虚拟现实知识

虚拟现实系统按其功能高低大体分为4类:

一是桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR。它主要在台式计算机上实现,所以成本低,

功能也最简单,主要用于CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。

二是沉浸虚拟现实系统,如各种用途的体验器,使人有身临其境的感觉,各种培训、演示

以及高级游戏等用途均可用这种系统。

三是分布式虚拟现实系统,它在因特网环境下,充分利用分布于各地的资源,协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是沉浸虚拟现实系统的发展,也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统,通过因特网连接起来,共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统

NPSNET以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。

四是增强现实或混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统,既可减少构成复杂真实环境的开销,又可对实际物体进行操作,真正达到了亦真亦幻的境界,是

今后的发展方向之一。

虚拟现实的主要特征和关键技术

总的来说,虚拟现实具备以下主要特征:

(1)投入性

投入性是虚拟现实最主要的技术特征。要让用户觉得自己是虚拟环境中的一部分,而不是旁观者,力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的状态,有身临其境的感觉,即所谓的“沉浸感”。正是这种“沉浸感”特性使虚拟现实与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同,用户可以暂时与现实环境隔离,沉浸于数据空间、从数据空间向外观察,以更自然、更直接的方式与数据交互,从而能真实地注视数据。理想的虚

拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化) ,甚

至超越真实,如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。

(2)交互性

交互性是人机和谐的关键因素。指用户通过使用专用设备,用人类的自然技能实现对模拟环境的考察和操作的程度,即用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度(包括时实性) 。虚拟场景中,对象应正确地

模拟物理、化学等自然界应遵守的定理。

(3)构想性

虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口,用户还可以沉浸在多维信息空间中,依靠自己的感知和认知能力全方位地从环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,产生新的构想。若将构想结果再次输入到系统中,处理结果可实时显示或由感受装置反馈给用户,如此反复,形成一个学习—创造—再学习—再创造的过程,因而,虚拟现实能启发人的创造性思维。伴随网络技术的发展,或许今后通过虚拟现实技术学习的可以是一台机器,它具有极强的数据处理能力及认知能力,通过对虚拟现实环境的访问,将获取的知识加入自己的知识

库,并控制下一步动作。

虚拟现实是多种技术的综合

其关键技术包括以下几个方面:

(1)动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型,以求有真实感。三维数据的获取可以采用CAD 技术(有规则的环境) ,而更多的环境则需要采用非

接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

(2)实时三维图形系统和虚拟现实交互技术

利用实时三维图形系统,可以生成有逼真感的图形,图像具有三维全彩色、明暗、纹理和阴影等特征。虚拟现实是一种交互式和先进的计算机显示技术,双向对话是它的一种重要

工作方式,为虚拟环境提供了一种新的人机接口。

(3)传感器技术

虚拟现实的交互能力,例如,显示以及拾取技术,均依赖于传感器技术的发展。而现有的传感器的精度还远远不能满足系统的需要。例如,数据手套的专用传感器就存在工作频带窄、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺陷,因而寻找和制作新型、高质量的传感器变成

了该领域的首要问题。

(4)开发和系统集成技术工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的,必须研究虚拟现实的开发工具。例如,虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技

术等。

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识

别和合成技术等等。

数据手套

2. 1 数据手套实现的一般基理

数据手套是虚拟现实系统的重要组成部分,是一种通用的人机接口,其直接目的在于实时获取人手的动作姿态,以便在虚拟环境中再现人手动作,达到理想的人机交互目的。

数据手套实现的关键在于手掌、手指及手腕的各个有效部位的弯曲、外展等测量以及在此基础上的姿态的反演。完成反演主要取决于人体手部姿态的建模,最根本的就是,确定

传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系。

对一个具体的数据手套应用过程,可设由手部各弯角组成的向量f = ( f1 , f2 , ?, fn )与对应传感器示数组成的向量d = ( d1 , d2 , ?, dn ) 。显然f和d之间存在着强耦合的映射关系。数据手套的实现即是根据示数向量d, 找出原映射关系的逆映射,从而反演出

手部各部位的姿态。

手部软组织的存在,是人手和机械手区别的主要差异,使得人手无法和普通的刚性杆铰

链相比,这就加大了问题求解的复杂性。手部某一关节的运动,不仅会作用于对应的传感器的示数发生变化,而且通过软组织的相互作用,使其他的传感器示数也发生变化。如果要求

保证一定的精度,必须对求得的逆映射进行解耦计算。

由于数据手套的传感器数目较多,而且响应的标定和解耦计算十分复杂,进行实时处理

时困难较大,因此,目前数据手套的发展与应用只是处于初级阶段,还不十分成熟。

目前各种数据手套的比较

国内外许多研究单位和公司在数据手套的研制开发方面做了大量的工作,并推出了一些采用不同传感器的数据手套产品,得到较成功的应用。下面分析几个主要产品的各项性能

指标。

(1) Dataglove (已注册商标)是VPL 公司于20世纪90年代推出的最早的数据手套,

以模型4(根据手套模型的自由度区分手套型号)为例说明:

手套本体材料:氯丁二烯橡胶布。

传感器:专利技术“光纤弯曲传感器”。

自由度(DOF) :手指关节的弯曲和外展、大拇指的复杂动作。

空间定位:根据应用场合可选择三维空间的单独跟踪、快速跟踪或其他跟踪系统。

测量精度: < 5°。

最大采样频率: 160 Hz。

接口: RS232,最高波特率115. 2 kbp s。

应用情况:被设计适用于VR的医学应用,能作为功能评估、击打损伤恢复、生物工程、

运动生理等输入设备。

评价:专利传感器技术,结构紧凑,佩戴舒适,轻便易用;采用桌面控制模块,能同时支持系4副手套;但是容易受用户手尺大小影响,应用过程中需要重新校正(防止手套与手指之间滑动带来的误差) ,另外光纤的疲劳问题(光纤使用时间过长导致精度下降或折断)也值得注

意。

(2) Cyberglove是Virtual Technologies公司于1991年推出的。

手套本体材料:弹性纤维,可拉伸,尺寸固定。

传感器:专利技术“压电传感器”。

自由度(DOF) :手指关节的弯曲和外展、大拇指、手掌弯曲、手腕的弯曲和外展。

空间定位:手腕处可安装六自由度跟踪器。

测量精度: 0. 5°。

最大采样频率: 112 Hz。

接口: RS232,最高波特率115. 2 kbp s。

应用情况:可用于是虚拟现实、遥控机器人、医学、CAD、手语识别、视频游戏、音乐

生成、手功能分析等。

评价:质地很轻,佩戴舒适,手掌处成网状易于通风,指尖露出,便于用户抓取、写字等;专利“压电传感器”具有良好的线性和强健性,体型细小、柔软,对弯曲基本无阻力,受安装位置和手指的弯曲曲率半径影响很小,保证传感器准确可重复地测量手部运动,并对所有用

