摘  要： 設計開發(fā)了三維虛擬數(shù)碼單反相機，使學生對數(shù)碼單反相機有直觀形象的認識,，再使用VRML軟件進行交互設計并實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布，建立逼真的交互式三維虛擬實驗環(huán)境,，實現(xiàn)數(shù)碼攝影虛擬實驗,。
關鍵詞： VRML；JavaScript,；虛擬實驗,；三維建模；三維場景,；數(shù)碼單反相機

1 研究思路與開發(fā)平臺的選擇
　目前,，基于網(wǎng)絡對實驗對象進行三維交互展示的有效處理方法是使用專業(yè)的設計軟件，如采用AUTOCAD,、3DS MAX等將實驗對象的三維模型設計出來,。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行交互,，需要將三維模型導出為相關虛擬現(xiàn)實設計軟件所需要的格式文件,，用虛擬現(xiàn)實設計軟件進行三維展示的交互設計，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系的語言，具有平臺無關性,、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)碼單反相機主要由機身和鏡頭兩部分組成。機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,，結構比較復雜,，不宜直接用VRML語言進行語義描述。而是利用3DS MAX建立整個模型,，并賦予材質,、色彩、光照,，導出VRML的格式文件(.*wrl文件),。因此，選擇3DS MAX進行建模,，再使用VRML軟件進行交互設計并實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布,，建立逼真的交互式三維虛擬實驗環(huán)境，可以讓學生隨時通過網(wǎng)絡瀏覽三維場景,，并通過人機交互進行仿真實驗,。
2 三維虛擬數(shù)碼單反相機的設計與實現(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瀏覽器中設計三維數(shù)碼單反相機的交互，可以真實地模擬實際操作進行鏡頭的旋轉,、曝光模式選擇盤的轉動,、控制撥輪和按鈕的操作等，在對數(shù)碼相機進行建模時,，將其各部分分別建模,，后期組裝。將數(shù)碼單反相機的三維模型建好后,，在3DS MAX中應用輸出插件導出*wrl格式的文件,。在運用3DS MAX模型導出VRML文件后要充分注意優(yōu)化VRML程序,。優(yōu)化技術是三維虛擬建模過程中至關重要的一個環(huán)節(jié)，優(yōu)化結果的好壞將直接影響三維數(shù)碼相機的顯示速度和交互效果[2],。
3 使用VRML語言結合JavaScript實現(xiàn)數(shù)碼單反相機的虛擬實驗
　數(shù)碼單反相機虛擬實驗系統(tǒng)共包括四個實驗,，分別是：認識數(shù)碼相機、數(shù)碼相機的調節(jié)模式,、數(shù)碼相機的光圈調節(jié),、數(shù)碼相機快門調節(jié)。
3.1 認識數(shù)碼單反相機模塊的設計與實現(xiàn)[3]
　實驗1是對數(shù)碼單反相機的三維展示,，主要分為：(1)自由旋轉展示,。在這種方式下，相機自動在瀏覽器中旋轉,，讓學習者從不同的角度上觀察相機的結構,。(2)手動控制展示。在這種方式下,，學習者可以自主轉動相機,，從不同角度細致地觀察相機。
　為了實現(xiàn)相機的自由旋轉展示,，可以運用時間傳感器節(jié)點(TimeSensor)和方向插補器節(jié)點(OrientationInterpolator),。TimeSensor節(jié)點的作用是創(chuàng)建一個虛擬時鐘，可以像時鐘一樣標記時間的流逝,，設置開始動畫,、結束動畫和控制動畫的播放速度等屬性，并向插補器節(jié)點輸出時間事件,，產(chǎn)生相應的動畫效果,。OrientationInterpolator可改變觀察方向或者改變形狀體的方向。插補器節(jié)點使用一組關鍵時刻和關鍵值來描述一個動畫,。關鍵時刻列表在插補器節(jié)點的key域中指定,，關鍵值列表在插補器節(jié)點的keyvalue域中指定。瀏覽器在渲染時將根據(jù)這些關鍵時刻所對應的關鍵狀態(tài)在場景中通過線性插值計算技術自動生成連續(xù)動畫,。實現(xiàn)自由旋轉展示部分相應代碼如下：
　OrientationInterpolator{   //創(chuàng)建控制動畫的插補器
        key    [0 0.5 1]//指定關鍵時刻列表
        keyValue [//指定對應的旋轉關鍵值列表
            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出事件路由到插補器的set_fraction入事件,，每次時間傳感器輸出一個新的時刻，插補器就會利用輸入的時間計算出一個新的旋轉值,，然后通過其value_changed出事件路由到方向插補器節(jié)點,。
