基于VRML和JavaScript的數(shù)碼攝影虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1 研究思路與開發(fā)平臺的選擇

目前，基于網(wǎng)絡(luò)對實驗對象進(jìn)行三維交互展示的有效處理方法是使用專業(yè)的設(shè)計軟件，如采用AUTOCAD、3DS MAX等將實驗對象的三維模型設(shè)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(jìn)行交互，需要將三維模型導(dǎo)出為相關(guān)虛擬現(xiàn)實設(shè)計軟件所需要的格式文件，用虛擬現(xiàn)實設(shè)計軟件進(jìn)行三維展示的交互設(shè)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(shù)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(guān)系的語言，具有平臺無關(guān)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(jìn)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(jī)主要由機(jī)身和鏡頭兩部分組成。機(jī)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不宜直接用VRML語言進(jìn)行語義描述。而是利用3DS MAX建立整個模型，并賦予材質(zhì)、色彩、光照，導(dǎo)出VRML的格式文件(.*wrl文件)。因此，選擇3DS MAX進(jìn)行建模，再使用VRML軟件進(jìn)行交互設(shè)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(xué)生隨時通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽三維場景，并通過人機(jī)交互進(jìn)行仿真實驗。

2 三維虛擬數(shù)碼單反相機(jī)的設(shè)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(shè)計三維數(shù)碼單反相機(jī)的交互，可以真實地模擬實際操作進(jìn)行鏡頭的旋轉(zhuǎn)、曝光模式選擇盤的轉(zhuǎn)動、控制撥輪和按鈕的操作等，在對數(shù)碼相機(jī)進(jìn)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(jī)的三維模型建好后，在3DS MAX中應(yīng)用輸出插件導(dǎo)出*wrl格式的文件。在運用3DS MAX模型導(dǎo)出VRML文件后要充分注意優(yōu)化VRML程序。優(yōu)化技術(shù)是三維虛擬建模過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，優(yōu)化結(jié)果的好壞將直接影響三維數(shù)碼相機(jī)的顯示速度和交互效果[2]。

3 使用VRML語言結(jié)合JavaScript實現(xiàn)數(shù)碼單反相機(jī)的虛擬實驗

數(shù)碼單反相機(jī)虛擬實驗系統(tǒng)共包括四個實驗，分別是：認(rèn)識數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)的調(diào)節(jié)模式、數(shù)碼相機(jī)的光圈調(diào)節(jié)、數(shù)碼相機(jī)快門調(diào)節(jié)。

3.1 認(rèn)識數(shù)碼單反相機(jī)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[3]

實驗1是對數(shù)碼單反相機(jī)的三維展示，主要分為：(1)自由旋轉(zhuǎn)展示。在這種方式下，相機(jī)自動在瀏覽器中旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)習(xí)者從不同的角度上觀察相機(jī)的結(jié)構(gòu)。(2)手動控制展示。在這種方式下，學(xué)習(xí)者可以自主轉(zhuǎn)動相機(jī)，從不同角度細(xì)致地觀察相機(jī)。

為了實現(xiàn)相機(jī)的自由旋轉(zhuǎn)展示，可以運用時間傳感器節(jié)點(TimeSensor)和方向插補(bǔ)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(biāo)記時間的流逝，設(shè)置開始動畫、結(jié)束動畫和控制動畫的播放速度等屬性，并向插補(bǔ)器節(jié)點輸出時間事件，產(chǎn)生相應(yīng)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(bǔ)器節(jié)點使用一組關(guān)鍵時刻和關(guān)鍵值來描述一個動畫。關(guān)鍵時刻列表在插補(bǔ)器節(jié)點的key域中指定，關(guān)鍵值列表在插補(bǔ)器節(jié)點的keyvalue域中指定。瀏覽器在渲染時將根據(jù)這些關(guān)鍵時刻所對應(yīng)的關(guān)鍵狀態(tài)在場景中通過線性插值計算技術(shù)自動生成連續(xù)動畫。實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)展示部分相應(yīng)代碼如下：