户校正标准一致。

(3) Dataglove是5DT公司于1995年推出的数据手套系列(以5DTDataglove5为例) 。

手套本体材料:弹性纤维,手套尺寸固定,适用面广,分左右手。

传感器:光纤传感器。

自由度(DOF) : 5个手指的弯曲传感器、手掌的倾斜和转动。

空间定位:无,可通过增加三维跟踪器来实现。

虚拟现实在旅游景区中的运用

虚拟现实是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境———虚拟环境，可以真实地模拟现实世界可以实现的（甚至是不可实现的）物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作、实践，与虚拟的环境交互作用。

传统的景区提供给旅游者的只能是实在的地理位置或活动范围，而虚拟现实系统通过想象还能够提供给旅游者一个实际生活中不存在的环境，也就是只要是想到的都可能实现，扩大了旅游产品的内涵和开发范围。

虚拟现实技术在近几年发展迅速，并且逐步走向成熟，开发成本也不断下降，这为景区运用虚拟现实提供了技术上和成本上的保证。就拿虚拟海洋水族馆来说，基本装置的开发成本已从以往约500万元减至30万元人民币，在效果方面也可以得到保证，甚至更好。结合近年来我国旅游业利用外资和社会资金的热点向景区建设过渡，说明将虚拟现实引入到景区的建设中来是可能的。

产品创新

使用虚拟现实的“虚拟主题公园”正在不断发展。这种新型的虚拟主题公园不但占地面积小，建设成本低，而且可以建在人口密集区域，并可立即吸引新的市场。有关专家预测，下个10年虚拟主题公园的扩张不可避免。我国在这方面已有所尝试。

世界上第一个以宇航探索为主题的“太空游”主题乐园于2004年4月12日亮相北京。该“太空游”主题乐园利用当今最先进的科技和仿真手段，将宇航知识与太空真实体验融为一体展现给人们，它是虚拟主题乐园的典型代表。可以预见这种新的虚拟现实景区将成为旅游业新的兴奋点和助推器。 景区规划

将虚拟现实引入到景区规划中来，起源于虚拟现实在建筑设计中的应用。建筑设计者用CAD(计算机辅助设计)工具对建筑物进行设计和建模，然后将产生的数据库变换成一个虚拟现实系统。客户可以通过虚拟现实系统的人机对话工具进入该建筑物的虚拟模型，在虚拟漫游的过程中针对不足之处提出修改意见。

在这种思路的启发下，景区规划也可以应用虚拟现实系统。规划可以通过虚拟现实创造出所开发景区的真实“三维画面”，以便从游客的角度审视未来的景区，确保景区美学意义上的和谐和运营运作上的顺利。如拟建中的景区如何吸引人们的视线、商业网点布置在哪里最佳、污染企业置于何处对景区影响最小等等。借助虚拟现实技术无需规划方案的真正实施，就能先期检验该规划方案的实施效果，并可以反复修改以确定最终方案的制定和施行。 网络营销

真正的虚拟旅游网站要达到销售的目的，必须尽可能地为旅游者提供精确、详细、真实的信息，吸引潜在旅游者的注意力。首先是空间信息的提供。电子地图是景区规划的必须，而电子地图的核心技术就是虚拟现实(还有地理信息系统、多媒体技术等)。其次是解决实际景观向虚拟空间移植和再现。可以充分利用数字地球和数字城市的成果，通过特定的计算机语言程序就可完成全景图像的网络漫游，使用户能以真实的感觉“进入”地图观赏美景，“沉浸”于美景之中。例如故宫虚拟旅游。从市场营销的角度来看，这使景区相关信息的受众大大扩展了，同时也革新了景区的促销和销售手段。

从原先的静态信息提供发展到动态的“沉浸式”漫游的提供，这种优势是旅游小册子或VCD光盘所力所不能及的。通过这种交互式的体验还可以加深旅游者对于景区的印象，消除旅游消费中可能存在的不确定性因素，使游览者在游览之前对于景区的质量和花费有明确的价值认知。

景区保护

将虚拟现实技术引入到景区保护领域中来，首先是着眼于一些经典热门的景区的保护。虚拟现实可以缓解这些景区经济效益与遗产保护的矛盾。

目前，敦煌研究院已决定使用虚拟现实系统，通过对莫高窟历史和现状的介绍以及虚拟漫游莫高窟的手段，将“虚拟敦煌”呈现给游客，让游客在进洞前对其有个全方位的了解，巧妙地避免了游客在洞中逗留时间过长的问题。

另外，虚拟现实系统还涉及对于已经消失或者即将出现的旅游资源进行保护和开发。例如在三峡工程竣工之后，通过虚拟现实技术使得原有雄壮美丽的三峡自然、人文景观得以再现，使后人能够重新游览这一奇异的旅游景观。

对于帝王陵寝保护和开发一直存在争论，但作为一种神秘的旅游资源自然会激起人们旅游的欲望。可以考虑通过虚拟现实将该类资源的探测结果，如整个葬墓的布局、结构等虚拟下来，经过虚拟开发(景点作为开发蓝本)，将该类型潜在的景区转变为现实的旅游景区。而开发后所获取的经济利益又可以用于支持保护，从而争取开发和保护双赢的效果。

虚拟现实技术在城市设计中的应用

计算机信息技术的发展在城市规划、建筑设计、空间环境设计领域带来了不断深入的技术革命。首先是CAD技术使绘图自动化得以普及，随后，三维效果图与动画在详细规划和建筑设计中得到推广应用。最近几年，地理信息系统（GIS）与虚拟现实（VR）技术在城市规划和城市设计中发展起来。

1 城市设计的主要内容及其对计算机图形图像技术的要求

城市设计简要地说就是为人们设计聚居地的一种艺术，它是城市规划的重要组成部分。城市设计所关心的是建筑实体的视觉效果；人与场所的连接性；活动空间与舒适环境的创造；整个城市景观改善的进程。城市设计要为建筑物实体及其空间布局，为建筑形式构图及其与周围空间的三维关系，为获得美学与社会质量成就进行视景布置建立整体框架。

