基于VRML的虚拟三维室内设计及人物漫游技术

徐超 李秀霞

摘  要： 为了实现用户交互，并且可扩展的平台设计，使用户以自身的意愿进行室内设计，分析基于VRML的虚拟三维室内设计和人物漫游技术。文中在对VRML的使用领域，虚拟环境漫游理论基础及背景知识分析的基础上，阐述创建三维场景的关键技术，提出通过实例使用技术实现虚拟场景对象的创建。通过VRML结合ASP技术实现通信，从而实现部分场景的漫游，得到基于VRML虚拟三维室内设计和人物漫游的构想。所设计的系统中，不同用户使用不同账号可实现注册登录，利用各自Brower实现场景虚拟漫游。最后，对设计的虚拟三维室内系统和人物漫游进行测试，结果表明其能够满足预期目标。

关键词： VRML; 虚拟现实; 三维室内设计; 人物漫游; 三维场景; 场景虚拟漫游

中图分类号： TN915.5?34                       文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）09?0086?04

Virtual 3D interior design and character roaming technology based on VRML

XU Chao， LI Xiuxia

（College of Arts， Changzhou University， Changzhou 213016， China）

Abstract： The virtual three?dimensional interior design and character roaming technology based on VRML are analyzed to realize the interaction with users， and perform the interior design according to the wishes of users by means of extensible platform design. The application field of VRML， and roaming theory foundation and background knowledge of virtual environment are analyzed to describe the key technology of creating three?dimensional scene， and the instance use technology is used to realize the creation of virtual scene object. The VRML and ASP technology are combined to realize the communication， so as to achieve the roaming of part scene， and get the concept of virtual three?dimensional interior design and character roaming based on VRML. In this system， different users can register and login the system with different accounts， and the Brower of each user is used to realize the virtual roaming of scenes. The designed virtual three?dimensional interior system and character roaming are tested， which can meet the expected goals.

Keywords： VRML; virtual reality; three?dimensional interior design; character roaming; three?dimensional scene; scene virtual roaming

目前，互联网已经成为现代人们生活中尤为重要的内容，对人们生产生活各方面具有一定的影响。人们不仅能够利用简单网络得到数据，还能够通过互联网改变传统生活生产方式，比如，网上社交、网上购物及网上娱乐、教育等[1]。在此背景下，三维仿真技术的不断发展使人們对于互联网提出了全新的要求，利用互联网实现三维漫游浏览，从而有效促进网络三维仿真技术的发展。电子商务领域已经初步实现3D虚拟电子商城，人们能够基于三维条件实现商品的浏览及体验，实现网络商品的可视化。其主要思想就是利用交互式虚拟现实技术使传统模态化城市信息实现数字化，通过计算机处理之后成为三维虚拟场景，使人们在家中通过计算机就能够基于三维视角对城市浏览。目前，VRML技术及虚拟现实技术的不断发展促进了计算机相应领域的发展，比如，大规模三维数据、人工智能、人机交互机制等方面[2]。虚拟现实技术的广泛使用，使计算机领域大规模数据的处理方式发生改变，促进了科技发展和进步，为人类创建了巨大的社会效益及经济效益。基于此背景，本文实现基于VRML的虚拟三维室内设计和人物漫游分析。

1  VRML的基本使用原理

VRML也称为虚拟现实建模语言，其属于三维造型及渲染图形描述语言，通过创建虚拟场景，从而实现现实中的效果。VRML能够支持三维动画，具有较强的实时交互功能，从而改善传统交互性差的问题，创建可参与及全新的三维虚拟世界。

VRML虚拟现实建模语言的主要目的就是在网络中创建逼真的三维虚拟场景，其改进网关中2D画面状态，还能够有效实现3D动画效果，尤其是克服了目前网络及用户交互的局限性，从而提高人机交互的灵活性及便利性，充分展现虚拟世界的交互性、真实性及动态性。另外，其还是三维造型及渲染图形描述性语言，能够将虚拟世界作为场景，场景中的事物都是对象，也可以称之为节点，其每个对象描述都构成了文件。VRML的主要特点如下：

