虛擬現(xiàn)實技術(shù)與VRML

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機的圖形環(huán)境和電子技術(shù)外設(shè)產(chǎn)生逼真的視、聽、觸、力等偽物質(zhì)三維感覺環(huán)境。VRML是面向?qū)崟r漫游的虛擬現(xiàn)實造型語言。本文簡要介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、技術(shù)特征、應(yīng)用及VRML的概念、發(fā)展與構(gòu)造，并討論了VRML在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用中重要地位。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1．1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(Viamal Reality)技術(shù)是20世紀90年代以來興起的一種新型信息技術(shù)，是一種新的人一機界面形式。它追求的是將傳統(tǒng)的計算機從一種需要人用鍵盤、鼠標對其進行操作的設(shè)備變成了人處于計算機創(chuàng)造的人工環(huán)境中。用戶借助物定裝備(如數(shù)據(jù)手套、頭盔等)以自然方式與虛擬環(huán)境交互作用、相互影響，從而獲得與真實世界等同的感受以及在現(xiàn)實世界中難以經(jīng)歷的體驗。

1．2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展過程

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的起源可以追溯到1970年，任Ivan Suther Land領(lǐng)導下研制成功了第一個頭盔顯示器。人們戴上頭盔顯示器，可以看到一個邊長5厘米的立方體線框圖飄浮在自己眼前。當實驗者轉(zhuǎn)動頭部時，可以看見這個發(fā)光的立方體的不同側(cè)面，可以像真實世界中那樣來確定這個物體的形狀和位置。1972年Nolan·Bushnell發(fā)明了電子游戲rorh；1985年，Apple公司的Macintosh開始研制Sinmet，1989年Sinmet完成。NASA的Ames研究中心利用Radioshaek公司的袖珍式液晶顯示電視的屏幕研制成為頭戴式虛擬現(xiàn)實眼鏡，并研制成第一臺商用虛擬現(xiàn)實硬／軟件，美國空軍的Supemoelwit飛行模擬器。虛擬現(xiàn)實這個名詞已成為平常生活話題。

1．3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三個基本特征：

(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

(2)交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，代寫畢業(yè)論文 使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。

(3)多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。

1．4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展，它已經(jīng)被應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域：

(1)工程和建筑可用它設(shè)計各種產(chǎn)品和施工設(shè)備，建造工廠等預實現(xiàn)。如一個新產(chǎn)品的先期開發(fā)、一個具體建筑物一次性仿真。

(2)醫(yī)學其范圍包括建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學模擬，如用來設(shè)計各種合成藥物，允許研究人員測試各種藥物特性，進行人體解剖仿真，外科手術(shù)仿真器。

(3)軍工模擬最初的軍工模擬是推動VR發(fā)展的主要力量，VR的許多成功的應(yīng)用也是在此方面，代寫醫(yī)學論文如飛機駕駛模擬器、近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓練器、虛擬戰(zhàn)場等。

(4)科學可視化現(xiàn)在，有許多數(shù)據(jù)或物質(zhì)，如紅外光、微波、雷達、電磁場、在通道中流動的各種數(shù)據(jù)都不是可見的，利用VR技術(shù)，很容易將這些東西可視，這就為我們的研究帶來很大的方便。

(5)金融和娛樂金融可視化是指將大量數(shù)據(jù)變換成圖象式物質(zhì)，從而使數(shù)據(jù)更易理解和分析。娛樂是VR的一個巨大市場，世界一些著名的娛樂城已建成VR娛東中心，在這個環(huán)境中許多話都已變成“現(xiàn)實”。

(6)教育VR教育是一種非常有意義的潛在市場。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境，學生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演—個角色，這對調(diào)動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養(yǎng)學生的技能都將起到積極的作用。

2、VRML ．

2．1概念

VRML (Virtral Reality Modeling Language)是虛擬現(xiàn)實造型語言的縮寫形式。它是描述虛擬場景的一種標準。它定義了三維應(yīng)用系統(tǒng)中常用的語言描述，如層次變換、光源、試點、幾何、動畫、霧、材料特性和紋理映射等，并具有簡單的行為特征描述功能。