1.1城市设计内容的层次性。城市设计的基本内容分为宏观、中观、微观三个层次。

宏观层次：城镇分布与城市形象。城市设计的宏观层次包括在一定区域内的城镇分布；城乡一体化规划与景观设计；城市的格局与形态、功能组团、环境保护、基础设施、分区特色与舒适的环境、城市出入口、土地利用与活动场所等。城市设计的宏观层次内容与城镇体系规划相辅相成，不过城市设计更注重于城市的关键性特征与自然景观的构成；注重城市开发建设对自然景观、文化或社会经济资源的物质的和视觉质量的直接和间接影响。在对宏观层次的城市设计进行评价时，创造高质量的城市环境和优美的城乡视野成为重要准则。包括对自然山水景观的组织与利用，视觉特征物的适宜性和可视性，整体高度轮廓和体量的协调性，与传统景观的协调性等等。为应用ArcGIS对炎陵县的自然地理、人口分布、交通条件等进行综合分析作出的城镇布局。为应用ArcGIS对炎陵县重点发展地区的用地空间发展所作的规划。规划在宏观上充分考虑了炎陵县作为人文与生态旅游县的自然环境特色。

中观层次：建筑物与空间。中观层次城市设计内容包括用地布局、建筑设计、交叉口与广场、街道和路网格局、视线走廊、连接度与整体性、体量与高度、地标物、开敞空间和公

园、人行道与步行系统的连接等等内容。中观层次城市设计内容与城市总体或分区规划相辅相成，不过城市设计主要关注开发建设对自然景观的物质和视觉质量的直接和间接影响；人工建造物的适宜性和视角的关系；对光和空气的穿透性影响；与步行道格局的协调性；与城市整体立面轮廓和体量的协调性；与地方传统的协调和对周围环境的影响等等。图3为应用ArcGIS对炎陵县城现状所作的全景鸟瞰。

微观层次：使用者环境。微观层次的城市设计内容包括建筑物的人的尺度、街道陈设、材质颜色和纹理、过渡的处理、广告和标志、街道景观等。微观层次的城市设计与详细规划设计相辅相成。在对微观层次城市设计进行评价时，自然方面主要关注功能上的适宜性。人造方面关注街道结构和功能的适宜性，创造好的步行环境，人的尺度和生活质量的提高，空间的创造等。图4为某中学新校园的大门，通过三维建模贴图生成。

1.2城市设计对信息技术的要求

从城市设计各层次的内容及评价原则来看，人与自然环境的协调，恰当的空间组织，悦目的视觉效果均是共同的追求。以往城市规划和建筑设计由于受到技术手段的限制，规划师和建筑师主要是通过二维图形加空间想象来构思和评价设计方案，仅在进行建筑单体设计或很小的群体设计中才应用三维效果图，或固定路径的动画来模拟建成后的空间关系和视觉效果。众所周知，传统的效果渲染需要耗费大量时间和占用大量计算机内存。因此多方案的交互式设计和实时动画根本不可能进行。

城市设计计算机视景仿真需要解决几个方面的问题。其一，处理数字高程模型，生成并修改三维地形，进行坡度、坡向、高程、填挖、淹没、视线视域分析。其二，进行建筑密度、容积率、可达性、缓冲、选址可行性分析，用以评价社会经济与环境效果。以上两项是GIS的典型功能。其三，大面积多单体的快速三维建模，包括建筑物、构筑物、城市家俱、广告牌、树木、车辆、人物等。一般GIS只有二维拉伸功能，称为2.5维，不是真三维。而流行的3Dmax三维建模不胜任大量对象建模与实时浏览任务。其四，实时虚拟。要能快速地重绘画面，包括对场景对象、天光背景、动画路径、视点视角等的改变均能立即作出反应。从理论上说，以上四大问题可以在一个GIS平台或统一的VR系统中得到解决，不过目前这种平台还处在研发之中，但是我们可以借助GIS与VR综合集成来解决问题。

2一种基于GIS与VR的城市设计技术方案

2.1虚拟现实系统集成。无论是GIS还是VR，当前国内外均有多种商业软件可供选用。美国ESRI的ArcGIS是世界上最先进的地理信息系统，不过它的三维建模功能不强，且没有实时虚拟动画的功能。美国Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是当前虚拟现实的旗舰软件，其强大的三维建模工具Creator和虚拟仿真引擎Vega有机结合能很好地满足虚拟城市实时动画要求，不过它不具备空间分析的功能。其它的GIS与VR软件大体也是如此。所幸的是，我们已经有了一个综合两个方面的优势来解决城市设计技术问题的方案。这就是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司开发了一个ArcGIS扩展模块SiteBiulder，该模块使得ArcGIS具备了实时动画功能并且能接受Multigen的三维模型。于是我们就有了一个基于GIS与VR的应用于城市设计的虚拟现实系统.

2.2系统应用步骤。该系统的完整的应用包括场景的规划设计、单体的建筑设计、三维

建模并贴图、实时虚拟动画几部分内容

2.2.1城市规划设计。无论是新城区的开发还是老城区的改建均要先确定规划设计目标，提出社会、经济、环境方面的要求。根据要求，进行自然条件、建设条件等一系列的基础分析。在分析基础上完成土地利用、道路交通、建筑布局、竖向规划、工程设施等规划设计方案。值得注意的是，以往规划设计仅用CAD进行辅助设计。本系统强调应用ArcGIS技术辅助规划设计，原因有两个方面。其一，CAD不具备所要求的空间分析功能；其二，只有ArcGIS主题及主题中的特征(对象)才能被引入到SiteBiulder中进行实时动画。图5为应用ArcGIS制作的湖南城市学院新校区地势图，图6为新校园的一个规划模型。

2.2.2建筑设计。在规划布局的基础上，进行建筑设计方案。各单体设计成果仍以平、立、剖面图为主。为配合下阶段的Creator三维建模和纹理贴图，建筑师绘制的单体立面效果图很有用处。整幅有阴影的彩色立面图可以代替多块片的烦琐贴图，在三维场景中具有相当的立体效果。如有必要，某些单体可设计出多个，供虚拟替代方案优化所用。

2.2.3组织ArcGIS主题。在SiteBiulder三维场景中，各虚拟对象是以ArcGIS主题来组织并引入的。进入三维场景的主要是三维地形、道路、建筑、树木、铺地和草地。主题中的特征并不要表现对象的具体几何形状，而只要确定各对象的具体位置。例如用点主题表示建筑布局，每栋建筑物仅需要一个点来表示，每个点代表的建筑物的模型被存放在数据库中，完全相同的建筑物如住宅只须保存一个实例就行了。只要建立起点对象与建筑实例的关联，则不同的建筑物模型都会被引入场景中。

