VRML虚拟现实应用技术.pdf

21 世纪高等职业教育计算机系列规划教材 VRML 虚拟现实应用技术 张德丰 周 灵 编 著 高曙光 副主编 王 振 殷 凯 参 编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书系统地介绍了虚拟现实建模语言（VRML）的基础知识，各节点详细的使用方法和应用，并给出了大量实例。全书共分为 8 章，分别介绍了虚拟现实概述，虚拟现实软件及三维立体造型，造型的其他相关操作，虚拟现实环境设计，动画效果与交互节点，虚拟现实的高级应用，虚拟现实与 MATLAB 接口应用，VRML 脚本语言与编程等内容。本书可作为大学本科和高职高专计算机相关专业的虚拟现实技术课程教材，也可供成人教育和在职人员的培训使用。同时适合于欲制作虚拟空间的 VRML 初学者，也可作为运用 VRML 技术进行系统仿真、虚拟现实程序设计的研究人员和程序开发人员的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 VRML 虚拟现实应用技术/张德丰,周灵编著北京：电子工业出版社，2010.8 ISBN 978-7-121-11679-7 .V .张 周 .VRML 语言程序设计 .TP312 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 164396 号 责任编辑：陈韦凯 特约编辑：李玉昌 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：23.75 字数：608 千字 印 次：2010 年 8 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：45.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 计算机技术发展迅猛，已由初级计算、实时控制、事务处理迅速朝着巨型化、微型化、网络化、智能化及多媒体化等方面发展，计算机将人类社会带入了崭新的信息时代。尤其是计算机网络的飞速发展，使我们的地球变成了一个“地球村”。早期的网络系统主要传送文字、数字等信息，随着多媒体技术在网络上的应用，使得目前的计算机网络无法承受如此巨大的信息量。为此，人们开发出信息高速公路，即宽带网络系统，而在信息高速公路上驰骋的“高速跑车”就是虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）系统。VRML 是一门最近才兴起的新型的三维造型语言，它可以通过创建一个虚拟场景达到现实中的效果。VRML 支持三维动画，其实时交互功能大大改变了原来互联网上单调、交互性较差的弱点，从而创建一个全新的可进入、可参与的三维立体虚拟现实世界。短短数年，VRML 已经应用到很多领域，如航天、军事、建筑、医疗、教育人们相信它会有广阔的发展前景。由于 VRML 本身自带脚本语言，而且也有 Java、JavaScript 的支持，使三维造型的控制交互比其他同类造型语言具有更强的优势。用此语言设计的造型和动画文件小、交互性强、控制灵活，适合嵌入网页在网上播放。此语言易学，有系列开发工具支持，有自身的特色。VRML 提供了三维（3D）应用中大多数常见功能，也提供了足够的创造空间。（1）建模能力强。VRML 定义了类型丰富的几何、编组、定位等节点，建模能力较强。（2）有真实感及渲染能力。通过提供丰富的渲染相关节点，可以很精细地实现光照、着色、纹理贴图、三维立体声源。（3）观察及交互手段，传感器类型丰富。可以感知用户交互，视点可以控制对三维世界的观察方式。（4）动画可控制。VRML 提供了方便的动画控制方式。HTML和VRML的差别与建筑物的蓝本和它的模型的差别是同一个道理。VRML是Internet上基于万维网的虚拟现实建模语言，用来描述三维物体及其运动行为，构建虚拟世界。它的基本特征包括三维性、交互式、分布式集成性和逼真性等。随着国际互联网络的普及，网络技术和硬件设施飞速发展，虚拟现实技术将成为今后网络多媒体发展方向的主流。总之，VRML 将创建一种融多媒体、三维图形、网络通信、虚拟现实为一体的新型媒体，具有先进性和普及性。全书共分为 8 章：第 1 章介绍虚拟现实概述，包括虚拟现实技术的发展史、虚拟现实的特点、虚拟软件技术等内容；第 2 章介绍虚拟现实软件及三维立体造型，包括软件开发模型、几何造型、造型外观设计等内容；第 3 章介绍造型的其他相关操作，包括造型空间变换、造型群节点、其他组节点使用等内容；第 4 章介绍虚拟现实环境设计，包括背景设计、光源创建、阴影效果创建等内容；第 5 章介绍动画效果与交互节点，包括路由和事件、动画效果、交互造型功能等内容；第 6 章介绍虚拟现实的高级应用，包括虚拟现实在三维立体场景中的设计、虚拟实现自然景观设计等内容；第 7 章介绍虚拟现实与 MATLAB 接口应用，包括 MATLAB 的简单介绍、虚拟实现工具箱的 MATLAB 函数、MATLAB 接口中虚拟现实的应用等内容；第 8 章介绍 VRML 脚本语言与编程，包括 Script 脚本、对象处理等内容。本书旨在帮助读者通过学习掌握虚拟现实三维立体网络程序的开发和应用技能，了解在计算机软件开发方面如何利用目前国际上最先进的开发工具，以及如何运用软件工程的思想来开发和设计三维立体网络程序。为便于学习，本书免费提供书中示例程序的源代码，读者可通过登录华信教育资源网（）查找本书下载，所有源程序都在计算机上经过严格的调试并通过。本书中作者的研究成果得到了广东省科技计划项目（项目编号：2009B010800053）的大力支持，正是这些支持为本书的形成奠定了坚实的基础，在此表示衷心的感谢。本书由张德丰、周灵、周燕和马莉编写。参与图书编写及源程序校对、调试等工作的还有雷小平、崔如春、李娅、栾颖、刘志为和周品等。