1） VRML的网络功能较为强大，通过运行VRML程序和Internet接入，实现立体网页及网站的创建。

2） 具备多媒体功能，能够制作多媒体，合成图像及声音等，从而实现影视效果。

3） 具备人工智能功能，主要展现在VRML中，其具有一定的感知功能，通过感知传感器节点充分感受到用户和造型的动态交互感觉。

4） 实现三维立体造型及场景的创建，从而实现良好立体交互界面。

虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML为第二代Web网络程序设计语言，也是21世纪主流的高科技软件开发技术，是掌握多媒体、宽带网络和人工智能的技术。

VRML訪问方式主要是将客户/服务器模式作为基础，其中的服务器具备VRML文件并支持资源客户利用网络下载文件，利用本地平台中的VRML浏览器交互式实现此文件虚拟境界的描述[3]。VRML的工作原理如图1所示。

图1  VRML的工作原理

VRML就像是HTML一样，属于ASCII码描述语言，其能够告诉浏览器如何实现三维世界的创建，并且得到航行指令，此指令通过再现器进行解释和执行，再现器指的是在浏览器及外部放置的程序。VRML基本的工作原理为：远程传输、文本描述及本地计算机的生成，其中，文本描述是指VRML并不是通过三维坐标点数据对三维物体进行描述，因为数据量比较大，在Internet中传输会有多种问题，VRML使用类似HTML标记文本语言对三维场景进行描述，类似于编程语言。比如，描述立方体的文本为Box（size 3.0 3.0 3.0），VRML属于描述语言标准，对三维场景文本描述语言进行规定。远程传输指的是用户浏览VRML中描述虚拟场景时，利用Internet使描述场景文本传输到本地中[4]。

2  三维室内设计的目标

虚拟现实系统由多模块构成，如图2所示。

图2  虚拟现实技术系统的构成

图2中，反馈模块主要接收来自传感器模块的信息，从而能够为用户提供实时的反馈;传感器模块主要接收用户操作命令，使其在虚拟环境中使用，还能够使操作之后的结果通过各种方式反馈给用户;控制模块的作用是控制传感器，使其对虚拟环境、用户及现实世界产生作用;三维模块指的是实现现实世界组成模块的三维表示，通过其创建相应虚拟环境;建模模块能够获得现实世界中组成部分的三维数据，并且创建三维模型[5]。

上述模块中的反馈及检测模块是传感器模块及用户连接的桥梁，控制模块在传感器模块和三维模块中具有承上启下的作用，建模模块通过用户操作直接产生三维模块，其之间的关系都是相互联系和辅助的。

基于VRML的交互性、沉浸性、想象性，虚拟校园系统要能够为访问者提供三维可视化且形象逼真的环境，其设计目标为：

1） 访问者能够随意浏览校园中的景点，还能够利用鼠标键盘对视点进行改变。

2） 访问者能够做出和真实世界中相同的行为，比如人漫游、推门等。

3） 系统还具备良好扩展性，从而为今后提高功能留下升级接口。

4） 系统要具备真实的力学性质，比如，碰撞检测功能，避免出现穿墙而过此种违背现实的情况[6]。

3  系统设计分析

3.1  虚拟三维场景结构

分析本系统的需求，与现有虚拟现实系统开发经验结合，将三维场景结构划分成为4种。图3为系统建模整体结构。

图3  系统建模整体结构

整体系统场景模型主要包括环境模型、植物模型、建筑模型及运动物体模型，本文重点对运动物体模型进行分析。

通过已经创建的三维场景模型实现对二维地图文件的生成，通过处理之后能够得出整体小区地图。为了有效实现相应的导航功能，二维地图要能够实时获得浏览者在三维场景中的位置信息，也就是要实现三维场景模型的实时信息交互[7]。图4为二维地图和三维场景的交互。

