基于vrml的虚拟校园的三维建模与交互链接

基于vrml的虚拟校园的三维建模与交互链接

世界最初是空间三维的。随着计算机化的发展，人们需要利用计算机来虚拟表达现实世界，以满足人们对信息的直观感受。虚拟地理学研究对象是虚拟地理环境,虚拟校园包含于虚拟地理环境。研究虚拟地理环境构建的技术也是数字城市关键技术之一。众所周知,三维信息数字化、可视化与三维真实场景建模,是虚拟校园的核心技术。因而,作为虚拟校园的基础载体,能在网上快速有效再现现实校园,可视化三维景观的建立方法研究与实现也就显得尤为重要。1计算机矢量建模与图像纹理粘贴融合技术目前,虚拟环境三维建模的方式,可分为基于图像的建模技术和基于图形(也称矢量建模或几何建模)的建模技术两种。基于图像建立起来的虚拟现实环境反映的景观真实感强,但需要大量内存;基于图形建模方法建立起来的虚拟环境,需要大量的计算机矢量建模过程,对计算机系统的速度性能有很高的要求,真实感不强,方便实现人机交互。近年来,矢量建模与图像纹理粘贴融合技术的出现,使三维景观的逼真性进一步增强,但对虚拟环境建立所需的硬件性能要求更高。如何让二者有机地结合,以满足特殊的应用已成为了目前研究的热点。虚拟校园的构建具体方法很多,主要有传统方法、专业化软件方法、VRML方法。1.1可视化编程工具所谓传统方法主要是指利用三维图形程序接口软件结合面向对象的可视化编程工具来开发,三维图形程序接口软件主要有OpenGL,Direct3D和Java3D。可视化编程工具如VisualC++,VisualBasic,Dephi,Java等。传统方法的缺陷在于软件的开发周期长、工作量太大、投资大且数据兼容性差,开发的成果只能依赖于磁盘、光盘来发布,难以在网络上发布,因而大大限制了成果的发布范围。1.2维建模软件组合随着虚拟现实技术迅猛发展与应用,各种虚拟环境的专业化的软件平台雨后春笋般涌现出来。如MultiGenCreatorPro和Vega的技术、支持NURBS的TGS的Zap3D、MetaCreation公司的MetaStream、Sense8公司的WorldToolKit、Division公司的VCToolkit、Autodesk公司CyberspaceDeveloperKit、Dimension公司的VirtualRealityToolkit、Codella公司的VR-DECK、ShoutInteractive公司的Shout3D、Blaxxun公司的Blaxxun3D、使用Shockwave的Web3D技术、ESRI公司的ERDAS也扩展了这方面的功能。另外国内的吉奥公司CCGIS和适普公司的ImaGIS。此外,还有dVS、SuperscapeVRT、MRToolkitMeme、InternetSpaceBuilder、Clut3d、Pulse3D,Sev,3DML、WorldVisions、Equipe、FreeWRL、LivePicturePlug-In、IPIXPlug-In、HotMedia等。专门用于三维建模的软件有3DSMAX、AutoCAD、Pro/E,UG,SolidWorks、SolidEdge等等。尽管有如此多的建模的工具,但是大部分都是一些商用的工具。针对性较弱,用户接口不灵活,缺少用于实时漫游算法的信息,不侧重于虚拟环境的建模。比较完善的虚拟环境建模工具,价格又很高,给普及使用带来难度。如果能够通过某些工具组合来获取真实世界模型,将会对建模工作有很大的帮助。这样建立虚拟校园就成为一项快捷的工作。1.3虚拟场景构造数字化信息社会最具代表性的三种新技术是多媒体、Internet和虚拟现实,而这三种新技术的交叉点是虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage,VRML)。它是一种可以发布3D网页的跨平台、简单的文本语言;也是一种能提供更自然的体验方式,包括临场感、交互性、动态效果、延续性以及用户参与探索的语言。。虽然VRML2.0提供了54个功能强大的节点,使建模变得轻而易举,但在进行虚拟场景构造时,需要将普通的文本和三维场景直接联系起来,而且很难构建一个比较复杂的三维几何体。因为VRML没有提供高级的几何造型,需要用户自己开发有效的VRML生成工具。1.4vrml技术、web应具有优缺点正如前面所述,传统方法难以掌握与应用,开发周期长、工作量大、投资大且数据兼容性差,因而应用前景不是太好。