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VRML在室内设计中的应用
摘要
VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言。
是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言,也具有平台无关性。
是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。
VRML是虚拟现实造型语言(VirtualRealityModelingLanguage)的简称,本质上是一种面向web,面向对象的三维造型语言,而且它是一种解释性语言。
VRML的对象称为结点,子结点的集合可以构成复杂的景物。
结点可以通过实例得到复用,对它们赋以名字,进行定义后,即可建立动态的VR(虚拟世界)。
VRML不仅支持数据和过程的三维表示,而且能提供带有音响效果的结点,用户能走进视听效果十分逼真的虚拟世界(如简易迷宫、国际象棋)。
用户使用虚拟对象表达自己的观点,能与虚拟对象交互,为用户对具体对象的细节,整体结构和相互关系的描述带来的新的感受。
本文主要介绍了以VRML为工具实现室内布线可视化,将室内装修和布线数字化形式呈现在您面前。
设计的制作利用了虚拟现实建模语言VRML,三维动画渲染和制作软件3Dmax等将标准户型家具家装室内灯光和室内布线,生动地表达出来。
它的目的是使人们可以身临其境的观察和调整室内布局和布线。
主要包括了:
家具的建模,灯光布置,室内框架建模,室内布线等。
关键词:
多媒体数字化虚拟现实VRML
Abstract
VRML(VirtualRealityModelingLanguage)orvirtualrealitymodelinglanguage.Fortheestablishmentofareal-worldpeopletothescenemodelorafictionalscenarioofthree-dimensionalmodelingoftheworld'slanguages,alsohasaplatform-independentnature.Internetisthewww-basedthree-dimensionalinteractivewebsiteproducedbythemainstreamlanguage.
VRMLisVirtualRealityModelingLanguage(VirtualRealityModelingLanguage)inshort-orientednatureisaweb,thethree-dimensionalobject-orientedmodelinglanguage,anditisaninterpretativelanguage.VRMLnodecalledthetarget,sub-nodecanbeacomplexcollectionoffeatures.Examplesofnodecanbereused,enablingthemtoname,define,youcancreateadynamicofVR(virtualworld).
VRMLisnotonlytosupportthedataandsaidthree-dimensionalprocess,butalsowithsoundeffectsprovidedbythenode,theusercanentertheaudio-visualeffectisveryrealisticvirtualworlds(suchasthesimplemaze,chess).Virtualobjectuserstoexpresstheirviews,caninteractwiththevirtualobject,theobjectfortheusertothespecificdetailsoftherelationshipbetweentheoverallstructureandthedescriptionofthenewfeelings.
ThispaperintroducesVRMLasatooltoachievetheinteriorlayoutvisualization,theinteriordecorationandwiringinadigitalformatbeforeyou.ThedesignoftheproductionuseofVirtualRealityModelingLanguageVRML,animationandrenderingsoftware,suchasthestandardunits3Dmaxfurnitureandindoordecorationlightingindoorwiring,vividlyexpressed.Itspurposeistoallowpeopletoobserveandadjusttheimmersiveindoorlayoutandwiring.Mainlyincludes:
Modelingfurniture,lightinglayout,interiorframeworkformodeling,suchasindoorcabling.