2.2.4创建三维模型。本虚拟系统采用MultiGen公司的Creator作为三维场景建模工具，它的Open-Flight采用树状层次结构来组织管理场景数据。城市设计所涉及的场地中的模型包括天空、地面、单体建筑、构造物、树木、街道陈设物、广告牌等等，建模工作量巨大。因此在建立模型之前，应根据场景中每个实体的几何空间位置以及模型内部与模型之间的相互关系，确定虚拟场景中所有单体模型的层次归属，以有利于模型的修改、调用。三维模型并非越细越好。我们要在几何真实与纹理真实之间取得某种协调。适当地划分几何面和准备适当分辨率的图片是建筑虚拟的关键。

2.3.5创建虚拟动画场景。起动ArcGIS及其扩展模块SiteBiulder，将模型库中的各模型实例与主题中的各特征建立起联系，各虚拟对象将依各自的空间位置呈现在三维场景中。SiteBiul-der有一套自己的菜单和工具，完成实时动画。

3新建校园虚拟现实应用实例

某中学新建校园临城市主次干道之一角，虚拟现实系统是在规划方案和单体设计基础上进行的。首先，应用ArcGIS根据等高线建立原始地形的数字高程模型(DEM)在充分结合地形、减少填挖量的原则下进行多方案的竖向规划设计，为建筑基地和运动场地准备合适高程的台地。随后，应用Creator建立各虚拟对象的三维模型，从而建立起模型库，层次结构.

校园设计虚拟动画场景由SiteBiulder实现。由于在模型库中储存有多种建筑单体，树木模型等等，在ArcGIS视图中准备了多种布局方案的主题，因此虚拟校园场景有多种方案，更换一种方案仅几分钟时间，其交互性远非传统三维动画效果可比。校园虚拟现实系统为确

定最终的设计方案和施工设计提供了从定性到定量的可视化依据。

虚拟现实技术在远程教学中的应用

教育应用

与传统的远程教育相比虚拟现实技术虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境。它主要具体应用在以下几个方面：

一、科技研究

当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。

二、虚拟学习环境

虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。

三、虚拟实验

利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势。这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。

四、虚拟仿真校园

教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：

----二、场景图（SceneGraph）

----场景图由节点按一定的层次关系组成，它用于构造虚拟世界的主体——各种静态和动态对象。

----在场景图层次模型中，上下层节点之间存在两种关系：包容关系和父子关系。

----节点的包容关系是指后代节点作为祖先节点的一个属性域而存在，如Appearance节点，它只能用于Shape节点的appearance域中，参见下文例3。

----而在父子关系中，子节点并不直接出现在父节点的属性域中，它们集中在父节点的MFNode类型的子域内，依次排列。父节点必须由群节点担任，VRML97的群节点有8个：Anchor、Billboard、Collision、Group、Inline、LOD、Switch、Transform。（未完待续）

表1第二代WWW与第一代WWW的几个区别比较项目第一代WWW第二代WWW 冲浪方式Web页面虚拟世界

通信和交往电子邮件或文字交谈可含各种表情的语言或文字交谈 共享资源文档文档、音频、视频、3D空间 时间相关性无关相关

MUD游戏文字角色扮演游戏真人三维立体游戏

表2域和事件的数据类型

单值型名称多值型名称基类型说明

SFBoolMFBool逻辑型值只有2个：TRUE和FALSE。

SFFloatMFFloat浮点数每个数据成员都是一个浮点数。

SFInt32MFInt3232位整数每个数据成员都是一个32位的整数，该整数可以使用十进制或十六进制表示，使用十六进制时应在数字前加0x，如：0xFF00。

SFStringMFString字符串每个数据成员都是一个utf8字符串，定义时应使用双引号（\）包围字符串。

SFVec2fMFVec2f2D向量每个数据成员都是一个2D向量，2D向量用一对浮点数表示。 SFVec3fMFVec3f3D向量每个数据成员都是一个3D向量，3D向量用3个浮点数表示。 SFTimeMFTime浮点数每个数据成员都是一个表示时间的浮点数，该值等于从1970年1月1日0:00到此刻的秒数。

SFRotationMFRotation每个数据成员都由4个浮点数所组成：3个限定旋转轴的x、y、z坐标和1个旋转角度。

SFNodeMFNode节点每个数据成员都是一个节点。

SFColorMFColor每个数据成员都是一种颜色，颜色由3个分别表示红、绿、兰的0~1间的浮点数所组成，如：001表示蓝色。

SFImage定义二维像素图像。它由三部分组成：(1)最前面两组整数，分别表示二维图像的宽度和高度，单位是像素（pixel）；(2)接着的一个整数描述像素的性质：1表示灰度，2表示灰度透明，3表示RGB彩色，4表示RGB彩色透明；(3)最后是若干组十六进制或十进制的

整数，分别描述每个像素的颜色、强度和透明度。

----注释

----1严格地说，第二代WWW还不是一个完全的VR系统，但它已经具有了VR系统的基本特征，并且正随着虚拟技术的发展而迅速地成熟起来，所以本文姑且称之为VR系统。

----2超媒体是多媒体技术与超文本结合的结果。在超文本系统中，将节点拓展为多媒体演播单元就成为超媒体系统。超媒体系统与超文本系统的最大区别是其时间特性：超文本系统具有时间无关性，它的链、锚的特性都是时间无关的；而超媒体系统是时间相关的，它的音频、动态图像节点都具有时间相关性。 谈虚拟仿真技术的发展及其应用

虚拟仿真技术（Virtual Reality），又称灵境技术。这种技术的特点在于，通过计算机图形构成的三维数字模型，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，这就是虚拟仿真技术的浸没感（Immersion）或临场参与感。虚拟仿真与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画不同，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。

另外，虚拟仿真不仅是一个演示媒体，还是一个设计工具。它可以把设计者的构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。这是 VR所具有的第三类特征，即想象性（Imagination）。

因此，虚拟仿真技术在许多不同领域的应用，可以大大提高项目规划设计的质量，降低成本与风险，加快项目实施进度，加强各相关部门对于项目的认知、了解和管理，从而为用户带来巨大的经济效益。

国内知名的虚拟仿真、环幕投影、互动投影技术商——睿联嘉业公司采用的是Super-VRP（简称S-VRP）系统，它是基于第一代VRP而开发的第二代的虚拟现实展示系统，它把第一代虚拟现实的展示水平由动画级别提高到了电影级别，从而上升到了一个全新的高度。

Super-VRP，比第一代动画级的VRP更有视觉冲击力，也更接近影视效果。为景观仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业中需要电影效果的用户所喜爱。

虚拟现实技术及其特点与类型

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性实用信息技术，它融合数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感与测量技术、仿真与人工智能等多学科于一体，为人们建立起一种逼真的虚拟的交互式的三维空间环境，并能对人的活动或操作做出实时准确的响应，使人仿佛置身于现实世界之中。虽然这种虚拟境界是由计算机生成的，但它又是现实世界的真实反映，故称为虚拟现实。它所生成的视觉环境是三维的、音效是立体的、人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将为接受培训的员工创造出一种流连忘返的学习和工作

