基于VRML的虚拟现实研究

杨明亚，杨颖洁

（1. 安徽新闻出版职业技术学院，安徽 合肥 230601；2. 苏州德胜电机有限公司，江苏 苏州 215122）

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性技术。它涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，借助它人们可以完全置身于由计算机创造的虚拟世界中。将虚拟现实技术应用于计算机系统形成人们常说的VR系统，即虚拟现实系统。目前市场上的虚拟现实技术已经发展到几十种之多，如： VRML、Atmosphere、Cult3D、JaVa3D、Viewpoint等。这些技术各有特点，主要应用于电子商务、网络娱乐、远程教育、城市规划等领域[1]。

1 虚拟现实建模语言vrml介绍

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）是一种网络上使用的描述三维环境的场景描述语言，它将三维图形和动画、音频、视频等多种效果融合在一起，使场景的信息在一定的空间感和时实感，同时它还提供了灵活方便的人机交互功能，使虚拟场景的真实性和交互性得到了充分的体现。将VRML与WWW（Word Wide Web）一起使用，创建一个通过Internet和WWW链接而成的虚拟世界。

浏览VRML虚拟空间，需要使用浏览器插件，它的功能是接收和解释 VRML文件的信息，在虚拟空间中创建3D模型，并提供实时渲染的自动显示，所以选择一个好的浏览器对虚拟场景的运行速度和渲染的效果都会产生很大的影响。VRML浏览器有多种，其中以Blaxxun和Parallel Graphics公司的VRML浏览器最为突出。Parallel Graphics公司的VRML浏览器Cortona，支持MPEG等视频文件，流媒体文件，Mp3等多种音频文件，Flash动画文件，多种材质效果，支持Nurbs曲线，粒子效果，雾化效果。支持键盘输入、拖放控制，支持VR眼镜等硬件设备，更是业内第一个（也是唯一）支持最新EAI功能的VRML浏览器，支持微软公司Windows操作系统，Cortona浏览器使用方便，3D的效果，交互性能近乎完美，是目前最多用户使用的VRML浏览器。

2 VRML语言特点

作为一种固定的编程语言，其结构如下[2]：

（1）VRML文件头。即：#VRML V2.0 utf8

（2）原型。原型是一种用户定义的新节点类型，而不是一种节点。原型有三部分组成，即原型名、节点接口和节点体。

（3）造型。包括几何造型、文本造型、挤压造型。

（4）脚本。脚本相当于用其他高级语言编写的用来控制VRML语言的高级语言，它提供了与VRML语言进行交互的接口。

（5）路由。路由相当于一个连接各个场景的“流程图”，它定义了整个场景的运行过程，使两个节点之间产生关联。

如果要建立一个半径为10 mm，高度为30 mm的圆柱体，其VRML语言如下：

图1是VRML语言格式，图2是在VRML软件中虚拟后的效果。

图1 VRML语言格式

图2 VRML虚拟效果

VRML语句虽然简练，能通过编程接受用户操作，与用户进行实时交互，但用VRML程序代码建立零件三维数字化虚拟模型，要把复杂模型不同结构的位置数据和VRML立体空间坐标对应起来是很烦琐的，建立模型的难度和工作量很大。

3 三维图形建模

虚拟现实中模型的建立是整个虚拟系统构建的基础，虽然用 VRML、VC++等其它语言也可以写出一个三维交互的虚拟现实应用系统，但是程序设计是从代码开始，非常复杂的且工作量巨大。其实虚拟现实建模的工具软件根据系统需求可以有多种软件选择，主要有：3Ds Max、Pro/E、AutoCAD和SolidWorks等软件。其中3Ds Max软件集三维动画和虚拟现实建模的工具软件，它集三维建模、材质制作、灯光摄象机使用、动画设置及渲染于一体，提供了三维动画及静态效果图全面完整的解决方案[3]。与同类软件相比它以其强大的建模功能和动画制作等优势，是虚拟现实系统建模的首选工具。3Ds Max建模过程直观，模型形象逼真，立体感强，但生成的三维模型不具备实时的交互性，在3Ds Max环境下建立零件三维数字化虚拟模型，输出为.wrl格式，利用VRML浏览器实现虚拟设计系统的人机可交互性。

4 虚拟现实的实现

建立好三维模型后观看其虚拟的效果，即要观看虚拟场景，浏览器就可以用Cortona VRML Client浏览器，打开时的效果图如图3所示。

Cortona VRML Client提供了三种主要的浏览模式：WALK、FLY和 STUDY。浏览者点击竖直工具栏上的按钮来选择不同的浏览模式。每个浏览模式都可能有一些选项：PLAN（水平移动），PAN（垂直移动）PLAN（水平移动），PAN（垂直移动），TURN（空间旋转），和ROLL（平面旋转）。浏览模式的结合以及它们的选项决定了使用者替身的运动和方向，使用者可以使用鼠标、键盘或者鼠标和键盘来进行浏览，下面我们来感受一下虚拟现实技术，跟随鼠标的移动我们进入建筑物的内部看看它内部的结果。

图3 Cortvrml 浏览器打开效果图

图4 建筑物的外部

图5 走进建筑物

图6 走向楼梯口

图7 上楼梯

图8 楼上情景

图4-图7是在虚拟场景中的几个画片，由图4进入，一步步的走进场景，由图5准备上楼梯，图6上楼梯，图7走上楼梯，图8可以看到楼上的情景，如同我们亲自进入到场景中去一样，真实体验场景所带来的视觉冲击。

5 结论

虚拟现实仿真技术已经广泛应用于工业、农业、国防等领域，基于VRML的虚拟现实技术更是这一些领域中的基础性知识。通过对虚拟现实建模语言的应用、运行和设计方法的总结，从而更好的将其服务于各个前沿领域之中，体验身临其境的感觉。在场景的建模中，如果是简单的模型可以应用 VRML语言建模，反之则采用建模软件建模如：3Ds Max、Pro/E、AutoCAD和SolidWorks等软件，这样可以节省大量的时间和繁琐的程序语言。

[1]申蔚.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2009:1-130.

[2]张武军.VRML虚拟现实技术基础与实践教程[M].北京:冶金工业出版社,2008:1-105.

[3]郭万军.3dsMAX5.0精彩实例详解[M].北京:机械工业出版社,2003:1-25.