(chuàng)建，并通過VRML語言實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)交互和實時控制[2，3]。即在建模階段利用3ds Max建立研究區(qū)域的三維模型，在控制階段通過VRML編程實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的交互功能。綜合利用二者優(yōu)勢，可以實現(xiàn)虛擬場景的仿真及動態(tài)交互。

2 三維場景模型的構(gòu)建

研究區(qū)域涉及連云港花果山、北崮山、孔望山、錦屏山、凰窩、漁灣、東西連島、羊山島、西大堤、港口等眾多山體及水域，采用山體標(biāo)高作為主要數(shù)據(jù)。在對該區(qū)域的虛擬現(xiàn)實研究過程中主要數(shù)據(jù)來源為:

(1)地理數(shù)據(jù):通過Google Earth等第三方電子地圖及遙感影像獲得連云港地區(qū)的相對位置圖。

(2)紋理數(shù)據(jù):采用拍攝的數(shù)碼相片，用PhotoShop對照片進行處理從而獲得貼圖。

利用3ds Max強大的三維建模功能對研究區(qū)域進行建模。在虛擬場景的創(chuàng)建過程中使用標(biāo)準(zhǔn)幾何體、擴展幾何體、二維圖形創(chuàng)建、復(fù)合對象、Modify修改面板、插補器、材質(zhì)編輯器等3D建模工具。在山體表面進行植被覆蓋時采用貼圖來近似生成場景，貼圖的合理運用可以極大地減小模型的復(fù)雜度。在賦材質(zhì)時候，利用UV編輯器和透明貼圖通道的調(diào)節(jié)，來使模型達到更為真實的感覺[4]。

3ds Max生成的場景模型的文件為?.max格式文件，而虛擬場景的創(chuàng)建需要在VRMLPad編輯器中完成，3ds Max提供了VRML文件格式的輸出功能。

在VRMLPad編輯器中使用紋理節(jié)點Texture節(jié)點對場景物體表面進行紋理處理，并編程實現(xiàn)功能，使用BS Contact VRML瀏覽器對場景進行輸出。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有漫游、縮放、查詢以及數(shù)據(jù)庫建立等，從而實現(xiàn)研究區(qū)域的自然、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟、人文信息的空間數(shù)據(jù)的查詢和分析、數(shù)據(jù)更新等功能，建立逼真的虛擬場景。

3.1 場景的貼圖及優(yōu)化

在導(dǎo)入的?.wrl文件中，表面貼圖由于貼圖路徑的不一致導(dǎo)致了建模物體表面貼圖的丟失，因此，有必要在VRMLpad編輯器中對場景代碼進行修改。以山體為例，在導(dǎo)入的?.wrl文件中貼圖路徑通常會表現(xiàn)為“../maps/hill.jpg”，這就導(dǎo)致了路徑的不可辨識，從而使表面貼圖失效，另外，在使用貼圖圖片的時候很可能將原有圖片丟失，這就要求在處理圖片的時候?qū)⑺褂觅N圖圖片和導(dǎo)出的?.wrl文件放到一個文件夾，在導(dǎo)出?.wrl文件之后彈出的VRML97編輯器中，對最后的位圖URL前綴進行刪除(軟件默認(rèn)的“../ maps”)，此外，還可以通過VRML的內(nèi)部代碼實現(xiàn)場景的貼圖:在確保圖片與文件在同一文件夾的情況下，在嵌入代碼中(以山體為例)作如下修改，可使虛擬場景表面產(chǎn)生紋理。

3.2 場景的瀏覽及場景對象的移動

PositionInterpolar節(jié)點最典型的應(yīng)用情形就是使虛擬物體產(chǎn)生移動，漫游實現(xiàn)場景如圖1所示，其主要實現(xiàn)代碼為:

圖1 虛擬場景的漫游實現(xiàn)圖

3.3 場景縮放功能的實現(xiàn)

