第1章VRML(虚拟现实建模语音)概述

第一章VRML概述虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。随着近年来网络的高速发展，尤其是Internet在全世界的影响力不断扩大，如何在Internet上实现这种引人入胜的虚拟现实技术，成为许多人关心的事情。VRML(VirtualRealityModelingLanguage)正是一种基于(WorldWideWeb)上的具有交互性的虚拟现实建模语言。具体说来，VRML具有4大特点（1）VRML具有强大的网络功能，可以通过运行VRML程序直接连入Internet。可以创建立体网页与网站（2）具有多媒体功能，能够实现多媒体制作，合成声音、图象以达到影视效果。（3）创建三维立体造型和场景，实现更好的立体交互界面。（4）具有人工智能，主要体现在VRML具有感知功能，可以利用感知传感器节点来感受用户和造型之间的动态交互感觉。第一章VRML概述1.1VRML简介VRML(VirtualRealityModelingLanguage)的翻译为中文就是虚拟现实建模语言。它用来建立真实世界中各种场景的模型，当然，它也可以建立一个与真实世界无关的虚拟世界，就像许多游戏中的一样。VRML开始于20世纪90年代初期。1994年3月在日内瓦召开的第一届大会上，首次正式提出了VRML这个名字。1994年10月在芝加哥召开的第二届标准。它是经过许多人共同合作的结果，其中最主要的是SGI公司的工作。SGI公司同意无偿提供这种新的文件格式并放弃对其的所有权。VRML1.0在设计时采用了面向对象的思想，因此由其构造的虚拟现实模型与所用的操作平台无关，并且其程序还具有可扩展性。VRML1.O可以创建静态的3D景物，但没有声音和动画，你可以在它们之间移动，但不允许用户使用交互功能来浏览三维世界。它只有一个可以探索的静态世界。除此之外，没有其他的功能。1.1VRML简介可以看出VRML1.0功能很有限，对于一个功能如此有限的语言在网络上是很难被推广应用的，这也促使了新标准的产生。VRML的第二个标准为VRML2.0，规范的VRML2.O标准在1996年8月通过，它是以SGI公司的动态境界MovingWorlds提案为基础的。比VRML1.O增加了近30个节点，增强了静态世界，使3D场景更加逼真，补充和完善了VRML1.O。VRML2.0标准不仅对VRML1.0中节点的补充，而是在很多方面作了重大的改进，使VRML有了巨大的进步。它主要改进的方面包括：增强了静态世界的构造功能；增加了交互功能；增加了动画功能；增加了编程的能力；增加了原型的定义功能。其中编程功能的增加，使VRML更符合“面向对象”编程的思想。交互功能、动画功能的增加，使我们不仅能够浏览虚拟空间，而且还能够改变虚拟空间，使虚拟空间更加接近现实空间的真实性。1.1VRML简介1997年12月VRML作为国际标准正式发布，1998年1月正式获得国际标准化组织ISO批准(国际标准号ISO／IEC14772—1:1997)。简称VRML97。VRML97只是在VRML2.0基础进行上进行了少量的修正。但它这意味着VRML已经成为虚拟现实行业的国际标准。“Web3D”一词出自Web3D联盟(Web3DConsortium(W3DC))，其前身是VRML联盟。该组织先后提出了VRML1.0，VRML2.0和VRML97规范。VRML规范支持纹理映射、全景背景、雾、视频、音频、对象运动、和碰撞检测。但由于网络瓶颈、用户需求以及本身技术等原因，VRML技术的进展远没有达到预期目标。1998年VRML联盟改名为Web3D联盟，年底提出新的标准X3D(Extensible3D)，又称为VRML200x规范。2000年春，Web3D联盟完成了VRML到X3D的转换。在世界计算机图形大会SIGGRAPH2004会议上，通过了X3D国际规格标准，并已经正式发布且可以下载。X3D整合正在发展的可扩展标记语言(ExtensibleMarkupLanguage，简称XML)、JAVA、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。1.1VRML简介所谓X3D标准就是XML标准与3D标准的有机结合，X3D被定义为可交互操作，可扩展，跨平台的网络3D内容标准。X3D是VRML的继承。VRML(VirtualRealityModelingLanguage-虚拟现实建模语言)是原来的网络3D图形的ISO标准。VRML97格式推出以后，很快成为一种通用的三维格式并被大多三维程序支持。VRML97格式中可以描述三维图元、三维面，后来又支持NURBS和地理化几何体。但是VRML97中还是存在描述几何体的缺陷。为此X3D加入了新的二维节点，并且可以很方便的加入新的参数化图元，在X3D标准中还可以很方便的引入NURBS之类的新的对几何体的描述方式。在交互和程序整合方面，VRML97也有一些固有缺陷，X3D也对此做了改进。为了具体的应用开发，还建立了相应的工作组。例如CAD工作组就在进行X3DCAD标准交换格式的研究。MPEG4工作组也在进行了MPEG4中应用二维和三维交互的研究。此外各个X3D/VRML公司还开发了工具包以提供在其它程序中对X3D/VRML的应用。组件化，可扩展，可定制的特点将大大扩展X3D的应用。X3D将不局限于桌面电脑平台上的应用。X3D可以应用到包括手机、PDA、机顶盒、CAVE设备、头盔显示器、数据手套、三维打印机、三维扫描仪等不同的高端低端设备上。1.1VRML简介Web3D为了加速X3D的发展，推出Java、XML通用平台下的开放源代码工具包。低开发成本、标准化和扩展功能将成为X3D的一个巨大优势。