虚拟现实技术vrml程序设计章

VRML程序设计四、造型的空间变换、编组和素材调用4.1造型的空间变换4.2造型编组和素材调用4.3其他组节点的使用Chapter44.1造型的空间变换在VRML中创建的立体造型都是以默认坐标系的原点为中心进行定位的。Transform坐标变换节点可以创建一个新的坐标系，通过对坐标系的平移、旋转、缩放操作，实现对立体造型位置、角度、缩放比例的改变。一、Tronsform坐标变换节点Transform坐标变换节点用于创建一个或多个不同于默认(原始)坐标系的新坐标系。Transfom节点是一个组节点，在此节点下面可以包含一个或多个子节点，所有子节点的定位中心都基于同一个坐标系的原点。这些子节点可以是Shape造型节点、Group编组节点，也可以是下一层的Transform节点。

Transform{eventInMFNodeaddChildreneventInMFNoderemoveChildrenexposedFieldSFVec3fcenter000exposedFieldMFNodechildren[]exposedFieldSFRotationrotation0010exposedFieldSFVec3fscale111exposedFieldSFRotationscaleOrientation0010exposedFieldSFVec3ftranslation000fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxSize-1-1-1}二、空间坐标的平移

空间坐标的平移是通过对Transform节点的trans1ation域的域值的设定，建立新的坐标原点，作为children域中所有子节点创建的造型的定位点，从而实现原始坐标系和新坐标系造型之间相对位置的移动和变化的。

三、空间坐标的旋转空间坐标系旋转的方法：利用Transform坐标变换节点中rotation域的域值指定旋转轴及旋转角度，形成一个新的旋转后的空间坐标系，然后在新坐标中创建一个或一组造型。

如果需要在前面变换的基础上连续进行空间变换，可以使用Transform节点进行逐级的嵌套变换，嵌套级数没有限制。

四、空间坐标的缩放现实世界中的物体是千姿百态的，很难用几种标准的造型来概括。例如，前面学习的简单造型节点可以很容易地创建出圆球造型，但是要做出一个椭圆形的气球就不容易了，其实这样的造型可以通过对简单造型圆球进行不同方向上的缩放拉伸来完成。和造型的平移、旋转一样，造型的缩放必须依靠空间坐标度量单位比例的缩放来实现。通常使用的空间坐标，在X、Y、Z坐标轴上采用相同比例的度量单位，利用Transform坐标变换节点中scale域scaleOrientation域和center域的域值设定不同方向坐标轴的缩放比例，形成一个新的度量单位缩放比例不同的空间坐标系，然后在新坐标系中创建一个或一组经过缩放处理的造型。4.2造型编组和素材调用VRML提供了一类具有编组功能的节点，它们可以把多个造型作为自己的子节点组合成一个整体，一起进行平移、旋转、缩放、外观设计、定义和调用等项操作。在设计中合理使用组节点，能够减少很多重复性的工作。这类组节点包括:Group编组节点、Transform坐标变换节点、Inline内联接点、Anchor超级链接节点、Switch选择开关节点、Billboard布告牌节点和LOD细节层次控制节点等。一、Group编组节点Group{eventInMFNodeaddChildreneventInMFNoderemoveChildrenexposedFieldMFNodechildren[]fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxSize-1-1-1}二、素材调用的基本方法1.采用DEF节点定义及USE节点引用的方法2.利用Inline内联节点，从本文件范围之外的其他文件或者互联网上，调用不需要进行修改加工的素材，素材成为原场景的一部分3.利用带有链接功能的Anchor锚节点，把存储在本机硬盘或互联网上的素材作为一个新的完整的场景进行调用，取代原来的场景4.利用PROTO语句和EXTERPROTO语句，在本文件内外及互联网上定义的原型节点和外部原型节点，调用素材时可以根据需要对其原有的属性进行更改或赋予更多的功能三、节点点的定义义及引用用VRML可以采用用节点定定义及引引用的方方法，在在本文件件范围内内反复调调用相同同的素材材。