室内环境三维虚拟实时交互定制-毕业论文.doc

西 南 交 通 大 学
本科毕业设计（论文）

室内环境三维虚拟实时交互定制
Three-dimensional Virtual and Real-time Interactive Customization for Indoor Environment

第VII页
西南交通大学本科毕业设计(论文)

院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化
年 级 姓 名
题 目 室内环境三维虚拟实时交互定制

指导教师
评 语

指导教师 (签章)

评 阅 人
评 语

评 阅 人 (签章)

成 绩

答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

毕业设计（论文）任务书

班 级 学生姓名 学 号
发题日期： 年 月 日 完成日期： 月 日
题 目 室内环境三维虚拟实时交互定制
1、本论文的目的、意义目的：以对学校实验室X5112的建模，设计一个对该教室的远程异地三维实时交互定制设计平台。对cad，pro/e和3Dsmax建模的熟悉以及对VRML运用。通过使用VRML进行编程，了解基于网页虚拟现实技术的发展现状。如今，在国外VRML已经广泛应用于生活、生产、科研教学、商务甚至军事等各种领域，并取得了巨大的经济效益。
通过研究室内环境的定制设计，了解三维虚拟定制设计的优越性。VRML给我们带了个一个全新的三维世界，让我们的互联网不再仅仅停留在平面上，它使这个虚拟的世界动了起来，而且不仅仅是他自己能动，我们还可以让他按照我们的意志而动。VRML创造的是一个可进入、可参与的世界。 你可以在计算机网络上看到一幅幅生动、逼真的三维立体世界，你可以在里面自由的遨游。VRML是一种国际标准，其规范由国际标准化组织(ISO)定义，MIME类型为x-world/x-VRML，它的表现与操作系统平台无关。
2、学生应完成的任务
学习VRML，Java语言，进行人机交互界面设计
使用3DSMAX对实验室X5112进行三维建模
了解虚拟现实技术的应用范围和发展现状趋势
对布局进行人机交互定制，定制两种布局模型
对灯，门，窗进行人机交互
进行控制面板设计，制作网页
3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）
第一部分 收集资料，学习建模软件和编程软件 (3周)
第二部分 毕业设计实习 (1周)
第三部分 设计模型和绘制 (1周)
第四部分 分解任务，逐一解决设计中的关键问题 ( 3周)
第五部分 导入模型，整合程序，进行交互设计 (3 周)
评阅及答辩 进行主界面设计，后期网页制作 ( 1周)

备 注

指导教师： 年 月 日
审 批 人： 年 月 日

摘 要

互联网的普及对各行业都带来了巨大的发展意义。现在很多的设计都是基于互联网平台进行的，其中包括建筑环境设计、实验室内部布局设计等。
本论文以西南交通大学犀浦校区国家级机械基础实验教学示范中心的机械展示厅X5112为对象进行实验室内部布局的定制设计。对X5112实验室的外观进行原貌建模，并在室内进行两种布局的定制，以符合不同应用场合的需求。基于Web的虚拟定制设计可以满足各种实验对场地的使用要求，提高实验室使用效率，节省制作建筑模型的成本和时间。同时，基于网页的三维实时交互定制使设计者和消费者能更方便的交流。
本定制设计由视点定位、视点巡航场景控制和布局定制等模块组成，用户可以形象、生动地了解实验室的内部环境，可以通过定制设计决定选择哪种布局，以便更有效地利用室内空间。
通过加入虚拟导航，本设计尽可能让使用者产生“身临其境”的感觉。在室外门口的视点，可以通过“推门”的动作来打开门。门的推拉跟现实中一样，能旋转90°，且不能反向旋转，完全符合实际情况。在室内，按照要求，安装了六排日光灯，加入接触传感器，可以通过开关处的传感器打开日光灯。初始状态下，室内的光线是比较暗的。使用者需要点击左边的控制面板“灯开关”视点找到室内的灯开关，然后按开关以打开室内灯，才能清楚的看到室内的布局环境。使用者可以 “推拉”窗户以打开或者关闭窗户。
本设计在视觉上追求“身临其境”的逼真感，对实验室内部环境和室外的部分环境进行贴图，图片源于对X5112的实地现场拍摄，经过修改处理后使用。
设计中加入了视点导航的功能。点击左边控制面板的“全景浏览”按钮，程序进入全景浏览状态，观看者从门口“步行”绕室内一圈，完整的看清室内各个角落，并且从不同的角度和位置观看室内环境，使用户对实验室环境有更深层次的认识。
通过多次反复修改、调试，定制系统满足设计要求。
关键词：室内环境 定制 交互 设计