在VRML編輯器VRMLPad中，使用Positioninterpolator節(jié)點value_changed輸出接口中發(fā)送的SFVec3f數(shù)據(jù)，也可以傳遞至Transform節(jié)點的scale域中，可使編組節(jié)點造型產(chǎn)生等比例或不等比例縮放變形動畫效果:

圖2 西大堤縮放圖景

3.4 場景查詢功能的實現(xiàn)

查詢功能是場景交互的重要功能之一，利用VRML中的超鏈接功能實現(xiàn)三維實體的查詢功能[5]。在Cosmo Worlds編輯器中選擇超鏈接對象，輸入超鏈接目標(biāo)，以漁灣為例，選擇漁灣模型，單擊插入超鏈接，在彈出的對話框中輸入插入的超鏈接的地址。

這樣，在單擊三維地理實體的時候就能彈出新的HTML頁面顯示三維實體的自然、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟、人文等信息，實現(xiàn)人機的交互。

使用Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境ASP.NET技術(shù)對連云港各研究地塊進行基礎(chǔ)資料的網(wǎng)頁制作，實現(xiàn)網(wǎng)頁與虛擬平臺之間的鏈接操作，方便虛擬場景的人機交互查詢。查詢?nèi)鐖D3所示。

圖3 漁灣信息顯示網(wǎng)頁

3.5 場景的自動瀏覽

場景中自動漫游功能主要使用視點控制來實現(xiàn)。在實現(xiàn)過程中選取適當(dāng)坐標(biāo)形成漫游路徑，從而實現(xiàn)場景的自動漫游[6，7]。

在實現(xiàn)過程中使用TimeSensor節(jié)點向各插補器節(jié)點輸出事件，此外還使用了位置插補器PositionInterpo-lator節(jié)點描述一系列用于動畫的關(guān)鍵值，朝向插補器OrientationInterpolator描述一系列在動畫中使用的旋轉(zhuǎn)值，使用路由創(chuàng)建信息通道以連接事件出口和事件入口。具體實現(xiàn)代碼如下:

3.6 場景數(shù)據(jù)庫的建立及更新

由表3可知，3個樣品真菌群落結(jié)構(gòu)基本類似，相對豐度占比有一定差別。其中熱子囊菌屬的相對豐度在各樣品中占比均最大，應(yīng)是根霉屬類，曲霉屬與熱子囊菌屬相對豐度占比呈此消彼長的規(guī)律。根霉屬和曲霉屬中的有益菌功能類似，均主要起糖化作用。從真菌屬層面分析，還無法準(zhǔn)確鑒別3個樣品的功能優(yōu)劣。由于目前黃曲霉和青霉的研究較多，菌種的功能和危害性已有定性，這里不做進一步分析。

場景的數(shù)據(jù)庫主要由Visual Studio開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建的網(wǎng)頁文件承載，當(dāng)數(shù)據(jù)需要更新的時候可以對網(wǎng)頁進行后臺數(shù)據(jù)的編輯從而達到數(shù)據(jù)更新的效果。

4 系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 背景優(yōu)化

(1)場景的背景顏色優(yōu)化

在VRML瀏覽器中默認(rèn)的背景色為黑色，給人以沉悶之感，適當(dāng)?shù)慕o場景添加背景可以增加場景的真實性，同時也能提高場景的渲染效果，海天一色給人以舒適感。優(yōu)化效果如圖4所示。

本場景所添加背景的VRML代碼為:

圖4 背景優(yōu)化后的場景圖

(2)適當(dāng)使用光源

光源將影響場景中的許多模型，它將給非瀏覽器帶來大量的運算。適當(dāng)?shù)氖褂霉庠匆材茉黾訄鼍暗目梢暥?。以下是在虛擬場景的設(shè)計過程中光源實現(xiàn)所使用的代碼:

4.2 VRML文件的場景優(yōu)化

VRML文件的大小直接影響文件的傳輸時間。因此，有必要對VRML文件進行優(yōu)化使之提高傳輸速率[8]。主要使用以下方法:

