基于VRML的虛擬機(jī)房的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了一個(gè)基于VRML的虛擬機(jī)房，介紹了虛擬機(jī)房的開發(fā)過程，對(duì)場景的幾何建模、紋理映射、交互行為設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；虛擬機(jī)房

    VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)是以虛擬現(xiàn)實(shí)為特征的3D Web技術(shù)的核心，它是一種描述交互式三維對(duì)象和世界的文件格式，它允許你去描述一個(gè)現(xiàn)有的或想象的景物并將它放入虛擬的三維環(huán)境中。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和硬件設(shè)施的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為今后網(wǎng)絡(luò)多媒體發(fā)展方向的主流。VRML作為一種ISO國際標(biāo)準(zhǔn)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 虛擬機(jī)房的總體設(shè)計(jì)
    虛擬機(jī)房三維立體場景包含機(jī)房內(nèi)的各種三維立體造型，如黑板、電腦桌、電腦椅、電腦、空調(diào)、交換機(jī)、門窗等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2．2 幾何建模的實(shí)現(xiàn)
    VRML2．O有著豐富的造型功能，利用基本幾何體Geometry節(jié)點(diǎn)和描述物體表面性質(zhì)的Appearance節(jié)點(diǎn)，可以創(chuàng)建各種形態(tài)的三維實(shí)體；再利用Light節(jié)點(diǎn)和Viewpoint節(jié)點(diǎn)可以建立光照和視點(diǎn)，從而創(chuàng)建出逼真的虛擬場景。
    各子對(duì)象的創(chuàng)建主要運(yùn)用的是幾何建模技術(shù)，先從形狀和外觀上進(jìn)行建模，再添加紋理映射的方法實(shí)現(xiàn)建模。紋理數(shù)據(jù)來自實(shí)地用數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片。
2．2．1 交換機(jī)的建模
    現(xiàn)代機(jī)房中交換機(jī)是必不可少的設(shè)備，交換機(jī)的建模采用Billboard組節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。值得注意的是Billboard組節(jié)點(diǎn)中使用的紋理圖背景必須是透明的，這是使用Billboard組節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。通過Billboard組節(jié)點(diǎn)可以快速方便地創(chuàng)建一些靜態(tài)的模型，例如虛擬機(jī)房中的空調(diào)等都可以用Billboard組節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。使用Billboard組節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的模型，形象逼真，具有很好的視覺效果；并且代碼量小，渲染速度快。
    利用Billboard節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建交換機(jī)的源代碼如下所示。
    Billboard { axisOfRotation 0．0 1．0 0．O
    children[Shape{appearance Appearance{
    texture ImageTexture {url"jiaohuanji．png"}}
    geometry Box{size 3．O 3．0 3．0})]}
    運(yùn)行效果如圖3所示。

2．2．2 門的建模
    虛擬機(jī)房的門是先使用VRML中的IndexedFaceSet面集節(jié)點(diǎn)建立造型，再貼上實(shí)拍的門的紋理貼圖，做出逼真的虛擬門，關(guān)鍵代碼如下。

    現(xiàn)實(shí)生活中的任何物體都是由各個(gè)平面組合而成的，而VRML的IndexedFaceSet面集節(jié)點(diǎn)就是通過創(chuàng)建物體造型的各個(gè)面，再賦予材質(zhì)和顏色，還可以添加不同的紋理貼圖，從而創(chuàng)建逼真的物體造型。利用VRML的IndexedFaceSet面集節(jié)點(diǎn)幾乎可以創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)生活中存在的任何物體造型。虛擬機(jī)房中的房屋造型、電腦桌、電腦椅、電腦等造型都是使用IndexedFaceSet面集節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，再添加上實(shí)拍的紋理貼圖，創(chuàng)建而成的。
2．3 交互功能的實(shí)現(xiàn)
    在虛擬機(jī)房場景中，使用Touchsensor節(jié)點(diǎn)、TimeSensor節(jié)點(diǎn)、OrientationInterpolator節(jié)點(diǎn)和Script節(jié)點(diǎn)，并用ROUTE把各個(gè)事件聯(lián)系起來，創(chuàng)建了門的開、關(guān)的交互動(dòng)作。
    在虛擬機(jī)房的虛擬場景中，當(dāng)鼠標(biāo)指向門時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)手形指針，這時(shí)單擊鼠標(biāo)，門就會(huì)緩慢地開開，再單擊鼠標(biāo)，門又會(huì)緩慢地關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)代碼如下所示。
   
3 虛擬文件性能優(yōu)化
    三維場景的呈現(xiàn)是通過瀏覽器已默認(rèn)視點(diǎn)為參照對(duì)場景描述文件的解釋而完成的，每當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生改變，瀏覽器就會(huì)重新計(jì)算場景中各對(duì)象的新位置并重新進(jìn)行渲染，因而會(huì)出現(xiàn)當(dāng)改變視點(diǎn)時(shí)，瀏覽器渲染的速度跟不上視點(diǎn)的變化速度，從而產(chǎn)生停頓的現(xiàn)象。為了解決此問題，采取了如下措施：
    (1)最大可能地使用重用機(jī)制。在場景內(nèi)，有不少反復(fù)出現(xiàn)的物體，比地板磚、電腦、電腦桌、椅子、燈等，這些對(duì)象中形狀完全相同者，采用DEF和USE的實(shí)例引用法進(jìn)行復(fù)制，極大地簡化了文件，減輕了瀏覽器的負(fù)擔(dān)。
    (2)利用Inline節(jié)點(diǎn)，減少文件的體積，提高代碼的 重用率；
    (3)利用LOD細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)場景切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 同一對(duì)象模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。為場景中某一對(duì)象建立多個(gè)不同的模型，當(dāng)視點(diǎn)離對(duì)象較遠(yuǎn)時(shí)采用簡單模型，較近時(shí)采用細(xì)化模型。

4 總結(jié)
    文章介紹了在線虛擬機(jī)房的模型、場景建模技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了一個(gè)基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的虛擬機(jī)房。VRML具有語法簡單、三維建模功能強(qiáng)大、便于網(wǎng)上發(fā)布等優(yōu)點(diǎn)，但仍不能滿足各行各業(yè)的需求，一些高級(jí)交互功能的實(shí)現(xiàn)必須借助于Java等功能強(qiáng)大的高級(jí)語言來實(shí)現(xiàn)。Java和VRML相結(jié)合來建立三維虛擬世界，將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上展現(xiàn)更逼真的三維虛擬場景，給使用者更真實(shí)的感覺。