1、虚拟现实VRML语言作业虚拟现实（VRML语言）在电子信息科学与技术专业上的应用*学 号： 入学批次： 层 次： 专 业： 课程名称： 多媒体技术 1、虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术(Virual Reality)也称VR技术，是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒休技术、人工智能技术以及人机接口技术等高新技术，生成三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术主要通过构建一个文字(Text)，图形(Graph)，图像(Image)，动画(Animation)，声音(Audio)，视频(Video)等不同信息为一体的人机交互系统，营造出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人们
2、脑、眼、手、鼻等多种器官接受刺激，使人们产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉。虚拟现实技术主要通过构建一个文字(Text)，图形(Graph)，图像(Image)，动 (Animation)，声音(Audio)，视频(Video)等不同信息为一体的人机交互系统，造出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人们脑、眼、手、口等多种器官接受刺激.使人们产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉。科学技术的发展提高了人与信息之间接口的能力，及人对信息处理的理解能力，人们不仅要求以打印输出、屏幕显示这样的方式观察信息处理的结果，而且希望能通过人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令参与到
3、信息处理的环境中去，获得身临其境的体验8 这种信息处理方法不再是建立在一个单维的数字化的信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间中，一个定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中， 虚拟现实是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境。 通过传感设备，用户根据自身的感觉，使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体，获得相应看似真实的体验.具体含义为：（1）虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；（2）操作者可以通过人的视、听、触等多
4、种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；（3）在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体，而不仅仅是窗口外部的观察者.由此可见，虚拟现实的出现为人们提供了一种全新的人机交互方式. 虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来，是这些技更高层次的集成和渗透.虚拟现实技术的应用前景非常广阔，它开始于军事领域的需求，目前，遍及到商业、医疗、工程设计、娱乐、教育和通信等诸多领域.2、虚拟现实技术的特征2.1多感知性(Mufti-Sens
5、ory )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、视觉感知、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。但由于相关技术，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。2.2沉浸性(Immersion ) 沉浸性也称临场感，指体验者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体者难以分辨真假，全身心地投人到计算机创建的三维虚拟环境中，如同在现实世界中的感觉一样。2.3交互性(Interactivity ) 交互性指体验者对模拟环境内物体的可操作程度
6、和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。用户可以通过兰维交互设备直接操纵计算机所给出的虚拟世界中的对朵，虚拟世界中的对象也能够实时地做出和应的反应。2.4构想性(Imagination) 构想性指体验者从虚拟现实环境中得到感性和理性的认识，深化对概念的理解，主动获取新的信息，并产生新的想法，进而解决实际应用问题。2.5虚拟现实的构建技术与方法虚拟现实的构建涉及的技术很多，如投影变换（将三维物体投影到二维屏幕上）消隐处理（删除一个物体的不可见面片）光照模型（一个物体在一定环境和光照下呈现的颜色和亮度）；LOD模型（多重细节模型，即一个物体由近及远会变得逐渐模糊）；文理贴图雾化效果等。目前有许多