环境。

一般的虚拟现实系统主要包括计算机系统、头盔、数据手套、六自由度鼠标、操纵杆和传感器等装置。

虚拟现实技术具有“3I”特点:

1) 强烈的“身临其境”沉浸感(Immersion)

2) 友好亲切的人机交互性(Interactivity)

3) 发人想象的刺激性(Imagination)

其中交互性主要是指参与者通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作程度；沉浸感，即投入感，力图使员工在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉；想象性是指最大限度发挥人类的创造性和想象力。

虚拟现实技术，从不同的角度有不同的分类方法，如从虚拟现实构建情景的合理性可分为合理的虚拟现实、夸张的虚拟现实和虚构的虚拟现实三种。根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，从技术高低程度来分又可分为桌面式虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式(又称共享式)虚拟现实四种形式：桌面式虚拟现实有结构简单、价格低廉，易于普及推广等特点，但缺少完全的沉浸感，操作者会受环境干扰，如QTVR(QuickTimeVR)等。沉浸型虚拟现实沉浸感非常强，但系统设备价格昂贵，难以普及推广，常见的如远程存在系统。增强现实性的虚拟现实不仅模拟、仿真现实世界，而且增强参与者对现实中无法感知或不方便的感受。分布式虚拟现实系统是利用远程网络，多个用户对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同学习、工作及相互交流的目的，典型的是SIMNET(SimulatorNetworking)。 EON技术介绍 EON技术及软件特点

1、EON是一种运用3D虚拟现实技术整合研发与行销管理的科技。该技术是由全球领先的互动视觉内容管理软件供货商美国EON Reality公司开发的。

2、EON的产品具有高层次的互动性、仿真真实性、绘图质素及优化的整合数据交换能力，符合现在标准个人计算机和互联网的高性能表现。

3、EON技术和VRML技术在制作结构上极其相似，但是EON延伸扩充功能强大。是一个在海外呼声很高的VR制作软件，常用于医疗、教育等行业和制作产品的虚拟演示，也用来开发游戏。

4、EON是目前全世界公认整合性、延展性最好的虚拟现实开发展示系统，它可以读取55种CAD格式，支持99％以上的外设而无需编程，同时支持多种立体显示方式（如：桌面型－ArtificalⅠ、单墙及双墙－Icatcher、洞穴型－Concave、环幕型－Icube等等）。

5、2004年EON被Kiosk Magzine评为最具创新产品。并在2006年获得微软公司名为“TouchLight’’的3D图像技术许可。现在EON已经与全球500强中的许多企业进行了合作，如：波音（飞机内部设计）、诺基亚（通讯产品展示）、西门子（医疗设备产品发布）、铃木（汽车销售）、惠而浦（家电设计及展示）等等，并与几百家院校和研究机构建立了合

作关系。

软件特点：

EON集娱乐、教育、训练、医学、设计、商业、军事、艺术等为一体，功能全面，整合性强，是使用者快速简单的将生产研发与行销整合的专业虚拟现实软件。 EON软件家族包括：EON Studio, EON Professional, EON Icube, EON Turbo, EON Pluh-ins,EON Sever, EON SDK.

EON软件家族具备如下的三大特点：

整合性强：

? 1、可与其它软件相容，例如多媒体工具，研发工具，web浏览器等等。 ? 2、可放入多种3D格式档案。

? 3、支技洞穴型、融入型与桌上型模拟展示系统，呈现丰富的互动效果。 ? 4、可多人同时使用。 ? 5、制作模拟程式时可应用EON标准原型资料库中已存在的功能节点组合，不需重复制作。让建构过程更加简单与快捷。

模拟品质佳： ? 1、EON家族软件可以提供逼真的视觉效果，例如：环境贴图，明暗度，倒 影，阴影等等。

? 2、可快速从网络上下载动态EON模拟档案，物件分批出现，可即时阅览，就算是庞大的3D档案也可应付自如。

实用性强： ? 1、从网络到立体多媒体工具都可使用。 ? 2、当荧屏在静止状态时，可用反钜齿功能或其它方法修改图片，让物件表面更平滑。

? 3、不需ActiveX管理网络上发布的内容。 ? 4、档案可压缩得更小。

? 5、支技OpenGL以及Direct3D。 ? 6、EONXtra 外挂程式支持Macromedia Director和Shockwave。 ? 7、具有指导员节点，可在教育训练时应用。

? 8、全屏幕显示模式。 ? 9、提供多层次精细度节点，可设计不同polygon的物件，任何观测的距离都可看见平滑的物体表面。

虚拟现实(VR)与数据手套的研究

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是近年来最热门的研究领域之一，有着巨大的发

展潜力和广泛的应用前景，受到各界、尤其是军方的青睐。

虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容

更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。

手是人与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。当人与计算机控制系统进行交互操作时,传统的输入输出接口设备,如键盘、鼠标等只能限制手在桌面上或一个小区域内进行简单的运动控制,而表达意识的大多数手的自然运动被牺牲了,妨碍了人们对系统控制意识表达的全面性与灵活性。数据手套可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位,使操作者自然而然地将自己的意识传送至计算机。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛

地应用于虚拟现实的研究领域中。

本文分析了几种不同的数据手套性能,并进一步阐述作者在数据手套研制方面所做的

工作。

虚拟现实简介

1. 1 虚拟现实的基本构成及其分类

在虚拟的现实中,人们利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等多维输入输出设备通过传感器装置与计算机生成的三维虚拟环境交互作用,可获

得视觉、听觉、触觉等多种感知反馈,并按照自己的意愿去实时地改变虚拟环境。

虚拟现实系统构成模型如图1所示。

虚拟现实系统中包括人件(HumanWare) 、媒体件(MediaWare) 、数据件(DataWare)和

网络件(NetworkWare) 4部分。

人是虚拟现实系统的“核心”,人能与虚拟世界对话,体验虚拟世界的临境感,人的参

与使虚拟现实更为重要。

媒体件将从听觉、视觉和触觉得到的信息加以综合,并以和谐的形式进行反馈处理。

数据件和网络件是指在虚拟现实中需要进行双向会话和数据交流,必须依赖面向对象

的数据库和网络通讯等基础设施。

下载 (40.08 KB) 2009-4-10 09:07

基于虚拟现实的仿真技术和港口物流仿真是当前虚拟现实应用的热点：

它充分利用了计算机仿真技术和虚拟现实技术在国内外发展及应用情况的基础上,结合港口集装箱装卸系统的具体情况,分析了港口集装箱物流系统的功能和结构,建立了集装箱装卸系统,包括装卸桥、场桥、拖挂车等的三维模型、运动学模型等,开发了具有虚拟现