Abstract
The popularization of the internet makes a contribution to many callings. Nowadays many businesses are based on the Internet. There are large number businesses of decoration are based on Internet.
This design built a model of the classroom X5112 of Southwest Jiaotong University. It built a breathing model of X5112 by using 3DSMAX, and built two kinds of layout to satisfy different requirements. This design not only satisfied different kinds of requirements but also retrenched time and cost. Web-based 3D real-time interaction can be customized so that designers and consumers a more convenient communication.
This design included orientation of viewpoint, roam, and customize of scene. User can see wherever he wants to see. It even can make a different scene of this model. In this way, user can make a rational use of the space of this room.
In this program, we try our best to improve the third dimension by take analog navigation in. At the front of the door, user can open the door by “push” the door. It likes the user stand in front of a real room. In the room, there are six groups of fluorescent lamps, users can turn on those fluorescent lamps by touch the switch. At initial condition, it is dark in the room, after turn on the lights; users can see the room clearly. There are windows on the wall, users can open the windows and see the landscape outside the windows.
This design makes it lifelike. Take photos in the model, so that we can feel we are in a real room. The photos are taken in the classroom X5112, and then amend by software like Photoshop and so on.
Design viewpoint navigation functions added. Click on the left Control Panel's "panoramic view" button, the program state into the panoramic view, will watch from the door for the first-person "walk" around the indoor ring, so users can see the room clearly and completely.
By several revisions, the program ran like what it depiction above. The program meet the require.

Key words: Indoor Environment, Customize Interaction Design

目 录
绪论 1
Ⅰ 问题的提出 1
Ⅱ 国内外研究现状 1
Ⅲ 本文研究的主要内容、目标与方法 3
第1章 X5112模型建立 4
1.1 外型设计 4
1.1.1 整体 4
1.1.2 展柜 4
1.1.3 灯 5
1.1.4 门 6
1.1.5 窗户 7
第2章 模型真实感处理 8
2.1 模型颜色的修改 8
2.2 模型的贴图 9
第3章 人机交互设计 12
3.1 门的打开与关闭 12
3.2 窗户的开关 15
3.3 室内灯光的开关 17
3.3.1 环境自然光线 17
3.3.2 室内灯光控制 18
3.4 布局设计 22
3.5 视点控制 26
3.6 全景浏览 31
第4章 控制面板设计 37
4.1 无传感器的HUD 37
4.2 带传感器的HUD 38
4.3 两种HUD的对比 40
第5章 网页设计 41
结 论 44
致 谢 45
参考文献 46
附录：实习报告 47

