2018小议基于VRML 的3D 虚拟校园设计

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　　1 引言
　　虚拟现实(Virtual Reality) 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。
　　虚拟校园漫游是虚拟现实在教育领域的一个应用。是利用虚拟现实技术和计算机图形学等技术，实现对校园场景的仿真再现，对校园进行交互式的浏览。虚拟校园漫游系统是数字校园建设的一个不可缺少的组成部分。
　　VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)是一种基于web面向对象的三维造型语言，是构建虚拟漫游系统的有力工具。VRML用ASCII文件来描述三维模型及渲染信息和动画过程，而将真正的生成工作放在本地实现。目前VRML2.0已经成为国际标准。本文基于VRML实现了一种可交互的动态数字虚拟校园漫游系统。
　　本文对三维建模、渲染的过程、实现动态与互动以及为了提高在Web中传输速度对VRML文件的优化进行了研究。
　　2 VRML 与三维建模
　　VRML是面向web 3D的核心技术，VRMLPAD是编辑VRML的主用工具之一，可以进行简单的三维建模。而对于复杂的三维场景，可以利用可视化三维建模工具生成VRML。下面对于VRML和建模工具进行分析。
　　2.1 VRML
　　VRML 是一种建立在Internet 上的交互式三维多媒体的建模语言，它具有分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真等特征，被称为第二代Web 语言。VRML 通过节点进行三维描述，任何对象都用节点表示，可以通过标准形状节点和高级形状节点，创造虚拟环境中的静态虚拟对象；通过各种动态造型节点和时间传感器节点，实现动态建模；通过传感器节点和视点控制，使系统能与用户交互。
　　2.2 利用可视化三维建模工具生成VRML
　　目前常见的三维建模工具有3DS MAX，Sketch Up等，本文采用了3DS MAX。与其它建模工具相比，3DS MAX导出的VRML模型文件相对较小，这对于网络传输的实时性是有利的。除此之外，3DS MAX还具有优化模型、纹理渲染、有AUTO CAD等制图软件接口等较为完备的功能。
　　通常，对于简单的三维模型可直接由VRML代码实现。但是对于复杂或不规则的三维模型，则要借助3DS MAX建模，然后导出为VRML。直接生成的VRML文件较大，但利用VrmlPad的压缩功能，可减小大概10%-70%的文件容量。图2是中国矿业大学（北京）校园的科技楼三维模型，未压缩前的wrl文件体积为364Kb，压缩后的文件体积是80Kb。
　　3 三维模型的渲染
　　渲染过程首先要确定一个摄像机（即视点），3D MAX缺省提供4个摄像机，即顶视图、正视图、侧视图和透视图。实际应用中最常见的渲染是透视图，透视图的摄像机基本遵循真实摄像机原理，所以才能在屏幕上展示出具备真实立体感的三维目标。3D MAX中可以自己定义摄像机，对应于VRML中的Viewpoint（视点）。VRML的图形渲染是实时的，这是虚拟现实的必要条件，当用户在其中漫游时视点是不断改变的。但一般仍然需要建立几个摄像机供选择以便从合适的角度浏览三维场景，本文的虚拟校园中设置了两个视点，一个用于从场景前方进行浏览，便于了解场景细节，另一个用于俯视整个场景，便于了解场景全局。
　　确定视点之后还需要确定场景光源，以便增加场景的空间感。3D MAX中有默认光源，也可以又用根据需要设置特定光源。在VRML中光源被表示为灯光节点，包括SpotLight，PointLight等。
　　确定了视点和光源之后，还要确定目标表面的材质。3DS Max提供了一些简单的纹理图样，用户可以直接使用。但如真实目标纹理比较复杂，则需通过数码相机拍摄目标来获取相应的纹理贴图，并可运用图像处理软件（如Photoshop等）对其进行拉伸、旋转、拼接、细化等处理，以满足场景需要。然后通过3DS Max中的材质编辑器用纹理贴图来渲染三维物体，使建筑物等更具有真实感。
　　4 VRML 的优化以及动态和交互实现
　　4.1 VRML 文件的优化