基于VRML和JavaScript的數(shù)碼攝影虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 研究思路與開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

目前，基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行三維交互展示的有效處理方法是使用專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，如采用AUTOCAD、3DS MAX等將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的三維模型設(shè)計(jì)出來(lái)。這種方法建模過(guò)程直觀形象，但生成的模型和動(dòng)畫(huà)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(shí)設(shè)計(jì)軟件所需要的格式文件，用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維展示的交互設(shè)計(jì)，最后將它發(fā)布到網(wǎng)站上[1]。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)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(shí)現(xiàn)方法。它們各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種描述大量對(duì)象的屬性及相互關(guān)系的語(yǔ)言，具有平臺(tái)無(wú)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。雖然VRML可以通過(guò)直接編程進(jìn)行語(yǔ)義描述，建立實(shí)驗(yàn)對(duì)象的三維模型，但這種方法適合建立簡(jiǎn)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(pán)、控制撥輪以及各個(gè)操作按鈕等，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不宜直接用VRML語(yǔ)言進(jìn)行語(yǔ)義描述。而是利用3DS MAX建立整個(gè)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(jì)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布，建立逼真的交互式三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以讓學(xué)生隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽三維場(chǎng)景，并通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2 三維虛擬數(shù)碼單反相機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象的建模是虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的一步，模型的好壞直接影響運(yùn)行的效果和場(chǎng)景的沉浸度。為了便于在VRML瀏覽器中設(shè)計(jì)三維數(shù)碼單反相機(jī)的交互，可以真實(shí)地模擬實(shí)際操作進(jìn)行鏡頭的旋轉(zhuǎn)、曝光模式選擇盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)、控制撥輪和按鈕的操作等，在對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行建模時(shí)，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(yùn)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(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)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(yǔ)言結(jié)合JavaScript實(shí)現(xiàn)數(shù)碼單反相機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)

數(shù)碼單反相機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共包括四個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是：認(rèn)識(shí)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(mén)調(diào)節(jié)。

3.1 認(rèn)識(shí)數(shù)碼單反相機(jī)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[3]

實(shí)驗(yàn)1是對(duì)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(dòng)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(dòng)控制展示。在這種方式下，學(xué)習(xí)者可以自主轉(zhuǎn)動(dòng)相機(jī)，從不同角度細(xì)致地觀察相機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)相機(jī)的自由旋轉(zhuǎn)展示，可以運(yùn)用時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)(TimeSensor)和方向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)(OrientationInterpolator)。TimeSensor節(jié)點(diǎn)的作用是創(chuàng)建一個(gè)虛擬時(shí)鐘，可以像時(shí)鐘一樣標(biāo)記時(shí)間的流逝，設(shè)置開(kāi)始動(dòng)畫(huà)、結(jié)束動(dòng)畫(huà)和控制動(dòng)畫(huà)的播放速度等屬性，并向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)輸出時(shí)間事件，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)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(diǎn)使用一組關(guān)鍵時(shí)刻和關(guān)鍵值來(lái)描述一個(gè)動(dòng)畫(huà)。關(guān)鍵時(shí)刻列表在插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)的key域中指定，關(guān)鍵值列表在插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)的keyvalue域中指定。瀏覽器在渲染時(shí)將根據(jù)這些關(guān)鍵時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵狀態(tài)在場(chǎng)景中通過(guò)線性插值計(jì)算技術(shù)自動(dòng)生成連續(xù)動(dòng)畫(huà)。實(shí)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(dòng)畫(huà)的插補(bǔ)器
key [0 0.5 1]//指定關(guān)鍵時(shí)刻列表
keyValue [//指定對(duì)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(dòng)畫(huà)的時(shí)間感應(yīng)器
enabled TRUE
cycleInterval 30//指定每個(gè)變化周期的時(shí)間長(zhǎng)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(shí)間傳感器輸出一個(gè)新的時(shí)刻，插補(bǔ)器就會(huì)利用輸入的時(shí)間計(jì)算出一個(gè)新的旋轉(zhuǎn)值，然后通過(guò)其value_changed出事件路由到方向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)。

為了能從各種角度來(lái)展示相機(jī)，運(yùn)用SphereSensor傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)相機(jī)進(jìn)行了手動(dòng)的三維展示。 SphereSensor節(jié)點(diǎn)用于感知觀察者的拖動(dòng)動(dòng)作，并且計(jì)算旋轉(zhuǎn)角和角度。通過(guò)使用它的rotation_changed域輸出變化的參數(shù)，對(duì)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(dòng)展示。代碼如下：
SphereSensor{
enabled TRUE
}

