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摘要：以VRML为代表的WWW下的虚拟现实建模技术正在日益受到广泛的重视，基于VRML进行三维仿真建模具有交互、三维全景、多感知等特点。本文以“汽车”为研究对象，讨论、阐述了VRML构造三维模型的实现方法，并给出了建模效果验证。
关键词：VRML；车模；三维造型；节点
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21594-02
Approach of Automobile Modeling Based on VRML
WANG Hao-peng1,2,3,LIU Bing1
(Department of Computer,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China)
Abstract:As a typical technology of virtual reality 3D modeling in WWW, VRML is focused increasingly. The characters of 3D simulation based on VRML are interaction, 3D panorama, and multi-sensation. The paper is focus on the automobile, discusses the approach of automobile 3D modeling, and gives program validation.
Key words:virtual reality modeling language;automobile models;3D modeling;node
1 引言
虚拟现实又称“灵境”技术，它的提出可以追溯到二十世纪八十年代。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、遥感技术和传感技术等诸多领域，使人们可以进入一个计算机生成的逼真的三维虚拟环境中。二十一世纪的今天，虚拟现实技术已经渗透到社会生活的方方面面，并发挥着越来越大的作用。虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，简称VRML）是一种基于WWW的具有一定规范的描述性格式语言，它吸取了面向对象的优点，可以生成、修饰三维实体对象。VRML改变了原来WWW的简单、交互性差的弱点，将人们的运动行为作为浏览的主体，提供给用户虚拟的三维空间。本文将以VRML技术为基础，讨论并给出对“汽车”实体进行三维仿真造型的方法。
2 造型分析
通常，汽车实体作为建模对象，可视为多个空间几何体的组合。对汽车实体的分解观察、描述是构造三维仿真模型的前提。常规的汽车实体在虚拟空间中可以分解为：若干空间立方体（Box）、空间圆柱体（Cylinder）、空间挤出造型（Extrusion）[1]。其中，空间立方体、空间圆柱体利用VRML基本几何造型节点实现车体、车轮等造型；驾驶室空间造型较为复杂，利用空间挤出节点Extrusion node实现。汽车三维造型的空间分解如图1所示。
图1 汽车三维造型的空间分解
2.1 车体空间造型分析
车体造型的整体结构是一个特殊的立方体，记作B。其中，BTOP、BBOTTOM、BLEFT、BRIGHT、BHEAD、BTAIL分别标识立方体造型的6个面。BTOP、BBOTTOM用来构造车体B的上下表面，由于上下表面的垂直厚度几近于0，则Box节点的Y方向值是一个“小值”；BLEFT、BRIGHT分别用来构造车体B的左右面板，由于左右面的厚度几近于0，则Box节点的Z方向值是一个“小值”；BHEAD、BTAIL分别用来构造车体B的前后面板，前后面的水平厚度同样也几近于0，则Box节点的X方向值是一个“小值”。
2.2驾驶室空间造型分析
驾驶室空间造型的整体结构是一个不规则体造型，记作E。其中，ETOP、ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK分别标识不规则体造型的顶部和4个面。ETOP和EHEAD、EBACK用来构造驾驶室舱顶和前后面，用Box节点构造，厚度均趋近于0；ELEFT、ERIGHT分别用来构造舱体左右面，用Extrusion节点构造。驾驶室空间造型的4个面（除顶部）均为透明的效果，即作为舱体的玻璃。
2.3 车轮空间造型分析
车轮造型是圆柱体（Cylinder）节点的典型应用，造型记作C。其中，两组圆柱体造型C1和C2作为汽车空间造型的前后轮。每个圆柱体造型的上下底与表面材质不同，用于增强车轮的立体效果。
3 造型节点
依据汽车空间造型的结构分解和分析，选取相应节点应用于VRML的三维仿真建模中。应用节点时，合理设定节点的各节点域，从而有效实现汽车实体的三维空间造型[2-3]。
3.1 Box節点和Cylinder节点
3.1.1 Box节点造型
Box节点用于创建空间立方体、立体平面的原始几何造型，通常是Shape节点中的geometry域的域值。其节点语法结构如下：
Box{ size2.02.02.0#fieldSFVec3f }
Box节点在构造三维模型的层次结构如图2所示。
图2 Box节点构造三维模型层次结构
3.1.2 Cylinder节点造型
Cylinder节点用于创建空间圆柱体的原始造型，同样是Shape节点中的geometry域的域值。Cylinder节点在构造三维模型的层次结构类似于Box节点。Cylinder节点语法结构如下：
Cylinder{
