摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的圖形環(huán)境和電子技術(shù)外設(shè)產(chǎn)生逼真的視、聽(tīng)、觸、力等偽物質(zhì)三維感覺(jué)環(huán)境。VRML是面向?qū)崟r(shí)漫游的虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言。本文簡(jiǎn)要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、技術(shù)特征、應(yīng)用及VRML的概念、發(fā)展與構(gòu)造，并討論了VRML在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中重要地位。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1．1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)(Viamal Reality)技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來(lái)興起的一種新型信息技術(shù)，是一種新的人一機(jī)界面形式。它追求的是將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)從一種需要人用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)對(duì)其進(jìn)行操作的設(shè)備變成了人處于計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的人工環(huán)境中。用戶借助物定裝備(如數(shù)據(jù)手套、頭盔等)以自然方式與虛擬環(huán)境交互作用、相互影響，從而獲得與真實(shí)世界等同的感受以及在現(xiàn)實(shí)世界中難以經(jīng)歷的體驗(yàn)。

1．2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源可以追溯到1970年，任Ivan Suther Land領(lǐng)導(dǎo)下研制成功了第一個(gè)頭盔顯示器。人們戴上頭盔顯示器，可以看到一個(gè)邊長(zhǎng)5厘米的立方體線框圖飄浮在自己眼前。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)，可以看見(jiàn)這個(gè)發(fā)光的立方體的不同側(cè)面，可以像真實(shí)世界中那樣來(lái)確定這個(gè)物體的形狀和位置。1972年Nolan·Bushnell發(fā)明了電子游戲rorh；1985年，Apple公司的Macintosh開(kāi)始研制Sinmet，1989年Sinmet完成。NASA的Ames研究中心利用Radioshaek公司的袖珍式液晶顯示電視的屏幕研制成為頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，并研制成第一臺(tái)商用虛擬現(xiàn)實(shí)硬／軟件，美國(guó)空軍的Supemoelwit飛行模擬器。虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)名詞已成為平常生活話題。

1．3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下三個(gè)基本特征：

(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺(jué)都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺(jué)。

(2)交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，代寫(xiě)畢業(yè)論文 使用者不僅可以利用電腦鍵盤(pán)、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。使用者通過(guò)自身的語(yǔ)言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行考察或操作。

(3)多感知性。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。

1．4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，它已經(jīng)被應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域：

(1)工程和建筑可用它設(shè)計(jì)各種產(chǎn)品和施工設(shè)備，建造工廠等預(yù)實(shí)現(xiàn)。如一個(gè)新產(chǎn)品的先期開(kāi)發(fā)、一個(gè)具體建筑物一次性仿真。

(2)醫(yī)學(xué)其范圍包括建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模擬，如用來(lái)設(shè)計(jì)各種合成藥物，允許研究人員測(cè)試各種藥物特性，進(jìn)行人體解剖仿真，外科手術(shù)仿真器。

(3)軍工模擬最初的軍工模擬是推動(dòng)VR發(fā)展的主要力量，VR的許多成功的應(yīng)用也是在此方面，代寫(xiě)醫(yī)學(xué)論文如飛機(jī)駕駛模擬器、近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練器、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)等。

(4)科學(xué)可視化現(xiàn)在，有許多數(shù)據(jù)或物質(zhì)，如紅外光、微波、雷達(dá)、電磁場(chǎng)、在通道中流動(dòng)的各種數(shù)據(jù)都不是可見(jiàn)的，利用VR技術(shù)，很容易將這些東西可視，這就為我們的研究帶來(lái)很大的方便。

(5)金融和娛樂(lè)金融可視化是指將大量數(shù)據(jù)變換成圖象式物質(zhì)，從而使數(shù)據(jù)更易理解和分析。娛樂(lè)是VR的一個(gè)巨大市場(chǎng)，世界一些著名的娛樂(lè)城已建成VR娛東中心，在這個(gè)環(huán)境中許多話都已變成“現(xiàn)實(shí)”。

(6)教育VR教育是一種非常有意義的潛在市場(chǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演—個(gè)角色，這對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。

2、VRML ．

2．1概念

VRML (Virtral Reality Modeling Language)是虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言的縮寫(xiě)形式。它是描述虛擬場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)。它定義了三維應(yīng)用系統(tǒng)中常用的語(yǔ)言描述，如層次變換、光源、試點(diǎn)、幾何、動(dòng)畫(huà)、霧、材料特性和紋理映射等，并具有簡(jiǎn)單的行為特征描述功能。