　為了能從各種角度來展示相機，運用SphereSensor傳感器節(jié)點,，對相機進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,，并且計算旋轉角和角度。通過使用它的rotation_changed域輸出變化的參數(shù),，對相機整體進行360°上下左右的旋轉完成相機的手動展示,。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事件,，一般的鼠標操作通常有3種：移動,、點擊、拖動,。本設計主要使用了移動操作,，當用戶進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的程序完成相應的操作,，然后在VRML場景中運用Onmousemove感知鼠標的移動事件。VRML場景中主要代碼：
Touchsensor {
    Enabled TRUE
}
　在網(wǎng)頁中對VRML場景運用了Onmousemove感知鼠標的移動事件,，當鼠標作用于VRML場景時會觸發(fā)相應的處理事件javascript代碼,，例如當鼠標移動到LCD顯示屏時，用到了條件判斷語句對其進行判斷：
if(M_e.Nodes("Viewfinder_button").Fields("isOver")==-1){
                display_div(2,，12),；
}
　然后進行相應的處理操作。其中Viewfinder_button是取景器的觸發(fā)傳感器TouchSensor的名稱,。
3.2 數(shù)碼相機曝光模式的選擇模塊的設計與實現(xiàn)

　在實驗2中,，要求能模擬真實的數(shù)碼相機的操作，允許學習者通過轉動曝光模式調節(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化成為旋轉值，并通過rotation_changed域(eventOut出事件)輸出,。然后通過旋轉角度的不同改變LCD顯示屏上不同的曝光模式畫面。同時也向瀏覽器環(huán)境傳遞不同的旋轉角度,，瀏覽器根據(jù)不同的旋轉角度來顯示不同的模式說明,。
3.3 光圈與快門的調節(jié)模塊的設計與實現(xiàn)
　實驗3和實驗4分別是針對光圈大小和快門大小進行調節(jié),，然后在模擬的場景中進行拍攝，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,，既讓學生掌握了光圈和快門值的調整方法，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。
　以快門速度的調整為例,，通過設置不同的快門速度,，模擬了不同的成像效果。首先通過機身上的調節(jié)按鈕設置快門速度,，如圖1所示,，分別設置快門速度為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文件格式的標準并不支持對VRML文檔的嵌入,，但非標準HTML提供＜EMBED＞標記可實現(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)頁中要進行對VRML的操作只進行上述嵌入是遠遠不夠的，還要通過javaScript中的M_e=camera.Engine，獲取對相機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行獲取了。
　為了保證用戶機器上能正常播放,，需要在用戶機器上安裝VRML瀏覽器,。可通過以下代碼實現(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)絡教學的一個瓶頸，而其中最關鍵的是沒能較好地解決交互性的問題,。利用VRML技術,，結合支持VRML的開發(fā)工具構建一個虛擬實驗環(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重要的環(huán)節(jié),，因此，要充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡技術,，增強對虛擬實驗的協(xié)同操作,，進一步體現(xiàn)網(wǎng)上實驗的優(yōu)勢[4]。
參考文獻
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[2] 張枝軍.電子商務網(wǎng)站中商品三維虛擬展示技術研究[J].商場現(xiàn)代化,，2008(11).
[3] 孫永麗.三維虛擬仿真數(shù)碼單反相機的設計與實現(xiàn)[J].軟件導刊，2010(8).
[4] 張民.遠程虛擬實驗平臺及LabVIEW實驗研究[D].太原：太原理工大學,，2010.