radius 1.0 # fieldSFFloat
height 2.0 # fieldSFFloat
top TRUE # fieldSFBool
bottom TRUE # fieldSFBool
side TRUE # fieldSFBool }
其中，radium域指定以原点为中心，Y方向为轴的圆柱体半径，其取值范围为 。height域指定圆柱体的高，取值范围为 。
3.2 Extrusion节点
对于复杂的、不规则的三维造型，无论用某一基本空间几何节点还是若干几何节点的组合均难以实现。在VRML中，Extrusion节点可以很好解决这一问题。Extrusion节点，即挤出节点，是以一个2D图形为边界沿一个预先定义好的路径向某一方向挤压的造型效果。对于汽车造型中的舱体左右面，即可用Extrusion节点实现。其语法结构如下：
Extrusion{
spine 0 0 0,0 1 0 # fieldMFVec3f
crossSection 1 1,1 -1,-1 -1,-1 1,1 1# fieldMFVec2f
scale 1 1 # fieldMFVec2f
orientation 0 0 1 0 # fieldMFRotation
beginCap TRUE # fieldMFBool
endCap TRUE # fieldMFBool
ccw TRUE # fieldSFBool
solid TRUE # fieldSFBool
convex TRUE # fieldSFBool
creaseAngle 0 # fieldSFFloat}
其中，spine域定义一条沿挤压方向的“龙骨折线”，该折线由一系列三维坐标点构成。crossSection域由一系列二维坐标点连接而成，作为挤压过程中的外部轮廓。crossSection域和spine域共同决定最终挤压成型的复杂造型的轮廓和走向（如图3所示）。
图3 crossSection和spine示意
4 程序实现
在模型构造中，作为车体B的6个面BTOP、BBOTTOM、BLEFT、BRIGHT、BHEAD、BTAIL，其空间位置分别为[-1 0 0]，[-1 -2 0]，[-1 -1 2]，[-1 -1 -2]，[-8 -1 0]，[6 -1 0]；空间大小分别为[14 0.1 4]，[14 0.1 4]，[14 2 0.1]，[14 2 0.1]，[0.1 2 4]，[0.1 2 4]。
驾驶室造型E中的ETOP、ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK中，ETOP和
EHEAD、EBACK是空间立方体，其空间位置和大小分别为[-1 2 0]，[-5 1 0]，[3 1 0]和[7 0.1 4]，[-5 1 0]，[3 1 0]；ELEFT、ERIGHT利用Extrusion节点实现驾驶室左右侧面空间造型，其crossSection域和spine域赋值如下：
ELEFT:
crossSection [
0 0,
-5 0,
-4 2,
3 2,
4 0,
0 0 ]
spine [
-0.5 0 2.1,
-0.5 0 2, ]
ERIGHT:
crossSection [
0 0,
-5 0,
-4 2,
3 2,
4 0,
0 0 ]
spine [
-0.5 0 -2,
-0.5 0 -2.1, ]
由于驾驶室造型的ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK均为玻璃效果，其transparency域设为0.5。
车轮三维造型由Cylinder节点实现，两组圆柱体造型C1、C2的空间位置分别为[-6 -2 0]，[4 -2 0]；空间大小分别为：
C1:
geometry Cylinder {
radius 1
height 4.2
side FALSE}
C2:
geometry Cylinder {
radius 1
height 4.2
side TRUE
top FALSE
bottom FALSE }
汽车三维空间造型的效果如图4所示，图4-1为正面浏览效果，图4-2为侧面浏览效果。
图4-1 三维造型正面浏览效果 图4-2三维造型侧面浏览效果
图4 汽车三维空间造型的效果
5 结论
VRML针对大型物体的三维空间造型过程中，恰当进行空间造型分解十分重要。分解的结果将简化复杂三维空间造型的结构和构造过程，其中很多模块应用基础节点即可实现；对于较复杂的模块也可利用挤出、海拔栅格等节点构造[4]。本文讨论了利用VRML中的3个节点实现的汽车三维造型方法，通过该方法可有效地实现大型物体的三维空间造型，从而服务于多媒体3D展示、虚拟现实及可视化输出。
参考文献：
[1]Iwadate Y,Katayama M,Tomiyama K,et al.VRML animation from multi-view images[J].Multimedia and Expo,2002,17(1):881-884.
[2]En-Mi Lim,Tsuyoshi Honjo,Kiyoshi Umeki,The validity of VRML images as a stimulus for landscape assessment[J],Landscape and Urban Planning,2005,14(1):71-84.
[3]Tsuyoshi Honjo,En-Mi Lim,Visualization of landscape by VRML system[J].Landscape and Urban Planning,2001,55(3):175-183.
