基于X3D的虚拟场景建模技术Word格式.docx

基于X3D的虚拟场景建模技术Word格式.docx

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由于X3D本身的平台无关性、易扩展性、有效性和灵活性，尤其是VRML和XML的集成，超级适合于散布式虚拟环境系统的开发嘲。

本文全面研究了利用X3D进行场景建模和优化的关键技术并给出了具体例如。

　　1虚拟现实技术

　　虚拟现实（VirtualReality简称VR）是1989年由美国VPLResearch公司开创人JaronLanier正式提出并作为商品加以应用的。

虚拟现实技术日是指利用运算机系统、多种虚拟现实专用设备和软件构造一种虚拟环境，实现用户与虚拟环境直接进行自然交互和沟通的技术。

比如咱们在电影院戴立体眼镜看的3D电影《大战外星人》，就有一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实是一门融合了运算机图形学、多媒体技术、运算机仿真、人机接口技术、人工智能、传感技术、网络技术等多种技术的交叉前沿学科。

其显著特点是沉醉感（Immeion）、交互性（Interaction）、想象力（Imagination）的3I特性。

　　虚拟现实系统要紧由硬件和软件两部份组成。

当前虚拟现实系统的要紧硬件设备有立体投影、立体眼镜、三维头盔显示器、数据手套、三维语音识别系统、三维空间跟踪定位器、三维空间交互球、多通道环幕系统等。

虚拟现实软件系统包括：

虚拟现实软件X3D（可扩展3D）、VRML（虚拟现实建模语言）、Java3D、OpenGL、Vega、Converse3d、3DMAX、Maya等。

　　2X3D的组成

　　X3D（Extensible3D）是由Web3D联盟于1998年末提出的，又称为VRML2000X标准。

X3D采纳了XMI语苦进行描述便于因特网传输及阅读器解析，是下一代具有扩充性的三维图形标准，采纳模块化的结构，整合了XML、Java、流媒体技术等先进技术，具有高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。

取得了包括Sun、Sony、Shout3D、Oracle、Autodesk／Disereet、NASA等多家公司和科研机构的支持。

　　X3D系统结构是以组件技术为基础的。

包括内核，VRML97特点集，应用程序接I：

1和扩展集四个部份，如图1所示。

内核（Core）封装了VRML97中54个节点里的23个节点，形成一个超级小的核心组件，大小介于Flash和RealPlayer之间，运行时占有少量资源，具有可扩展性VRML特点集将VRML97的其余节点设计成可插拔的组件，保证了X3D能向前兼容vRML及系统运行效率。

X3D采纳XML编码[41，文档对象模型（DocumentObjectModelDOM）自动为X3D提供一组应用程序接口，外部应用程序能够通过DOM访问X3D文件，另外内部（脚本）创作接口（ScriptAuthoringInterface，SAI）和外部创作接口（ExternalAuthoringInterface．EAI）能够实现X3D内外部场景的动态交互。

SAI是在X3D的Script节点内部利用Java或JavaScript语言编写脚本来实现X3D内外部场景交互。

EAI是用Java语言定义的一系列类包。

外部应用程序能够通过访问这些类包来实现对VRML场景的操作、操纵和修改。

X3D许诺用户在内核上进行特点集扩展，实现复杂的或用户自概念的功能，形成可插拔的扩展集。

　　3X3D场景建模

　　3．1X3D节点建模

　　3．1．1X3D文件结构

　　X3D文件结构采纳ISO／IEC19775—1的7．2．3，AbstractX3Dstructure中的概念。

X3D文件结构包括X3D文件头、文档类型（DTD格式）及X3D主程序概貌等内容。

X3D主程序概貌包括头文档和场景。

头文档包括组件和元数据。

X3D场景包括各类节点。

通过组织各类节点来创建虚拟的三维场景。

X3D的文件结构如图2所示。

　　3．1．2X3D的语法结构

　　在ISO／1EC19775—1中规定X3D文件头是一个单行的UTF一8文本用以识别此文件为一个XML文件，然后为用以识别验证用的XMLDTD的XML声明．然后为包括用以识别验证用的XMLSchema、文件所必需的X3D概貌和（可选的）额外的组件的X3D标签。

X3D主程序概貌概念了一系列内建节点及其组件的集合，X3D文档利用的属性必需在指定的概貌的集合的范围内。

组件确实是有相同功能的一类节点的集合，比如Geometry3D组件包括了所有的三维几何节点。

X3D场景主体由一对&

lt;

Scene&

gt;