7、软件和工具对这些算法予以包装和实现，开发者可以不必从底层做起。一般来说，构建一个虚拟现实系统有2种方法：利用高级语言和三维图形函数库。常用的开发语言是VG，常用的图形函数库是场renGL和Directx3D.此方法的特点是：灵活性强，能够实现复杂的功能。缺点是:需要较高的编程水平，以及对图形函数库的掌握。这种方法开发的难度大，且开发的系统很难网上发布。利用VRML语言(虚拟现实建模语言)，辅以其他工具。VRML是一个国际标准，其目标是建立因特网上的交互式三维境界。其定义了一种把三维图形和多媒体集成在一起的文件格式（扩展名为wrl ）。构建一个虚拟环境，就是创建一个个文件，通过包含关系和超链接连
8、接起来，构成一个庞大的场景。由于VRML用代码描述一个个实体和场景，给编程者带来很大困难，因此就出现了一些可视化的场景编辑器，常用的有SGI公司的Cosmo World Platinum Technology公司的VRCreator等。虚拟现实有三个最突出的特征即人们称道的“31”特性:交互性沉浸感和构想性。虚拟现实系统旨在突破系统和用户环境之间的界限突破用传统方法表达事物局限使人们不仅可以将任何想象的环境虚拟实现，并且可以在其中以自然的行为与这种虚拟现实进行交流。3、虚拟现实技术的应用作为尖端科技虚拟现实集成计算机图形技术，计算机仿真技术人工智能传感技术、显示技术网络并行处理等技术的最新发展
9、成果。是一种由计算机生成的高技术模拟系统。因为虚拟现实技术的特点它可以渗透到我们工作和生活的每个角落，所以虚拟现实技术对人类社会意义是非常大的。正因如此它和其它很多信息技术一样当专家还未把它的理论和技术探讨得十分清楚时，它已渗透到科学技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域，并受到极大注意。 目前在我国虚拟现实技术多应用在城市规划、大型工程漫游、数字化酒店、展会、博物馆展示系统等领域在这些领域虚拟现实技术所表现出的效果比起其他技术要优秀许多。首先与传统沙盘比较，传统沙盘最大缺点在于空间限制性太大了，不足以体现出整个项目设计细节，同时，将其它的媒体信息加入其中亦存在许多困难，导致信息量严重羞乏，而
10、虚拟现实为我们提供了无限的虚拟空间，近乎完美解决了这个问题，同时，他也可以与其它媒体手段无缝结合，辅以强大的数据库功能，所传递信息量更加巨大。其次与传统效果图画比较，静止的效果图只能向观者展示项目某一个或某几个方面，对观者提出的其他问题与要求必须以相近的图像或文字加以说明运作起来不直观、不全面具有相当大的局限性。而以虚拟现实技术为核心的多媒体介绍程序不需要观看者发挥任何想象力以空前直观方式将项目展现给观众在虚拟世界我们可以任意角度任意比例观看我们所感兴趣的内容。第三与传统三维动画比较，动画演示在一定程度上弥补了静止画面的不足声音与动画同步播放生动细致。但是严格意义上，这种浏览演示方式用于地产演
11、示项目或其它类似项目。只是为了表现视频效果，对于典型的工程项目缺少应有的严谨性和灵活性，以及客观性。动画在播放过程中观者只是在被动的观看接受一些有关于项目的信息，并不能按照自己的意愿去观看、查阅检索信息。而虚拟现实产品则完全解决了以上两种表现形式所存在的问题。我们可以虚拟空间中的任意地点、时间进行观察。 目前虚拟现实技术除了在上述领域得以利用外在电子商务教育、娱乐等领域虚拟现实技术也正表现出不同一般的魅力我们来看看目前和未来虚拟现实技术在不同领域的应用以及特点。3.1、在教学方面。3.1.1.电工电子网络虚拟实验室系统的构建。电工电子网络虚拟实验室系统之构建，由于虚拟技术与基于网络的远程遥控技
12、术的发展，使以虚拟实境电工电子实验技术取代传统的硬件实验室用于实验教学成为可能，对基于校园网的虚拟电工电子实验所涉及的一些关键技术进行了讨论。实验教学作为高校教学过程的重要环节，对于深化学生对所学知识的理解和掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用。但是，无论采用传统的硬件实验方式，还是把EDA软件引入电工电子实验教学，都有其明显的弊端：前者主要依靠硬件设备，投资大、效率低、运行成本高，又受课时安排的制约，教学效果受限；后者虽可在一定程度上缓解硬件实验教学模式面临的困难，但目前著名的EDA软件均来自国外，并非专为我国大专院校的实验教学而设计，因而针对性不强无法取代硬件实验模式，只能作
13、为传统实验教学的辅助手段。因此进行基于校园网的虚拟电工电子实验相关技术的研究。开发符合我国大专院校实验教学特点并能取代传统硬件实验的网络虚拟电工电子实验教学平台，具有重要意义。真实性。一是元件的真实性，系统所提供的电子元件均由实物扫描而成，市面上能买到什么元件，系统就“提供”什么元件；二是电路的真实性用户在客户端搭建了什么电路，服务器就“指挥”硬件设备搭建什么电路，用户搭建的每一个电路，都是有真实电路与之对应的：三是仪器的真实性，系统采用NIfNational Instruments)公司的虚拟仪器直接与服务器相连并从服务器中获得所需的电路参数进行分析处理，用户在哪个位置放置了仪表，服务器就控
14、制虚拟仪器对哪部分进行测量，客户得到的结果，都是仪器测出的实际结果(这与Edison等软件采取公式计算的方式有本质区别。经济性。系统仅需一套硬件设备，其余均以软件实现，因而大大节省了成本。先进性。系统依托计算机网络，以虚拟现实为主要技术手段，实现了实验方式的重大变革，是先进教学理念与先进实验技术的集中体现。实用性。系统专为大专院校电工电子实验而设计，兼具硬件真实实验与EDA软件辅助模拟实验的优点涵盖电路、模拟电子技术、数字电路、高频电子线路课程等全部实验内容，够实现自动接线、自动测量实验数据、自动实例演示、自动生成电路原理图等多种功能，并可反复操作，元件无损坏，使用不限时。具有与实验教学要求相
