桑沈丹，杨永国

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

基于3ds Max和VRML的连云港虚拟现实研究

桑沈丹∗，杨永国

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

结合VRML技术和3ds Max强大的三维建模优势，能够实现场景的虚拟动态交互。文章采用非沉浸式虚拟现实技术，结合VRML和3ds Max技术构建连云港地区花果山、西大堤等地的虚拟现实场景，在真实场景模拟的基础上实现场景的缩放、漫游及地质数据的查询、更新等功能，实现虚拟现实在除虚拟校园等规则空间之外的应用。

虚拟现实；VRML；3ds Max；不规则几何体

1 引 言

非沉浸式虚拟现实技术利用计算机屏幕作为用户观察虚拟场景和二维信息的窗口，通过各种输入设备可以实现与虚拟现实世界的交互。VRML(Virtual Reality Modeling Language)作为一种基于网络的交互式三维多媒体的建模语言，它可以创建逼真的三维场景，通过程序设计可以实现虚拟场景的动态交互[1]。在对数字校园、数字城市等多涉及规则几何体的研究中常采用VRML对规则几何体进行建模而后实现场景的动态交互。本文选取山体为研究对象，在虚拟场景构建时单纯使用VRML无法达到逼真的效果，而将VRML与功能强大的三维建模软件(如3ds Max)结合，可以构建逼真的虚拟场景。

本文采用VRML和3ds Max相结合的方式来实现连云港地区花果山、西大堤等场景的虚拟现实系统的创建，并通过VRML语言实现系统的动态交互和实时控制[2，3]。即在建模阶段利用3ds Max建立研究区域的三维模型，在控制阶段通过VRML编程实现虚拟现实的交互功能。综合利用二者优势，可以实现虚拟场景的仿真及动态交互。

2 三维场景模型的构建

研究区域涉及连云港花果山、北崮山、孔望山、锦屏山、凰窝、渔湾、东西连岛、羊山岛、西大堤、港口等众多山体及水域，采用山体标高作为主要数据。在对该区域的虚拟现实研究过程中主要数据来源为:

(1)地理数据:通过Google Earth等第三方电子地图及遥感影像获得连云港地区的相对位置图。

(2)纹理数据:采用拍摄的数码相片，用PhotoShop对照片进行处理从而获得贴图。

利用3ds Max强大的三维建模功能对研究区域进行建模。在虚拟场景的创建过程中使用标准几何体、扩展几何体、二维图形创建、复合对象、Modify修改面板、插补器、材质编辑器等3D建模工具。在山体表面进行植被覆盖时采用贴图来近似生成场景，贴图的合理运用可以极大地减小模型的复杂度。在赋材质时候，利用UV编辑器和透明贴图通道的调节，来使模型达到更为真实的感觉[4]。

3ds Max生成的场景模型的文件为∗.max格式文件，而虚拟场景的创建需要在VRMLPad编辑器中完成，3ds Max提供了VRML文件格式的输出功能。

在VRMLPad编辑器中使用纹理节点Texture节点对场景物体表面进行纹理处理，并编程实现功能，使用BS Contact VRML浏览器对场景进行输出。

3 系统实现

系统实现的功能主要有漫游、缩放、查询以及数据库建立等，从而实现研究区域的自然、地质、地理、经济、人文信息的空间数据的查询和分析、数据更新等功能，建立逼真的虚拟场景。

3.1 场景的贴图及优化

在导入的∗.wrl文件中，表面贴图由于贴图路径的不一致导致了建模物体表面贴图的丢失，因此，有必要在VRMLpad编辑器中对场景代码进行修改。以山体为例，在导入的∗.wrl文件中贴图路径通常会表现为“../maps/hill.jpg”，这就导致了路径的不可辨识，从而使表面贴图失效，另外，在使用贴图图片的时候很可能将原有图片丢失，这就要求在处理图片的时候将所使用贴图图片和导出的∗.wrl文件放到一个文件夹，在导出∗.wrl文件之后弹出的VRML97编辑器中，对最后的位图URL前缀进行删除(软件默认的“../ maps”)，此外，还可以通过VRML的内部代码实现场景的贴图:在确保图片与文件在同一文件夹的情况下，在嵌入代码中(以山体为例)作如下修改，可使虚拟场景表面产生纹理。

3.2 场景的浏览及场景对象的移动

PositionInterpolar节点最典型的应用情形就是使虚拟物体产生移动，漫游实现场景如图1所示，其主要实现代码为:

图1 虚拟场景的漫游实现图

3.3 场景缩放功能的实现

在VRML编辑器VRMLPad中，使用Positioninterpolator节点value_changed输出接口中发送的SFVec3f数据，也可以传递至Transform节点的scale域中，可使编组节点造型产生等比例或不等比例缩放变形动画效果:

图2 西大堤缩放图景

3.4 场景查询功能的实现

查询功能是场景交互的重要功能之一，利用VRML中的超链接功能实现三维实体的查询功能[5]。在Cosmo Worlds编辑器中选择超链接对象，输入超链接目标，以渔湾为例，选择渔湾模型，单击插入超链接，在弹出的对话框中输入插入的超链接的地址。

这样，在单击三维地理实体的时候就能弹出新的HTML页面显示三维实体的自然、地质、地理、经济、人文等信息，实现人机的交互。

使用Visual Studio 2005集成开发环境ASP.NET技术对连云港各研究地块进行基础资料的网页制作，实现网页与虚拟平台之间的链接操作，方便虚拟场景的人机交互查询。查询如图3所示。

