虚拟现实多媒体开发应用研究实例情况分析

1多媒体系统开发工具和编程应用VRML 语言及应用开发目录：1.虚拟现实及其类型1.1 虚拟现实的概念1.2 虚拟现实的类型1.3 虚拟现实在教育中的应用1.4 虚拟现实技术2.VRML 技术2.1 VRML 的概念2.2 VRML 的历史2.3 VRML 工作组及其研究目标2.4 VRML 的研究现状2.5 VRML 的应用实例2.5.1 网上虚拟实验室2.5.2 网上观景实例2.5.3 网上物体展示2.5.4 VRML 应用网站3.VRML 编程基础3.1 VRML 的工作原理3.2 VRML 浏览器3.3 VRML 制作工具3.3.1 VRML 代码编辑软件3.3.2 可视化 VRML 制作工具3.4 VRML2.0 的基本语法知识 3.4.1 VRML 文件结构3.4.2 基本造型的生成3.4.3 VRML 动画程序编程3.4.4 VRML 交互程序编程3.4.5 VRML 多媒体编程及自定义节点的应用3.4.6 VRML 编程建议4.VRML 应用到多媒体课件的开发4.1 将 VRML 文件嵌入网页中4.2 将 VRML 文件嵌入 powerpoint 课件中4.3 将 VRML 文件嵌入 Authorware 课件中2一、虚拟现实及其类型1.1 虚拟现实的概念虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR;又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。VR 是一项综合集成技术，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，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的 3D 世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。1.2 虚拟现实的分类一般说来，我们可以从不同角度对虚拟现实进行分类。例如，按照参与者沉浸程度的不同，可以将虚拟现实分为四类：（1）桌面虚拟现实桌面虚拟现实通常利用个人计算机（PC）进行仿真，将电脑的屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口。观看者可以通过各种外部输入设备与虚拟现实世界进行交互，并操纵其中的物体。这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。桌面虚拟现实的缺点是缺乏真正的接近现实的体验，但相对来说成本较低，使其应用比较广泛。常见的桌面虚拟现实技术有：基于静态图象的虚拟现实 QuickTime VR,虚拟现实造型语言 VRML 等。（2）沉浸式虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉。通常3利用头盔式显示器或者其他设备，把参与者的视觉、听觉等其他感觉封闭起来，而提供一个新的、虚拟的感觉空间，同时利用位置跟踪器、数据手套以及其他手控输入设备等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统等。（3）增强现实式虚拟现实增强现实式的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。典型的例子是坦克驾驶员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在驾驶员面前的穿透式屏幕上，使坦克驾驶员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力调整导航偏差。（4）分布式虚拟现实如果将多个用户通过电脑网络连接在一起，同时在一个虚拟空间中活动，共同体验虚拟的经历，就能把虚拟现实提升到一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是 SIMNET,该系统由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过 SIMNET 系统，位子欧洲的仿真器可以和位于美国的仿真器同时运行在同一个虚拟世界中，参与同一场作战演习。1.3 虚拟现实在教育中的应用虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。它主要具体应用在以下几个方面： 科技研究 当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。 虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势：41、节省成本通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制。许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。2、规避风险真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如：虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。3、打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。 虚拟实训基地利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。 虚拟仿真校园教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。1.4 虚拟现实技术虚拟现实技术也称灵境技术，它是虚拟环境实现的基础，在虚拟世界的创建中占据重5要地位。那么，什么是虚拟现实技术呢？