基于VRML的數(shù)碼攝影虛擬實驗系統(tǒng)設計方案

1 研究思路與開發(fā)平臺的選擇
　　目前，基于網(wǎng)絡對實驗對象進行三維交互展示的有效處理方法是使用專業(yè)的設計軟件，如采用AUTOCAD、3DS MAX等將實驗對象的三維模型設計出來。這種方法建模過程直觀形象，但生成的模型和動畫不能與用戶進行交互，需要將三維模型導出為相關虛擬現(xiàn)實設計軟件所需要的格式文件，用虛擬現(xiàn)實設計軟件進行三維展示的交互設計，最后將它發(fā)布到網(wǎng)站上［1］。
　　經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)也派生出多種不同的方法，現(xiàn)在較為流行的有VRML、Java 3D、CULT3D、X3D等多種實現(xiàn)方法。它們各自有不同的優(yōu)缺點。其中，虛擬現(xiàn)實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種描述大量對象的屬性及相互關系的語言，具有平臺無關性、三維交互性、多媒體集成、境界逼真等眾多優(yōu)越的特征，所以選擇該軟件作為開發(fā)平臺。雖然VRML可以通過直接編程進行語義描述，建立實驗對象的三維模型，但這種方法適合建立簡單規(guī)則的模型。數(shù)碼單反相機主要由機身和鏡頭兩部分組成。機身上又包括取景窗口、液晶顯示屏、曝光模式選擇盤、控制撥輪以及各個操作按鈕等，結構比較復雜，不宜直接用VRML語言進行語義描述。而是利用3DS MAX建立整個模型，并賦予材質、色彩、光照，導出VRML的格式文件（.*wrl文件）。因此，選擇3DS MAX進行建模，再使用VRML軟件進行交互設計并實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布，建立逼真的交互式三維虛擬實驗環(huán)境，可以讓學生隨時通過網(wǎng)絡瀏覽三維場景，并通過人機交互進行仿真實驗。
　　2 三維虛擬數(shù)碼單反相機的設計與實現(xiàn)
　　實驗對象的建模是虛擬實驗開發(fā)過程中最重要的一步，模型的好壞直接影響運行的效果和場景的沉浸度。為了便于在VRML瀏覽器中設計三維數(shù)碼單反相機的交互，可以真實地模擬實際操作進行鏡頭的旋轉、曝光模式選擇盤的轉動、控制撥輪和按鈕的操作等，在對數(shù)碼相機進行建模時，將其各部分分別建模，后期組裝。將數(shù)碼單反相機的三維模型建好后，在3DS MAX中應用輸出插件導出*wrl格式的文件。在運用3DS MAX模型導出VRML文件后要充分注意優(yōu)化VRML程序。優(yōu)化技術是三維虛擬建模過程中至關重要的一個環(huán)節(jié)，優(yōu)化結果的好壞將直接影響三維數(shù)碼相機的顯示速度和交互效果［2］。
　　3 使用VRML語言結合JavaScript實現(xiàn)數(shù)碼單反相機的虛擬實驗
　　數(shù)碼單反相機虛擬實驗系統(tǒng)共包括四個實驗，分別是：認識數(shù)碼相機、數(shù)碼相機的調節(jié)模式、數(shù)碼相機的光圈調節(jié)、數(shù)碼相機快門調節(jié)。
　　3.1 認識數(shù)碼單反相機模塊的設計與實現(xiàn)［3］
　　實驗1是對數(shù)碼單反相機的三維展示，主要分為：（1）自由旋轉展示。在這種方式下，相機自動在瀏覽器中旋轉，讓學習者從不同的角度上觀察相機的結構。（2）手動控制展示。在這種方式下，學習者可以自主轉動相機，從不同角度細致地觀察相機。
　　為了實現(xiàn)相機的自由旋轉展示，可以運用時間傳感器節(jié)點（TimeSensor）和方向插補器節(jié)點（OrientationInterpolator）。TimeSensor節(jié)點的作用是創(chuàng)建一個虛擬時鐘，可以像時鐘一樣標記時間的流逝，設置開始動畫、結束動畫和控制動畫的播放速度等屬性，并向插補器節(jié)點輸出時間事件，產(chǎn)生相應的動畫效果。OrientationInterpolator可改變觀察方向或者改變形狀體的方向。插補器節(jié)點使用一組關鍵時刻和關鍵值來描述一個動畫。關鍵時刻列表在插補器節(jié)點的key域中指定，關鍵值列表在插補器節(jié)點的keyvalue域中指定。瀏覽器在渲染時將根據(jù)這些關鍵時刻所對應的關鍵狀態(tài)在場景中通過線性插值計算技術自動生成連續(xù)動畫。實現(xiàn)自由旋轉展示部分相應代碼如下：
　　OrientationInterpolator{ //創(chuàng)建控制動畫的插補器
　　key ［0 0.5 1］//指定關鍵時刻列表
　　keyValue ［//指定對應的旋轉關鍵值列表
　　0 1 0 0，
　　0 1 0 3.14，
　　0 1 0 6.28
　　］
　　}
　　TimeSensor {//創(chuàng)建控制動畫的時間感應器
　　enabled TRUE
　　cycleInterval 30//指定每個變化周期的時間長短
　　}
　　ROUTE clock_camera.fraction_changed TO camera_auto_rotation.set_fraction
　　ROUTE camera_auto_rotation.value_changed TO
　　camera_all.rotation
　　在ROUTE中，將TimeSensor的fraction_changed出事件路由到插補器的set_fraction入事件，每次時間傳感器輸出一個新的時刻，插補器就會利用輸入的時間計算出一個新的旋轉值，然后通過其value_changed出事件路由到方向插補器節(jié)點。
　　為了能從各種角度來展示相機，運用SphereSensor傳感器節(jié)點，對相機進行了手動的三維展示。 SphereSensor節(jié)點用于感知觀察者的拖動動作，并且計算旋轉角和角度。通過使用它的rotation_changed域輸出變化的參數(shù)，對相機整體進行360°上下左右的旋轉完成相機的手動展示。代碼如下：
　　SphereSensor{
　　enabled TRUE
　　}
　　ROUTE camera_sd.rotation_changed TO camera_all.rotation
　　對于VRML窗口與網(wǎng)頁之間的交互主要是通過JavaScript和VRML中的TouchSensor節(jié)點完成。由于TouchSensor節(jié)點能感知用戶的鼠標事件，一般的鼠標操作通常有3種：移動、點擊、拖動。本設計主要使用了移動操作，當用戶進行移動操作的時候會使TouchSensor中的isOver公共域變?yōu)門RUE，傳遞出去一個真事件。在網(wǎng)頁中用JavaScript接收到該事件再運用相應的程序完成相應的操作，然后在VRML場景中運用Onmousemove感知鼠標的移動事件。VRML場景中主要代碼：
　　Touchsensor {
　　Enabled TRUE
　　}
　　在網(wǎng)頁中對VRML場景運用了Onmousemove感知鼠標的移動事件，當鼠標作用于VRML場景時會觸發(fā)相應的處理事件javascript代碼，例如當鼠標移動到LCD顯示屏時，用到了條件判斷語句對其進行判斷：
　　if（M_e.Nodes（“Viewfinder_button”）.Fields（“isOver”）==-1）{
　　display_div（2，12）；
　　}
　　然后進行相應的處理操作。其中Viewfinder_button是取景器的觸發(fā)傳感器TouchSensor的名稱。