Keywords:
digitalmulti-mediavirtualrealityVRML
1虚拟现实概述
1.1虚拟现实简介
虚拟现实技术(VirtualReality),又称灵境技术,是90年代为科学界和工程界所关注的技术。
它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。
这种技术的特点在于,计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。
这种技术的应用,改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式,尤其在需要对大量抽象数据进行处理时。
同时,它在许多不同领域的应用,可以带来巨大的经济效益。
1.2虚拟现实技术发展概述
1965年,Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
随后的1966年,美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。
在这第一个HMD的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。
1970年,出现了第一个功能较齐全的HMD系统。
基于从60年代以来所取得的一系列成就,美国的JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。
80年代,美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。
1984年,NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。
在随后的虚拟交互环境工作站(VIEW)项目中,他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。
进入90年代,迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配,使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能。
人机交互系统的设计不断创新,新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。
而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。
例如1993年的11月,宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作,而用虚拟现实技术设计波音777获得成功,是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。
可以看出,正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域,如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等,人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。
1.3虚拟现实系统的研究现状
计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具,并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。
虚拟现实技术的产生与发展也同样如此,就虚拟现实本身而言,它主要涉及到三个研究领域:
(1)通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果;
(2)建立对虚拟世界的观察界面;
(3)使用虚拟现实技术加强如科学计算技术等方面的应用。
如图1-1表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。
图1-1虚拟现实系统领域的组成示意图
1.4虚拟现实技术的主要特征
多感知性(Multi-Sensory)--所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
浸没感(Immersion)--又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假,使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,该环境中的一切看上去是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样。
交互性(Interactivity)--指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。
例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
构想性(Imagination)--强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说,一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
1.5论文研究的目的和意义
迅速发展的科学技术对建筑行业产生了巨大的冲击,计算机科学止从多方面改变着传统的设计观念、设计方法和表现手段。
传统的家居设计师一般采用效果图来表达设计思想,但效果图只能静态地表现整个设计的某一视角,拟现实技术的出现为室内设计师和用户设计、评价方案提供了新的技术手段。
作为一种辅助设计手段,虚拟现实技术改变了传统的设计方式,不但可以简化设计流程,缩短设计周期,更重要的是较大程度地提高了设计质量圈。
设计师在设计期间可以随时看到与实物最接近的三维设计结果,并以虚拟现实技术提供的各种交互方式直接与其设计对象进行交互,这有助于设计师更加准确地了解形体、空间、色彩、光照、布线乃至声学效果,从而对设计做出修改和补充,这样一个过程自然地符合了设计思路。
设计以满足用户的需求为最终目标作为一种展示手段。
拟现实技术为用户参与设计过程、进行决策提供了极大的方便。
利用虚拟建筑的真实性,设计师以最直观的方式向用户呈现其设计意图,用户通过在虚拟建筑中漫游,获得最直观的体验,对其做出相应的评价。
另一方面,在虚拟的三维空间中,用户可以实时比较不同的设计方案,以便进行下一步决策。
事实上,用户不但能够对不同方案进行比较,甚至可以直接通过各种交互手段提出某些修改意见,并实时地与修改前的方案进行分析比较。
传统电子商务网站多以文字、二维图片和flash展示、发布产品信息顾客在浏览产品、查询产品信息时缺乏互动,没有真实购物体验,这与现实中企业和商家竭尽所能地展示产品以激发用户购物欲望的做法相去甚远。
如何在网站上更好地向用户真实地展现商品的外观以及各种功能成为企业和商家急待解决的问题。
虚拟现实技术为电子商务提供了一个友好的可视化人机界面。
将虚拟现实技术应用于电子商务,使得位于不同地区的顾客不但能享受到普通电子商务网站提供的方便、快捷的服务,而且可以身临其境般的观察、操纵虚拟环境和置于虚拟环境中的各种产品。
近年来,计算机软硬件性能均得到极大的提高,加上网络技术的不断发展,普通PC机上实现Internet浏览和更高级的交互功能成为可能。