虚拟现实技术是多媒体技术广泛应用后兴起的更高层次的计算机技术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，用户戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。事实上，虚拟现实技术不仅仅是指戴着头盔和数据手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互。也可更为具体地给虚拟现实技术作如下的定义：虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术的主要特点包括以下 3 个方面：（1）更自然的交互性用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性） 。例如，用户可以用手去直接抓取视场中的物体，这时手有握着真实物体的感觉，同时还可以感觉物体的重量，视场中的物体也将随着手的移动而移动，随着手的挤压而变形。（2）多感知性除了一船电脑所具有的视觉和听觉感之外，还有力学感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的所有感知功能。（3）沉浸性指用户感到作为虚拟环境中的一员存在于虚拟环境之中，即感觉身临其境。如当用户转动头部时，虚拟环境中的视景也实时地跟着变化：移动数据手套时，虚拟环境中的手中的物体也跟着移动。理想的模拟环境应该达至。使用户难以分辨真假的程度，使得参与者产生一种身临其境、投入和沉浸其中的感觉。从本质上说，虚拟现实技术就是一种先进的计算机用户接口技术，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。根据虚拟现实实现的手段不同，我们可以把虚拟现实技术分为以下两大类：（1）使用专用硬件实现的虚拟现实技术譬如在视觉方面有头盔式立体显示器等，在听觉方面有三维音响输出装置，在力觉、触觉、6运动感等方面有数据手套、数据衣，以及语音识别、眼球运动检测等装置。在未来，还将开发出具备味觉、嗅觉功能的系统，从而使虚拟世界更加接近真实。但是由于硬件设施的价格昂贵、操作复杂，因此使用专用硬件的技术近期不可能普及，只能停留在实验室或者小范围试用阶段。（2）基于网络的虚拟现实技术在 Internet 网上，我们可以应用 VRML 语言、全景环视技术、Java 语言等等技术来实现虚拟现实，也称网上虚拟现实技术。它是前述的桌面虚拟现实与 Internet 相结合的产物。其优点是使用简单，便于推广。返回7二、VRML 技术2.1 VRML 概述熟悉 WWW 的人们都知道，受 HTML 语言的局限性，VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)之前的网页只能是简单的平面结构，虽然 Java 语言为 WWW增色不少，但也仅仅停留在平面设计阶段，而且实现环境与参与者的动态交互是非常烦琐的。于是，VRML 就应运而生了。VRML 是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（Virtural World)。VRML 的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。VRML 的出现使得虚拟现实象多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活。VRML 以因特网作为应用平台，最有希望成为构筑虚拟现实应用的基本构架。总之，VRML 将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体，兼具先进性和普及性，是关心三维图形、多媒体、新一代网页开发和虚拟现实技术的人士应密切注意的。 World Wide Web 是建立在基于 HTTP 的网络协议和超文本的信息内容的基础上的，HTML 语言描述了不同类型文本、图像、声音、视频如何进行超文本的二维表示格式和方法。它用二维方式让文本和图像能同时显示。HTML 是面向二维的，它规定二维文档如何表示，随着 Internet 技术的发展，需要突破二维限制，实现环境与参与者的动态交互功能，于是，一种描述三维文档表示的语言 VRML 应运而生。VRML 是一个开放的、可扩充的三维场景建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界。VRML 的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。VRML 是面向三维的，它描述在 World Wide Web 上如何创建和浏览三维场景。因为二维是三维的一个子集，所以任何二维对象都能在三维环境中轻松地表示出来。Web 之父 Tim Berners Lee 预测，VRML 是 Web 的未来，因为对人们来说，沉浸在三维空间中要比在二维平面上按动鼠标要自然的多。VRML 以因特网作为应用平台，利用一定的工具，就可以浏览和创作具有文本、图像、动画、声音、音乐，甚至视频的丰富多彩的三维世界。现在，由于加入了与 Java 和 JavaScript 程序的接口将支持复杂的三维动画、模拟和行为，设计者可以引导参观者在三维空间游览并把注意力放在感兴趣的点上，而不是要强制参观者做出8选择，就像在现实世界，如何去观察一个对象完全由参观者自己控制。VRML 的出现使得虚拟现实像多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活，简单地说，以VRML 为基础的第二代万维网是多媒体、虚拟现实和因特网之和。第一代万维网是一种访问文档的媒体，能够提供阅读的感受，使那些对 Windows 风格的 PC 环境熟悉的人们容易使用因特网，而以 VRML 为核心的第二代万维网将使用户如身处真实世界，在一个三维环境里随意探索因特网上无比丰富的巨大信息资源。每个人都可以从不同的路线进入虚拟世界，和虚拟物体进行交互，这样控制感受的就不再是计算机，而是用户自己。