[4]張金钊,张金镝,张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML[M].北京:清华大学出版社,2004.2.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：VRML；车模；三维造型；节点
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21594-02
Approach of Automobile Modeling Based on VRML
WANG Hao-peng1,2,3,LIU Bing1
(Department of Computer,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China)
Abstract:As a typical technology of virtual reality 3D modeling in WWW, VRML is focused increasingly. The characters of 3D simulation based on VRML are interaction, 3D panorama, and multi-sensation. The paper is focus on the automobile, discusses the approach of automobile 3D modeling, and gives program validation.
Key words:virtual reality modeling language;automobile models;3D modeling;node
1 引言
虚拟现实又称“灵境”技术，它的提出可以追溯到二十世纪八十年代。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、遥感技术和传感技术等诸多领域，使人们可以进入一个计算机生成的逼真的三维虚拟环境中。二十一世纪的今天，虚拟现实技术已经渗透到社会生活的方方面面，并发挥着越来越大的作用。虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，简称VRML）是一种基于WWW的具有一定规范的描述性格式语言，它吸取了面向对象的优点，可以生成、修饰三维实体对象。VRML改变了原来WWW的简单、交互性差的弱点，将人们的运动行为作为浏览的主体，提供给用户虚拟的三维空间。本文将以VRML技术为基础，讨论并给出对“汽车”实体进行三维仿真造型的方法。
2 造型分析
通常，汽车实体作为建模对象，可视为多个空间几何体的组合。对汽车实体的分解观察、描述是构造三维仿真模型的前提。常规的汽车实体在虚拟空间中可以分解为：若干空间立方体（Box）、空间圆柱体（Cylinder）、空间挤出造型（Extrusion）[1]。其中，空间立方体、空间圆柱体利用VRML基本几何造型节点实现车体、车轮等造型；驾驶室空间造型较为复杂，利用空间挤出节点Extrusion node实现。汽车三维造型的空间分解如图1所示。
图1 汽车三维造型的空间分解
2.1 车体空间造型分析
车体造型的整体结构是一个特殊的立方体，记作B。其中，BTOP、BBOTTOM、BLEFT、BRIGHT、BHEAD、BTAIL分别标识立方体造型的6个面。BTOP、BBOTTOM用来构造车体B的上下表面，由于上下表面的垂直厚度几近于0，则Box节点的Y方向值是一个“小值”；BLEFT、BRIGHT分别用来构造车体B的左右面板，由于左右面的厚度几近于0，则Box节点的Z方向值是一个“小值”；BHEAD、BTAIL分别用来构造车体B的前后面板，前后面的水平厚度同样也几近于0，则Box节点的X方向值是一个“小值”。
2.2驾驶室空间造型分析
驾驶室空间造型的整体结构是一个不规则体造型，记作E。其中，ETOP、ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK分别标识不规则体造型的顶部和4个面。ETOP和EHEAD、EBACK用来构造驾驶室舱顶和前后面，用Box节点构造，厚度均趋近于0；ELEFT、ERIGHT分别用来构造舱体左右面，用Extrusion节点构造。驾驶室空间造型的4个面（除顶部）均为透明的效果，即作为舱体的玻璃。
2.3 车轮空间造型分析
车轮造型是圆柱体（Cylinder）节点的典型应用，造型记作C。其中，两组圆柱体造型C1和C2作为汽车空间造型的前后轮。每个圆柱体造型的上下底与表面材质不同，用于增强车轮的立体效果。
3 造型节点
依据汽车空间造型的结构分解和分析，选取相应节点应用于VRML的三维仿真建模中。应用节点时，合理设定节点的各节点域，从而有效实现汽车实体的三维空间造型[2-3]。
3.1 Box節点和Cylinder节点
3.1.1 Box节点造型
Box节点用于创建空间立方体、立体平面的原始几何造型，通常是Shape节点中的geometry域的域值。其节点语法结构如下：
Box{ size2.02.02.0#fieldSFVec3f }
Box节点在构造三维模型的层次结构如图2所示。
图2 Box节点构造三维模型层次结构
3.1.2 Cylinder节点造型
Cylinder节点用于创建空间圆柱体的原始造型，同样是Shape节点中的geometry域的域值。Cylinder节点在构造三维模型的层次结构类似于Box节点。Cylinder节点语法结构如下：
Cylinder{
radius 1.0 # fieldSFFloat
height 2.0 # fieldSFFloat
top TRUE # fieldSFBool