(1)刪除輸出程序中不必要的間隔

在使用文本編輯器保存VRML代碼時，生成的?. wrl文件中包括完整的文本格式，但瀏覽器在解釋VRML程序的時候，并不需要這些格式，例如，Box { size 1 1 1 }與Box{size 1 1 1}作用是一樣的，但通過文本方式保存之后，后者占空間要小，能提高下載速率，故而應(yīng)刪除一些不必要的空格。

(2)優(yōu)化文件中的導(dǎo)入模型

研究區(qū)域虛擬場景的創(chuàng)建是在3ds Max中完成的，為了描述精確，在生成VRML文件時都對數(shù)據(jù)使用了相當(dāng)高的精度，而且對一些基本幾何體都是用點、線、面的復(fù)雜幾何體來描述的，文件的過于龐大對網(wǎng)上傳輸是十分不利的，因此必須進行優(yōu)化。

此外，在3ds Max中對山體模型進行光滑處理，使其棱角光滑而不突兀。

(3)使用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點

從3ds Max中導(dǎo)入的文件數(shù)據(jù)量較大，會影響文件的傳輸速率，在構(gòu)造場景時使用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點可以幾個VRML文件組織起來實現(xiàn)整個場景，這樣，便于系統(tǒng)的維護。在虛擬場景創(chuàng)建過程中應(yīng)用如下:

其中url域指明一個有效VRML文件的URL，design.wrl文件為已經(jīng)創(chuàng)建完成的虛擬場景文件。

5 結(jié) 論

基于VRML與3ds Max的虛擬場景構(gòu)建方法，包括外部模型的導(dǎo)入、真實感場景的生成、動畫技術(shù)與實時交互等實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過視點、路由等的程序設(shè)計實現(xiàn)場景的移動、縮放與自動漫游等功能，使用Cosmo Worlds編輯器對場景進行超鏈接編輯，實現(xiàn)場景的查詢功能，對場景進行優(yōu)化，并深入討論和研究了系統(tǒng)創(chuàng)建過程中所遇到的關(guān)鍵問題和相關(guān)技術(shù)。

[1] 楊永國，張冬明，季景賢.基于VRML－GIS的三維小區(qū)構(gòu)建[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(2):231～235

[2] 吳蘭，羅如為，陳孝威.基于VRML與3ds Max的虛擬動態(tài)交互技術(shù)研究[J].計算機仿真，2007，21(1):213～216

[3] 張云苑.虛擬現(xiàn)實技術(shù)中3ds Max建模的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2006:189～190

[4] 陳錦昌，詹偉杰，何正國.虛擬校園中三維景物表面貼圖的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，31(4): 57～61

[5] 賀雪晨，徐楨.基于VRML的三維虛擬校園信息查詢功能的實現(xiàn)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2005，21(3):59～62

[6] 孫麟，劉迎春，徐春霞.基于VRML的虛擬場景漫游實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2008，29(14):3748～3751

[7] 韓小衛(wèi).基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].延安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27(2):14～19

The Research on Virtual Reality of Lianyungang Based on VRML And 3ds Max

Sang ShenDan，Yang YongGuo
(School of Mineral Resource and Earth Science，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Combining VRML and the three－dimensional modeling software 3ds Max can see the potential of the dynamic interaction of the virtual scene.Un－immersing Virtual Reality Technology was used in this paper.And the virtual scene such as Huaguoshan，West Breakwater were constructed by VRML and 3ds Max.The functions of the system included moving，zooming，automatic roaming，searching and updating the geological data for the scene based on the simulation of the real scene.The system realized the application of Virtual Reality in the irregular area in addition to those rule areas include virtual campus and so on.

Virtual Reality；VRML；3ds Max；Irregular Geometry

1672－8262(2011)02－28－04

P208

B

2010—06—26

桑沈丹(1986—)，女，碩士研究生，主要研究方向為虛擬地理環(huán)境。