实特点的视景仿真系统,并实现了实时仿真及交互控制的功能。

虚拟现实技术在医学教育领域的应用

来源：虚拟时代

虚拟现实在医疗领域的应用主要有：虚拟手术，数字医院，医学模拟演示，实训模拟演示,实训教学演示,医院虚拟仿真系统，虚拟医学仿真，虚拟现实技术在医学手术仿真训练等。

1、虚拟现实技术在医学教育领域的应用-----也被称之为虚拟手术：

它的原理就是：

使用计算机技术（主要是计算机图形与虚拟现实系统）来模拟和指导医学手术所涉及的各种过程。在时间段上包括了术前、术中、术后；旨在实现手术教学、手术计划制定、

手术排练演习、手术技能训练、术后康复等模拟应用。

其实VR技术在医学中的应用是非常有前景的，学员在进行手术学学习的之前，可以通过VR制作的模拟手术系统进行预习，这样，在进行实际操作的时侯，有的放矢，教学效果相比预习文字描述的步骤要深刻的多，将大大减少失误造成的实验动物和标本的浪费。

比如，在学习诊断学时，心脏的心音听诊是个难点，这时可以让学员通过VR系统，在虚拟的病人身上，直接看到心脏内部的结构，将心音的录音，与心脏实际的工作过程相关联，使学员可以以三维的方式，从各个角度，观看心瓣膜工作状态与心音产生的关系，这

种学习的直观程度，即使在真实病人的身上，配合彩色超声也很难达。

2、虚拟现实技术在医学教育中应用的好处：

1)在这种模式下，课堂教学不在局限于有形的教室中，教学活动的空间和时间得到了无形扩展。“虚拟课堂”的实现为学生提供了可移动的电子教学场所，从而改善了教员和

学员的互动关系，更好的加深了学员对所学知识内容的认知和理解。

2)通过虚拟仿真三维软件技术建立的人体结构模型，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，在模型内部“漫游”让学生非常直观轻松的学习人体解剖结构。不仅调动

了学生的学习兴趣，而且将抽象的内容具体化、形象化，给学生留下深刻的记忆，也给教

员提供了方便，且大大提高了教学质量。

3)虚拟现实技术为教员、学生提供了一个无危险性、成本低的方式，以及与真实世界交互。学员操作模型元素，能改变模型的不同方位直观的学习。如在学习人体组肢结构时通过虚拟现实系统将学生直接带到人体内部了解人身体内部复杂的神经、血管各个组肢器官结构；在学习生物知识时，利用虚拟现实技术，向学生展示细胞分裂增值等复杂的生命活动，学习中计算机虚拟仿真技术与细胞结构结合。展示细胞的空间三维性，有机配合高

倍显微镜的拍摄图像，较完美的表现细胞的生长增值过程。

虚拟现实技术在水利电力方面

虚拟现实技术在水利电力方面的应用又被称之为：

电网－变电站一体化仿真 ，发电厂－变电站一体化仿真软件仿真，硬仿真（传统方式），

变电站数字物理混合仿真，电网－变电站一体化仿真，发电厂－变电站一体化仿真

虚拟现实在水利电力方面的应用：-----电网仿真培训

随着我国电网互联的加速和电力市场改革的深化,对电网仿真培训技术提出了新需求和新挑战,电网调度员培训仿真(DTS)系统将迎来新的发展机遇.在总结DTS系统新需求和新技术的基础上,对现代DTS系统的概念进行扩展,指出现代DTS系统具有广域化、集成化、

市场化、自动化和用户化等新特征。

电网调度仿真系统的主要功能：全过程仿真电力系统动态行为，可用于电力系统运行方式研究、安全稳定分析、事故重演和分析等。对运行人员进行正常操作、事故判断和处理、系统恢复的培训等；对运行人员的各种操作能力、事故判断和处理能力进行鉴定与考

核；对保护定值和自动装置定值进行校验

虚拟现实技术在建筑设计中的应用

来源：投影时代

1 前言

计算机技术用于建筑设计已有多年，计算机辅助设计（CAD） ，主要是帮助设计者把设计、计算、画图、数据存储和处理等繁重工作交给计算机完成，而设计者把主要精力用于创造性构思。计算机产生的设计结果，可通过图形设备向设计者展示，并可模拟，允许

设计者作出修改。虚拟现实（简称 VR） 技术能创造身临其境的感觉。

虚拟现实也称虚拟环境或虚拟真实环境，是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理，利用计算机生成的三维空间形象实现的目标合成技术，通过视、听、触觉，以图表及动画方式呈现，让观看者“眼见为明”。它改变了传统的计算机辅助设计被动静态的信息传递方式。它的特性包括： （1） 交互性（interactive） ； （2） 想像性（imagination） ； （3）沉浸性（immersion） .虚拟现实就建筑视觉模拟的可行性而言，应用领域可包括：建筑物模拟、室内设计模拟、城市景观模拟、施工过程模拟、物理环境模拟、防灾模拟、历史性建筑模拟等。在建筑设计中既要进行空间形象思维，又要考虑到以用户的感受为核心，是一连串的创新过程，包括规划、设计、建设施工、维护等。巨大的成本和不可逆的执行程序，不能出现过多的差错，虚拟现实是一种可以创造和体现虚拟世界的计算机系统，虚拟世界是整体虚拟环境或给定仿真的对象的全体，充分利用计算机辅助设计和虚拟现实，可减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术在建

筑设计中应用广泛。

2 展示建筑物的整个信息

现阶段的二维、三维的表达方式，只能传递建筑物部分属性的信息，并且只能提供单一尺度的建筑物信息，使用虚拟现实技术可展示一栋活生生的虚拟建筑物，使人产生身临其境之感，设计不仅仅是设计者的事，住户、管理部门都可起到辅助决策的作用。

3 远距离浏览

设计者设计的建筑物与工程单位可以相互沟通交流，通过万维网达到远距离浏览，也可以以计算机语言开发与虚拟现实造型语言整合，虚拟现实用于Internet 网中提高其普遍

性与实用性。

4 实时多方案比较

在建筑设计过程中，一般都会对设计的建筑物提出不同的设计方案，对未来建筑物的形象做多种设想，在虚拟的建筑三维空间中，可以实时地切换不同的方案，在同一个观察点或同一个观察序列中感受不同的建筑外观，这样，有助于比较不同的建筑方案的特点与不足，以便进一步进行决策。事实上，利用虚拟现实技术不但能够对不同方案进行比较，

