基于VRML的三维虚拟场景与二维地图互响应研究

河北工业大学硕士学位论文基于VRML的三维虚拟场景与二维地图互响应研究姓名：张蕾申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：彭玉青2010-12河北工业大学硕士学位论文i基于VRML的三维虚拟场景与二维地图互响应研究摘要计算机技术的发展，给社会生活带来诸多便利。虚拟现实技术是一门综合了建模技术、计算机技术、图形技术等领域的新兴技术，具有沉浸感、交互性、想象力3I特性，广泛的应用在教育、军事、医疗等方面。虚拟现实建模语言VRML可以创建虚拟三维场景，用户在虚拟场景中漫游观看体验设施，增强临境感。但当用户在场景中自由行走时，往往会出现不知身在何处的迷失感。在科技飞速发展的今天，二维电子地图因具有平面性、宏观性、整体性的特点广为使用，但不能完整地反映客观世界。本文中将三维虚拟场景的现实性、局部性、直观性与二维电子地图的简洁性、宏观性、整体性优势互补，采用几何模型和图像混合建模技术，利用VRML构造三维虚拟场景，并实现自动漫游和交互漫游。在漫游的过程中通过碰撞检测避免穿透，陷入地下等不符合现实的现象发生，增强逼真性。利用重用机制、合理使用纹理、使用LOD等方法对大规模虚拟场景执行性能进行优化。VRML一方面通过触摸传感器和感知传感器非编程方式实现VRML场景自身交互，另一方面通过JSAI、EAI、JS接口编程方式实现VRML场景与外部环境的交互。本文采用EAI外部编程接口，将JavaApplet小程序与VRML文件一同嵌入到HTML网页中，实现三维虚拟场景与二维电子地图互响应。互响应的表现形式主要有：用户在三维虚拟环境中漫游时，二维地图要实时显示相应的位置；二维电子地图中改变位置时，在三维虚拟场景中视点随之跳到相应位置等。关键字：三维虚拟场景，二维电子地图，VRML，EAI，互响应基于VRML的三维虚拟场景与二维地图互响应研究iiRESEARCHOFINTERACTIONBETWEEN3DVIRTUALSCENEBASEDONVRMLAND2DMAPABSTRACTThedevelopmentofcomputertechnologybringsalotofconveniencetosociallife.Virtualrealityiscomprehensivetechnologywhichsynthesizesmodelingtechnology,computertechnology,graphicstechnology,andhas3IincludingImmersion,InteractionandImagination.Itiswidelyusedineducation,military,medicaltreatmentandsoon.Virtualrealitymodelinglanguage(VRML)cancreatevirtual3Dsceneinwhichuserscanroam,watchandexperiencefacilitiestoenhanceimmersion.Butwhenauserfreelywalks,heoftenhaslostfeelingthathedoesnotknowwhereheis.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologytoday,2Delectronicmapiswidelyusedbecauseofitsplane,macro,andintegrity,butitcannotcompletelyreflecttheobjectiveworld.Thepaperwillcomplementthereality，partandvisualizationof3Dvirtualsceneswiththemacro,integrityandtersenessof2Delectronicmap.3DvirtualscenesarecreatedbyVRMLandwithgeometrymodelandtheimagehybridmodelingtechnology,andrealizeautomaticandinteractiveroaming.Thecollisiondetectionavoidspenetrability,runningintotheundergroundandsoontoenhancereality.Large-scalevirtualsceneexecutesbetterbyreusingmechanism,reasonablyusingtextureandLOD.OntheonehandVRMLusestouchsensorandperceptionsensorasnonprogrammingwaytorealizeinteractionitself,ontheotherhanditcanuseJSAI,EAIorJSinterfaceasprogrammingwaytorealizeinteractionofVRMLsceneandexternalenvironment.ThepaperadoptsEAIexternalprogramminginterfaceandembedJavaAppletandVRMLfilesintoHTMLpagestogethertorealizemutualresponsebetween3dvirtualsceneand2Delectronicmap.Theexpressionofmutualresponsehastwokinds.Firstly,2Delectronicmapdisplaysreal-timepositionwhenusersroaminthe3Dvirtualenvironment.Secondly,theviewpointjumpstothecorrespondingpositionin3Dvirtualscenewhenuserschangethepositioninthe2Delectronicmap.KEYWORDS:3Dvirtualscene,2Delectronicmap,VirtualRealityModelingLanguage,ExternalAuthoringInterface,interaction原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题研究背景虚拟现实技术是一门综合了建模技术、计算机技术、图形技术、显示技术等多种技术的新型技术,现已经在军事、医疗、教育、建筑、娱乐等方面取得了广泛的应用,它通过对人物和周围环境及其相互关系进行本质的描述,并在计算机上得以实现，使人产生一种沉浸于虚拟环境中的感觉，通过与虚拟环境发生交互作用，从而得到与置身于实际环境中所获得的相通或相似的感觉。虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage,VRML)是一种三维建模语言，可创建虚拟场景，为用户提供仿佛置身于现实世界的临境感。比如创建虚拟社区,当用户进入这个虚拟社区后,如同在真实社区里行走一样,可以看到亭台楼阁小桥流水和体育器械，甚至用户可以亲自去体验一下健身器械。三维虚拟场景虽然可以给用户提供置身于现实世界的临境感的体验，但是当用户在这样“真实世界”中漫游容易产生不知道自己现在身处何方，如何才能走出去的现象——迷路。平面地图是三维空间信息昀早的可视化方式，它在古代交通、军事以及社会生产实践活动中都发挥着重要的作用。在科技飞速发展的今天，产生了一种全新的地图——二维电子地图。二维电子地图所呈现的信息是平面的、凝固的、宏观的，因而不能完整细致的反映客观世界。如何实现将三维虚拟场景的局部性、直观性、现实性与二维地图的整体性、宏观性、简洁性有机结合优势互补，成为一项重要的研究课题。§1-2研究现状1-2-1国外虚拟现实技术的研究现状美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局（NASA)Ames实验室的研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真；还有对美国火星探测器的行动过程，实现了该探测器的3D动画虚拟。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且己经建立了可供全国使用的VR教育系统[1]。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究昀早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。LomaAnda大学医学中心的DavidWarner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域[2,3]。从90年代初起，基于VRML的三维虚拟场景与二维地图互响应研究2美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面，英国是领先的，尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR技术研究的中心：windustries(工业集团公司)，是国际VR界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace(英国航空公司BAe)的Brough分部，正在利用VR技术设计高级战斗机座舱；DimensionIntemational，是桌面VR的先驱，该公司生产了一系列的商业VR软件包，都命名为Superscape；DivisonLTD公司在开发VISION、ProVision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技术。日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在虚拟现实的游戏和加强人机接口能力的研究中处于领先地位[4]。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言；日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破[5]。1-2