第51页
西南交通大学本科毕业设计(论文)
绪论
Ⅰ 问题的提出
随着我国综合国力的发展，人民的生活水平得到了大幅度的提高。许多人都为自己或者子女购置了房屋。人的一生，绝大部分时间是在室内渡过的。因此，人们设计创造的室内环境，必然会直接关系到室内生活、生产活动的质量，关系到人们的安全、健康、效率、舒适等等。室内环境的创造，应该把保障安全和有利于人们的身心健康作为室内设计的首要前提。人们对于室内环境除了有使用安排、冷暖光照等物质功能方面的要求之外，还常有与建筑物的类型、性格相适应的室内环境氛围、风格文脉等精神功能方面的要求。由于人们长时间地生活活动于室内，因此现代室内设计，或称室内环境设计，相对地是环境设计系列中和人们关系最为密切的环节。
然而，人们生活节奏的加快，很多时候不能亲身到楼房现场看房，但互联网的普及正好弥补了这个不足处。现在，有很多的事情可以在网上完成。比如：网上传送邮件（E-Mail）、网络电话、网络视频，甚至日渐成熟的网上交易。要实现网上交易，首先要把商品呈现在消费者面前，不论是以文字、图片或是视频的形式。然而，不论是视频还是图片，都有共同的缺陷：消费者不能按自己的意愿来查看所需商品。这是网络交易的一大硬伤，因为受HTML的限制，WWW网页只能是平面的结构，就算 JAVA语言能够为网页增色不少， 但也仅仅停留在平面设计阶段，而且实现环境与浏览者的动态交互是非常繁琐的。 然而，VRML的出现，让世界从显示器上“跳”了出来，创造了一个可进入、可参与的世界。
Ⅱ 国内外研究现状
互联网的普及对各行业都带来了巨大的发展意义。现在很多的交易都是基于互联网平台进行的。然而熟悉WWW的人都知道，受HTML的限制，网页只能是平面的结构，就算 JAVA语言能够为网页增色不少， 但也仅仅停留在平面设计阶段，而且实现环境与浏览者的动态交互是非常繁琐的。 VRML创造的是一个可进入、可参与的世界。 你可以在计算机网络上看到一幅幅生动、逼真的三维立体世界，你可以在里面自由的遨游。VRML是一种国际标准，其规范由国际标准化组织(ISO)定义，MIME类型为 x-world/x-vrml，它的表现与操作系统平台无关。由于VRMLl.0的种种限制，VRML2.0的产生也就是不可避免的。VRMLl.0只能创建静态的3D景物。因此虽然能用WMLl.0来建立用户的虚拟代表，它们却不能做其他任何事情。但是，VRML2.0能够改变这一点，它增加了行为，可以让物体旋转、行走、滚动、改变颜色和大小。 比较起来，VRML2.O比VRMLl.0有了长足的进步，其巨大的改变，正如当年MicroSoft公司的Window95比之Windows3.0的进步。
VRML发展已经成为新的国际标准X3D，它在VRML的基础上做了很多改动。X3D是一种支持XML编码格式的开放式3D标准,3D数据可以通过网络实现实时交流，具有可移植性，页面整合性，易于和下一代的网络技术整合，另外采用了组件化结构设计减少了系统资源的占用且具有很强的扩展性。
如今，在国外VRML已经广泛应用于生活、生产、科研教学、商务甚至军事等各种领域，并取得了巨大的经济效益。VRML给我们带了个一个全新的三维世界，让我们的互联网不再仅仅停留在平面上，它使这个虚拟的世界动了起来，而且不光是他自己能动，我们还可以让他按照我们的意志动。
虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。自1962年，美国青年（Morton Heilig）,发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。在国际互联网发展迅猛的今天，具有广泛的应用前景。重大的发展过程如下：VRML开始于20世纪90年代初期。1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字。1994年10月在芝加哥召开的第二届WWW大会上公布了规范的VRML1.0标准。VRML1.0可以创建静态的3D景物，但没有声音和动画，你可以在它们之间移动，但不允许用户使用交互功能来浏览三维世界。它只有一个可以探索的静态世界。
1996年8月在新奥尔良召开的优秀3D图形技术会议-Siggraph'96上公布通过了规范的VRML2.0标准。它在 VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。它是以SGI公司的动态境界Moving Worlds提案为基础的。比VRML1.0增加了近 30个节点，增强了静态世界，使3D场景更加逼真，并增加了交互性、动画功能、编程功能、原形定义功能。
1997年12月VRML作为国际标准正式发布，1998年1月正式获得国际标准化组织ISO批准（国际标准号ISO/IEC14772-1:1997）。简称VRML97。VRML97只是在VRML2.0基础进行上进行了少量的修正。但它这意味着VRML已经成为虚拟现实行业的国际标准。
1999年底，VRML的又一种编码方案X3D草案发布。X3D整合正在发展的XML、JAVA、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。以及对数据流强有力的控制，多种多样的交互形式。
2000年6月世界web3D协会发布了VRML2000国际标准（草案），2000年9月又发布了VRML2000国际标准（草案修订版）。预计将在2002年，正式发表X3D标准。及相关3D浏览器。由此，虚拟现实技术进入了一个崭新的发展时代。
Wed3D协会其组织包括各种97家会员公司。主要公司如下： Sun、Sony、Hp、Oracle 、Philips 、3Dlabs 、ATI 、3Dfx、Autodesk /Discreet、ELSA、Division、MultiGen、Elsa、NASA、Nvidia、France Telecom等等。
其中以Blaxxun和ParallelGraphics公司为代表，它们都有各自的VR浏览器插件。并各自开发基于VRML标准的扩展节点功能。使3D的效果，交互性能更加完美。支持MPEG，Mov、Avi等视频文件， Rm等流媒体文件，Wav、Midi、Mp3、Aiff等多种音频文件，Flash动画文件，多种材质效果，支持Nurbs曲线，粒子效果，雾化效果。支持多人的交互环境，VR眼镜等硬件设备。在娱乐、电子商务等领域都有成功的应用。并各自为适应X3D的发展，以X3D为核心，有Blaxxun3D等相关产品。在虚拟场景，尤其是大场景的应用方面，以VRML标准为核心的技术具有独特的优势。
Ⅲ 本文研究的主要内容、目标与方法
本文主要以西南交大犀浦校区X5112教室为原型进行设计和改造。对X5112进行三维虚拟定制，包括外观，布局和灯光等等。对模型进行了推门，开窗和试点导航等动作的编程。
目标就是使观看者有身临其境的感觉，使观看者能对房屋进行各方面的了解，并根据自己的需求进行定制。
虚拟程序的模型是通过3DSMAX进行初期模型建立，在VRML进行程序设计，力求能达到最好的实际效果。

