虚拟现实技术与VRML

摘要：虚拟现实技术是利用计算机的图形环境和电子技术外设产生逼真的视、听、触、力等伪物质三维感觉环境。VRML是面向实时漫游的虚拟现实造型语言。本文简要介绍了虚拟现实技术的概念、技术特征、应用及VRML的概念、发展与构造，并讨论了VRML在虚拟现实技术应用中重要地位。

1 虚拟现实技术

1．1虚拟现实技术的概念

虚拟现实(Viamal Reality)技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，是一种新的人一机界面形式。它追求的是将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成了人处于计算机创造的人工环境中。用户借助物定装备(如数据手套、头盔等)以自然方式与虚拟环境交互作用、相互影响，从而获得与真实世界等同的感受以及在现实世界中难以经历的体验。

1．2虚拟现实技术的发展过程

虚拟现实技术的起源可以追溯到1970年，任Ivan Suther Land领导下研制成功了第一个头盔显示器。人们戴上头盔显示器，可以看到一个边长5厘米的立方体线框图飘浮在自己眼前。当实验者转动头部时，可以看见这个发光的立方体的不同侧面，可以像真实世界中那样来确定这个物体的形状和位置。1972年Nolan·Bushnell发明了电子游戏rorh；1985年，Apple公司的Macintosh开始研制Sinmet，1989年Sinmet完成。NASA的Ames研究中心利用Radioshaek公司的袖珍式液晶显示电视的屏幕研制成为头戴式虚拟现实眼镜，并研制成第一台商用虚拟现实硬／软件，美国空军的Supemoelwit飞行模拟器。虚拟现实这个名词已成为平常生活话题。

1．3虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术具有以下三个基本特征：

(1)沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

(2)交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，代写毕业论文 使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

(3)多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

1．4虚拟现实技术的应用

随着虚拟现实技术的迅速发展，它已经被应用于广泛的领域：

(1)工程和建筑可用它设计各种产品和施工设备，建造工厂等预实现。如一个新产品的先期开发、一个具体建筑物一次性仿真。

(2)医学其范围包括建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，如用来设计各种合成药物，允许研究人员测试各种药物特性，进行人体解剖仿真，外科手术仿真器。

(3)军工模拟最初的军工模拟是推动VR发展的主要力量，VR的许多成功的应用也是在此方面，代写医学论文如飞机驾驶模拟器、近战战术训练器、虚拟战场等。

(4)科学可视化现在，有许多数据或物质，如红外光、微波、雷达、电磁场、在通道中流动的各种数据都不是可见的，利用VR技术，很容易将这些东西可视，这就为我们的研究带来很大的方便。

(5)金融和娱乐金融可视化是指将大量数据变换成图象式物质，从而使数据更易理解和分析。娱乐是VR的一个巨大市场，世界一些着名的娱乐城已建成VR娱东中心，在这个环境中许多话都已变成“现实”。

(6)教育VR教育是一种非常有意义的潜在市场。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演—个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。

2、VRML ．

2．1概念

VRML (Virtral Reality Modeling Language)是虚拟现实造型语言的缩写形式。它是描述虚拟场景的一种标准。它定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、试点、几何、动画、雾、材料特性和纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能。

设计VRML的一个主要目标就是保证它成为多个虚拟现实系统或其组成部分间有效的三维文件交换格式，并且，这些虚拟现实系统或其组成部分可分布在网络的不同计算机处。

2．2 VRML的发展历史

1994年5月。在瑞士日内瓦召开的万维网(www)会议上。Mark Pesos和Tony Parisi在会上介绍了他们开发的可在万维网上运行的虚拟现实界面。这时，由一个情趣相投者联谊会BOF马上产生强烈的反响，决定开发一种场景描述语言。它可以连通Web网。VRML这个词就是在BOF的会议上造出来的。

1994年10月在芝加哥(Chicago)召开的第二次WWW会议上公布V1LML1．0的规范草案。主要的功能是完成静态的3D场景，代写硕士论文以及与HTML链接的功能和措施。另一位SGI的原Open Inventor的设计师Paul Ssi#39;aLt88开始作一个VRML公共域(publicdomain)的词解程序(Parser)，当时流行于业界的名字叫Qmb．

1995年秋。SGI进一步推出了WebSpace Author(供创作的程序)。这是一种Web创作工具，可在场景内交互地摆放物体，并改进了场景的功能，还可用于发表VRML文件。

1996年初。VRML委员会审阅并讨论了若干个VRML 2．0版本的建议方案，其中有SGI的动态境界(Mov-iIlg Worlds)提案、太阳微系统(Sun Microsystem)的全息网(Holl Web)、微软公司(Mi )的能动VRML(Active、VRML)、苹果公司(Apple)的超世界(Out of the woad)，以及其他多种提案。结果，Moving Worlds以70％选票赢得了绝对多数。1996年3月，VGA(、VRML．设计小组)决定将这个方案改造成为VRML 2．0。

