利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建動(dòng)畫素材開發(fā)環(huán)境分析
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摘要：多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，如果將兩者結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域會(huì)是一種有益的嘗試。本文主要介紹了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作一個(gè)動(dòng)畫開發(fā)環(huán)境的思想和方法,目的是解決制作網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件時(shí)動(dòng)畫開發(fā)依賴動(dòng)畫工具比較復(fù)雜以及傳輸速度較慢的問題.這個(gè)開發(fā)環(huán)境適用于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師使用。
關(guān)鍵字： 多媒體技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)（VRML） 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) 計(jì)算機(jī)輔助教育
Abstract This article introduces a writing tool that is a method of making the animate。It is very difficult to a teacher who does not understand more knowledge of computer.。This method is very simple to use。 For the more，it has two advantages。 One is that it applies the teaching software in the internet；the other is that it is faster than thaditional method.
0 引言
多媒體技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、音像技術(shù)和通訊技術(shù)為一體,具有良好的集成性。它使信息不僅作用于人的視覺,而且也作用于人的聽覺,從而擴(kuò)大了人對(duì)信息的攝入量,使得人機(jī)關(guān)系更加親近。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡(jiǎn)稱VRML）是一種具有真實(shí)感的高級(jí)人機(jī)界面，人們能夠通過多種感官渠道與它進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。這種技術(shù)的應(yīng)用前景是非常廣泛的，在醫(yī)療、制造業(yè)、娛樂和教育等方面的應(yīng)用也具有很大潛力。可以想象，如果你能夠進(jìn)入到具有沉浸感的，并且有多種感官反饋的虛擬境界中學(xué)習(xí)知識(shí)，無(wú)疑將使你的學(xué)習(xí)更為有效。
那么如何來(lái)構(gòu)造這種虛擬現(xiàn)實(shí)的境界呢？VRML就是最佳的選擇。什么是VRML，VRML是Virtual Reality Modeling Language(虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言)的縮寫。使用VRML，你能設(shè)計(jì)自己的三維虛擬空間、用你想象的任何東西來(lái)填充虛擬的世界。這些僅僅受限于你的想象力。VRML最讓人興奮的特點(diǎn)，是能夠使你創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的世界和感覺豐富的虛擬環(huán)境；動(dòng)畫空間里的物體，使它們運(yùn)動(dòng)；在你的空間里播放聲音和影象；允許使用者和你的空間進(jìn)行交互；使用腳本來(lái)控制，改進(jìn)你的空間。
不僅如此，由于VRML文件僅僅是一些數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述交互式的3D世界，并且也不需要傳輸大量的圖像文件，接受端在獲得這些表達(dá)式之后，將自行進(jìn)行計(jì)算、加工、作色等處理，然后即顯示成3D圖像。因此，它在網(wǎng)上傳送的信息量將大為減少，這樣就解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的瓶頸問題。這樣就能夠使你在Internet上創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的世界和感覺豐富的虛擬環(huán)境。