設(shè)計(jì)VRML的一個(gè)主要目標(biāo)就是保證它成為多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或其組成部分間有效的三維文件交換格式，并且，這些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或其組成部分可分布在網(wǎng)絡(luò)的不同計(jì)算機(jī)處。

2．2 VRML的發(fā)展歷史

1994年5月。在瑞士日內(nèi)瓦召開(kāi)的萬(wàn)維網(wǎng)(www)會(huì)議上。Mark Pesos和Tony Parisi在會(huì)上介紹了他們開(kāi)發(fā)的可在萬(wàn)維網(wǎng)上運(yùn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)界面。這時(shí)，由一個(gè)情趣相投者聯(lián)誼會(huì)BOF馬上產(chǎn)生強(qiáng)烈的反響，決定開(kāi)發(fā)一種場(chǎng)景描述語(yǔ)言。它可以連通Web網(wǎng)。VRML這個(gè)詞就是在BOF的會(huì)議上造出來(lái)的。

1994年10月在芝加哥(Chicago)召開(kāi)的第二次WWW會(huì)議上公布V1LML1．0的規(guī)范草案。主要的功能是完成靜態(tài)的3D場(chǎng)景，代寫(xiě)碩士論文以及與HTML鏈接的功能和措施。另一位SGI的原Open Inventor的設(shè)計(jì)師Paul Ssi#39;aLt88開(kāi)始作一個(gè)VRML公共域(publicdomain)的詞解程序(Parser)，當(dāng)時(shí)流行于業(yè)界的名字叫Qmb．

1995年秋。SGI進(jìn)一步推出了WebSpace Author(供創(chuàng)作的程序)。這是一種Web創(chuàng)作工具，可在場(chǎng)景內(nèi)交互地?cái)[放物體，并改進(jìn)了場(chǎng)景的功能，還可用于發(fā)表VRML文件。

1996年初。VRML委員會(huì)審閱并討論了若干個(gè)VRML 2．0版本的建議方案，其中有SGI的動(dòng)態(tài)境界(Mov-iIlg Worlds)提案、太陽(yáng)微系統(tǒng)(Sun Microsystem)的全息網(wǎng)(Holl Web)、微軟公司(Mi )的能動(dòng)VRML(Active、VRML)、蘋(píng)果公司(Apple)的超世界(Out of the woad)，以及其他多種提案。結(jié)果，Moving Worlds以70％選票贏得了絕對(duì)多數(shù)。1996年3月，VGA(、VRML．設(shè)計(jì)小組)決定將這個(gè)方案改造成為VRML 2．0。

1996年8月，VRML2．0在新奧爾良(New Orleans)的SIGGRAPH96會(huì)議上公布。

1998年發(fā)表中文國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2002年8月，升級(jí)版本X3D通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2．3、VRML的應(yīng)用框架

圖1是目前VRML應(yīng)用的一般框架，潛在的應(yīng)用正在不斷地發(fā)展當(dāng)中。

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2．4VRML的構(gòu)造

一個(gè)VRML文件包括了一些主要的功能部件：代寫(xiě)論文文件頭，場(chǎng)景圖，原型和事件路由等，通過(guò)瀏覽器對(duì)VRML進(jìn)行處理以聲音和圖象的形式展現(xiàn)出來(lái)，并且用戶可以與場(chǎng)景進(jìn)行交互。

(1)文件頭為方便識(shí)別VRML文件，每個(gè)VRML文件的開(kāi)始都采用以下形式：

#VRML2．0<ercoding type>[optional comment]<line terminator>

(2)場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)

VRML文件用層次化的場(chǎng)景圖來(lái)描述三維對(duì)象和世界，在場(chǎng)景圖中的實(shí)體稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，VRML定義了54種不同的結(jié)點(diǎn)類(lèi)型，其中包括幾何元素體及對(duì)外表特性、聲音及聲音特性，以及不同類(lèi)型的群節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在域中存放它們的數(shù)據(jù)，VRML定義了20種類(lèi)型的域，這些域可以用來(lái)存放從單個(gè)數(shù)據(jù)到三維旋轉(zhuǎn)矩陣。

VRML場(chǎng)景圖是一種單向圖，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以包含其他節(jié)點(diǎn)(一些類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)可能“子”節(jié)點(diǎn))，也可以被一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)所包含(它們可以有一個(gè)以上的“父”節(jié)點(diǎn))，但是一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能包含自己。這樣的場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)可以容納由一些子模塊構(gòu)造大的或復(fù)雜的三維世界。

(3)事件結(jié)構(gòu)