在虚虚拟现实实的场景景设计中中，常常常需要将将相同的的造型经经过不同同的排列列、旋转转组合成成新的复复杂造型型。节点定义义及引用用的语法法格式：：节点定义义：DEF节点名节节点{}节点引用用：USE节点名四、lnline内联节点点在VRML中，可以以使用IMine内联节点点，从本本文件范范围之外外的其他他文件或或者互联联网的任任意位置置上，调调用不需需要进行行修改加加工的素素材。当当需要创创建包括括复杂场场景和造造型的大大型虚拟拟世界的的时候，，VRML文件就会会变得非非常庞大大，难于于进行管管理和调调试。采采用内联联的方法法，可以以将复杂杂的场景景和造型型分解成成各自独独立的小小文件，，分别进进行设计计和调试试，作为为素材模模块存在在本地硬硬盘或者者互联网网的任意意位置上上。构建建主程序序时，在在需要插插入素材材模块的的位置，，只需利利用内联联节点指指明素材材文件的的地址和和文件名名即可完完成调用用和插入入素材的的过程，，素材可可以很方方便地成成为整个个场景中中的一部部分。Inline{exposedFieldMFStringurl[]fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxSize-1-1-1}五、Anchor锚链接节节点内联节点点是把存存在本机机硬盘或或互联网网上的素素材作为为整个场场景的一一个组成成部分调调到原场场景中来来，而锚锚链接节节点则是是把存在在本机硬硬盘或互互联网上上的素材材作为一一个新的的完整的的场景进进行调用用，在原原场景中中设置一一个锚点点造型，，当浏览览者点击击锚点造造型时，，VRML浏览器即即可链接接到设定的素材材文件，，使浏览览者从原原场景中中出来，，进入到到素材文文件所构构建的新新场景中中去。Anchor{eventInMFNodeaddChildreneventInMFNoderemoveChildrenexposedFieldMFNodechildren[]exposedFieldSFStringdescription““"exposedFieldMFStringparameter[]exposedFieldMFStringurl[]fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxSize-1-1-1}六、原原型的的定义义和调调用前面所所讲的的调用用素材材的三三种方方法只只适用用于对对素材材不需需要进进行加加工处处理、、原汁汁原味味调用用的情情况，，如果果需要要对素素材的的属性性进行行更改改或赋赋予更更多的的功能能后调调用，，可以以使用用PROTO原型节节点或或EXTERPROTO外部原原型节节点，，它们们可以以定义义可供供修改改的属属性，，例如如:颜色、、材质质、外外观等等，还还可以以根据据需要要增加加素材材的功能能。原型具具有以以下功功能(1)素材调调用功功能。。原型型可以以作为为素材材库反反复调调用。。(2)节点扩扩展功功能。。原型型可以以使用用标准准节点点和自自定义义节点点创建建新的的节点点类型型。(3)动态更更新和和保护护功能能。原原型可可以通通过设设置接接口中中的域域和事事件，，对虚虚拟现现实中中造型型属性性进行行更改改或者者限制制更改改，从从而达达到场场景的的动态态更新新和保保护一一些造造型不不被改改动的的目的的。(4)造型及及动作作打包包功能能。VRML中标准准节点点本身身均不不具备备行为为自控控能力力，通通过原原型可可以将将造型型与交交互动动作、、事件件、脚脚本等等VRML元素捆捆绑使使用。。(5)网络运运作功功能。。原型型(内部原原型)可以在在当前前文件件中定定义和和反复复调用用，外外部原原型可可以在在其他他文件件和网网络中中定义义，在在当前前文件件中反反复调调用。。外部部原型型提供供了跨跨越网网络调调用的的强大大功能能。4.3其他组节点点的使用一、Billboard布告牌节点点Billboard{eventInMFNodeaddChildreneventInMFNoderemoveChildrenexposedFieldSFVec3faxisOfRotation010exposedFieldMFNodechildren[]fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxSize-1-1-1}二、Switch选择开关节节点Switch{exposedFieldMFNodechoice[]exposedFieldSFInt32whichChoice-1}三、LOD细节层次控控制节点在创建VRML虚拟现实空空间造型的的时候，需需要兼顾浏浏览器的渲渲染速度和和造型刻画画真实度之之间的关系系。