由于编著者水平有限，加之时间仓促，书中难免会有错误和不足之处，恳请广大读者给予批评和指正。编著者 2010 年 5 月 V 目 录 第 1 章 虚拟现实概述（1）1.1 人机交互技术的发展史（1）1.2 VR 技术的发展史（3）1.3 虚拟现实的特点（5）1.3.1 交互性（5）1.3.2 沉浸感（6）1.3.3 构想性（6）1.4 虚拟现实的发展前景（7）1.5 虚拟现实的系统分类（7）1.5.1 沉浸式虚拟现实系统（8）1.5.2 桌面式虚拟现实系统（9）1.5.3 增强式虚拟现实系统（10）1.5.4 分布式虚拟现实系统（11）1.6 虚拟软件技术（12）1.6.1 VRML 的基本概念（12）1.6.2 VRML 的立体空间计量单位（13）1.6.3 VRML 语法（14）1.6.4 VRML 的节点和域（17）1.7 虚拟现实主要应用领域（21）1.7.1 城市规划（21）1.7.2 室内设计（22）1.7.3 文物保护（22）1.7.4 军事与航空航天（22）1.7.5 虚拟教育与培训（25）1.7.6 商业领域（28）1.7.7 娱乐（28）1.7.8 工业应用（29）1.7.9 医学领域（30）1.7.10 虚拟现实在 Web3D/产品/静物展示中的应用（31）第 2 章 虚拟现实软件及三维立体造型（33）2.1 软件开发模型（33）2.1.1 软件瀑布开发模型（33）2.1.2 软件原型开发模型（34）2.1.3 软件渐进式开发模型（35）2.2 虚拟现实软件开发工具（39）2.3 几何造型（41）2.3.1 造型节点（41）VI 2.3.2 简单几何造型节点（42）2.3.3 复杂几何造型节点（47）2.4 造型外观设计（68）2.4.1 外观节点（69）2.4.2 材质节点（70）2.4.3 图片型的表面材质节点（85）2.4.4 表面材质转换节点（87）2.4.5 影像纹理节点（89）2.4.6 纹理坐标节点（92）2.4.7 造型的材质设计（94）第 3 章 造型的其他相关操作（100）3.1 造型空间变换（100）3.1.1 坐标变换节点（100）3.1.2 空间坐标的平移（101）3.1.3 空间坐标的旋转（102）3.1.4 空间坐标的缩放（106）3.2 造型群节点（110）3.2.1 编组节点（110）3.2.2 素材调用基本方法（113）3.2.3 节点的定义及引用（113）3.2.4 内联节点（120）3.3 其他组节点使用（123）3.3.1 布告牌（123）3.3.2 开关节点（125）3.3.3 细节层次节点（127）3.3.4 视点（131）3.3.5 锚节点（134）3.3.6 导航节点（136）第 4 章 虚拟现实环境设计（139）4.1 背景设计（139）4.2 光源创建（145）4.2.1 法线（145）4.2.2 点光源（147）4.2.3 平行光源（150）4.2.4 锥光源（153）4.3 创建阴影效果（158）4.4 创建雾化效果（161）4.5 创建声音效果（164）4.5.1 环境中声音的基本概念（164）4.5.2 音频剪辑节点（165）4.5.3 声音节点（166）VII 第 5 章 动画效果与交互节点（170）5.1 事件和路由（170）5.1.1 事件（170）5.1.2 路由（170）5.2 动画效果（172）5.2.1 时间传感器节点（172）5.2.2 位置插补器（173）5.2.3 颜色插补器（178）5.2.4 朝向插补器（181）5.2.5 标量插补器（186）5.2.6 坐标插补器（190）5.2.7 法向量插补器（192）5.3 交互造型功能（196）5.3.1 交互的基本概念（196）5.3.2 触摸传感器（196）5.3.3 平面传感器（199）5.3.4 圆柱体传感器（204）5.3.5 球体传感器（211）5.3.6 接近传感器（213）5.3.7 可视传感器（219）5.3.8 碰撞传感器（222）第 6 章 虚拟现实的高级应用（226）6.1 虚拟现实在三维立体场景中的设计（226）6.1.1 虚拟现实在生日场景中的设计（226）6.1.2 虚拟现实在奥运五环场景中的设计（228）6.1.3 虚拟现实月亮绕地球转动场景设计（232）6.2 虚拟实现自然景观设计（236）6.2.1 虚拟现实雪山设计（236）6.2.2 虚拟现实海上日出设计（243）6.2.3 虚拟现实雪山树林设计（248）6.3 虚拟现实建筑设计（252）6.3.1 虚拟现实办公楼（252）6.3.2 虚拟现实医院设计（257）6.3.3 虚拟现实公路设计（262）6.3.4 虚拟现实客厅设计（271）6.4 虚拟三维人体骨骼设计（282）第 7 章 虚拟现实与 MATLAB 接口应用（293）7.1 MATLAB 的简单介绍（293）7.1.1 MATLAB 的概述（293）7.1.2 MATLAB 的启动、退出及工作界面（293）7.1.3 Simulink（294）VIII 7.2 虚拟实现工具箱的 MATLAB 函数（296）7.2.1 MATLAB 的接口函数（296）7.2.2 Vrworld 对象（301）7.2.3 Vrnode 对象（308）7.3 Simulink 的应用接口（311）7.3.1 使用 Simulink 连接虚拟世界（311）7.3.2 一个虚拟世界例子（315）7.4 MATLAB 接口中虚拟现实的应用（317）7.4.1 热传送的虚拟现实（317）7.4.2 汽车在山中运动的模拟（322）7.5 Simulink 接口虚拟现实示例（332）7.5.1 灯光的模拟（332）7.5.2 磁悬浮模型（340）第 8 章 VRML 脚本语言与编程（351）8.1 脚本（351）8.2 VRMLScript 语言（355）8.2.1 表达式（355）8.2.2 语法（356）8.2.3 函