X3D相对VRML改进,提供了以下的新特性:1、3D图形-多边形化几何体、参数化几何体、变换层级、光照、材质、多通道/多进程纹理帖图2、2D图形-在3D变换层级中显示文本、2D矢量、平面图形3、动画-计时器和插值器驱动的连续动画，人性化动画和变形4、空间化的音频和视频-在场景几何体上映射视听源5、用户交互-基于鼠标的选取和拖曳；键盘输入6、导航-摄像机，用户在3D场景中的移动；碰撞、接近和可见性检测1.1VRML简介7、用户定义对象-通过创建用户定义的数据类型，可以扩展浏览器的功能8、脚本-通过程序或脚本语言，可以动态的改变场景9、网络-可以用网络上的资源组成一个单一的X3D场景；可以通过超链接对象连接到其他场景或网络上的其他资源10、物理模拟-人性化动画；地理化数据集；分布交互模拟(DistributedInteractiveSimulation-DIS)协议整合。从1994年的VRML开始到2004年的X3D，VRML/X3D联盟一直致力于建立一种统一各种Web3D格式，容纳各种新技术的三维格式标准。相信X3D将会在交互三维领域取得一定的地位。虽然X3D是个发展趋势，但目前应用不多。1.2VRML2.0的功能和应用VRML1.0允许开发者建立三维的静态场景，并且场景中的对象能超链接到别的场景，这和HTML文档非常相似。静态2.0除继承VRML1.0的造型和超链接功能外，还扩充了大量的内容。用VRML2.0，场景中的对象可以移动，能对基于时间的以及用户激发的时间产生响应。总体看来，新增加的内容可以分为以下几个方面：1.感应控制功能例如，我们按下键盘按键，在VRML程序中，必须要有Sensor{}节点，才能知道使用者行为发生，进而依据Script节点中的设定产生预定的反应。1.2VRML2.0的功能和应用2.Script脚本功能在Script{}节点中加入程序语言，以进行对象行为的设定，编写的语言倾向于使用Java，也可以用其他的CGI程序。另外SGI公司则发展了一种类似Java的VRMLScript语言，前途可观。3.立体音效在Sound{}节点中，可以进行声音大小、位置、方向等空间性质的设定，让声音的表现有远近不同的效果，以增加真实性。1.2VRML2.0的功能和应用4.交互性新增加的对三维对象的行为描述使得进行实时完全仿真成为可能。碰撞检测(collisiondetection)节点包括了碰撞检测信息，这样就避免了穿墙而过的现象发生；感知器(sensors)节点等待一个特定事件的发生，然后做出响应。例如，可以设计一个感知器完成当门被打开时就自动开灯的功能。5.增强的静态场景VRML2.0中一些新增的特征使得场景看上去更加真实。例如，声音(sound)节点允许为场景加上背景音乐、动作声响、对话等等；背景(background)节点允许为场景加一幅背景图画；雾(fog)节点能产生逼真的雾化大气效果。1.2VRML2.0的功能和应用6.多重使用者使虚拟环境成为让数个使用者通过同时彼此互动与沟通的空间，比笔谈的E-Mail、对话的IRC、甚至是未能普及的视频会议更上一级，其中最受瞩目的为LivingWorlds(LW)。LivingWorlds思想()由BlackSun、ParaGraph与Sony公司共同提出，并且得到30多个大厂的支持，所要达成的理想是建立一个多重使用者共享的虚拟环境开发标准，可以让进入的使用者利用其替身(Avatars)，在虚拟空间中彼此交谈或沟通，并体验到多媒体，甚至是置身其中的生理感觉。1.3VRML常用浏览器简介现在支持VRML的浏览器软件种类很多，常用的如Microsoft公司的InternetExplorer，Netscape公司的Netscape等，他们通过安装相应的插件后即可实现VRML场景的浏览。主要浏览器插件介绍：1.CosmoPlayer2.1.1CosmoPlayer曾经是最好的VRML浏览器，它出自VRML的早期领导者SGI公司，在速度、质量、兼容性等诸多方面，都曾遥遥领先。但由于它被一再转手，研究人员流失殆尽，原先的各种优势不复存在。1.3VRML常用浏览器简介1.3VRML常用浏览器简介2.blaxxunContact4.3blaxxun已经取代cosmo成为VRML领域的领导者，它的浏览器blaxxunContact的最新版本在各项性能指标上，都十分出众，如全面支持VRML97、最先支持NURBS、UM，渲染速度名列第一。唯一不足的是，它的控制面板太难控制了，浏览模式的切换十分不便。3.Cortona2.2Parallelgraphics是目前VRML领域最有活力的一家公司，它的Cortona是blaxxunContact的最大竞争对手，除很好地支持VRML97、NURBS外，还支持多种自己规格的扩展功能，如键盘输入、拖放控制、flash等，更是业内第一个(也是唯一)支持最新EAI功能的VRML浏览器，而它的安装文件仅有1.8M，是各种VRML浏览器中最小的。不过Cortona的兼容性做得稍差，主要应用环境是Windows平台和IE浏览器，并且声音功能还有一些小缺陷。1.3VRML常用浏览器简介1.3VRML常用浏览器简介4.CommunityPlace2.0主要应用于多用户环境，但与其用它，还不如用blaxxunContact。它似乎又是一个死项目。SONY虽然从SGI挖来了VRML领域的先锋者ChrisMarrin等，但主要是进行Blendo项目的研究，可以大胆推测，SONY研究VRML的目的是为其游戏机PlayStation服务。也许要不了多久，PlayStation就会成为第一种兼容VRML或X3D的家用硬件装置。1.4VRML开发环境安装本次课程采用Parallelgraphics公司的VrmlPad（其他的开发工具还有CosmoWorld，Internet3DSpaceBuilder，3dsmax等）为vrml程序开发平台，安装经典的CosmoPlayer和Parallelgraphics公司的Co