在网络上进行室内装饰设计和展示己成为家装行业的必然趋势,具有很好的应用前景,因此对基于VRML的可视化室内布线设计的研究室很有价值。
2虚拟现实建模语言VRML
2.1VRML简介
VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言。
是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言,也具有平台无关性。
是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。
VRML是虚拟现实造型语言(VirtualRealityModelingLanguage)的简称,本质上是一种面向web,面向对象的三维造型语言,而且它是一种解释性语言。
VRML的对象称为结点,子结点的集合可以构成复杂的景物。
结点可以通过实例得到复用,对它们赋以名字,进行定义后,即可建立动态的VR(虚拟世界)。
VRML不仅支持数据和过程的三维表示,而且能提供带有音响效果的结点,用户能走进视听效果十分逼真的虚拟世界(如简易迷宫、国际象棋)。
用户使用虚拟对象表达自己的观点,能与虚拟对象交互,为用户对具体对象的细节,整体结构和相互关系的描述带来的新的感受。
2.2VRML的发展历程
VRMLl.0标准是许多人的共同合作的结果。
1993年9月,TongPari-si和MarkPesce开发了第一个VRML测览器。
在第一届www大会上(1994年秋于日内瓦),由TimBerners-Lee和DaveRaggett所组织的一个名为BOF的小组提出了VRML这个名字,但当时所代表的含义VirtualRealityMark-upLanguage,只是在后来由于为了反映三维世界的建立而将Markup改为了Modeling,缩写仍为VRML。
在这次大会后,一个名WWW-VRMLMAILLIST的组织成立了,并于1994年秋在第二次WWW大会上发布了VRMLl.0的草稿。
VRMLl.0允许单个用户使用非交互功能,且没有声音和动画,它只允许建立一个可以探索的环境,但没有别的。
虽然VRMLl.0给人的最初印象看起来十分有限,但它的确形成了一组开发者可以用的工作核心,以便建立VRML2.0、VRML3.0或更新的版本。
VRML2.0的规范于1996年8月通过,它在VRMLl.0的基础上进行了很大的补充和完善。
它以SGI公司的MoveWorld提案为基础。
业界范围内对于VRML2.0的支持非常大。
许多重要的厂商明确表示,VRML2.0将是他们产品结构的基础。
SGI公司,最有影响力的VRML厂商,已经引进Cosmo3D一个VRML2.0的API,作为其新的工具结构Viper的基础。
Cosmo3D的附件支持为SGI公司已有工具而编写的应用程序,而这些应用程序也就变成了Viper内置的专用功能。
SGI公司许多广为传播的工具也支持VRML2.0。
SunMicrosystem公司,Java的先驱,最近选择VMML2.0作为其基于Java的3DAPIJava3D的功能内核。
Microsoft公司已经采纳了VRML2.0标准,并已利用DimensionX基于Java的LiquidReality来生成用于XML2.0浏览的ActiveX组件。
可在WindowsNT4.0上找到的Microsoft公司的优化OpenGL1.1,而Micmsoft的Direct3D与已通过硬件加速显示了它强大无比的功能。
IBM公司和Apple公司正在与ParaGraph公司合作,开发以图形压缩为特点的VRML二进制格式,这项工作不仅可以使文件大小减少50%,还可以把VRML使用者的范围拓宽。
VRML发展大事年表:
日期大事记
1993.12Parisi和Pesce开始开发第一个VRML测览器;
1994.03首届www大会在日内瓦召开,提出VRML;
1994.06开始VRML邮件列表;
1994.10产生了基于SGI的OpenInventor文件格式的VRML1.0第一稿;
1996.03VRML结构组通过MovingWorld,并就VRML2.0标准进行投票;
1996.08通过VRML2.0标准。
VRML发展已经成为新的国际标准X3D,它在VRML的基础上做了很多改动。
X3D是一种支持XML编码格式的开放式3D标准,3D数据可以通过网络实现实时交流,具有可移植性,页面整合性,易于和下一代的网络技术整合,另外采用了组件化结构设计减少了系统资源的占用且具有很强的扩展性。
2.3VRML的应用
VRML在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐、艺术等领域都有着广泛的应用前景,利用它可以创建多媒体通信、分布式虚拟现实、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区、赛博空间等全新的应用系统。
2.3.1VRML典型的应用领域
(1)教育应用,把VRML用于建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等领域。
由于数据更加逼真,大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣,学习效果十分显著。
随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展,能够提供更加协调的人机对话途径。
华盛顿大学外语系CarlosSeligo说:
“外语系设想通过远程教学授予学位,但一直苦于找不到具有交互能力的虚拟教室。
我认为VRML将成为虚拟教室的黑板,而教师们知道该使用什么样的粉笔。
”
(2)工程应用,当前的工程很大程度上要依赖于图形工具,以便直观地显示各种产品,目前CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。
VRML将使工程人员能通过全球网或内部网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布,从而进一步提高生产率并削减成本。
(3)商业应用,对于那些期望与客户建立直接联系的公司,尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司,Internet具有特别的吸引力。
VRML有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。
例如,顾客可以访问虚拟世界中的商店,在那里挑选商品,然后通过Internet办理付款手续,商店则及时把商品送到顾客手中。
(4)娱乐应用,娱乐领域是VRML的一个重要应用领域。
VRML是一个功能十分强大的在Internet网上交换三维场景的描述性语言,它能提供更好的多人之间的交互,提供更加逼真的虚拟环境,从而使人们能够享受其中的乐趣,带来更好的娱乐感觉。
VRML目前正朝着实时通信、大规模用户交互的方向发展。
2.3.2成功案例
(1)科技探索一个对火星好奇的学生登上虚拟的宇宙飞船,从地面点火起飞,并尝试各种飞行路径飞向这个红色星球。
在火星表面登陆后驱车绕着科学上正确的轨迹运动带有合适的重力和光照。
这一景象在火星探路者登上火星时已经借助VRML技术发生在全球Internet用户的眼前:
利用三维的虚拟太阳系模型和来自火星的大量数据,物理和天文学世界被带入生活中,而且比任何书本或第一代Web页面更为吸引人,并具有交互性。
(2)商业宣传百事可乐公司在自己的网站上创建一个广告画面:
探路者在火星表面走动且发现了一瓶百事可乐!
