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1、毕业论文基于X3D的虚拟现实设计与实现方案的研究摘要： X3D是一种正在蓬勃发展的网络三维技术，本文目的是为了探索一个能够实现X3D虚拟现实的设计实现方案，通过系统阐述X3D的发展历程，技术特点，组成和相关知识，然后对比了X3D与其他网络三维技术的不同，最后提出基于X3D的虚拟现实设计与实现方案，对X3D进行充分的探索和验证，寻找一个最优实现方案，从实现原型系统出发，展现整个X3D系统设计过程和实现过程，实现了一个完整的校园地图导航系统，验证所提出的X3D方案的可行性并对其未来进行了展望，为用户使用X3D的设计与实现提供了完整可行性的方法。关键词：X3D；虚拟现实；3D建模 ；XMLVirtu
2、al reality based on X3D design and implementation ofAbstract: X3D is a thriving network three-dimensional technology, this article is designed to explore a possible design of virtual reality X3D implementation, through the development of the system explains X3D, technical features, components and re
3、lated knowledge, and then compares the X3D and other network is different, three-dimensional technology that virtual reality based on X3D design and implementation, on X3D adequate research and validation, look for an optimal implementation, set off from the implementation of the prototype system, r
4、eveal the entire X3D system design process and implementation, implements a full campus map navigation system, verify that the proposed feasibility of X3D and future perspectives, as the user is using the design and implementation of X3D provides the complete feasibility.Keywords: X3D；Virtual realit
5、y；3D Modeling；XML 目 录1 引言11.1研究基于X3D虚拟现实设计与方案的背景11.1.1 相关背景11.1.2 X3D标准推出的目的21.2X3D的定义及其知识基础31.2.1 什么是X3D31.2.3 X3D支持的特性41.2.4 X3D Profile（轮廓）与一致性51.2.5 X3D开发联盟Web3D61.2.6 关于VRML的基础知识61.2.7 关于虚拟现实的基础知识71.3近来国内外X3D课题的研究现状81.3.1 近来国内外X3D课题的研究现状81.3.2 现行研究X3D存在的问题91.4本课题研究要达到的目标112 X3D要解决的几个关键问题122.1 设
6、计中要解决的问题122.1.1 复杂场景的搭建问题122.1.2 场景和动画交互的控制问题122.2 实现过程中所采用的关键技术122.2.1 复杂场景关键技术及其复杂性的研究122.2.2 场景和动画交互关键技术复杂性的研究143 X3D系统设计163.1 X3D设计实现的策略163.2 X3D编程模型及数据结构173.2.1 X3D编程模型173.2.2 X3D的数据结构184 X3D原型系统实现技术194.1 系统软硬件环境194.2 分模块详述X3D原型系统各部分的实现方法194.2.1 办公大楼X3D代码文件头214.2.2 办公大楼X3D代码文件体224.2.3 电教室VRML文件
7、的转换355 结论与展望39致谢40参考文献41基于X3D的虚拟现实设计与实现方案的研究 指导教师： 1 引言1.1 研究基于X3D虚拟现实设计与方案的背景1.1.1 相关背景 Internet飞速发展，互联网已成为人们交流的重要手段，为人们快速获取，发布和传递消息提供重要渠道。现代技术日新月异，Web3D网络三维立体虚拟现实网页技术也在不断发展，从VRML（Virtual Reality Modeling Language）虚拟现实建模语言开始，互联网进入了三维立体网络空间时代。 然而VRML没能一统网络天下，后面陆续出现Atmosphere、Blaxxun3D、Cult3D，Fluid3D