第1章 X5112模型建立
通过对X5112的参观拍照后，用3DSMAX对其进行模型建立。主要包括墙壁、窗户、门、灯和展柜等。以.VRL格式导出后用 VRML进行编程。
1.1 外型设计
1.1.1 整体
X5112外型根据教室的照片及长度估算得来。整体跟普通教室是一样的，为长方形。用3DSMAX建模时以实际为标准进行模型建立。墙壁和门都是用box来完成，灯和灯吊线则是用cylinder来表现。为了符合实际的比例，在3DSMAX里，模型的长度为172，宽为130，高度则为38。整体外观造型如图：
图1-1 X5112实验室初始外观模型
内部模型包括黑板、柱子、展柜和灯。在3DSMAX建模时，天花板的模型被放在最后一步来完成，以便于对内部环境的建模。内部环境主要是由展柜构成，展柜一共两组，每组两排。两组展柜有不同尺寸和模型。展柜由box构成。
1.1.2 展柜
第一组展柜靠门放置，有两排，每排5个展柜，一共10个。每个展柜由玻璃橱窗和展柜座构成，他们长宽高参数分别为：（18，5，15）（18，5，3）。完成后如图所示：

图1-2 靠门组展柜初始模型
第二组展柜靠窗布置，有两排，每排10个展柜，一共20个。每个展柜由玻璃橱窗和展柜座构成，他们长宽高参数分别为：（12，3.5，12）（12，5，6），完成后如图所示：

图1-3 靠窗组展柜初始模型
1.1.3 灯
灯由4个部分组合而成，包括灯管、灯盖、隔板和吊绳。其中灯管是半径为0.3，长度为10.2的圆柱体（cylinder），灯盖是一个长方体（box），其长宽高分别为135，1.5，0.3，隔板也是长方体，其长宽高分别为3，1.5，0.8，吊绳是圆柱体，半径为0.1，高度为10。完成后如图所示：
图1-4 日光灯模型
1.1.4 门
按照实际情况，该模型分为前后门，都是左右双开的两扇门。前后门是同样的模型，门由长方体构成，一共四扇门，参数一样，长宽高分别为7，1，23。与门框是无缝切合。完成后门的初始模型如图：

图1-5 门初始模型
1.1.5 窗户
实验室的窗户一共八扇，每扇尺寸都相同。由4个长方体组成窗户的框架，上下两个模型一样，长宽高分别为16.625，1，1，左右两个模型一样，长宽高分别为1，1，14，一个长方体作为玻璃的部分，长宽高分别为16.625，0.2，12。完成后模型如下图：