設(shè)計VRML的一個主要目標就是保證它成為多個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或其組成部分間有效的三維文件交換格式，并且，這些虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或其組成部分可分布在網(wǎng)絡(luò)的不同計算機處。

2．2 VRML的發(fā)展歷史

1994年5月。在瑞士日內(nèi)瓦召開的萬維網(wǎng)(www)會議上。Mark Pesos和Tony Parisi在會上介紹了他們開發(fā)的可在萬維網(wǎng)上運行的虛擬現(xiàn)實界面。這時，由一個情趣相投者聯(lián)誼會BOF馬上產(chǎn)生強烈的反響，決定開發(fā)一種場景描述語言。它可以連通Web網(wǎng)。VRML這個詞就是在BOF的會議上造出來的。

1994年10月在芝加哥(Chicago)召開的第二次WWW會議上公布V1LML1．0的規(guī)范草案。主要的功能是完成靜態(tài)的3D場景，代寫碩士論文以及與HTML鏈接的功能和措施。另一位SGI的原Open Inventor的設(shè)計師Paul Ssi#39;aLt88開始作一個VRML公共域(publicdomain)的詞解程序(Parser)，當時流行于業(yè)界的名字叫Qmb．

1995年秋。SGI進一步推出了WebSpace Author(供創(chuàng)作的程序)。這是一種Web創(chuàng)作工具，可在場景內(nèi)交互地擺放物體，并改進了場景的功能，還可用于發(fā)表VRML文件。

1996年初。VRML委員會審閱并討論了若干個VRML 2．0版本的建議方案，其中有SGI的動態(tài)境界(Mov-iIlg Worlds)提案、太陽微系統(tǒng)(Sun Microsystem)的全息網(wǎng)(Holl Web)、微軟公司(Mi )的能動VRML(Active、VRML)、蘋果公司(Apple)的超世界(Out of the woad)，以及其他多種提案。結(jié)果，Moving Worlds以70％選票贏得了絕對多數(shù)。1996年3月，VGA(、VRML．設(shè)計小組)決定將這個方案改造成為VRML 2．0。

1996年8月，VRML2．0在新奧爾良(New Orleans)的SIGGRAPH96會議上公布。

1998年發(fā)表中文國家標準。2002年8月，升級版本X3D通過國際標準。

2．3、VRML的應(yīng)用框架

圖1是目前VRML應(yīng)用的一般框架，潛在的應(yīng)用正在不斷地發(fā)展當中。

2．4VRML的構(gòu)造

一個VRML文件包括了一些主要的功能部件：代寫論文文件頭，場景圖，原型和事件路由等，通過瀏覽器對VRML進行處理以聲音和圖象的形式展現(xiàn)出來，并且用戶可以與場景進行交互。

(1)文件頭為方便識別VRML文件，每個VRML文件的開始都采用以下形式：

#VRML2．0<ercoding type>[optional comment]<line terminator>

(2)場景圖結(jié)構(gòu)

VRML文件用層次化的場景圖來描述三維對象和世界，在場景圖中的實體稱為節(jié)點，VRML定義了54種不同的結(jié)點類型，其中包括幾何元素體及對外表特性、聲音及聲音特性，以及不同類型的群節(jié)點。節(jié)點在域中存放它們的數(shù)據(jù)，VRML定義了20種類型的域，這些域可以用來存放從單個數(shù)據(jù)到三維旋轉(zhuǎn)矩陣。

VRML場景圖是一種單向圖，一個節(jié)點可以包含其他節(jié)點(一些類型的節(jié)點可能“子”節(jié)點)，也可以被一個或多個節(jié)點所包含(它們可以有一個以上的“父”節(jié)點)，但是一個節(jié)點不能包含自己。這樣的場景圖結(jié)構(gòu)可以容納由一些子模塊構(gòu)造大的或復雜的三維世界。

(3)事件結(jié)構(gòu)