而且可以对某个特定的局部作修改，并实时地与修改前的方案进行分析比较。

5 专用的人机接口交互

人机接口是使用者与计算机沟通的桥梁，它是代表使用者意图的转换及计算机程序的执行，良好的人机接口的建立，可减少使用者对系统的学习时间和增强系统的使用效率。

在虚拟现实技术建筑设计中，必须有特定的人机接口模式：

（1） 使用者模式。使用者直接进入虚拟现实中，进行观测与互动操作，以第一人称

的观测方式，进行虚拟现实的沉浸观察，隐藏的接口，只有在使用时才出现；

（2） 代理者模式。在虚拟现实中，常因沉浸环境与现实环境的感性差距，而造成空间迷失现象，以至于使用者无法掌握虚拟现实中的状态，以空间代理者的虚拟环境信息的

提供，以第一和第二人称的观察方式，进行虚拟环境中的观测；

（3） 监控模式。使用者以第三人称的方式，监控虚拟现实中所有的现实状态，并进

行虚拟物的监视与控制，而接口的产生与虚拟现实的种类并无绝对的关系；

（4） 浸入操作模式。将控制虚拟现实物的接口，置于虚拟现实中，以进行仿真式的

操作模拟，使用者以

第一人称的操作方式，对虚拟物进行控制。从系统整合的观点来分析建筑设计，系统

的接口连结不当，影响设计质量和施工程序。

虚拟现实系统基本上有两种：模型式和图像式。以模型式虚拟现实，以虚拟现实造型语言（简称VRML） 为主要描述语言，使得建筑设计可用计算机进行三维建模，利用效果图和三维施工图与资料库，并利用虚拟现实技术连结到资料库作为实时模拟操作。虚拟现实造型语言，可用来在万维网（3W） 中定义与更多信息相关联的三维世界的布局和内容，使之能够在一个交互的三维空间中很容易地被表达出来。当虚拟现实造型语言浏览器启动后，它会将虚拟现实造型语言中的信息解释成虚拟现实造型语言空间中的建筑物的几何形体的描述，一旦VRML 空间被用户的浏览器解释，它将提供实时显示，一秒钟可以显示多次，这

样，用户的机器上将会有一个活动的场景。

6 应用实例

荷兰的虚拟现实技术起步较快，Eindoven 大学的Calibre研究院已用虚拟现实技术进行设计和咨询，他们开发的软件包由一组类CAD 的函数组成，称为CAAD 软件，为建筑结构的创建、修改和可视化提供了工具包， 它支持Auto CADDXF 文件的输入输出，而且能够用于虚拟环境中增加动画和对象的动态行为。已用该系统模型化了一座小城市，具体目标是在河中小岛上设计一栋博物馆。这座城市由好几百栋建筑物组成，坐落在河边斜坡上，可以俯瞰小岛。首先，数字化该城市的地图，创建基本的Auto CAD 模型；其次，按真实三维位置安排每栋建筑物，同时也考虑山坡的轮廓；再次，加上建筑细节，如门框和窗框设计，以便标准地表现该城市的美学特征。该应用实例让人们领略了该领域和他们所取得的

成果。

在美国洛杉矶和费城的虚拟建筑三维模拟系统被认为是全球最成功的虚拟建筑模拟系统之一。各国对虚拟现实技术都在研究和应用，我国也一样，在虚拟世界建筑方面，都已制作和展示了复杂的虚拟世界模型。虚拟现实技术所涉领域十分广泛，技术潜力巨大，在建筑设计中应用前景广阔，但软硬件投资巨大，可重复性低，如计算机辅助设计/ 制造数据库/ 计算机辅助工程，多媒体/ 台式视频，图形艺术，形象/动画制作，科学可视化，实

时模拟等的硬件价格很高。

7 结语

总之，虚拟现实技术在建筑设计中的应用随着网络的发达及计算机软硬件的进展，应用层面会更广，成长幅度会更大。网络传输的便捷与快速处理，利用计算机科技来呈现建

筑设计成果，已成为新的趋势，而且技术日新月异。

第二代WWW标准语言VRML

----VRML的英文全称为Virtual Reality Modeling Language，即虚拟现实建模语言，它是第二代WWW的标准语言。今天，随着计算机和多媒体技术的逐渐成熟，以及Internet和个人电脑的日益普及，VRML正逐渐深入我们每个人的生活。为较好地理解VRML，我们先介绍一下虚拟现实和第二代WWW。

----第二代WWW

----一、虚拟现实和VR系统

----虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）诞生于90年代初，目前尚处在一个研究、发展的阶段，至今并没有一个完整的、系统的定义。通常认为，虚拟现实是一项新的技术，它是以计算机技术为核心，综合使用了各种最新技术，融合视、听、触觉为一体的模仿现实的三维空间再现技术。通过虚拟现实系统，使用者借助一定的设备（头盔式显示器、数据手套等），利用其自然技能与之交互，达到身临其境的体验和沉浸感受。

----将虚拟现实技术应用于计算机系统中，就形成我们常说的VR系统，即虚拟现实系统。VR系统一般应具备以下的特征：(1)以计算机系统为中心的一种计算机应用系统。(2)展现三维多媒体空间。(3)对象的交互性。(4)使用者的访问不以VR系统作者的设定为转移。

----由以上介绍可以看出，VR系统是在多媒体系统基础上发展起来的新型计算机应用系统，是多媒体系统在三维时空领域的拓展，它是多媒体系统的一个子集。

----二、第二代WWW系统

----虚拟现实最重要的应用就是第二代WWW系统1。

----我们知道，第一代WWW是基于HTML的超文本系统，系统的基本组成单元是Web页面，Web页面的所有对象都是二维的，即使部分对象具有三维的视觉效果，如按钮、划线等。

----第二代WWW则是在第一代WWW基础上发展起来的，它保留了第一代WWW的基本框架，引入了虚拟现实技术，使得其实质发生了根本性的改变，第二代WWW是基于虚拟现实建模语言VRML的超媒体2VR系统。

----在第二代WWW中，系统的基本组成单元是Web3D页面，一个或多个相关的Web3D页面组成虚拟世界（VirtualWorld，也称虚拟境界），虚拟世界和现实世界一样，建立在一个与时间相关的x-y-z三维坐标系统中，这个世界的所有组成对象都是三维的，可以提供一种更

加自然的访问和人机交互。概括起来，第二代WWW的特点是：分布式、三维、交互性、模拟现实和多媒体集成。

----三、第二代WWW的框架结构

----第二代WWW框架上沿用第一代的Client/Server模式。客户端是VRML浏览器，它负责管理用户端资源，向服务器发出服务请求，定位和解释获取的VRML资源；服务器则负责管理和维护共享资源，响应客户机的请求，提供VRML文档及图像、音频、视频等相关资源。具体地说，该框架从结构上可以分为三层：