和&

／Scene&

组成的．中间能够插入背景节点、视觉节点、导航节点、集合节点、复杂造型节点等，通过这些节点的组织来创建要表示的三维空间的场景和造型。

图3是床头的背子的语法结构图。

　　实现的背景部份和被子部份伪代码如下：

　　具体实现环境为X3D—Edit3．1编辑器，阅读器是BSContact7．0，实现后的成效如图4所示。

　　3．2场景的优化

　　3．2．1场景模型优化

　　为了保证虚拟场景的实时绘制，咱们有时必需舍弃一部份真实性。

咱们采纳了贴图的方法，要紧有两种方式：

一是应用绘图软件或是已有的图库。

二是对建筑物的各个观看面进行拍照。

纹理贴图，关于建筑物等实体建模进程中，造型与贴图是密不可分的，实体的细节，建模时能够用贴图达到近似的成效，从而减少实体面数，提高运行速度。

可是贴图的要求有两点：

一是格式为RGB，大小以像素为单位，长和宽都应该是2的幂，不然会扭曲或无法正常显示。

二是编辑贴图时，最好将同一实体所有面的贴图编辑到同一文件中，编辑操作点来对不同部份贴图，能够提高运行速度。

要想增强真实感，需要添加光照，要紧景物上能够采纳环境光照和方向性光照两种最大体的光照模式来照亮场所中的景物，其光照阻碍范围设为无穷远，在局部处置细节上，还能够添加点光照和探照灯两种光照模式，在创建白云背景，添加雾成效和声音对象到场景图分支，成效就比较传神了。

利用简单的纹理分量，在取得预想成效的前提下尽可能利用小面积的纹理。

纹理的几何尺寸越小，文件的数据量也就越小，关于内容比较简单的纹理利用128128与利用1616像素看起来区别并非明显，但文件的大小却差了几十倍。

还有利用单分量（灰度图）的纹理通常比利用三分量（R，G，B）更为有效。

因为单分量纹理每一个字节只用一个十六进制值就能够够表示了，而一个三分量纹理那么需要3个十六进制来表示。

把简单分量纹理与物理的大体材质颜色综合起来，就会产生一种超级真实的表面。

　　3．2．2多分辨率多层次细节模型

　　LODt~（1evelofdetail），依照场景对象在虚拟环境中的默写特殊值，区分该对象被显示的细致程度，是其大体思想。

能够采纳基于距离的LOD，依照虚拟物体到观看者的距离，决定物体的细致程度。

当虚拟物体距离观看者愈来愈远时，它的一些表现细节将消失．因此减少远距离物体的外观细节不仅可不能阻碍整个场景的表现成效，还能够节省大量的计算资源。

能够设定相应的阈值来标识距离的远近。

有些资料也依照那个原理用来优化三角形的数量，比如一个圆，若是不是在近处看，用六边形就能够够代替，若是再远乃至能够用一个方形代替。

网格的运用单个多边形有自己一套属性和极点，能够把许多属性相同的多边形整合成网格，如道路，小山等不同类的地形，网格使多边形共享一起的属性和极点，在实时运行时系统处置网格效能更高，能够大大提高运行性能和显示成效。

　　X3D中的GeoLOD[6]节点表现了上述思想。

图5显示的是视点距离物体的距离在由远及近转变时，观看到的一个衡宇的示用意。

部份伪代码如下

　　3．2．3复用技术

　　X3D的复用技术主若是包括两个方面：

一个是文件外部的复用．一个是文件内部的复用。

文件外部的复用主若是采纳按层级集成进行渲染绘制。

大体思想确实是采纳“分而治之”的思路，即把整个大的场景分成假设干个小的场景进行渲染，再依照层次结构进行组织，自底层向上的进行渲染封装，自顶层向下的进行挪用，X3D提供的Inline节点表现了上述思想，许诺在文件内部引用已经制作好的外部x3d文件。

文件内部的复用主若是在文件的内部能够预先概念一些节点（比如DEF节点），然后在文件中直接能够加以引用，而不需要从头概念（比如USE节点）。

X3D还许诺自概念新的节点，能够在已经概念好的节点基础上进行扩展然后封装成新的节点（比如PROTO原型节点），都可以直接加以引用，减少了代码的编写工作量。

　　3．2．4文件紧缩

　　X3D二进制格式（x3db文件）支持加密和紧缩。

开发中的CompressedBinaryencoding（紧缩二进制编码）为X3D提供一个平安的加密和高紧缩比（比VRML采纳的gzip格式更高的紧缩比）的环境。

X3D许诺采纳阅读器支持的多种编码模式进行混合编码，解析时只需要依照特定阅读器需要进行解析即可.

　　4终止语

　　本文介绍了最近几年来虚拟现实的进展情形，分析了X3D的系统结构，提出了场景建模和优化的具体方式。

通过实验，能够发觉：

所制作出的场景文件体积较小（大体的模型成立都在lk），适合网络传输与下载；

建模和交互都比较容易（支持节点比较多），专门是关于Java语言的支持，能够专门好的应用于跨平台的系统中；

与XML语言的结合，能够保证所建系统的鲁棒性。

　　参考文献：

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