造型刻刻画越细致致就越接近近于真实，，然而相应应的VRML文件的体积积也越大，，浏览器的的渲染速度度就越低，，占用计算算机CPU的时间就越越长。LOD(LevelofDetail)细节层次控控制节点主主要任务就就是解决这这个问题，，该节点可可以根据浏浏览者与造造型距离的的远近，选选择按照不不同的细致致度刻画的的造型。当当造型距离离比较远的的时候，选选择用较低低层次细节节描述方法法创建的造造型，忽略略一些细节节而只刻画画造型的轮轮廓、形状状和大小，，这与在真真实世界中中的观察极极为相似。。远距离的物物体只能看看到模糊的的轮廓而看看不到细节节，可以减减小造型文文件的体积积，提高浏浏览器的速速度。当造造型距离比比较近的时时候，选择择用较高层层次细节描描述方法创创建的造型型，清晰地地刻画造型型的纹理和和细微特征征，保证造造型描述的的逼真性，，这一点也也与我们在在真实世界界中的观察察相一致，，物体距离离越近，能能够看到的的细节越多多、越清晰晰。LOD{exposedFieldMFNodelevel[]fieldSFVec3fcenter000fieldMFFloatrange[]}第五章、虚虚拟现实的的场景环境境设计5.1创创建背景5.2创创建建光光源源5.3创创建建雾雾化化效效果果5.4创创建建观观察察视视点点和和视视点点导导航航5.1创创建建背背景景在VRML中添添加加背背景景是是最最简简单单、、最最基基本本的的场场景景环环境境设设计计方方法法。。虚虚拟拟空空间间背背景景分分为为全全景景空空间间背背景景和和天天体体空空间间背背景景两两种种:全景景空空间间背背景景是是一一个个将将造造型型包包围围在在里里面面的的空空间间立立方方体体,具有有前前、、后后、、左左、、右右、、上上、、下下六六个个平平面面,可以以根根据据需需要要设设置置不不同同的的材材质质和和图图片片。。天天体体空空间间背背景景是是一一个个无无穷穷大大的的空空间间球球体体,分为为天天空空背背景景和和地地面面背背景景。。天天空空和和地地面面的的划划分分以以地地平平线线为为界界。。地地平平线线位位于于原原始始坐坐标标系系XOZ平面面向向后后延延伸伸的的无无穷穷远远处处,上面面的的球球体体是是天天空空,下面面的的球球体体是是地地面面。。背背景景和和造造型型的的嵌嵌套套关关系系是是:造型型在在最最里里面面,全景景空空间间背背景景的的立立方方体体为为中中间间包包围围层层,天体体空空间间背背景景的的无无穷穷大大球球体体是是最最外外面面的的包包围围层层。。如如果果同同时时增增加加了了全全景景空空间间和和天天体体空空间间两两种种背背景景,可以以通通过过设设置置全全景景空空间间背背景景的的透透明明度度值值决决定定能能否否看看到到天天空空和和地地面面的的颜颜色色。。默默认认情情况况下下,没有有全全景景空空间间背背景景,天空空和和地地面面均均为为黑黑色色。。空间间模模型型以VRML空间间坐坐标标系系的的原原点点为为中中心心的的无无限限大大球球体体以Z-X平面面为为地地平平面面Y+向为为天天空空Y-向为为地地面面天空空角角天空空位位置置与与Y+的夹夹角角地面面角角地面面位位置置与与Y-的夹夹角角Background{skyAngle[天空空角角1，天天空空角角2，………]skyColor[天空空色色0，天天空空色色1，天天空空色色2，………]groundAngle[地面面角角1，地地面面角角2，………]groundColor[地面色0，地面色1，地面色2，……]}天空色0为0度天空位置的的颜色地面色0为0度地面位置的的颜色天空色1，2，……对应天空角1，2，……地面色1，2，……对应地面角1，2，……系统自动过渡渡相邻位置的的颜色角度的单位为为弧度颜色由r、g、b分量合成颜色分量的数数值范围：0.0~1.0一些常用角度度的弧度值（（弧度=角度*π/180）5.2创建建光源现实世界中的的光源来自于于各种能发光光的物体,例如太阳、灯灯泡、蜡烛、、激光器等。。在默认情况下下,VRML浏览器自动生生成一个白色色头灯光源headlight。此光源为平平行光束,与浏览者的视视点同步运动动,始终照亮浏览览者的前方,和井下工作的的矿工帽子上上的头灯很相相似。头灯光光源可以通过过设置NavigationInfo节点的headlight域的域值,控制光源打开开或关闭(FALSE),默认缺省情况况下,头灯为打开状状态,光源的颜色无无法改变。