1996年8月，VRML2．0在新奥尔良(New Orleans)的SIGGRAPH96会议上公布。

1998年发表中文国家标准。2002年8月，升级版本X3D通过国际标准。

2．3、VRML的应用框架

图1是目前VRML应用的一般框架，潜在的应用正在不断地发展当中。

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2．4VRML的构造

一个VRML文件包括了一些主要的功能部件：代写论文文件头，场景图，原型和事件路由等，通过浏览器对VRML进行处理以声音和图象的形式展现出来，并且用户可以与场景进行交互。

(1)文件头为方便识别VRML文件，每个VRML文件的开始都采用以下形式：

#VRML2．0<ercoding type>[optional comment]<line terminator>

(2)场景图结构

VRML文件用层次化的场景图来描述三维对象和世界，在场景图中的实体称为节点，VRML定义了54种不同的结点类型，其中包括几何元素体及对外表特性、声音及声音特性，以及不同类型的群节点。节点在域中存放它们的数据，VRML定义了20种类型的域，这些域可以用来存放从单个数据到三维旋转矩阵。

VRML场景图是一种单向图，一个节点可以包含其他节点(一些类型的节点可能“子”节点)，也可以被一个或多个节点所包含(它们可以有一个以上的“父”节点)，但是一个节点不能包含自己。这样的场景图结构可以容纳由一些子模块构造大的或复杂的三维世界。

(3)事件结构

VRML定义了事件或消息传送机制，通过这些机制，场景图中的节点可以相互通讯。每一节点定义了时间的名称和类型，这些事件是该类型节点可以产生和经受的。ROUTE语句定义了事件产生器和接收器之间的事件路径。

(4)感知器

感知器是VRML基本的用户交互和动画元素。当时间流逝时，T#39;lmeSemor节点就产生了事件，T#39;rmeSemor是所有动画行为基础。其他感知器是所有用户交互的基础，当观看者在三维世界中移动或当用户使用一些输入设备进行交互操作时，这些感知器就产生了事件。感知器只产生事件，它们必须通过ROUTE语句同其它节点一起使用才能在场景中产生可见的效果。

(5)脚本和插值器

可以在事件产生器和事件接收器之间插入脚本节点。脚本节点允许VRML编辑器用任何说明支持的脚本语言定义任意的行为。VRML2．0定义了可以用Java和JavaScript以及E(MAScript语言装的脚本节点。插值器节点实际上是完成简单的动画计算的内置语言。它们通常和Tune．Sesmor以及场景图中其它的节点一起使对象移动。

(6)原型：封装和重用

VRML2．0包括一种原型机制，可以对场景图进行封装和重用。几何、特性、动画和行为都可以分开或一起封装。原型机制允许以现存节点类型的混合形式定义新的节点类型，这一机制使VRML更容易使用并且减少了VRML文件的大小。

(7)分布式场景

VRML2．0有两种方法使一处定义的VRML世界分布于WWW网上。其中In-Line节点允许包含存储在Web上的任何VRML文件，EX#39;IERNIPROTO语句可以由WWW网上任何地方来定义新的节点。更一般的情况是，EXTERNPROTO语句使节点在VRML文件皮外定义，这也是VRML基本的可扩展机制。

(8)显示和交互

VRML文件的解释，执行和显示一般由浏览器来完成，浏览器将展现场景图中的形状和声音，即所谓的“虚拟世界”，用户可以在其中漫游，这一虚拟世界的显示根据视点的变化而不同。浏览器提一些漫游方法(如步行或飞行)使用户在虚拟世界中移动视点的位置)。

除支持漫游外，浏览器还允许用户通过场景图层次中的感知器节点与虚拟世界进行交互。

3 结束语

目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善以及硬件设备价格的不断降低，我们相信。虚拟现实技术最终会在各个领域广泛应用并发挥其重要作用。

虚拟现实作为一种全新的人——机接口技术，必须研究用户和计算机之间的协调关系问题，这样一个问题只有通过大量的使用才能逐步解决，VRML以因特网作为应用平台，最有希望成为构筑虚拟现实应用的基本构架。VRML在电子商务、教育、工程技术、建筑、娱乐、艺术等领域的广泛应用，将会促使它迅速发展，并成构建虚拟现实应用系统的基础。

VRML将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体，兼具先进性和普及性，是关心三维图形、多媒体、新一代网页开发和虚拟现实技术的人士应密切注意的。

参考文献：

[1]石教英．虚拟现实基础及实用方法[M]．科学出版社， 2000。

[2]Mark Peace．History of Virtual RmlityModeling

[3] VRML Architecture Group (VGA)。http：//vag．vnn1．org．

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