OrientationInterpolator{ //創(chuàng)建控制動畫的插補(bǔ)器
key [0 0.5 1]//指定關(guān)鍵時刻列表
keyValue [//指定對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)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(yīng)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(bǔ)器的set_fraction入事件，每次時間傳感器輸出一個新的時刻，插補(bǔ)器就會利用輸入的時間計算出一個新的旋轉(zhuǎn)值，然后通過其value_changed出事件路由到方向插補(bǔ)器節(jié)點。

為了能從各種角度來展示相機(jī)，運用SphereSensor傳感器節(jié)點，對相機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)角和角度。通過使用它的rotation_changed域輸出變化的參數(shù)，對相機(jī)整體進(jìn)行360°上下左右的旋轉(zhuǎn)完成相機(jī)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(biāo)事件，一般的鼠標(biāo)操作通常有3種：移動、點擊、拖動。本設(shè)計主要使用了移動操作，當(dāng)用戶進(jìn)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(yīng)的程序完成相應(yīng)的操作，然后在VRML場景中運用Onmousemove感知鼠標(biāo)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(biāo)的移動事件，當(dāng)鼠標(biāo)作用于VRML場景時會觸發(fā)相應(yīng)的處理事件javascript代碼，例如當(dāng)鼠標(biāo)移動到LCD顯示屏?xí)r，用到了條件判斷語句對其進(jìn)行判斷：
if(M_e.Nodes(Viewfinder_button).Fields(isOver)==-1){
display_div(2，12)；
}

然后進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。其中Viewfinder_button是取景器的觸發(fā)傳感器TouchSensor的名稱。

3.2 數(shù)碼相機(jī)曝光模式的選擇模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

　在實驗2中，要求能模擬真實的數(shù)碼相機(jī)的操作，允許學(xué)習(xí)者通過轉(zhuǎn)動曝光模式調(diào)節(jié)環(huán)，選擇不同的曝光模式。每一種曝光模式都有各自的特點以及適用的場合。實現(xiàn)這一效果，是在VRML中使用CylinderSensor(圓柱傳感器)與Script節(jié)點的結(jié)合實現(xiàn)了用戶與曝光模式選擇盤的交互。CylinderSensor節(jié)點也可以感知一個觀察者的拖動動作，并且計算轉(zhuǎn)軸和角度，通過它的rotation_changed域(eventOut出事件)輸出。其代碼如下：
CylinderSensor{
exposedField SFFloat minAngle 0
exposedField SFFloat maxAngle -1
exposedField SFBool enabled TRUE
exposedField SFFloat diskAngle 0.262
exposedField SFFloat offset 0
exposedField SFFloat autooffset TRUE
eventOut SFBool isActive
eventOut SFVce3f trackPoint_changed
eventOut SFRotation rotation_changed
}

觀察者每次改變軌跡點時，autoOffset、offset、maxAngle和minAngle域值在一起作用把軌跡點轉(zhuǎn)化成為旋轉(zhuǎn)值，并通過rotation_changed域(eventOut出事件)輸出。然后通過旋轉(zhuǎn)角度的不同改變LCD顯示屏上不同的曝光模式畫面。同時也向瀏覽器環(huán)境傳遞不同的旋轉(zhuǎn)角度，瀏覽器根據(jù)不同的旋轉(zhuǎn)角度來顯示不同的模式說明。

3.3 光圈與快門的調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

實驗3和實驗4分別是針對光圈大小和快門大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后在模擬的場景中進(jìn)行拍攝，比較不同的光圈值和快門速度對畫面成像效果的影響。這樣，既讓學(xué)生掌握了光圈和快門值的調(diào)整方法，又讓他們理解了光圈值和快門速度與畫面成像效果的關(guān)系。這兩部分實現(xiàn)的方法相似，所以在此一并說明。