本本章之前所有有的实例均采采用这种默认认的白色头灯灯光源。除此之外,VRML中还可以人工工设置三种类类型的光源:点光源：点光光源(PointLight节点)，平行光源(DirectionalLight节点)和锥光源(SpotLight节点)。PointLight点光源节点点光源由发光光点向四面八八方发射亮度度相同的光线线,各个方向具有有相同性。点点光源节点既既可作为独立立的节点,也可作为其他他组节点的子子节点使用。。PointLight{exposedFieldSFFloatambientIntensity0exposedFieldSFVec3fattenuation100exposedFieldSFColorcolor111exposedFieldSFFloatintensity1exposedFieldSFVec3flocation000exposedFieldSFBoolonTRUEexposedFieldSFFloatradius100}DirectionalLight平行光光源节节点现实世世界中中的平平行光光源是是从无无穷远远处照照射,因此其其光线线是平平行指指向同同一个个方向向的。。例如如，太太阳基基本是是一个个平行行光源源,太阳离离地球球相当当远,当太阳阳的光光线到到达地地球时时基本本是平平行的的。DirectionalLight{exposedFieldSFFloatambientIntensity0exposedFieldSFColorcolor111exposedFieldSFVec3fdirection00-1exposedFieldSFFloatintensity1exposedFieldSFBoolonTRUE}SpotLight锥光源源节点点锥光源源即光光线照照射呈呈光锥锥状,光源位位于圆圆锥体体的顶顶点,光线被被限制制在一一个圆圆锥体体的照照射空空间里里;造型只只有位位于圆圆锥体体空间间中才才会被被照亮亮。VRML中,常常利利用SpotLight节点创创建锥锥光源源,模拟一一些特特殊光光照效效果的的场景景,如舞台台灯光光、探探照灯灯、艺艺术摄摄影等等。SpotLight{exposedFieldSFFloatambientIntensity0exposedFieldSFVec3fattenuation100exposedFieldSFFloatbeamWidth1.570796exposedFieldSFColorcolor111exposedFieldSFFloatcutOffAngle0.785398exposedFieldSFVec3fdirection00-1exposedFieldSFFloatintensity1exposedFieldSFVec3flocation000exposedFieldSFBoolonTRUEexposedFieldSFFloatradius100}创建阴阴影效效果VRML光源与与自然然光源源的主主要差差别在在于不不能自自动产产生阴阴影。。自然然界的的光线线无法法穿过过不透透明的的物体体,当光线线照射射这些些物体体时就就会出出现阴阴影。。由于于VRML中的光光照只只是对对造型型表面面明暗暗程度度的一一种模模拟,造型对对光线线没有有遮挡挡作用用,光线可可以透透过造造型完完全照照射到到后面面的物物体上上，所以VRML中的光光照只只能改改变造造型表表面的的明暗暗分布布,不能自自动产产生阴阴影的的效果果。如如果想想在虚虚拟世世界中中模拟拟自然然界的的光照照效果果,则必必须须人人工工设设置置阴阴影影造造型型。。阴影影的的形形状状常常常常是是造造型型沿沿光光线线照照射射方方向向形形状状的的压压缩缩和和变变形形,一般般利利用用Transform节点点的的scale域模模拟拟阴阴影影的的形形状状。。阴阴影影的的颜颜色色通通常常利利用用Material节点点的的域域值值设设置置为为灰灰色色或或者者半半透透明明的的深深灰灰色色。。有有些些阴阴影影形形状状也也可可以以借借助助于于简简单单造造型型来来模模拟拟。。5.3创创建建雾雾化化效效果果在vrml中使使用用Fog雾节节点点创创建建雾雾化化效效果果,模拟拟自自然然界界的的大大气气现现象象,使虚拟现现实的场场景更加加逼真、、更加具具有层次次感,创造一种种朦胧的的美。雾雾化效果果主要控控制两个个因素:一是雾的的颜色,二是雾的的浓度。。雾的颜颜色可以以按照实实际情况况任意选选择,但通常使使用白色色,因为白色色更接近近自然界界雾的本本色。