人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中“直接”交谈和交往。事实上，目前采用 VRML 技术取得成功的案例已经很多，例如探路者到达火星后的信息就是利用 VRML 在因特网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。2.2 VRML 的历史最初的三维浏览器叫做 Labyrith，它诞生于 1994 年 2 月，是由 Mark Pesce 和 Tony Parisi 两人开发的。他们把它带到几个国际大型展示会上作了演示。1994 年 5 月，在瑞士日内瓦召开的万维网（www）会议上，Mark Pesce 和 Tony Parisi 在会上介绍了这个可浏览万维网上三维物体的界面。这时，由一个情趣相投者联谊会 BOF 马上产生强烈的反响，决定开发一种场景描述语言，它可以连通 Web 网。当代 Web 的奠基人 Tim Berners-Lee 提出了需要制定一个 3D Web 标准，并创建了虚拟现实标记语言 VRML(Virtual Reality Markup Language) 这一名字。 （BOF 来自一句英语的谚语：Birds of a feather） Parisi 和 Pesce 认为推广它的最好的方式就是免费赠送，并说服了美国线路通(Wired)杂志的 Brian Behlendorf 开始设置名为 www-vrml 的电子邮件列表，在一个月之内，收集到一份有意于参与开发 VRML 人员的电子邮箱通讯录，那只不过是开初一周内登录的志愿人员，已超过千人。 VRML 的名字很快更改为“Virtual Reality Modeling Language”即“虚拟现实造型语言” ，以反映它强调的是整个世界，而不是单纯的文本页。 其中有一位 Gavin Bell，他是 SGI（硅图公司 Silicon Graphics Inc.）的工作组的工程师。Open Inventor 是 SGI 推出的一工具软件，便于程序员快速、简洁地开发各种类型的交互式图形程序。这种工具软件的编制是基于场景结构和对象描述概念和手段。1992 年，最初发布时名称为 Inventor。 工作组每周举行一次例行的午餐会，尽管外人对其中奥妙一无所知，但很多工作组的内部事务，往往在这种不拘形式的随意交谈中得以完成。Gavin Bell 正是利用了一次这种9场合，告诉他的主管经理 Rill Carey 关于 VRML 的事情，说明急需建立一种可在 Web 网上运行、描述 3D 场景的语言。到聚餐结束时，Carey 已决心从事于这场新的开拓（后来两人合办了 Wasabisoft） 。 1994 年初夏，第一次 WWW 会议期间初步决定，十月份在芝加哥召开第二次 WWW 会议，也就是说只留出五个月的时间。在这段时间里，能否拟出一个 VRML 规范的初步方案？BOF成员和自愿加入开发新规范行列的热心网客信心十足。他们一致认为：在下次会议之前，一个内部试用语言规范一定能完成。总的意向是：就一个业已存在的语言加以改造比较稳妥，而另起炉灶，从头开始重干一个全新，则不太可行。 事实上，不过用了两周时间，Bell 就提出了 SGI 的方案它是一个经过修改的 Open Inventor 3D 模拓文件（Metafile，元文件）格式的子集，在附加一些处理网络的相应功能和措施。SGI 同意将这种新的文件格式向公众开放不需要任何专利权和专卖权，供大家使用。 还有几项颇有讨论价值的方案也先后提交，参加候选。Pesce 和 Behlendorf 公允的主持了方案的论证会，最后投票结果，SGI 方案赢得了多数。这就意味着 VRML 是脱胎于 Open Inventor 的文件格式。这就是 1994 年 10 月在芝加哥（Chicago）召开的第二次 WWW 会议上公布 VRML1.0 的规范草案。主要的功能是完成静态的 3D 场景，以及与 HTML 链接的功能和措施。 另一位 SGI 的原 Open Inventor 的设计师 Paul Strauss 开始作一个 VRML 公共域（publicdomain）的词解程序（Parser） ，当时流行于业界的名字叫 QvLib。这个程序的作用是把 VRML 的可读文件格式转换成浏览器可理解的格式。这个词解程序于 1995 年 1 月公开发布。它可以安装到各式各样的平台上，随之，各种浏览器恰似雨后春笋般勃然兴盛起来。 可以理解和显示所有 VRML 文件的浏览器，最早还是出自 SGI，由 David Mott 和多位Inventor 的工程师写成的 WebSpace Navigator。不久，模板图形软件（Template Graphics Software）运行于 WebSpace，不仅适用于 SGI 平台，也适用于多种其它平台，而且所有版本的 WebSpace Navigator 浏览器均免费使用。 1995 年秋，SGI 进一步推出了 WebSpace Author（供创作的程序） 。这是一种 Web 创作工具，可在场景内交互地摆放物体，并改进了场景的功能，还可用于发表 VRML 文件。此时，VRML 设计工作组（VGA, VRML Architecture Group）相聚在一起，讨论下一个版本的VRML。 101996 年初，VRML 委员会审阅并讨论了若干个 VRML2.0 版本的建议方案，其中有 SGI 的动态境界（ Moving Worlds）提案、太阳微系统(Sun Microsystem)的全息网(Holl Web)、微软公司(Microsoft)的能动 VRML(Aictive VRML)、苹果公司(Apple)的超世境界(Out of the world)，以及其他多种提案。委员会的很多成员参与修改和完善这种种方案，特别是Moving Worlds。经过多方努力，最终在 2 月底以投票裁定。结果，Moving Worlds 以 70%选票赢得了绝对多数。1996 年 3