图1-6 窗户初始模型

第2章 模型真实感处理

3DSMAX建模后，每个单元有不同的颜色，为了使实验室模型看起来更逼真，先把模型的各个单元改成符合实际的颜色，再通过贴图来达到模型的真实化。
2.1 模型颜色的修改
3DSMAX导出的模型自带随机颜色。在VRML里用程序表示出来 ，例如：
DEF Box01 Transform {
translation 0 0 0
children [
Transform {
translation 0 16 0
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor 0.95 0.95 0.95
}
}
geometry Box { size 3 32 104 }
}
] }
]
}
程序中定义模型颜色的语句为diffuseColor 0.95 0.95 0.95。VRML的颜色是一个RGB（红_绿_蓝）色彩三元组，上面程序中的制定的颜色参数0.95 0.95 0.95是三元组的每个组员的浮点数，各个组员之间用空格分隔开。通过修改所有模型的颜色参数之后，以达到修改整个模型颜色的目的。
程序中的窗户是通过transparency来达到透明的效果。
material Material {
diffuseColor 0.451 0.451 0.451
transparency 1
}
2.2 模型的贴图
VRML程序可以通过在原有模型表面贴图来模拟真实环境。其中ImageTexture节点是用来进行纹理映射的最普通的节点。利用这个节点，提供JPEG、PNG或GIF格式贴图文件的URL，VRML浏览器从这些文件中取出纹理贴图，并将其用于造型。
ImageTexture节点说明了映射属性，并可以作为Appearance节点的Texture域的值。程序中，贴图用到程序：
DEF image_01 Transform {
children [
Transform {
translation 0 16 0
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {}
texture ImageTexture {
url"image\01.jpg"
}
}
geometry IndexedFaceSet {
coord Coordinate {
point [
-1.6 -10 0
-1.6 -10 50
-1.6 15 50
-1.6 15 0 ]
}
coordIndex [0 1 2 3]
texCoord TextureCoordinate {
point [
0 0
1 0
1 1
0 1
]
}
texCoordIndex [0 1 2 3]
}
}
]
} ] }
以上程序完成墙面上实验室标示牌和各部分真实感的贴图。ImageTexture通过url指定图片文件地址进行贴图，程序中url"image\01.jpg"是把image文件夹里的图片01.jpg打开。贴图中，通过指定coord Coordinate的坐标来定位图片的四个角的位置，texCoord TextureCoordinate通过定义四个的的排列来固定图片的位置，在coord Coordinate中，定义的point的坐标是translation为基础的相对坐标。程序中，point[0 0 1 0 1 1 0 1]定义了前边指定的四个点的排列顺序。贴图后场景效果：
图2-1 门贴图

图2-2 展柜模型
图2-3 灯开关模型
图2-4 黑板模型
第3章 人机交互设计
人机交互控制程序是本设计的主要部分。交互操作主要包括：1、门的打开与关闭；2、窗户开关；3、室内灯光的开关控制；4、场景控制；5、视点定位；6、全景浏览。
3.1 门的打开与关闭
开关门的动作设置成用鼠标控制，可以通过CylinderSensor（圆柱监控器）节点来完成。圆柱监控器节点把二维的拖曳输入转变为三维空间中沿y轴的旋转。在本设计中，门的开关可以视为绕z轴的旋转。导入模型后先绕x轴旋转90°，模型回归正常角度后即可绕通过CylinderSensorz轴旋转。通过center语句将旋转中心移动到门与门框的连接处。门的打开与关闭程序：
DEF FrontDoorL Transform {
translation 7 0 63.5
children [
DEF SENSOR1 CylinderSensor {
minAngle 0
maxAngle 1.5
diskAngle 0.78
}
DEF Box10_0 Transform {
translation 0 11.5 0
center 0 11.5 -3.5
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor 0.3 0.3 0.2
}
texture ImageTexture {
url"image\36.jpg"
}
}
geometry Box { size 1 23 7 }
}
] } ]
}
程序中，minAngle 0和maxAngle 1.5是定义门开启的角度，程序中定义门的开合度数范围为0-85。diskAngle在程序中用于决定被监控对象的动作是像一个圆柱或像磁碟绕y轴旋转。若在圆柱轴附近点击，被监控对象的动作像磁碟转动，否则像圆柱一样转动。最后加入路由来完成程序：
ROUTE SENSOR1.rotation_changed TO Box10_0.rotation
图3-1 门关闭状态

图3-2 门半开状态
图3-3 门全开状态

3.2 窗户的开关
程序的窗户使用点击打开，单击窗户后，窗户会自动滑动打开。通过触动传感器（TouchSensor）、时间传感器（TimeSensor）和坐标插值器（PositionInterpolator）共同完成。窗户开关程序：
DEF chuanghu Transform {
children [
DEF chG_time TimeSensor {
cycleInterval 10
loop FALSE
enabled TRUE
startTime 1000
}
DEF chG_weizhi PositionInterpolator {
key [ 0 0.25 0.5 0.75 1.0]
keyValue [
0 0 0
0 0 5
0 0 10
0 0 15
0 0 17.63
]
}
DEF chG Transform {
children [
DEF chG_tou