----(1)用户接口层即客户端的VRML浏览器。

----(2)超媒体抽象机由VRML文档和HTTP协议所组成，它用于处理和解释各种用户接口层的对象。第二代WWW保留了HTTP协议，也就保留了我们在第一代WWW上做过的所有工作。

----(3)虚拟世界库由Internet上所有VRML服务器共同构成。

----值得一提的是为了解决三维图形穿越网络所需要的高带宽，第二代WWW借助浏览器所在客户机的图形子系统来动态构造虚拟世界，这样，网络上传输的仅仅是含有建模信息的VRML文档，传输的瓶颈解决了，对客户机的系统性能要求却大幅提高——访问第二代WWW的最低配置应该是：Pentium100MHzCPU、16MB内存和1MB显示缓存的VGA显卡。

----VRML语言

----一、什么是VRML语言

----按照Web3D协会的定义，VRML语言是一种用于在Internet上构筑3D多媒体和共享虚拟世界的开放式语言标准。它具有以下4个要点：

----1．开放式标准

----VRML的最新国际标准是ISO/IEC-14772-1:1997。能够被ISO接受这一点就足以说明该标准所处的地位和现实意义，现在，ISO已把它作为未来标准发展的重要模型加以开发和研究。

----2．3D多媒体

----在成为国际标准以前，VRML已经是CAD、动画制作以及3D建模软件等领域数据共享和数据发布的事实上的标准——这些软件有的直接输出VRML格式的文档，有的提供实用工具或插件实现这种变换；在一些最新的多媒体标准中，如：MPEG-4、Java3D等，也都包含或者涉及到VRML规范。

----3．共享虚拟世界

----VRML先驱们最早的动机之一就是能够在一个虚拟空间中工作和交谈，这个空间就是著名的Cyberspace。通过VRML97，我们已经可以部分地实现这一构想。

----4．基于Internet

----与以往的3D应用不同，VRML规范考虑的第一件事就是通过Internet共享3D实体和场景。实际上，VRML规范本身就是通过Internet探讨、研究和发布的。

----二、VRML的发展

----VRML的前身是SGI公司OpenInventer系统使用的一种文档格式，后经MarkPesce、TonyParisi和GavinBell等人的改进和努力，最终发展成第二代WWW的标准语言。

----到目前为止，VRML标准的发展已经历了三代。

----1．VRML1.0

----1994年10月公布。VRML1.0非常简单，它只定义了36种节点类型，涉及的对象也只有静态对象，而没有声音、动画等动态对象。实际上，由于VRML1.0近似HTML的“3D版本”，因此，当时称VRML为虚拟现实标记语言（VirsualRealityMarkupLanguage）。现在，VRML1.0已基本被淘汰。

----VRML1.0的标志：文档的第一行是“#VRMLV1.0ascii”。

----2．VRML2.0

----1996年8月公布。VRML2.0名义上是VRML1.0的修订版，但两者从内容到文档结构上都很不相同。在VRML2.0中，节点类型扩展为54种，支持的对象包括动态和静态两类。这时的VRML语言，已经完全脱离HTML的影响，被正式命名为：虚拟现实建模语言（VirsualRealityModelingLanguage）。

----VRML2.0的标志：文档的第一行是“#VRMLV2.0utf8”。

----3．VRML97

----VRML1.0和VRML2.0并不是真正的国际标准。直到1997年12月，VRML才被国际标准化组织ISO和国际电子工业协会IEC正式接纳为国际标准，国际标准号ISO/IEC14772-1:1997，习惯上称为VRML97。

----VRML97是在VRML2.0的基础上，进行了少量功能性调整而形成的，对用户而言，两者完全一样。可以认为，VRML97是VRML2.0的国际正式名称。

----VRML97的标志与VRML2.0一样：文档的第一行是“#VRMLV2.0utf8”。

----除了以上3个版本外，预计1999年中期将公布VRML99，这将是一个崭新的更有建设性的VRML版本。

----三、Web3D协会（Web3DConsortium）

----VRML标准是由一个称为Web3D协会的组织来管理和发布的。

----Web3D协会的前身是VRML协会，它创建于1996年，是一个非盈利性的开放式贸易协会，主要负责有关VRML标准的研究、定义和推广工作。

----协会下设工作组（WorkingGroup），工作组按自愿原则组成，分别从事某个技术专题方面的研究，如：KeyboardInputWG、CompressedBinaryFormatWG、DatabaseWG等，目前这样的工作组共有17个。

----VRML的基本概念

----一、节点

----使用VRML语言编写的文档称为VRML文档（或VRML程序），其扩展名为.wrl。VRML文档的格式有两种：utf8文本格式和二进制格式，目前我们所用的都是文本格式。每个VRML文档是一个Web3D页面，VRML虚拟世界是由一个或多个VRML文档所共同展现。不同的VRML文档之间通过超链接组织在一起，共同构成了遍布全球的非线性超媒体系统。

----节点（Node）是VRML文档基本的组成单元，它描述对象某一方面的特征：如形状、材质等。VRML虚拟世界的对象往往由一组具有一定层次结构关系的节点来构造。节点具有节点名、节点类型、域、事件接口和实现五个组成部分。节点可以用DEF语句命名，用USE语句引用。

----节点类型可分为基本类型和用户自定义类型两大类，基本类型由系统提供，自定义类型由用户在基本类型的基础上通过原型机制构造，它们都是对虚拟世界的某些共性的提炼，如：Appearance节点描述实体的外观、Material节点描述对象的材质??域、事件接口和实现通常包含在节点类型的定义中，并在构造节点时被使用。域描述节点的静态固有属性，域可以有多个，每个域都必须具有一个域值；事件接口描述节点的动态交互属性，它提供节点与外界的通信接口，事件接口也可以有多个。接口类型有事件入口和事件出口两种：事件入口（eventIn）是节点的逻辑接收器，它负责监听和接收外界事件；事件出口（eventOut）是节点的逻辑发送器，它负责向外界发送节点产生的事件。实现则是域和事件接口机制的实现代码，它一般由系统提供。需要提醒注意的是事件具有事件值和时间戳属性，事件值即该控制信息本身，时间戳则标识事件发生或传送的时间。

----每个域（或事件）都具有一个数据类型，用于描述数据的结构、值域、个数等属性。数据类型按照包含的数据个数分为单值型和多值型两类，单值型以SF打头，只能包含一个数据；多值型以MF打头，可包含一个数据列表。

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