8、，Java3D，Viewpoint，Pulse3D，Shout3D，ShockWave3D、Vecta3D等等。这些技术各具特点，主要应用于电子商务、网络娱乐、远程教育、企业数据可视化等领域，但也带来了标准混乱，互不兼容等问题。 X3D的前身是VRML，VRML的发展一度由于硬件问题带宽问题停滞发展，在1994年推出VRML2.0就没有更新版本了，很多人以为VRML就此消亡，然而1998年底，VRML联盟更名Web3D联盟并在1999年底确定建立X3D统一网络三维标准，2002年宣布草案，2004年8月X3D被国际标准化组织（ISO）批准通过为国际标准ISO/IEC 19775，正式成为国际通
9、用标准。新一代的国际标准X3D（Extensible 3D）的诞生有望统一互联网3D图形软件规范，技术和产品。X3D是可扩展的，任何开发者都可以根据自己的需求扩展其功能，无论是小型3D展示还是广播级应用，X3D将成为大家遵循的规范标准，这样将结束标准混乱，互不兼容的问题，X3D的前途大有所为，X3D必将为网络三维立体虚拟现实技术的发展提供强有力的支持。如下表1-1所示，看见网络三维标准有多么混乱，各种格式的差距区别巨大： 表1-1 几种网络3D技术的比较名称浏览器要求运行平台特点Cult3D 需要插件Win ,MacOS,SunOS,Linux，HP AIX等基于JAVA，文件体积小，图像质量
10、好，不需硬件支持Viewpoint需要插件Win,MacOS基于XML，可伸缩，流式传输，高压缩比Atmosphere需要插件Win,MacOS可连接多用户，实现虚拟社区，光照追踪算法，室内展示效果好，自然重力，碰撞模拟Shout3D不需插件Win,MacOS，UNIX基于JavaApplet,遵循X3D规范Blaxxun3D不需插件Win,MacOS，UNIX遵循X3D规范B3D需要插件Win流式传输Java3D需虚拟机Win,SunOS,MacOS等可以调用VRML场景1.1.2 X3D标准推出的目的X3D作为国际标准受到了各界广泛的关注，支持和期待。X3D并不是一个全新的标准，X3D的一
11、个发展就使VRML组件化，让应用者根据自己的需求对X3D的功能进行割舍，X3D的出现是还为了不同3D内容创作的数据在3D行业不同应用中交流中保持一致性，如在模拟3D引擎，游戏，专业或消费类硬件和移动设备中使用的3D文件，确保数据的耐用性，数据的互可操作性。使用工业化标准XML，使X3D不依赖于任何一个组织，在任何时间都能使用，不受资金和权限限制，可扩展的配置文件定义和组件化的功能设置，适应底层硬件，公开提供源代码且免版税。ISO认证为核心提供规格，扩展和修正，与其他标准组织W3C的活动，包括协会，建立可互操作的XML协议和技术，可扩展允许特定功能可以很容易提供垂直市场应用的补充。W3C发展的概
12、况，可以确保可靠性和X3D的文件和应用程序的一致性每个一致性测试。1.2 X3D的定义及其知识基础1.2.1 什么是X3DX3D一种无需任何授权费用的开放标准的文件格式以及运行架构，使用XML来描述与交换的3D场景和对象。它是一套国际标准化组织ISO认可了的标准,为应用程序网络系统中嵌入实时图形内容而提供存储、恢复及回放的系统，在一种开放式架构中支持各式各样的领域与用户种类，其结构如下图1-1所示：图1-1 X3D的浏览的体系结构 X3D具有一整套丰富的组件化特性，能胜任工程、科学可视化、CAD与建筑、医学可视化、培训与仿真、多媒体、娱乐、教育，以及更多的工作。作为虚拟现实建模语言中演变的明显
13、更成熟、更优雅的X3D标准，可以作为所有应用程序及网络应用程序之间3D数据实时通信开发工作的良好开端。X3D是基于VRML所发展出来的新标准，它继承了来自VRML的经验及血统，并且有着更为强大的能力。现在X3D的存在已经取代了VRML，但它也对现有的VRML内容及浏览器提供了支援，让仍现存的VRML不需经过即可在任何的X3D浏览器，它可以完全的对VRML提供支援。1.2.3 X3D支持的特性 X3D作为一种新的网络三维标准，它整合了XML的关键：Web Services，分布式网络，跨平台、跨应用程序的文件与数据交换，并且支持了很多新的特性，能够支持的特性有以下：(1) X3D支持实时3D图形
14、及可编程渲染 ，可以支持多面体、参数化几何体，多层次变换、灯光、材质、多通道/多级纹理映射、像素与顶点渲染及硬件加速。X3D也支持2D图形，可以用空间化的文本；2D矢量图形；2D/3D使用。(2) X3D支持CAD数据，可以将X3D作为CAD数据转换为一种开放的格式，可供出版和交互式媒体使用。(3) X3D支持动画，X3D可以利用计时器及插补器来驱动连续性动画，输出仿人体动画与变形。 (4) X3D支持空间化的音频与视频，人们可使用可视化的声源映射到场景中的几何体上，图形图像是实时的，交互式的，高质量的，并且3D数据中包括多媒体视频或者音频。 (5) X3D支持用户交互，人们可以用基于鼠标的拾取与拖拽还有键盘输入等操作。(6) X3D支持导航和摄像，用户可以在3D场景中的移动，并且支持碰撞检测，还有靠近与可见性检测使用户能感受真正的虚拟现实。 (7) X3D支持用户定义的对象，用户可以通过创建用户自定义的数据类型来扩展浏览器内置功能，并且具有可扩展性，X3D允许为垂直于市场应用和服务添加组件以便扩展X3D功能，X3D支持组件化，允许轻量级的3D运行核心引擎，使得其更容易适合各种平台。(8) X3D还支持脚本，用户可以通过编程语言和脚本语言动态改变场景，例如用JavaScript连接控制场景。 (9) X3D支持网络，能够整合单一X3D场景和网络上X3D场景的资源；通过超链接的
