虚拟殷墟博物馆三维漫游系统的实现及优化

摘要：该文介绍了利用VRML（Virtual Reality Modeling Language）技术开发基于网页的三维漫游系统的基本原理、总体思路和实现及优化步骤。在总结系统设计的全部过程的基础上，针对系统设计中出现的难题和细节问题，该文进行了重点的介绍，提出了解决方案，并给出了实例。

关键词：殷墟；虚拟现实建模语言；三维漫游

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)26-6503-03

Implementation and Optimization of Virtual Yin Ruins Museum 3D Roam System

GAO Guo-wei

(Anyang Normal University, Anyang 455000, China)

Abstract: This paper describes the pricinple , general idea,and steps of the development of the virtual yin ruins museum 3D navigation system based on VRML (Virtual Reality Modeling Language) technology .In summing up the system design of the whole process on the basis of system design for the emergence of problems and details, the paper was focused on t proposed solutions,and gives an example.

Key words: Yin ruins; VRML; 3D roam

虚拟现实（Virtual Reality）是近年来十分活跃并得到迅猛发展技术研究领域，广泛应用于军事、教育培训、工程设计、商业、医学、影视、艺术、娱乐等，取得了巨大的社会和经济效益。而VRML（Virtual Reality Modeling Language―虚拟现实建模语言）是虚拟现实领域中应用较为成熟的一种技术，是一种三维造型和渲染的图形描述性语言[1]，和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关。 它的主要特征有三维性、交互性[2]、动态性、实时性等，并且能够在Internet或局域网上快速传递。

“虚拟殷墟博物馆”是利用计算机网络和多媒体技术，用三维数字化手段对世界文化遗产安阳殷墟中的重要组成部分进行数字化建设，在网上再现安阳殷墟丰富的各种软硬件资源，建立基于网络的虚拟殷墟博物馆数字漫游系统。 文献[3]和文献[4]也对虚拟殷墟进行了探讨，但当时殷墟还未被列入世界文化遗产，当时的建筑和现在也有了一些区别，因此再次对殷墟建模，对殷墟博物馆建模时非常有必要的。 该漫游系统可以使那些有机会实地参观的人进一步获得身临其境的更为真实地感受，而对那些还没有机会到殷墟实地游览的人们来说，该系统将使更多的人对文化殷墟产生浓厚兴趣和真实感知，使殷墟这座世界文化遗产之于中华文明乃至人类文明的独特贡献和独特地位可以更直观形象地呈现在世界面前。

1 系统分析和总体设计

殷墟博物馆，是由中国建筑设计研究院教授崔凯先生主持设计，附带文物库房、研究室、报告厅等设施。 从平面上看，殷墟博物馆酷似甲骨文的“洹”字，即取依附洹河之意，象征洹水在孕育商代文明中的重要作用。 所有的建筑基本上处于地表之下，地表将被植被覆盖，不会破坏殷墟遗址的原貌。 从建筑学角度来说，殷墟博物馆是有着较高的设计水平，而其内部的大量殷墟文物则使得博物馆除了本身的可赏性更多了历史文化学术价值。 为了能够重现该建筑，本系统的开发结合层次建模法和属主建模法，使用综合的模块化建模方法加以实现。系统开发选用Sketchup模型制作软件作为建模工具；选用Sgi公司的可视化编辑工具CosmoWorld将各个对象内联；选用VRML脚本编辑软件VRMLPad编辑修改VRML文件，添加对象交互功能的脚本；选用Dreamweaver作为网页开发工具。

VRML建模语言在可视化建模上是有欠缺的，因此往往需要借助其他建模工具建模后导出wrl文件，Sketchup软件就是其中常用的之一。Sketchup是一个比较成熟的建模软件，以往仅仅局限在建筑建模现在经过google接手发展后逐渐在向其他领域扩展，现在最常用到的领域是建筑设计、室内装潢设计、商业空间道具以及漫游、工业产品展示以及平面标志的设计。

当然Sketchup和3DMAX及MAYA相比应用还是有一些局限，Maya和3DMAX不仅是用来建模，还包括力学，反应堆，骨骼绑定，MR材质，粒子系统等功能。3DMAX、Maya功能更为专业，主要面向影视，游戏，动画和专业效果图制作。但针对本文对象的特殊性，综合考虑还是选用了Sketchup。

2 系统的详细设计

本系统主要特点是参照建筑图纸等比例地、准确地将殷墟宫殿遗址重建于三维网络上，具体步骤参见图1。 系统具有较强的感官感受和真实的交互性，基本实现了“虚拟博物馆”系统，见图3。

