（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案 第7章 X3D虚拟现实增强现实开发平台电子教案_第1页
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（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案第7章X3D虚拟现实增强现实开发平台电子教案（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案第7章X3D虚拟现实增强现实开发平台电子教案PAGEPAGE23（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案第7章X3D虚拟现实增强现实开发平台电子教案《虚拟现实技术概论》教案授课班级班级人数授课教师课题序号授课课型授课课时4课时授课章节名称第7章X3D虚拟/增强现实开发平台教学目标知识目标1.了解X3D虚拟/增强现实开发平台2.掌握X3D语法概述3．理解X3D语法结构4.掌握X3D虚拟/增强现实开发与设计编程技能目标能进行简单的X3D虚拟/增强现实开发与设计编程情感目标1.培养勤于思考、举一反三的学习习惯；2.培养良好的团队合作精神。教学重点X3D语法概述和语法结构教学难点X3D虚拟/增强现实开发与设计编程教学方法讲授法、自主学习法、探究法、小组讨论法教学资源教材、网络资源、教学视频、相关PPT，多媒体教室板书设计第7章X3D虚拟/增强现实开发平台[知识学习]1.X3D虚拟/增强现实开发平台2.X3D语法概述3．X3D语法结构4.X3D虚拟/增强现实开发与设计编程[技能训练]X3D虚拟/增强现实开发与设计编程教学过程主要教学内容及步骤教师活动学生活动教学目标【一】导入新章节通过上一章的学习，我们了解虚拟现实三维建模的方法以及相关软件的应用，但所建的模型都脱离不了软件本身的环境，因此各种游戏引擎、虚拟现实引擎也就运用而生。如unity、UE4、X3D都成为了当下流行的虚拟现实引擎，我们将重点学习X3D和unity两个引擎的基本操作。下面我们将首先学习X3D引擎。【二】新授第7章X3D虚拟/增强现实开发平台[学习目标]1.知识目标（1）了解X3D虚拟/增强现实开发平台（2）掌握X3D语法概述（3）理解X3D语法结构（4）掌握X3D虚拟/增强现实开发与设计编程2.技能目标能使用智能可穿戴技术进行虚拟现实应用。[知识学习]7.1X3D语法概述X3D引擎是Web3D联盟国际组织基于网络传播三维内容开发的交互设计技术。它是一种专为万维网而设计的三维图像标记语言。因此它又不同于我们所看到的其他软件，你即使使用记事本也可以写出X3D的程序，并能在安装了BSContact插件的浏览器中播放出来。BSContact支持x3d标准的大部分节点，它具有良好的图形渲染效果。当然，如果全都采用记事本写程序，肯定是一件很糟心的事，X3DEdit软件的出现，为我们提供了良好的图形界面，大大提高了X3D开发的工作效率。X3DEdit是免费的开源软件，但它不能放在中文目录中，而且必须在系统中安装有JDK1.8的环境。大家现在看到是X3D打开时的界面。1.X3D文档格式式样在学习X3D语言之前我们可以让X3DEdit为我们创建一个新的X3D文件。从上图可以看出X3D的文件结构包括了：语言规范声明、文档类型声明、主程序概貌声明、头文件信息描述、场景内容等节点以及头文件节点中的元数据子节点和编写注释等内容构成。[知识学习]7.1.1X3D文件格式说明1.语言规范声明X3D是一种专为万维网而设计的三维图像标记语言。它是由Web3D联盟设计的，是VRML标准的最新的升级版本。X3D基于XML格式开发，是采用UTF-8编码字符集的编写文件，因此在文件开始使用XML语法格式：语法说明：声明从“<?xml”开始，到“?>”结束。version属性指明编写文档的XML的版本号，该项是必选项，通常设置为“1.0”。encoding属性是可选项，表示使用编码字符集。省略该属性时，使用缺省编码字符集，即Unicode码，在X3D仿真引擎中使用国际UTF-8编码字符集。2.X3D文档类型声明X3D文档类型声明用来在文档中详细地说明文档信息，必须出现在文档的第一个元素前，文档类型采用DTD格式。从下面语句的描述可以看出它所采用的文件类型是DTD格式，文档类型声明对于确定一个文档的有效性、良好结构性是非常重要的。语法结构如下：DTD可分为外部DTD和内部DTD两种类型，外部DTD存放在一个扩展名为DTD的独立文件中，内部DTD和它描述的XML文档存放在一起，XML文档通过文档类型声明来引用外部DTD和定义内部DTD。