雾雾的浓度度与人在在雾中的的能见度度相反,雾越浓人人的能见见度越差差,因此可以以通过设设定观察察者能见见范围的的大小来来调整雾雾的浓淡淡程度。。Fog{exposedFieldSFColorcolor111exposedFieldSFStringfogType"LINEAR"exposedFieldSFFloatvisibilityRange0eventInSFBoolset_bindeventOutSFBoolisBound}5.4创建建观察视点和和视点导航Viewpoint视点节点Viewpoint{eventInSFBoolset_bindexposedFieldSFFloatfieldOfView0.785398exposedFieldSFBooljumpTRUEexposedFieldSFRotationorientation0010exposedFieldSFVec3fposition0010fieldSFStringdescription""eventOutSFTimebindTimeeventOutSFBoolisBound}NavigationInfo导航节点NavigationInfo{eventInSFBoolset_bindexposedFieldMFFloatavatarSize[0.25,1.6,0.75]exposedFieldSFBoolheadlightTRUEexposedFieldSFFloatspeed1.0exposedFieldMFStringtype"WALK"exposedFieldSFFloatvisibilityLimit0.0eventOutSFBoolisBound}第六章、造型型的动画效果果和交互功能能6.1造型型的动画效果果6.2造型型的交互功能能6.1造型型的动画效果果在现实世界中中,很多东西都是是随时间发生生变化的,例如太阳的升升起和降落、、花蕾的绽开开和凋谢、树树叶由绿变黄黄、鱼儿戏水水、小鸟飞翔翔、汽车行驶驶、表针转动动等等。这些些就是V盯住要在虚虚拟环境中中,通过人为设设置实现的的动画效果果。VRML创建动画效效果的基本本方法是:由时间传感感器控制动动画的时钟钟,包括动画开开始的时间间、停止的的时间、循循环的周期期等:然后将时间间控制参数数作为事件件传送给各各种插补器器节点,插补器依据据事先设计计好的时间间关键点和和动画关键键值,在浏览器渲渲染时形成成连续变化化的动画效效果。特点：随时时间改变--位置、方向向、颜色等等--VRML中：不断改改变节点的的某个域的的值两个基本的的控制条件件：--何时时开开始始、、何何时时结结束束--变化化速速度度根据据所所插插值值的的数数据据类类型型不不同同插插补补器器节节点点可可分分为为六六种种：：颜颜色色差差补补器器(ColorInterpolator节点点)、位位置置插插补补器器(PositionInterpolator节点点)、朝朝向向插插补补器器(OrientationInterpolator节点点)、标标量量插插补补器器(ScalarInterpolator节点点)、坐坐标标插插补补器器(CoordinateInterpolator节点点〉、法法向向量量插插补补器器(NomalInterpolator节点)。事件与路路由节点由域域和事件件组成,其中域的的取值决决定了节节点所创创建的造造型或场场景环境境的当前前状态；；事件则则为节点点提供了了接收外外界信息息或向外外界发送送信息的的能力。。事件是是按照指指定的路路径从一一个节点点发往另另一个节节点的信信息,节点通过过事件入入口[也称入事事件(eventIn)]接收来自自其他节节点的信信息改变变自己原原有域值值，通过过事件出出口[也称出事事件(eventout)]发送自己己的信息息以改变变其他节节点的域域值。从从一个节节点的事事件出口口到另一一个节点点的事件件入口，，用来传传送事件件的路径径称为路路由(route)。通过路路由可以以将多个个节点联联系在一一起，形形成事件件体系，，使事件件得以传传播而引引起节点点域值的的变化。。