专业化软件方法是专业级的虚拟现实方法,它的作品别的方法不能与之比较,但其软件一般很昂贵,又很封闭,普及困难,但随着虚拟现实产业的发展,其应用前景良好。基于VRML技术构建的方法与前两者相比较,虽然在真实感、实时性、底层控制、渲染速度等方面有些欠缺,但其有以下几个方面的突出的优点:(1)简单易学,开发周期短,投资少收获多;(2)VRML文件短小精悍,构造的是动态虚拟场景,它尽可能少的提供几何造型特性,却包含了大量不属于造型语言范围的特性。且具有良好的跨平台性,能够轻易实现Internet上的远程访问;(3)通过与JavaScript等脚本语言和Java容易实现GIS查询分析功能。总之,上述3种方法各有优点和不足。在实际三维建模过程中,通常是结合一些其它工具来弥补上述方法的不足。1.5虚拟校园结合的3dmadma的建模方法通过3种方法的比较,结合建立某高校虚拟校园的实际情况,在目前的技术条件下,考虑时间、经费以及实验条件等综合因素,这里考虑充分利用VRML的平台作用,3DSMAX的三维建模的强大功能以及AutoCAD精确定位功能,虚拟校园结合采用基于VRML结合3DMAX和AutoCAD技术建模的方法来实现。即把三者结合起来构建三维可视图景。2“万维网”技术的应用路径研究虚拟校园的技术对构建数字城市有重要的意义,数字城市所要实现的目标就是在建立一个城市范围内基于互联网与实际地理位置相关,并将各领域数据组织、融合起来以便于人类更加直观的去理解各种信息的网络虚拟现实系统。如何将现实世界的信息在计算机内直观的表现出来,如何构建基于万维网的虚拟环境则是数字城市技术领域的基础和重点。作者目的是在目前的技术条件下结合前沿科技进展找到一种相对可行的解决方案。通过实践,虚拟校园采用基于VRML结合3DMAX和AutoCAD技术来构建是可行的,图1是基于VRML技术的虚拟场景系统。2.1虚拟校园建模技术构造一个好的模型需要根据对象的特点选取不同的建模技术和工具。在构建一个三维视景环境中,往往要根据具体的应用需求综合采用上述3种技术。三维建模是虚拟校园的核心研究内容,三维模型的对象分为:(1)校园的建筑物;(2)校园的道路交通;(3)校园管网系统;(4)校园的地形地貌。下面以虚拟某校园三维建模为例介绍基于VRML结合3DSMAX、AutoCAD技术建模的方法。2.1.1营造互联网文件,检查道中国互联网路径,即用营造营造情境,营造互联网创新环境,增加互联网统集和数,5.2.2和5.2.2.2,5.2,5.2,5.2,4.2,4.2,5.2.2,5.2,5.2,4.2,4.2,4.2,4.2,5.2,5.2,5.2,5.2,5.2,5.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,4.2,操作系统为MicrosoftWindowsXPProfessional,VRML编辑器VrmlPad2.0,Java编辑器EditPlus2.0中文版,JDK1.2.2包,JavaVM,3DStudioMAX3.1中文版,AutoCAD2002中文版,VRML浏览器ComsoPlayer2.1,Tomcat4.1版,mm.mysql-2.0.4-bin.JAR,VRML97.JAR,GZip。2.1.2系统属性节拍(1)Java程序开发环境设置由于在WindowsXP中查找和编辑AUTOEXEC.bat文件(运行Sysedit.exe)比较麻烦,且在DOS环境中通过SET命令设置,每次开机都要重新设置,会带来不必要的麻烦。因此,采用通过系统属性对话框设置CLASSPATH和PATH变量值。(2)服务器配置由于WindowsXP没有服务器版本,因而使用Tomcat4.1服务器版本。2.2现有文件的输出和输出一个为相对坐标系为能如实反映校园中各对象的位置关系,有利于所查询的坐标和计算的面积等能供实际应用,根据所采用图纸上的局部坐标系统来确定坐标系统。由于VRML、AutoCAD、3DSMAX中的坐标系统都是笛卡儿坐标系统。在AutoCAD或3DSMAX中三维坐标轴的设置与VRML不同,图2显示了它们的区别。由于3DSMAX有VRML97插件,浏览器能如实反映3DSMAX建立的对象。但在AutoCAD中建立的对象通过3DSMAX输出为VRML的WRL文件时,需要通过坐标转换才能在浏览器中正确反映实际实体对象的位置。表1说明了VRML空间三坐标轴在AutoCAD坐标系中,与AutoCAD三坐标轴的对应情况。