VRML定義了事件或消息傳送機制，通過這些機制，場景圖中的節(jié)點可以相互通訊。每一節(jié)點定義了時間的名稱和類型，這些事件是該類型節(jié)點可以產(chǎn)生和經(jīng)受的。ROUTE語句定義了事件產(chǎn)生器和接收器之間的事件路徑。

(4)感知器

感知器是VRML基本的用戶交互和動畫元素。當時間流逝時，T#39;lmeSemor節(jié)點就產(chǎn)生了事件，T#39;rmeSemor是所有動畫行為基礎(chǔ)。其他感知器是所有用戶交互的基礎(chǔ)，當觀看者在三維世界中移動或當用戶使用一些輸入設(shè)備進行交互操作時，這些感知器就產(chǎn)生了事件。感知器只產(chǎn)生事件，它們必須通過ROUTE語句同其它節(jié)點一起使用才能在場景中產(chǎn)生可見的效果。

(5)腳本和插值器

可以在事件產(chǎn)生器和事件接收器之間插入腳本節(jié)點。腳本節(jié)點允許VRML編輯器用任何說明支持的腳本語言定義任意的行為。VRML2．0定義了可以用Java和JavaScript以及E(MAScript語言裝的腳本節(jié)點。插值器節(jié)點實際上是完成簡單的動畫計算的內(nèi)置語言。它們通常和Tune．Sesmor以及場景圖中其它的節(jié)點一起使對象移動。

(6)原型：封裝和重用

VRML2．0包括一種原型機制，可以對場景圖進行封裝和重用。幾何、特性、動畫和行為都可以分開或一起封裝。原型機制允許以現(xiàn)存節(jié)點類型的混合形式定義新的節(jié)點類型，這一機制使VRML更容易使用并且減少了VRML文件的大小。

(7)分布式場景

VRML2．0有兩種方法使一處定義的VRML世界分布于WWW網(wǎng)上。其中In-Line節(jié)點允許包含存儲在Web上的任何VRML文件，EX#39;IERNIPROTO語句可以由WWW網(wǎng)上任何地方來定義新的節(jié)點。更一般的情況是，EXTERNPROTO語句使節(jié)點在VRML文件皮外定義，這也是VRML基本的可擴展機制。

(8)顯示和交互

VRML文件的解釋，執(zhí)行和顯示一般由瀏覽器來完成，瀏覽器將展現(xiàn)場景圖中的形狀和聲音，即所謂的“虛擬世界”，用戶可以在其中漫游，這一虛擬世界的顯示根據(jù)視點的變化而不同。瀏覽器提一些漫游方法(如步行或飛行)使用戶在虛擬世界中移動視點的位置)。

除支持漫游外，瀏覽器還允許用戶通過場景圖層次中的感知器節(jié)點與虛擬世界進行交互。

3 結(jié)束語

目前，盡管虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設(shè)備還比較昂貴，虛擬現(xiàn)實技術(shù)尚未能普及。但是，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，我們相信。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最終會在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

虛擬現(xiàn)實作為一種全新的人——機接口技術(shù)，必須研究用戶和計算機之間的協(xié)調(diào)關(guān)系問題，這樣一個問題只有通過大量的使用才能逐步解決，VRML以因特網(wǎng)作為應(yīng)用平臺，最有希望成為構(gòu)筑虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的基本構(gòu)架。VRML在電子商務(wù)、教育、工程技術(shù)、建筑、娛樂、藝術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將會促使它迅速發(fā)展，并成構(gòu)建虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

VRML將創(chuàng)造一種融多媒體、三維圖形、網(wǎng)絡(luò)通訊、虛擬現(xiàn)實為一體的新型媒體，兼具先進性和普及性，是關(guān)心三維圖形、多媒體、新一代網(wǎng)頁開發(fā)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人士應(yīng)密切注意的。

參考文獻：

[1]石教英．虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)及實用方法[M]．科學出版社， 2000。

[2]Mark Peace．History of Virtual RmlityModeling

[3] VRML Architecture Group (VGA)。http：//vag．vnn1．org．

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