2.1 等比例建模

由于殷墟博物馆建筑巨大，很难得到它的全貌，况且大部分又埋藏在地下，又无法获得设计图纸，建筑又是非常强调精确的，仅靠目测得到的模型往往与实际相差万里，这为几何建模设置了很大的障碍。 因此建模还是需要有一定的依据，不一定要很确切的是多少米，但一定要和建筑实体等比例。

在建模之初应获得建筑俯视图和剖面图，然后将某长度设置为参照，等比例建模，如果使用Sketchup，可将图片直接导入软件中，建模就在图像之上建模。 剖面图如果不易获取的话，就要多到实地取景。

2.2 非线性建模

以往的建筑都是从人的主观出发，刻意追求某种目的，其逻辑是可循的，是显而易见的，现在常见到的方方正正的建筑都是线性的，人们常常使用的电器以及交通工具也是线性的；而非线性，讲究的是一定的随机性，但并非随机无逻辑无规矩，它有非常的必须要有深刻的内涵，即理由，大地景观或者大地肌理就是很好的例子。现代设计经常使用数学为工具来产生非线性的图形，但也有观点认为接近自然的就是非线性的，例如鄂尔多斯博物馆。

常用的3D建模软件都擅长于线性的建模，尤其是Sketchup。 非线性建模由于使用的不是大家常常见到的矩形、椭圆等，因此较难直接产生，往往需要大量的多边形汇聚而成。 例如殷墟博物馆东边的洹河及河堤，其形状就是不规则的，没有人工修饰，比较难以实现，如果暗往常方法只能使用及多的多边形产生。不过好在Sketchup有许多由很多世界其他具有实力的专业图形图像公司推出的插件，本系统中的大量非线性的文物也是使用插件来完成，具体效果如图2。

2.3 灯光问题

在Sketchup中是不能设定光线的，如果需要光线的话需要多种建模工具相结合，或者在wrl文件中直接加入灯光。

多种软件结合以3D max为例，在Sketchup中建好模型后导出3D模型，格式选择.3ds。 将3ds格式文件导入3D max中，在其中加入灯光效果。 当然也可以选择Maya等其他三维建模软件。

进行多软件辅助建模时要注意两点

1）VRML默认单位是米，在其他模型中要在建模之初设定好单位

2）在辅助设计软件中设置光线时需要注意只能用VRML支持的光线类型，VRML支持默认的点光、平行光、锥光源。

3 系统的和优化

针对VRML进行优化

VRML是一种较为成熟的web3d解决方案，从97年出现后在本质上并没有进行多大的改变，因此在对复杂的3维进行建模时就有一些吃力。 VRML对模型点线面的数量是很敏感的，因此在能保证展示效果的同时应该尽量少用点线面，尤其是多边形，在非线性建模，不规则的形状其实都是有大量的多边相组成的，大量的多边形势必影响wrl打开的速度，如果比较大的话会出现报错，无反应。 遇到这种情况的时候并不是模型本身出了什么问题，而是模型太大了，多边形太多的缘故。

笔者在建模过程中对不同模型转化成wrl文件后，浏览器支持情况做了个统计见表1。

在表1中的报错是超时报错，文件能否正常使用和文件的大小没有绝对关系而是与面和边以及所用的贴图数量有关。

遇到这种情况解决的方法就是“化整为零”，将一个大的模型拆分成若干个子模型，分别转化为wrl文件，最后用内联语句进行连接。 需要注意两点：

1）拆分出来的模型一定要将中心固定到原点；

2）各个自模型里面的视点节点要删除。

另外一种方法是直接将模型导入3D max中，再导出wrl文件。3D max对VRML支持较好，有特设的VRML97导出器。

内联时很多时候坐标不好确定，其实也有比较简单的办法确定，再转换成wrl文件之钱将视点固定在需要内联的坐标点上，当转化为wrl文件后，打开文件查看代码，在Viewpoint节点中的坐标就是要内联物体的坐标。

4 结论

本文运用前面介绍的方法方便而高效的实现了虚拟殷墟博物馆三维漫游系统，解决了在发开过程中的一系列问题。系统漫游熟读快、画面流畅、真实感强，使用效果良好。图3展示了用户在交互漫游过程中，从不同视点位置和视线方向观察的三维场景。 下一步的目标是将系统移植到flash 3D平台上，并提供其它方式的交互漫游功能。

参考文献：

[1] 陆昌辉.VRML入门与提高[M].北京:北京大学出版社,2003.

[2] Rodger Lea, KouichiMatsuda.妙用JAVA 及VRML 开发三维图形[M].北京:电子工业出版社,1999:112289.

[3] 段新昱,刘学莉,刘晨曦.虚拟殷墟博物苑的三维展示技术[J].系统仿真学报,2005(9):2187-2190.

[4] 段新昱,刘晨曦.安阳殷墟博物苑虚拟重建三维系统[J].计算机工程与设计,2006,(16):3108-3110.