15、适应的辅助功能，如自主学习和预习功能、实验指导和演示功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料检索功能。电工电子网络虚拟实验室的系统结构网络实验室的物理拓扑结构如图l所示，它由客户端、服务器端和控制器端三部分组成。用户无论在何时何地只要使自己的计算机联人Intemet就可以通过浏览器访问网络实验室服务器。和用户直接打交道的是客户端，多个客户端可以同时登录到服务器上，同时进行不同的实验。服务器和所有的实验控制端同处于实验室的高速局域网中，每一个实验控制端在正常情况下登录到服务器上，即可随时进行实验。如果控制器端需要维护、修改或更换时，可以随时从服务器上注销。因此，控制器端的地位对于服
16、务器而言，也就是一种客户端，所以，可以把网络实验室系统的物理拓扑结构称之为双CS(ClientServer，即客户端月艮务器)结构。构建虚拟实验的网络系统主要涉及到以下方面的技术问题：(1)数据共享。需开发与各虚拟实验相关的智能检索系统信息数据库，制定数据库格式与检索系统协议来实现各数据库系统的连接。为使学生利用远程软件处理本地数据需开多维数据处理软件和标准化规则，建立共享操作系统。(2)远程设备控制。目前，诸如示波器、频谱仪等许多仪器设备具备GPIB接口，这些智能化仪器可以通过计算机网络连接为虚拟仪器系统；另一方面，DCS、FCS等计算机控制实验室都具备完善的计算机测控网络系统，具有自身的组
17、态控制方式，并且是可进行的远程控制的。因此，需要进行远程设备驱动登录控制软件协议与接口设计以便将这些设备组建为网络虚拟实验室，包括：用于控制与数据采集的远程图形用户界面GUI、由GUI驱动的远程客户程序、安全接口与安全控制协议、开放的本地务程序开发等。虚拟实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互共享以及可交互控制平台，通过设计一个管理平台对所有用户实现统一用户管理，包括对用户数据信息操作管理、虚拟实验室内的虚拟仪器进行的虚拟设备层管理等从而形成具备集成数据、存储器、因特网访问、报表生成工具和其它应用的虚拟工作平台。系统设计中容许那些能够访问客户端全部源的用户通过LAN与整个系统进行联接访问，并
18、可通过下载的客户端程序对实验室系统中的各种电工电子仿真应用程序进行访问。3.1.2 软件系统的实现方法与技术交互界面和应用环境的设计知识的获取依赖于具体的情境。真实、生动、形象、主题突出的情景环境对学生来说是具有强大吸引力的因此教学软件的交互界面和应用环境的设计好坏将直接影响到学生的学习效果。对此我们根据实际情况采用了VRML技术设计 VRML是一种三维场景的描述语言它的基本原理是用文本信息描述三维场景，在Internet网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范。用VRML实现与Internet虚拟现实交互渲染了一个真实的实验环境，使得学生身临
19、其境，如同在现实情形之中，大大提高了学生的学习兴趣和积极性。42 实验背景知识的实现实验原理、目的、内容讲解以及实验器材和实验过程的描述，均采用了多媒体技术，在开发设计中使用了包括文本、图形、图像、动画、视频、音频等多媒体制作技术，经精心制作使软件界面清晰、美观，更能充分地展示内容。同时将一些典型实验的操作过程拍摄成视频信号，经过剪辑、优化和效果处理并采用同步流媒体技术发布，使用户可以随时在线学习。43 仿真实验的构建对于模拟电路的仿真采用电路仿真程序SPICE的3F5版作为仿真内核，并对SPICE进行改造，通过Activex技术将电路仿真有机地融合到多媒体环境之中。通过VC编程，将逼真的元器
20、件所构成的实际电路，转换成SPICE修改后的输入模块能识别的信息，送人SPICE进行分析计算，仿真后的结果再送人虚拟的电子仪器进行显示，可以使SPICE识别在多媒体环境中搭接的立体电路，达到与真实实验相近的效果。对于数字电路仿真则一方面对常用数字逻辑芯片建立相应的逻辑运算模型软件包用于对其逻辑功能的仿真；另一方面是对实验平台和操作进行仿真，通过选调提供的各型号芯片和任意搭接连线，实现各类数字电路的搭接。系统将根据面包板上元件之间的连接关系，通过运算程序模块实现数字电路的逻辑运算并通过发光二极管、数码管等给出逼真的显示。3.1.3、 高校电工电子网络虚拟实验教学的实践实行“虚实并存与优化整合”的
21、原则虚拟实验尽管有诸多优点，但毕竟是“虚拟”的，学生实验时接触的仅仅是大小有限的计算机屏幕在真实实验中通过对故障的产生、分析及排除等培养学生能力的情景在虚拟实验中是不可能完全做到的。因此虚拟实验只能是实物实验的一种补充、完善和扩展，而不能完全替代实物实验两者只能相辅相成。我们在运用中采用了“虚实并存，优化整合”的原则，具体包含两方面内容：一是适量进行虚实项目上的交替对理论性较强的验证性实验以观察实验现象为主，采集数据较困难的实验、受实验设备和生均实验资源限制的实验、学生容易出错、对仪器损坏严重的实验等采用网上虚拟实验，而对实用性较强、设计性实验一定要最终采用实物实验；二是适时进行实验内容上的虚