所有文件只有12KB,因此能十分方便地配置在一个普通的Web站点上。
美国Construct公司最近完成了一个VRML项目,目的是展示VRML作为一个故事片媒介。
片长11分钟,高分辨率逼真图形的故事占了不到1MB磁盘空间。
相似长度和质量的一个MPEG电影将比它大300倍。
(3)电子购物珠宝加工商为远距离客户加工珠宝,为了确保最终样式符合客户的期望,可应用VRML创作工具建立一个项链模型,然后把设计通过Web传送给顾客。
虽然客户没有拿到真正的东西,但仍能从所有角度考察这种项链,检查反射面的形状,以决定作为基片的宝石高度。
因此,在设计阶段就把客户的需求呈现出来。
类似的VRML应用范围很广,从医疗构图、分子造型、工程与设计、建筑到包含更多娱乐的游戏、各种广告、虚拟剧场以及日常生活的习俗,如起居室的选择和家具摆设、周未公园旅游计划、汽化器维修等。
(4)文物保护意大利教堂的壁画被破坏已经很长时间了,但是仍有足够的信息使它恢复原来的模样。
采用建筑造型恢复教堂和采用图像扫描技术恢复壁画,然后把它们集成到VRML文件中,这样,艺术学院的学员就能在走廊里行走,观看头顶的壁画在一天中的不同时候,随着光线的不同而呈现的不同图案,当然还可以增加鉴赏评论等有关壁画的信息。
这种需求在我国更多,也更为紧迫,如敦煌石窟、兵马佣、长城以及众多的园林。
(5)娱乐业Blitom与Cosmo软件公司演示了第一部VRML动画片。
3VRML的工作原理及基本特性
3.1VRML的文件结构
VRML文件是一个后缀名为wrl的文件,它主要包括VRML文件头、注释、节点、事件和路由等部分。
并不是每一个VRML文件都需要全部包括这些部分,但其中文件头是每一个VRML文件都必需的部分。
3.1.1文件头
VRML文件头的语法形式如下所示:
#VRMLV2.0utf8
注意:
这是每一个VRML2.0文件所必需的开头,必须放在文件的第1行,而且必须要按照如上所示的语法格式出现。
文件头分为3部分:
(1)#VRML:
打开该文件的浏览器该文件是一个VRML文件;
(2)V2.0:
该VRML文件遵循的VRML规范是2.0版本;
(3)utf8:
该文件使用的字符是国际UTF-8字符集。
UTF是UCSTransformFormat的缩写,其中USC是UniversalMultiple-OctetCodedCharacterSet的缩写,UTF-8是一个广泛支持多种语言的字符集,由国际标准化组织ISO提出和规范的。
3.1.2文件注释
在VRML文件中允许编写者在文件的任何部分进行注释说明,以增强该文件的可读性。
VRML文件的注释部分是以“#”开头,结束于该行的末尾,也就是说不支持多行的注释。
新一行的注释也必须以“#”开头。
浏览器在浏览VRML文件的时候将跳过“#”之后本行的所有内容。
另外在浏览器浏览VRML文件的时候将自动地忽略VRML所有的空格和空行,VRML文件编写者可以用任何合适的格式进行编写,但是应该使VRML文档易于阅读和修改。
3.1.3节点
VRML文件的最基本的组成部分是节点(Node),VRML文件的主要内容就是节点的层层嵌套以及节点的定义和使用,由此构成整个的虚拟世界。
在VRML文件中可以为节点定义一个名称,然后在本文件的后面就可以反复地引用该节点。
例如,在某一个VRML空间中需要创建多个相同的类型,就可以首先用一个或一组节点创建一个造型,然后为这一个或一组节点命名,反复地引用这个造型数次就可以方便地创建多个完全相同的造型。
被定义名称的节点称为源节点(Origi
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