图4  二维地图和三维场景的交互

3.2  虚拟场景的层次结构

虚拟场景在对基于地形数据大型虚拟环境进行描绘的过程中，都会涉及到虚拟场景中的各个实体的具体结构及详细状态，所以在创建场景模型以前要以虚拟场景中的实体几何空间位置和模型之间、模型内部结构关系，对虚拟场景中全部实体模型层次结构进行确定。本文在设计过程中将室内划分成为多个小区块，主要物体和外部景观都在小区块中。场景中的每个层次都是通过多个实体模型构成，实体模型内部使用树状层次结构组织。使用VRML创建三维模型的过程中，最小几何图元包括点线面，其基本形状就是三角形。使用多个图元创建对象，多个对象创建组，结构的最上层属于头节点[8]。场景中的实体在头节点中具有多个组，组中还具备多个对象，这都是以实体模型复杂度决定的。在划分场景层次结构之后，为便于实现实体模型组织及管理，实体模型内部层次结构的划分从顶到下分解成为多个基本单元，明确模型创建的目标，从而降低建模工作量。另外，对场景模型结构实现调整和优化，在场景调度输出场景图像的过程中能够对场景系统运行质量进行改善[9]。

本文将校园作为基础，实现校园虚拟三维室内设计。学校中的办公室和教室的构造各有不同[10]，其中，办公室基本的形体如图5所示。

图5  办公室物体划分

教室构成较为简单，里面有讲桌、课桌、电扇、日光灯等。因为办公室和教室为主要节点，所以组成教室与办公室的物体为基本节点。综上，整个校园都是通过基本节点构成，在接下来的工作中，利用节点的构成就能够创建完整的校园[11]。

3.3  室内前方设计

室内前方的结构主要包括：

1） 触摸传感器节点。此节点主要是用户和虚拟对象相互接触的传感器节点，系统的主要目的就是实现用户触摸事件的测试，比如实现多媒体触摸事件等。

2） 时间传感器节点。系统利用此节点实现虚拟时钟的创建，对于其他节点实现时间值的发送，对立体空间中多媒体对象开始、变化和结果的过程时间进行控制，还能够有效实现多媒体升降自动变化。

3） 脚本节点。此节点能够实现通过用户自定义制作的插补器及检测器。

4） 路由。指的是连接节点的eventIn入事件及eventOut出事件的节点通道。

5） 声音节点。在系统中利用此节点能够为VRML世界中添加声音，并且指定生源位置及声音立体化的表现。

3.4  教室物体设计

教室物体主要包括：

1） 空间坐标变换节点。利用此节点能够在VRML立体空间中创建局部空间坐标系，且坐标系能够随意旋转、平移及缩放，以此实现坐标系造型的旋转、平移及缩放。

2） 空间物体造型模型节点。该节点可实现教室虚拟空间造型的制作，比如门、讲桌、风扇等。其能够定义VRML空间造型中的材料、几何尺寸、外观及纹理等，可实现对VRML虚拟空间中的空间造型创建。

3） 纹理坐标变换节点。系統利用其作为立体空间中三维物体贴图，也就是利用平移、转动及改变图像尺寸作为坐标表面贴图，有效创建三维实体。

3.5  VRML EAI的交互

VRML内部定义感应器节点只能够实现指定事件的感应，Script节点也只能够根据预定规则对场景节点数据函数进行改变，之后使此函数输出到目标节点路由。为了能够有效实现外部应用程序数据和VRML文件节点的相互交互，就要利用VRML中EAI方法。具体来说，此方法依赖和VRML浏览器相互联系的Java包支持，其主要包括Vrml.external，Vrml.external.field和Vrml.external.exception，此包装的主要功能如下：

1） 对VRML浏览器工作状态进行控制。

2） 在VRML场景节点事件入口实现事件的发送。

3） 实现VRML场景节点事件出口发送事件的接收。

为了能够实现用户从外部应用程序对开灯交互的控制，其执行函数为：

4  结  语

本文设计了虚拟化的校园教室和办公室，系统包括VRML EAI的交互、教室物体设计、室内前方设计、虚拟场景的层次结构、虚拟三维场景结构，充分结合VRML生成并且完善VRML场景，使用VRML，ASP及XML混合编程提高系统使用灵活性。通过实际使用表明，此平台能够实现校园教室和办公室的虚拟化，满足使用需求。

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