使用内部DTD的书写格式：<!DOCTYPE根元素名[内部DTD定义……]>。使用外部DTD的书写格式：<!DOCTYPE根元素名SYSTEMDTD文件的URI>URI（UniformResourceIdentifier）称为统一资源标识符，泛指所有以字符串标识的资源，其范围涵盖了URL和URN。URL（UniformResourceLocator）称为统一资源定位码（器），是指标有通信协议的字符串（如HTTP、FTP、GOPHER），通过其基本访问机制的表述来标识资源。URN（UniformResourceName）称为统一资源名称，用来标识由专门机构负责的全球唯一的资源。3.X3D仿真引擎概貌X3D主程序概貌（profile），涵盖了组件、说明以及场景中的各节点信息。它用来指定X3D文档采用的概貌属性。在概貌（profile）中定义了内建节点与组件的集合，X3D文档中所使用的节点，必须在概貌（profile）指定的集合范围之内。概貌（profile）属性值可以是以下六种类型：（Core核心、Interchange交换、Interactive交互、MPEG4Interactive媒体交互、Immersive沉浸及Full完全）。它的表达方式如下：X3D根文档标签包含概貌信息和概貌验证，在X3D根标签中XML概貌和X3D命名空间也可以用来执行XML概貌验证。主程序概貌又包含头元素节点(head)和场景主体节点（Scene）。4.X3D中头(head)标签节点X3D头(head)标签节点也称为头文件（head）包括组件节点（component），元数据节点（metadata）或作者自定义的节点标签。头(head)标签节点是X3D标签的第一个子对象,放在场景之前，在网页HTML中与头<head>标签相匹配。头(head)标签节点语法定义如下。5.X3D组件（component）节点X3D组件（component）标签节点是指场景中超出X3D概貌给定的功能。组件（component）标签是头文件(head)标签里首选的子标签，即先增加一个头文件标签（head），然后根据设计需求增加组件。组件（component）标签节点语法定义如下。组件（component）标签节点包含两个域，一个是name（名字）,另一个是level（层级）component标签节点name（名字）在指定的组件中，涵盖了概貌全部域中的组件的名称，level（支持层级）：表示每一个组件所支持层级，支持层级一般分为4级，分别为1、2、3、4个等级。6.X3D元数据（meta）节点元数据（metadata）节点是头文件（head）节点的子节点，是对文档的作者、說明、创作日期相关信息的描述。使用方式与网页HTML的meta标签一样，给属性赋值（attribute=value）进行字符匹配，提供属性名称和属性值。X3D所有节点语法均包括域名、域值、域数据类型以及存储/访问类型等，meta（metadata）子节点语法定义。meta子节点包含name（名字）、content（内容）、xml:lang（语言）、dir、http-equiv、scheme等域。name（名字）域：是一个单值字符串类型，表示属性是可选的，在此输入元数据属性的名称。content（内容）域：是一个必须提供属性值，用来描述节点必须提供该属性值，在此输入元数据的属性值。xml:lang（语言）域：表示字符数据的语言编码，表示该属性是可选项。dir域：表示从左到右或从右到左的文本的排列方向，可选择[ltr|rtl],既ltr=left-to-right，rtl=right-to-left。表示该属性是可选项。http-equiv域：表示HTTP服务器可能用来回应HTTPheaders，该属性是可选项。scheme域：允许作者提供用户更多的上下文内容以正确地解释元数据信息，该属性是可选项。7.1.2X3D仿真引擎场景结构设计X3D场景（Scene）节点是包含所有X3D场景语法定义的根节点。以此根节点增加需要的节点和子节点以创建场景，在每个文件里只允许有一个场景（Scene）根节点。X3D场景（Scene）节点包括场景（Scene）节点定义、场景（Scene）节点语法结构图以及Scene节点详解等。场景（Scene）根节点语法定义。X3D仿真引擎文件注释X3D文件注释在编写源代码时，为了使源代码结构更合理、更清晰和层次感更强，经常在源程序中添加注释。它允许程序员在源代码中的任何地方进行注释说明，以进一步增加源程序的可读性。