例如:设VRML空间某点(2,4,6),若采用AutoCAD坐标系则该点坐标为(2,6,-4)。因此,由图2和表1可知,通过AutoCAD或3DSMAX建立的模型导出形成VRML文件时,可简单地通过修改VRML文件坐标达到调整模型精确位置的目的。但需要注意的是,通过VRML文件调整位置时,它是按默认模型的中心位置为相对坐标系来移动、旋转变化的。通常可利用VRML中位置变换节点来把相对坐标系的原点改变到模型的某个易控制的角点上,这样可方便地实现位置的变化。这样的形成的WRL文件在被其他文件内联(Inline)时,不需要进行位置变化。然而对于许多相同的模型,如教学楼的门和窗,可通过在AutoCAD中将其中心移到原点(0,0,0)位置,在导出为WRL文件后,通过VRML的节点Inline内联或在该文件中使用USE语句引用,形成其他的门和窗对象。而此时对象位置坐标应是按照其实际在规划立体图中的中心位置坐标。利用AutoCAD可很容易确定模型的中心位置。2.3总体规划数据库设计(1)各种纹理素材通过数码相机获得;(2)西区校园总体规划平面图,用CAD制作。采用局部坐标系,比例尺为1:1000;(3)校园中楼房等建筑各对象的结构图,包括平面和立面图。3数字校园三维重建的主要部分校园建筑物三维建模是虚拟校园建模的主要部分,是数字校园三维重建的关键。因此,这里的实例主要为校园中的建筑物,该方法也可以用于其它地物。3.1楼楼建模分类及工具楼房是校园组成中的重要部分,因而在对其建模时,设计了几条原则:(1)尽量使用Inline、USE和原型机制重用和简化代码,并利用LOD细节层次设置楼房,以便减轻浏览器的负担,提高场景的网络浏览速度。(2)按系统总体设计的原则,楼房的建模从细化程度上把楼房可分为3类:(1)不能进入的楼如实验楼、后勤美育中心、图书馆;(2)能进入但无细化场景的楼如门卫处、行政楼、教工与学生宿舍、综合楼、礼堂、体育馆;(3)能进入且又细化场景的楼如教学楼。(3)根据(2)的原则针对不同类别的对象采用的建模工具也是不同:(1)第1类利用3DSMAX建模;(2)第2类以AutoCAD为辅结合VRML编程建模;(3)第3类利用AutoCAD、3DSMAX和VRML混合使用。对于一些形体结构较为简单的虚拟模型可采用VRML节点编程的方法来构建。这里利用上述方法建立的模型都在3DSMAX中进行渲染和纹理化。3.2办公楼的建模过程3.2.1建立dwg文件的程序一些楼房建模是利用3DSMAX建立,Import楼房规划图平面图DWG文件,设置好参数,利用相应的三维工具命令,建立三维模型,渲染并添加纹理。保存输出为VRML97格式文件,经VrmlPad对文件手工优化后,在浏览器中浏览,图3所示的是某实验室3DSMAX模型。3.2.2在面域中安装大量面域对于比较复杂的楼房,利用VRML编程建模时,确定其空间坐标是比较难的,另外对于像设计原则(2)中的后两类楼房,使用AutoCAD或3DSMAX建模会使VRML文件大的惊人,这就说明单单靠一种软件建模不能达到各方面满意的结果。下面以学生宿舍楼为例介绍其建模,并以此类推建立其它类似的楼房。(1)通过AutoCAD的旋转、平移、倒角、切割和剖切以及面的拉伸、复制、偏移、删除、移动以及实体的并、交、差等功能形成三维楼房实体。把实体炸开为面域,此时的实体已变为由许多面域组成的空间封闭域保存为DWG文件,导入3DSMAX中,再导出为VRML97文件格式。(2)在VrmlPad打开相应文件进行编程,找到(1)中AutoCAD建立的空间封闭域的对象,可按逆时针方向分别选取各个面域顶点的坐标作VRML中IndexedFaceSet造型节点坐标点值。假如面域是相同的,可在经过平移、旋转和缩放后,使用USE重用代码来构建相同的面域。但这时需注意的是ccw值的确定,如果按上面的方法取得坐标为point域的值,它可以按默认值(TRUE),否则不能正确反映对象模型。这里将用IndexedFaceSet节点建立学生宿舍造型在浏览器中浏览如图4所示。3.2.3增强了vrml的通明性及建模的速度从上面建模的过程可看到,基于VRML技术构建的优点有:(1)直接利用3DSMAX、AutoCAD中的图形的顶点坐标结合VRML编程,大大增强了VRML编程的通明性和建模的速度。(2)对象中看不见的面可以给予删除,减少VRML文件的存储量,优化了文件,提高了建模的速度。(3)由于VRML中除了圆柱体,可以设置在不同的面上进行不同的纹理影射外,其它的形体没有此