图3 渔湾信息显示网页

3.5 场景的自动浏览

场景中自动漫游功能主要使用视点控制来实现。在实现过程中选取适当坐标形成漫游路径，从而实现场景的自动漫游[6，7]。

在实现过程中使用TimeSensor节点向各插补器节点输出事件，此外还使用了位置插补器PositionInterpo-lator节点描述一系列用于动画的关键值，朝向插补器OrientationInterpolator描述一系列在动画中使用的旋转值，使用路由创建信息通道以连接事件出口和事件入口。具体实现代码如下:

3.6 场景数据库的建立及更新

由表3可知，3个样品真菌群落结构基本类似，相对丰度占比有一定差别。其中热子囊菌属的相对丰度在各样品中占比均最大，应是根霉属类，曲霉属与热子囊菌属相对丰度占比呈此消彼长的规律。根霉属和曲霉属中的有益菌功能类似，均主要起糖化作用。从真菌属层面分析，还无法准确鉴别3个样品的功能优劣。由于目前黄曲霉和青霉的研究较多，菌种的功能和危害性已有定性，这里不做进一步分析。

场景的数据库主要由Visual Studio开发环境创建的网页文件承载，当数据需要更新的时候可以对网页进行后台数据的编辑从而达到数据更新的效果。

4 系统的优化

4.1 背景优化

(1)场景的背景颜色优化

在VRML浏览器中默认的背景色为黑色，给人以沉闷之感，适当的给场景添加背景可以增加场景的真实性，同时也能提高场景的渲染效果，海天一色给人以舒适感。优化效果如图4所示。

本场景所添加背景的VRML代码为:

图4 背景优化后的场景图

(2)适当使用光源

光源将影响场景中的许多模型，它将给非浏览器带来大量的运算。适当的使用光源也能增加场景的可视度。以下是在虚拟场景的设计过程中光源实现所使用的代码:

4.2 VRML文件的场景优化

VRML文件的大小直接影响文件的传输时间。因此，有必要对VRML文件进行优化使之提高传输速率[8]。主要使用以下方法:

(1)删除输出程序中不必要的间隔

在使用文本编辑器保存VRML代码时，生成的∗. wrl文件中包括完整的文本格式，但浏览器在解释VRML程序的时候，并不需要这些格式，例如，Box { size 1 1 1 }与Box{size 1 1 1}作用是一样的，但通过文本方式保存之后，后者占空间要小，能提高下载速率，故而应删除一些不必要的空格。

(2)优化文件中的导入模型

研究区域虚拟场景的创建是在3ds Max中完成的，为了描述精确，在生成VRML文件时都对数据使用了相当高的精度，而且对一些基本几何体都是用点、线、面的复杂几何体来描述的，文件的过于庞大对网上传输是十分不利的，因此必须进行优化。

此外，在3ds Max中对山体模型进行光滑处理，使其棱角光滑而不突兀。

(3)使用Inline内联节点

从3ds Max中导入的文件数据量较大，会影响文件的传输速率，在构造场景时使用Inline内联节点可以几个VRML文件组织起来实现整个场景，这样，便于系统的维护。在虚拟场景创建过程中应用如下:

其中url域指明一个有效VRML文件的URL，design.wrl文件为已经创建完成的虚拟场景文件。

5 结 论

基于VRML与3ds Max的虚拟场景构建方法，包括外部模型的导入、真实感场景的生成、动画技术与实时交互等实现虚拟现实系统的关键技术，通过视点、路由等的程序设计实现场景的移动、缩放与自动漫游等功能，使用Cosmo Worlds编辑器对场景进行超链接编辑，实现场景的查询功能，对场景进行优化，并深入讨论和研究了系统创建过程中所遇到的关键问题和相关技术。

[1] 杨永国，张冬明，季景贤.基于VRML－GIS的三维小区构建[J].中国矿业大学学报，2005，34(2):231～235

[2] 吴兰，罗如为，陈孝威.基于VRML与3ds Max的虚拟动态交互技术研究[J].计算机仿真，2007，21(1):213～216

[3] 张云苑.虚拟现实技术中3ds Max建模的应用[J].电脑知识与技术，2006:189～190

[4] 陈锦昌，詹伟杰，何正国.虚拟校园中三维景物表面贴图的研究[J].东华大学学报(自然科学版)，2005，31(4): 57～61

[5] 贺雪晨，徐桢.基于VRML的三维虚拟校园信息查询功能的实现[J].上海电力学院学报，2005，21(3):59～62

[6] 孙麟，刘迎春，徐春霞.基于VRML的虚拟场景漫游实现[J].计算机工程与设计，2008，29(14):3748～3751

[7] 韩小卫.基于虚拟现实技术校园漫游系统的设计与实现[J].延安大学学报(自然科学版)，2008，27(2):14～19

The Research on Virtual Reality of Lianyungang Based on VRML And 3ds Max

Sang ShenDan，Yang YongGuo
(School of Mineral Resource and Earth Science，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Combining VRML and the three－dimensional modeling software 3ds Max can see the potential of the dynamic interaction of the virtual scene.Un－immersing Virtual Reality Technology was used in this paper.And the virtual scene such as Huaguoshan，West Breakwater were constructed by VRML and 3ds Max.The functions of the system included moving，zooming，automatic roaming，searching and updating the geological data for the scene based on the simulation of the real scene.The system realized the application of Virtual Reality in the irregular area in addition to those rule areas include virtual campus and so on.

Virtual Reality；VRML；3ds Max；Irregular Geometry

1672－8262(2011)02－28－04

P208

B

2010—06—26

桑沈丹(1986—)，女，硕士研究生，主要研究方向为虚拟地理环境。