22、实交替，即在一个实验项目内，根据实际内容进行虚实交替，优势互补。构建网络虚拟电工电子实验的基本要求(1)认真规划教学过程。课件使用的操作步骤，是多媒体课堂教学的重要组成部分。教师要根据本节课的实际教学需要合理分配课件的使用时间，理清思路，使课件真正起到化难为易、化繁为简、寓教为乐的作用，一切以服务教学为出发点。(2)充分利用各种媒体手段，使教学过程丰富多彩。多媒体教室除了有多媒体计算机、投影仪外，还有实物展示台以及各种视频、音频设备等。综合应用这些设备能使课堂教学手段丰富多彩。3.1.4.基于X3 D的虚拟现实技术在集成电路教学中的应用。虚拟现实技术应用于集成电路教学领域的优势目前大多数院校都
23、建立了校园网，基于Web的虚拟现实技术在集成电路课程的网络教学方面，相户便可以做各种各样的实验，获得模拟真实实验的体验，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 避免了真实操作带来的各种危险集成电路实验涉及毒性、安全问题，部分实验学生无法直接参与以获得感性认识。利用虚拟现实技术，则可以放心地去做各种危险I生大的实验，避免了由于学生的误操作而造成的安全事故。 打破了时间与空间的限制利用虚拟现实技术，可以打破空间的限制。利用虚拟现实技术，学生还可以观察到部分因为反应速度过慢而造成时间浪费的实验现象。对于传统的教学手段，有着不可替代的优势。 能弥补教学条件的不足利用虚拟现实技术，可以弥补传统教学中因
24、为实验仪器、实验场地、教学经费等原因而造成应该开设的教学实验无法进行等方面的不足。 应用X3D创建集成电路反应机理虚拟仿真环境的方法与步骤31 X3D标准可扩展3D(extensible 3D，X3D)是由Web3D联盟于1998年底提出的。X3D是互联网3D图形国际通用软件标准，定义了如何在网络多媒体中整合基于网络传播的交互三维内容_4 J，它是VRML的继承。VRML是原来的网络3D图形的ISO标准(ISOIEC 14772) j。X3D规范使用可扩展标记语言(extensible markup language，XML)，体现了对VRML几何造型和实体行为的描述能力，缩写成X3D就是为了
25、突出新规范中VRML与XML集成 。X3D文件结构包含文件头、主程序概貌；在主程序概貌中包括头文档、场景等 。在场景中利用基本几何造型节点、复杂节点、组节点、文理节点、效果节点及动态感知节点等创建虚拟现实三维立体场X3D定义了一系列用来生成和修饰三维形体的对象，这些对象成为节点，节点是X3D的基本元素和核心。因此，在分布式多人协作的虚拟仿真实验方面的应用是下一步研究的重点。目前，虚拟现实技术不仅应用于各学科的仿真实验等领域，而且也广泛应用于虚拟教学环境(平台)、虚拟手术环境、虚拟战场环境的构建等领域，极大地提高了工作效率。相信随着多媒体技术、网络技术的推陈出新以及计算机硬件技术的持续发展，必将
26、推动虚拟现实技术的不断前进。正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找
27、到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。3.2.在科技开发上虚拟现实可缩短开发周期，减少费用。例如intel公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的芯片直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技术，使intel避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行cpu性能试验，不必使用真的c
28、pu便可显示出不同条件下的测试后果。在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。虚拟现实常被用于推销电子产品。例如电子设计项目投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的电子产品里参观，如电子产品外观，产品特效，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。3.3.娱乐娱乐是目前虚拟现实技术应用较多的领域尤
29、其是在游戏业。目前许多游戏可以说是某种程度的虚拟现实，玩家在虚拟的环境里完成任务获得利益，体验快乐在不久的将来借助于头盔显示器、数据服、立体声耳机、数据手套等传感装置玩家在虚拟游戏中将有完全真实的体验。网上虚拟社区借助于虚拟现实技术也将摆脱目前纯文字状态.成为人生另一次体验也许在未来人类将真的像电影黑客帝国中所表现的那样完全生活在虚拟的环境中.只是这幻境的创造者是人类自己而不是机器。结束语:目前，虚拟现实技术在一些领域获得了比较成熟的实际应用，但它仍处于初级发展阶段，然而对它研究开发已日渐升温! 美国在很久年前重点发展十项高新电子技术，而居十项技术之首的就是虚拟现实技术! 根据我国国情，“九五
30、”计划、国家自然科学基金会等都把虚拟现实技术列入了研究项目! 21世纪将是虚拟现实技术的时代，相信在不久的将来，人们会轻松地遨游于多维化的信息世界中，领略人类高科技的魅力!虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律三大手段。正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等7。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