路由(ROUTE)将两个节节点连接接起来：：--输出节点点的名称称和eventOut域的名称称--输入节点点的名称称和eventIn域的名称称示例ROUTE和TO必须大写写TimeSensor事件传感感器节点点TimeSensor{exposedFieldSFTimecycleInterval1exposedFieldSFBoolenabledTRUEexposedFieldSFBoolloopFALSEexposedFieldSFTimestartTime0exposedFieldSFTimestopTime0eventOutSFTimecycleTimeeventOutSFFloatfraction_changedeventOutSFBoolisActiveeventOutSFTimetime}ColorInterpolator颜色插补补器ColorInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFColorkeyValue[]eventOutSFColorvalue_changed}ScalarInterpolator标量插补补器ScalarInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFFloatkeyValue[]eventOutSFFloatvalue_changed}PositionInterpolator位置插补补器PositionInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFVec3fkeyValue[]eventOutSFVec3fvalue_changed}OrientationInterpolator朝向插插补器器OrientationInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFRotationkeyValue[]eventOutSFRotationvalue_changed}CoordinateInterpolator坐标插插补器器CoordinateInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFVec3fkeyValue[]eventOutMFVec3fvalue_changed}NormalInterpolator法向量量插补补器NormalInterpolator{eventInSFFloatset_fractionexposedFieldMFFloatkey[]exposedFieldMFVec3fkeyValue[]eventOutMFVec3fvalue_changed}6.2造造型的的交互功功能VRML场景中的的造型能能够对浏浏览者的的动作做做出反应应，称之之为交互互功能。。虚拟现现实技术术的魅力力在于凭凭借强大大的交互互功能，，使浏览览者在虚虚拟世界界中如同同身临其其境。例例如，浏浏览者点点击电视视开关，，可以播播放影视视片断；；走近宾宾馆，大大门可以以自动打打开：可可以控制制造型的的位移或或旋转等等等。大多数节节点只能能创建静静态造型型,时间传感感器和插插补器虽虽然可以以使造型型产生连连续变化化的动画画效果,但是动画画的起止止时间和和变化规规律都是是设计者者事先预预置的,浏览者只只是观赏赏而无法法参与控控制。要要想实现现人机交交互,首先要感感知浏览览者的操操作或者者在场景景中的观观察位置置,然后对此此操作或或者位置置移动做做出反应应。VRML使用七种种传感器器节点完完成感知知和反应应的交互互功能(时间传感感器除外外，前面面己介绍绍)，其中包包括：TouchSensor触摸传感感器、PlaneSensor平面传感感器、Cylindersensor圆柱体传传感器、、Spheresensor球体传感感器、ProximitySensor接近传感感器、VisibilitySensor可视传感感器、Collision碰撞传感感器。第一类传传感器：：通过感感知浏览览者对于于鼠标的的操作行行为(移动鼠标标、点击击鼠标、、拖动鼠鼠标),触发并输输出事件件,实现人机机交互的的功能。。这类传传感器有有TouchSensor触摸传感感器、PlaneSensor平面传感感器、CylinderSensor圆柱体传传感器、、SphereSensor球体传感感器。第二种传传感器：：通过感感知浏览览者在虚虚拟场景景中的观观察位置置，也就就是当浏浏览者的的视点与与造型的的接近程程度达到到一定范范围的时时候，触触发并输输出事件件，实现现人机交交互功能能。这类类传感器器有ProximitySensor接近传感感器、VisibilitySensor可视传感感器、Collision碰撞传感感器。TouchSensor触摸传感感器TouchSensor{exposedFieldSFBoolenabled