bottom TRUE # fieldSFBool
side TRUE # fieldSFBool }
其中，radium域指定以原点为中心，Y方向为轴的圆柱体半径，其取值范围为 。height域指定圆柱体的高，取值范围为 。
3.2 Extrusion节点
对于复杂的、不规则的三维造型，无论用某一基本空间几何节点还是若干几何节点的组合均难以实现。在VRML中，Extrusion节点可以很好解决这一问题。Extrusion节点，即挤出节点，是以一个2D图形为边界沿一个预先定义好的路径向某一方向挤压的造型效果。对于汽车造型中的舱体左右面，即可用Extrusion节点实现。其语法结构如下：
Extrusion{
spine 0 0 0,0 1 0 # fieldMFVec3f
crossSection 1 1,1 -1,-1 -1,-1 1,1 1# fieldMFVec2f
scale 1 1 # fieldMFVec2f
orientation 0 0 1 0 # fieldMFRotation
beginCap TRUE # fieldMFBool
endCap TRUE # fieldMFBool
ccw TRUE # fieldSFBool
solid TRUE # fieldSFBool
convex TRUE # fieldSFBool
creaseAngle 0 # fieldSFFloat}
其中，spine域定义一条沿挤压方向的“龙骨折线”，该折线由一系列三维坐标点构成。crossSection域由一系列二维坐标点连接而成，作为挤压过程中的外部轮廓。crossSection域和spine域共同决定最终挤压成型的复杂造型的轮廓和走向（如图3所示）。
图3 crossSection和spine示意
4 程序实现
在模型构造中，作为车体B的6个面BTOP、BBOTTOM、BLEFT、BRIGHT、BHEAD、BTAIL，其空间位置分别为[-1 0 0]，[-1 -2 0]，[-1 -1 2]，[-1 -1 -2]，[-8 -1 0]，[6 -1 0]；空间大小分别为[14 0.1 4]，[14 0.1 4]，[14 2 0.1]，[14 2 0.1]，[0.1 2 4]，[0.1 2 4]。
驾驶室造型E中的ETOP、ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK中，ETOP和
EHEAD、EBACK是空间立方体，其空间位置和大小分别为[-1 2 0]，[-5 1 0]，[3 1 0]和[7 0.1 4]，[-5 1 0]，[3 1 0]；ELEFT、ERIGHT利用Extrusion节点实现驾驶室左右侧面空间造型，其crossSection域和spine域赋值如下：
ELEFT:
crossSection [
0 0,
-5 0,
-4 2,
3 2,
4 0,
0 0 ]
spine [
-0.5 0 2.1,
-0.5 0 2, ]
ERIGHT:
crossSection [
0 0,
-5 0,
-4 2,
3 2,
4 0,
0 0 ]
spine [
-0.5 0 -2,
-0.5 0 -2.1, ]
由于驾驶室造型的ELEFT、ERIGHT、EHEAD、EBACK均为玻璃效果，其transparency域设为0.5。
车轮三维造型由Cylinder节点实现，两组圆柱体造型C1、C2的空间位置分别为[-6 -2 0]，[4 -2 0]；空间大小分别为：
C1:
geometry Cylinder {
radius 1
height 4.2
side FALSE}
C2:
geometry Cylinder {
radius 1
height 4.2
side TRUE
top FALSE
bottom FALSE }
汽车三维空间造型的效果如图4所示，图4-1为正面浏览效果，图4-2为侧面浏览效果。
图4-1 三维造型正面浏览效果 图4-2三维造型侧面浏览效果
图4 汽车三维空间造型的效果
5 结论
VRML针对大型物体的三维空间造型过程中，恰当进行空间造型分解十分重要。分解的结果将简化复杂三维空间造型的结构和构造过程，其中很多模块应用基础节点即可实现；对于较复杂的模块也可利用挤出、海拔栅格等节点构造[4]。本文讨论了利用VRML中的3个节点实现的汽车三维造型方法，通过该方法可有效地实现大型物体的三维空间造型，从而服务于多媒体3D展示、虚拟现实及可视化输出。
参考文献：
[1]Iwadate Y,Katayama M,Tomiyama K,et al.VRML animation from multi-view images[J].Multimedia and Expo,2002,17(1):881-884.
[2]En-Mi Lim,Tsuyoshi Honjo,Kiyoshi Umeki,The validity of VRML images as a stimulus for landscape assessment[J],Landscape and Urban Planning,2005,14(1):71-84.
[3]Tsuyoshi Honjo,En-Mi Lim,Visualization of landscape by VRML system[J].Landscape and Urban Planning,2001,55(3):175-183.
[4]張金钊,张金镝,张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML[M].北京:清华大学出版社,2004.2.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”