在X3D文档中加入注释的方式与XML的语法相同。例如：它以一个符号“<!--”开头，以“-->”结尾，注释信息可以是一行，也可以是多行，但不允许嵌套。同时，字符串“--”、“<”和“>”不能出现在注释中。浏览器在浏览X3D文件时将跳过注释部分的所有内容。另外，浏览器在浏览X3D文件时将自动忽略X3D文件中的所有空格和空行。X3D案例文件源程序框架展示如下。[新课导入]7.2X3D基础建模语法剖析上堂课我们已经学习了X3D的基本语法，本次课主要是对X3D基础建模语法剖析，初步掌握X3D基础编程建模的思路。X3D基础建模包含球体、圆锥体、立方体、圆柱体、文本等类型的建模。本节将对其语法进行详细的剖析。[知识学习]7.2.1X3D基础节点建模设计在X3D基础建模语法剖析时，首先要掌握图形节点的语法，因为几何体节点是图形节点的子节点。1．图形节点（Shape）语法剖析X3D文件中，图形节点（Shape）是在场景节点（Scene）的子节点，它用来编辑场景节点（Scene）中各种三维立体造型节点，如我们上面所说的立方体、球体等。它包含两个子节点：外观节点（Appearance）与基础造型节点（Geometry）。外观子节点（Appearance）定义了物体造型的外观效果，包括纹理映像、纹理坐标变换以及外观的材料节点等，基础造型子节点（Geometry）定义了立体空间物体的基础造型，如立方体（Box）节点、Cone节点、Cylinder节点和Sphere节点等原始的基础结构。Shape节点是X3D的内核节点，在X3D基础建模开发中显得尤为重要。Shape模型节点语法定义如下。2．球体节点（Sphere）球体节点（Sphere）通过它的域名、域值、域数据类型和事件的存储访问类型来定义一个三维立体空间球体的造型。主要利用球体半径（radius）和实心（solid）参数设置创建球体。球体节点（Sphere）语法定义如下。3．立方体(Box)节点语法立方体(Box)节点：通过它的属性名、域值、域数据类型、存储和访问类型来描述一个三维空间立方体造型。主要利用立方体size尺寸长、高、宽和solid参数设置创建立方体。立方体(Box)节点语法定义如下。4．圆锥体(Cone)节点语法圆锥体(Cone)节点：通过它的域名、域值、域的数据类型以及事件的存储访问类型来定义一个圆锥体(Cone)造型。主要使用圆锥体(Cone)节点中的高度（height）、圆锥底半径（bottomRadius）、侧面（side）、底面（bottom）以及实心（solid）参数设置创建圆锥体造型。Cone圆锥体节点语法定义如下。5．圆柱体（Cylinder）节点语法圆柱体（Cylinder）节点：通过它的域名、域值、域的数据类型以及事件的存储访问类型来定义一个圆柱体（Cylinder）造型。主要使用圆柱体（Cylinder）节点中的高度（height）、圆柱底半径（bottomRadius）、侧面（side）、底面（bottom）以及实心（solid）等参数设置创建圆柱体造型。Cylinder圆柱体节点语法定义如下。7.2.2X3D文本节点（Text）语法文本节点（Text）语法文本节点（Text）：通过它的Text文本造型节点的域名、域值、域的数据类型以及事件的存储访问权限的定义来三维Text文本造型。主要使用文本节点（Text）中的内容（string）、文本长度（length）、文本最大有效长度（maxExtent）以及实心（solid）等参数设置创建三维立体文本。文本节点（Text）语法定义如下。文本外观节点（FontStyle）：是文本节点（Text）的了节点，通过它的域名、域值、域的数据类型以及事件的存储访问权限的定义三维文字造型外观特征。包括字体（family）、文本风格（style）、摆放方式（justify）、文字大小（size）、文字间距（spacing）、语言（language）、文本排列方式（）horizontal等参数设置定义三维文本的外观造型。文本外观节点（FontStyle）语法定义如下。[阶段小节]立方体、球体、圆锥体、圆柱体、文字是三维模型中最基本的图形元素，因此，在语法中，它们属于图形（Shape）节点的子节点，而图形（Shape）又是场景的构成元素，因此它也是场景（Scene）的子节点。立方体、球体等，我们在建模时主要要掌握其几何属性的参数设置，这是构成三维模型的关键。如立方体的边长（Size）等。[新课导入]7.3X3D基础建模开发前面，我们对X3D几何体建模的相关节点语法进行了剖析，本次课我们就应用上次课所学的节点语法进行实际三维模型的创建。[知识学习]7.3.1X3D几何建模1.