VRML定義了事件或消息傳送機(jī)制，通過(guò)這些機(jī)制，場(chǎng)景圖中的節(jié)點(diǎn)可以相互通訊。每一節(jié)點(diǎn)定義了時(shí)間的名稱(chēng)和類(lèi)型，這些事件是該類(lèi)型節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生和經(jīng)受的。ROUTE語(yǔ)句定義了事件產(chǎn)生器和接收器之間的事件路徑。

(4)感知器

感知器是VRML基本的用戶交互和動(dòng)畫(huà)元素。當(dāng)時(shí)間流逝時(shí)，T#39;lmeSemor節(jié)點(diǎn)就產(chǎn)生了事件，T#39;rmeSemor是所有動(dòng)畫(huà)行為基礎(chǔ)。其他感知器是所有用戶交互的基礎(chǔ)，當(dāng)觀看者在三維世界中移動(dòng)或當(dāng)用戶使用一些輸入設(shè)備進(jìn)行交互操作時(shí)，這些感知器就產(chǎn)生了事件。感知器只產(chǎn)生事件，它們必須通過(guò)ROUTE語(yǔ)句同其它節(jié)點(diǎn)一起使用才能在場(chǎng)景中產(chǎn)生可見(jiàn)的效果。

(5)腳本和插值器

可以在事件產(chǎn)生器和事件接收器之間插入腳本節(jié)點(diǎn)。腳本節(jié)點(diǎn)允許VRML編輯器用任何說(shuō)明支持的腳本語(yǔ)言定義任意的行為。VRML2．0定義了可以用Java和JavaScript以及E(MAScript語(yǔ)言裝的腳本節(jié)點(diǎn)。插值器節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是完成簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)計(jì)算的內(nèi)置語(yǔ)言。它們通常和Tune．Sesmor以及場(chǎng)景圖中其它的節(jié)點(diǎn)一起使對(duì)象移動(dòng)。

(6)原型：封裝和重用

VRML2．0包括一種原型機(jī)制，可以對(duì)場(chǎng)景圖進(jìn)行封裝和重用。幾何、特性、動(dòng)畫(huà)和行為都可以分開(kāi)或一起封裝。原型機(jī)制允許以現(xiàn)存節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的混合形式定義新的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，這一機(jī)制使VRML更容易使用并且減少了VRML文件的大小。

(7)分布式場(chǎng)景

VRML2．0有兩種方法使一處定義的VRML世界分布于WWW網(wǎng)上。其中In-Line節(jié)點(diǎn)允許包含存儲(chǔ)在Web上的任何VRML文件，EX#39;IERNIPROTO語(yǔ)句可以由WWW網(wǎng)上任何地方來(lái)定義新的節(jié)點(diǎn)。更一般的情況是，EXTERNPROTO語(yǔ)句使節(jié)點(diǎn)在VRML文件皮外定義，這也是VRML基本的可擴(kuò)展機(jī)制。

(8)顯示和交互

VRML文件的解釋?zhuān)瑘?zhí)行和顯示一般由瀏覽器來(lái)完成，瀏覽器將展現(xiàn)場(chǎng)景圖中的形狀和聲音，即所謂的“虛擬世界”，用戶可以在其中漫游，這一虛擬世界的顯示根據(jù)視點(diǎn)的變化而不同。瀏覽器提一些漫游方法(如步行或飛行)使用戶在虛擬世界中移動(dòng)視點(diǎn)的位置)。

除支持漫游外，瀏覽器還允許用戶通過(guò)場(chǎng)景圖層次中的感知器節(jié)點(diǎn)與虛擬世界進(jìn)行交互。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備還比較昂貴，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚未能普及。但是，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善以及硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低，我們相信。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最終會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種全新的人——機(jī)接口技術(shù)，必須研究用戶和計(jì)算機(jī)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系問(wèn)題，這樣一個(gè)問(wèn)題只有通過(guò)大量的使用才能逐步解決，VRML以因特網(wǎng)作為應(yīng)用平臺(tái)，最有希望成為構(gòu)筑虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的基本構(gòu)架。VRML在電子商務(wù)、教育、工程技術(shù)、建筑、娛樂(lè)、藝術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將會(huì)促使它迅速發(fā)展，并成構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

VRML將創(chuàng)造一種融多媒體、三維圖形、網(wǎng)絡(luò)通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)為一體的新型媒體，兼具先進(jìn)性和普及性，是關(guān)心三維圖形、多媒體、新一代網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人士應(yīng)密切注意的。

參考文獻(xiàn)：

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[3] VRML Architecture Group (VGA)。http：//vag．vnn1．org．

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