以快門速度的調(diào)整為例，通過設(shè)置不同的快門速度，模擬了不同的成像效果。首先通過機(jī)身上的調(diào)節(jié)按鈕設(shè)置快門速度，如圖1所示，分別設(shè)置快門速度為1/200 s與1/1 000 s。

然后到模擬的三維場景中進(jìn)行取景操作。由于不同的快門速度對成像效果的影響主要是體現(xiàn)在動態(tài)被攝對象上，所以，在場景中模擬了一輛奔跑的汽車，按下拍攝，即可得到模擬的成像效果，如圖2所示。

具體實現(xiàn)方法如下：
if(a==4){
M_e.Nodes(tv_sensor).Fields(offset)=-4.125；
M_e.Nodes(tv_sensor).Fields(enabled)=-1；
M_e.Nodes(start_t4_script).Fields(show)=-1；
}
else{
M_e.Nodes(tv_sensor).Fields(enabled)=0；
if(a==1||a==2){
M_e.Nodes(start_t4_script).Fields(show)=0；
}else{
M_e.Nodes(start_t5_script).Fields(show)=0；
}
document.getElementById(left_content).style.display=none
也就是用JavaScript啟動了VRML中快門傳感器和控制放在VRML中快門傳感器的動作。
4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與插件的自動安裝
VRML 文件可以采用超級鏈接的方式把HTML文件和VRML 文件鏈接到一起，這對于三維模型的虛擬展示具有十分重要意義。HTML文件格式的標(biāo)準(zhǔn)并不支持對VRML文檔的嵌入，但非標(biāo)準(zhǔn)HTML提供＜EMBED＞標(biāo)記可實現(xiàn)VRML文檔的嵌入。例如下面的語句實現(xiàn)了VRML文檔camera.wrl在HTML文件中的嵌入，其中SRC域指定關(guān)聯(lián)的URL，“camera.wrl”是一個VRML文件。
OBJECT CLASSID=CLSID：4B6E3013-6E45-11D0-9309-0020AFE05CC8 WIDTH=600px HEIGHT=400px； >
PARAM NAME=SRC VALUE=vrml/camera.wrl>
EMBED name=camera id=camera src=vrml/camera.wrl TYPE=application/x-cc3d onmousemove=test1_contactVW()；/>
/OBJECT>
在網(wǎng)頁中要進(jìn)行對VRML的操作只進(jìn)行上述嵌入是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要通過javaScript中的M_e=camera.Engine，獲取對相機(jī)VRML場景的句柄并賦給M_e。這樣，就可以對VRML場景中的每一個節(jié)點中的每一個域和事件的值進(jìn)行獲取了。

為了保證用戶機(jī)器上能正常播放，需要在用戶機(jī)器上安裝VRML瀏覽器?？赏ㄟ^以下代碼實現(xiàn)自動安裝：
OBJECT CLASSID=CLSID：4B6E3013-6E45-11D0-9309-0020AFE05CC8 WIDTH=600px HEIGHT=400px；
codebase=source/cortvrml.exe>
PARAM NAME=SRC VALUE=vrml/camera.wrl>
EMBED name=camera id=camera src=vrml/camera.wrl pluginspage=source/cortvrml.exe type=application/x-shockwave-flash TYPE=application/x-cc3d onmousemove=test1_contactVW()；/>
/OBJECT>

虛擬實驗是開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的一個瓶頸，而其中最關(guān)鍵的是沒能較好地解決交互性的問題。利用VRML技術(shù)，結(jié)合支持VRML的開發(fā)工具構(gòu)建一個虛擬實驗環(huán)境，并利用Java提供的支持VRML的開發(fā)包，實現(xiàn)了用戶與虛擬環(huán)境之間的交互，可以滿足數(shù)碼攝影虛擬實驗教學(xué)的需要。實驗常常是一種協(xié)作性的活動，合作是實驗過程中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因此，要充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增強(qiáng)對虛擬實驗的協(xié)同操作，進(jìn)一步體現(xiàn)網(wǎng)上實驗的優(yōu)勢[4]。