创建三维球体模型我们可以应用两种建模方式进行比较，首先我们可以应用第六章所学的Blender创建一个球体模型，然后应用纯粹的X3D编程方式创建一个三维球体。1、启动Blender2.78虚拟仿真引擎。按快捷键Delete，删除默认立方体。在3D视图中，按快捷键Shift+A“网格”“经纬球体”创建一个球体造型，按快捷键N显示属性，调整球体半径为3.5。在菜单栏中，选择“文件”“导出”“*.x3d”X3D文件，创建球体造型设计，如图7-3所示。图7-3创建球体造型设计利用现代软件开发的极端编程思想，采用绝对编程、自动测试、简单设计以及先测试后设计开发理念。融合结构化、组件化和模块化的设计思想，使软件开发设计层次清晰、结构合理。利用虚拟现实集成开发环境中各种基本的节点创建生动、逼真的3D球造型。使用VR-X3D虚拟现实节点、背景节点、简单基础节点以及坐标变换节点进行设计和开发。本书附带光盘目录中，在VR-X3D虚拟现实案例源程序/第7章案例源程序目录下，提供VR-X3D虚拟现实源程序使用与浏览：px3d7-1.X3D。【案例7-1】利用Shape空间物体造型模型节点、背景节点、基本基础节点、坐标变换节点等在三维立体空间背景下，创建一个真实3D球造型。第一步：在Scene场景节点中，插入Background背景节点。第二步：在Background背景节点下，添加Transform坐标变换节点。第三步：在Transform坐标变换节点中，插入Shape模型节点。第四步：在Shape模型节点中，添加Appearance外观节点和球体基础节点。VR-X3D虚拟现实球体造型三维立体场景设计，VR-X3D虚拟现实文件px3d5-1.X3D“源程序”展示如下。 <Scene> <BackgroundDEF="_1"skyColor='111'> </Background> <TransformDEF="_4"translation=’00-5’> <ShapeDEF="_5"> <AppearanceDEF="_6"> <MaterialDEF="_7"> </Material> </Appearance> <SphereDEF="_8"radius='3.5'> </Sphere> </Shape> </Transform> </Scene></X3D>[课堂实践]学生根据前面学到的知识，用脚本方式创建一个球体。[知识学习]2.使用X3D圆锥体造型设计VR-X3D虚拟现实圆锥体造型设计，根据圆锥体的高、底半径等参数来设计圆锥体。利用集成开发环境快速建模，首先启动VR-Blender虚拟仿真引擎。按快捷键Delete，删除默认立方体。在3D视图中，按快捷键Shift+A“网格”“圆锥体”创建一个圆锥体造型，调整圆锥体高=12；圆锥体底半径=6。调整圆锥体的颜色，在右侧的场景工具按钮中，选择“新建”“材质”“漫反射颜色”“红色”。创建红色的圆锥体造型设计，如图7-4所示。图7-4创建红色的圆锥体造型设计利用虚拟现实集成开发环境中各种基本的节点创建生动、逼真的3D圆锥体造型。使用VR-X3D虚拟现实节点、背景节点、简单基础节点以及坐标变换节点进行设计和开发。本书附带光盘目录中，在VR-X3D虚拟现实案例源程序/第7章案例源程序目录下，提供VR-X3D虚拟现实源程序使用与浏览：px3d7-2.x3d。【案例7-2】利用Shape空间物体造型模型节点、背景节点、基本基础节点、坐标变换节点等在三维立体空间背景下，创建一个红色的圆锥体3D造型。第一步~第三步：同上。第四步：在Shape模型节点中，添加Appearance外观节点和圆锥体基础节点。第五步：在Appearance外观节点中，插入Material材质节点，设置diffuseColor='100.03921569'为红色。VR-X3D虚拟现实圆锥体造型三维立体场景设计，VR-X3D虚拟现实文件px3d7-2.x3d“源程序”展示如下。 <Scene> <BackgroundDEF="_1"skyColor='111'> </Background> <TransformDEF="_4"translation=’00-12’> <ShapeDEF="_5"> <AppearanceDEF="_6"> <MaterialDEF="_7"diffuseColor='100.03921569'> </Material> </Appearance> <ConeDEF="_8"bottomRadius='6'height='12'> </Cone> </Shape> </Transform> </Scene>[课堂实践]学生根据前面学到的知识，用脚本方式创建一个圆锥体。