ROUTE camera_sd.rotation_changed TO camera_all.rotation
對(duì)于VRML窗口與網(wǎng)頁(yè)之間的交互主要是通過(guò)JavaScript和VRML中的TouchSensor節(jié)點(diǎn)完成。由于TouchSensor節(jié)點(diǎn)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(dòng)、點(diǎn)擊、拖動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要使用了移動(dòng)操作，當(dāng)用戶進(jìn)行移動(dòng)操作的時(shí)候會(huì)使TouchSensor中的isOver公共域變?yōu)門(mén)RUE，傳遞出去一個(gè)真事件。在網(wǎng)頁(yè)中用JavaScript接收到該事件再運(yùn)用相應(yīng)的程序完成相應(yīng)的操作，然后在VRML場(chǎng)景中運(yùn)用Onmousemove感知鼠標(biāo)的移動(dòng)事件。VRML場(chǎng)景中主要代碼：
Touchsensor {
Enabled TRUE
}

在網(wǎng)頁(yè)中對(duì)VRML場(chǎng)景運(yùn)用了Onmousemove感知鼠標(biāo)的移動(dòng)事件，當(dāng)鼠標(biāo)作用于VRML場(chǎng)景時(shí)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的處理事件javascript代碼，例如當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到LCD顯示屏?xí)r，用到了條件判斷語(yǔ)句對(duì)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(chēng)。

3.2 數(shù)碼相機(jī)曝光模式的選擇模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　在實(shí)驗(yàn)2中，要求能模擬真實(shí)的數(shù)碼相機(jī)的操作，允許學(xué)習(xí)者通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)以及適用的場(chǎng)合。實(shí)現(xiàn)這一效果，是在VRML中使用CylinderSensor(圓柱傳感器)與Script節(jié)點(diǎn)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了用戶與曝光模式選擇盤(pán)的交互。CylinderSensor節(jié)點(diǎn)也可以感知一個(gè)觀察者的拖動(dòng)動(dòng)作，并且計(jì)算轉(zhuǎn)軸和角度，通過(guò)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(diǎn)時(shí)，autoOffset、offset、maxAngle和minAngle域值在一起作用把軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)化成為旋轉(zhuǎn)值，并通過(guò)rotation_changed域(eventOut出事件)輸出。然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度的不同改變LCD顯示屏上不同的曝光模式畫(huà)面。同時(shí)也向?yàn)g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(lái)顯示不同的模式說(shuō)明。

3.3 光圈與快門(mén)的調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4分別是針對(duì)光圈大小和快門(mén)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后在模擬的場(chǎng)景中進(jìn)行拍攝，比較不同的光圈值和快門(mén)速度對(duì)畫(huà)面成像效果的影響。這樣，既讓學(xué)生掌握了光圈和快門(mén)值的調(diào)整方法，又讓他們理解了光圈值和快門(mén)速度與畫(huà)面成像效果的關(guān)系。這兩部分實(shí)現(xiàn)的方法相似，所以在此一并說(shuō)明。

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

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

具體實(shí)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(dòng)了VRML中快門(mén)傳感器和控制放在VRML中快門(mén)傳感器的動(dòng)作。
4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與插件的自動(dòng)安裝
VRML 文件可以采用超級(jí)鏈接的方式把HTML文件和VRML 文件鏈接到一起，這對(duì)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(duì)VRML文檔的嵌入，但非標(biāo)準(zhǔn)HTML提供＜EMBED＞標(biāo)記可實(shí)現(xiàn)VRML文檔的嵌入。例如下面的語(yǔ)句實(shí)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(gè)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(yè)中要進(jìn)行對(duì)VRML的操作只進(jìn)行上述嵌入是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要通過(guò)javaScript中的M_e=camera.Engine，獲取對(duì)相機(jī)VRML場(chǎng)景的句柄并賦給M_e。這樣，就可以對(duì)VRML場(chǎng)景中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)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。可通過(guò)以下代碼實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)是開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的一個(gè)瓶頸，而其中最關(guān)鍵的是沒(méi)能較好地解決交互性的問(wèn)題。利用VRML技術(shù)，結(jié)合支持VRML的開(kāi)發(fā)工具構(gòu)建一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并利用Java提供的支持VRML的開(kāi)發(fā)包，實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。實(shí)驗(yàn)常常是一種協(xié)作性的活動(dòng)，合作是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)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(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的協(xié)同操作，進(jìn)一步體現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)[4]。