[知识学习]3.使用X3D圆柱体造型设计VR-X3D虚拟现实圆柱体造型设计，结合圆柱体节点和域值，根据圆柱体的高、底半径等参数来设计圆柱体。启动VR-Blender虚拟仿真引擎。按快捷键Delete，删除默认立方体。在3D视图中，按快捷键Shift+A“网格”“圆柱体”创建一个圆柱体造型，调整圆锥体高=12；圆锥体底半径=6。调整圆锥体的颜色，在右侧的场景工具按钮中，选择“新建”“材质”“漫反射颜色”“蓝色”。创建蓝色的圆柱体造型设计，如图7-5所示。图7-5创建蓝色的圆柱体造型设计本书附带光盘目录中，在VR-X3D虚拟现实案例源程序/第7章案例源程序目录下，提供VR-X3D虚拟现实源程序使用与浏览：px3d7-3.x3d。【案例7-3】利用Shape空间物体造型模型节点、背景节点、基本基础节点、坐标变换节点等，设置白色的三维立体空间背景，创建一个蓝色的圆柱体3D造型。第一步~第三步：同上。第四步：在Shape模型节点中，添加Appearance外观节点和圆柱体基础节点。第五步：在Appearance外观节点中，插入Material材质节点，设置diffuseColor='001'为蓝色。VR-X3D虚拟现实蓝色圆柱体造型三维立体场景设计，VR-X3D虚拟现实文件px3d7-3.x3d“源程序”展示如下。 <Scene> <BackgroundDEF="_1"skyColor='111'> </Background> <TransformDEF="_4"translation=’00-15’> <ShapeDEF="_5"> <AppearanceDEF="_6"> <MaterialDEF="_7"diffuseColor='001'> </Material> </Appearance> <CylinderDEF="_8"height='12'radius='5'> </Cylinder> </Shape> </Transform> </Scene>[课堂实践]学生根据前面学到的知识，用脚本方式创建一个圆锥体。[知识学习]7.3.2X3D材质纹理建模设计VR-X3D虚拟现实立方体纹理造型设计，启动VR-Blender虚拟仿真引擎。显示默认立方体，在3D视图中，按快捷键N设置立方体：宽、高、深参数为X=10，Y=10，Z=10。并进行纹理贴图，在右侧的场景工具按钮中，选择“新建”“材质”，再选择“纹理”“建”“打开文件”，设置映射坐标=物体，映射物体=Cube，投影方式=立方体。按快捷键Shift+Z渲染设计效果，创建立方体纹理造型设计。如图7-6所示。图7-6创建立方体纹理造型设计本书附带光盘目录中，在VR-X3D虚拟现实案例源程序/第7章案例源程序目录下，提供VR-X3D虚拟现实源程序使用与浏览：px3d7-4.x3d。【案例7-4】利用Shape空间物体造型模型节点、背景节点、基本基础节点、纹理图像以及坐标变换节点等，设置白色的三维立体空间背景，创建一个立方体纹理3D造型。第一步~第三步：同上。第四步：在Shape模型节点中，添加Appearance外观节点和立方体基础节点。第五步：在Appearance外观节点中，插入ImageTexture图像纹理节点。VR-X3D虚拟现实立方体纹理造型三维立体场景设计，VR-X3D虚拟现实文件px3d7-4.x3d“源程序”展示如下。 <Scene> <BackgroundDEF="_1"skyColor='111'> </Background> <TransformDEF="_4"translation='-2.1497684-2.112515'> <ShapeDEF="_5"translation=’00-10’> <AppearanceDEF="_6"> <MaterialDEF="_7"> </Material> <!--设置立方体图像纹理url='"IMG_0232.jpg"'--> <ImageTextureDEF="_8"url='"IMG_0232.jpg"'> </ImageTexture> </Appearance> <BoxDEF="_9"size='121012'> </Box> </Shape> </Transform> </Scene>[新课导入]大家好，在上一次课中，我们已经掌握了X3D的基本建模方式，那么，本次课我们将进一步对X3D建模进行进一步的深化，使之能创建更为复杂、可交互互动的三维模型。在这一次课中，我们将继续应用图形节点（Shape）及其子节点创建。7.4.X3D场景切换交互设计综合案例开发与设计利用X3D虚拟/增强现实技术的各种节点创建生动、逼真、鲜活的三维立体场景之间动态调用与互动。使用X3D节点、背景节点、坐标变换节点、Anchor锚节点以及几何节点进行设计和开发。利用Anchor锚节点实现三维立体空间场景之间的动态调用，Anchor锚节点是一个可以包含其它节点的组节点，当单击这个组节点中的任一个几何对象时，浏览器便读取url域指定的调用内容，可以在两个场景中相互调用场景。X3D场景切换交互设计综合案例开发与设计步骤：第一步：在Scene场景节点中，插入Background背景节点设计。第二步：导入汉字文字造型设计。第三步：锚节点场景设置与调用设计第四步：导入相框3D模型设计。第五步：相框图像纹理绘制设计。启动BSContent集成开发环境，运行X3D场景切换交互设计场景，将光标移动到相框和图像上，点击“鼠标左键”可以切换至另外一个仿真游戏场景。X3D场景切换交互设计，如图7-7所示。图7-7X3D场景切换交互设计本书附带光盘目录中，在X3D源程序实例/第7章源程序实例/px3d7-5综合案例设计/目录下，提供X3D源程序：px3d7-5综合案例设计.x3d源程序。【px3d7-5综合案例设计】利用Shape空间物体造型模型节点、Appearance外观子节点和Material外观材料节点、Transform空间坐标变换、Anchor锚以及几何节点在三维立体空间背景下，创建一个动态交互调用场景。X3D虚拟现实Anchor锚节点设计一个更加生动、鲜活的三维立体场景互动效果。Anchor锚节点三维立体场景设计X3D文件px3d7-5综合案例设计.x3d“源程序”展示如下。<Scene><!--Scenegraphnodesareaddedhere--><BackgroundskyColor="111"/> <!—导入汉字文字造型设计--> <Transformtranslation='0.253-0.1'rotation='0103.141'><Inlineurl='X3D-VR-AR-Scene.x3d'/></Transform> <!—锚节点场景设置与调用设计--><Anchordescription='maincallpx3d5-5-1.x3d'url='"px3d7-5-1.x3d"'> <Transformtranslation='0-0.52'> <!—导入相框3D模型设计--><Transformrotation='0010'scale='0.020.020.02'translation='11-0.5'><Inlineurl='phuakuang.x3d'/></Transform> <!—相框图像纹理绘制设计--><Transformtranslation='0.25-0.05-0.1'><Shape><Appearance><Material/><ImageTextureurl='13692.jpg'/></Appearance><Boxsize='1'/></Shape></Transform><Transformtranslation='0-20'><Shape><Appearance><MaterialambientIntensity='0.4'diffuseColor='100'shininess='0.2'specularColor='100'/></Appearance><Sphereradius='0.2'/></Shape></Transform> </Transform></Anchor></Scene>当点击图7-7中相框和图像时，调用Anchor锚节点子程序场景设计。运行Anchor锚节点创建一个动态交互的三维立体空间场景调用过程。利用Anchor锚节点调用子程序运行结果，如图7-8所示。在该子程序场景中，再次点击“金黄色球体”，则返回主控程序场景中。图7-8利用Anchor锚节点调用子程序运行结果本书附带光盘目录中“被调用子程序（源程序）”，在X3D实例源程序/第7章实例源程序目录下，提供X3D源程序和执行程序：px3d7-5-1.x3d供用户使用与浏览。<Scene><!--Scenegraphnodesareaddedhere--> <!—锚节点场景设置与调用设计--><Anchordescription="returnmainprogram"url="px3d7-5.x3d"> <!—背景节点设计，设置六个纹理图像绘制设计--><BackgroundleftUrl='"13691.jpg"'rightUrl='"1369

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