綜上所述可以看到，如果能夠?qū)⑻摂M現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言（即VRML模型）應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件的開發(fā)中將會(huì)是我們?cè)诮虒W(xué)方法上一次有益的嘗試，但是對(duì)非計(jì)算機(jī)人員來(lái)說學(xué)習(xí)該語(yǔ)言的學(xué)習(xí)是非常困難的，我們制作這個(gè)動(dòng)畫開發(fā)環(huán)境就是想讓教學(xué)軟件的開發(fā)主體-----任課教師使用方便，只需填入?yún)?shù)便可生成需要的動(dòng)畫了。
1 問題的提出
1.1 面臨的四個(gè)問題
通過研究分析，發(fā)現(xiàn)擺在我們面前的問題主要有四個(gè)：
(1) 如果想使一個(gè)VRML模型適應(yīng)不同的用戶需求，該模型就必須是按用戶要求動(dòng)態(tài)生成的。如根據(jù)用戶輸入的長(zhǎng)、寬、高生成相應(yīng)的長(zhǎng)方體模型。采用什么辦法？
(2) 在模型數(shù)量越來(lái)越多的情況下，必須具備一種管理模型的機(jī)制，能有效的組織和管理眾多的模型。是利用數(shù)據(jù)庫(kù)還是別的什么技術(shù)？
(3) 為了保持該系統(tǒng)的穩(wěn)定健康的發(fā)展，必須能及時(shí)給系統(tǒng)補(bǔ)充新的模型，并對(duì)以往開發(fā)的舊模型進(jìn)行及時(shí)更新。那么網(wǎng)絡(luò)是不是我們最好的答案？
(4) 對(duì)于按用戶要求動(dòng)態(tài)生成的VRML模型，必須提供一種方法將其應(yīng)用于教學(xué)軟件開發(fā)環(huán)境中，如VB、Authorware等。這種方法是什么？
1.2 四個(gè)模塊的確立
基于上一小節(jié)的分析，我們將該開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)分解為四個(gè)模塊進(jìn)行處理：
※VML(VRML Models Library) 構(gòu)建機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
※VRML代碼引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
※VML網(wǎng)站建設(shè)
※利用VB或Authorware開發(fā)基于VRML的課件
首先使用者利用VML將用戶提出的要求(VRML節(jié)點(diǎn)的參數(shù))傳給 VRML代碼引擎，由引擎生成相應(yīng)的VRML代碼，再通過VML將生成的代碼返回給使用者。然后使用者將得到的VRML代碼應(yīng)用于其教學(xué)軟件開發(fā)環(huán)境中。同時(shí)，使用者還可以不斷的通過VML網(wǎng)站對(duì)VRML引擎進(jìn)行豐富和更新。
2 VML構(gòu)建機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1根據(jù)用戶提出的要求動(dòng)態(tài)生成VRML模型
對(duì)于這個(gè)問題，有三點(diǎn)是值得注意的：
(1) 用戶提出的要求應(yīng)該是合理的要求，或者說是符合客觀規(guī)律的要求
因?yàn)轱@然如果用戶要求系統(tǒng)為他生成一個(gè)上底面半徑為3，下底面半徑為4，高為5的圓柱體，系統(tǒng)恐怕永遠(yuǎn)也辦不到。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中，圓柱體上下底面半徑相同。這就要求我們必須為用戶提供一個(gè)預(yù)定義好的輸入界面。例如對(duì)于圓柱體，系統(tǒng)只提供底面半徑和高兩個(gè)輸入接口。
(2) 動(dòng)態(tài)生成參數(shù)輸入接口
在研究VRML時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)VRML本身只是一種描述三維虛擬空間的文件。而實(shí)際的三維模型的繪制工作由相應(yīng)的VRML瀏覽器完成。因而，我們考慮是否可以給出一個(gè)參數(shù)接口描述文件，由系統(tǒng)讀入、分析，然后動(dòng)態(tài)生成參數(shù)輸入接口。通過對(duì)VRML的初步學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)VRML模型需要的參數(shù)大體分為三種：數(shù)字、文本、布爾值。針對(duì)這三種參數(shù)我們給出了如下的參數(shù)描述定義：
數(shù)字 ：N,Caption,MinValue,MaxValue,InitValue
文本 ：T,Caption,InitText
布爾值：B,Caption,TrueText,FalseText,InitValue
其中各定義的意義如下表：
有了參數(shù)描述文件，我們又編制了相應(yīng)的解釋描述文件并生成接口的程序。
(3) 對(duì)于生成的VRML模型，用戶是想將其獨(dú)立應(yīng)用，還是組合到其他模型中去。 對(duì)于這兩種使用方式，最終的VRML代碼是有一些區(qū)別的。因此，必須提供對(duì)于該問題的選項(xiàng)以保證生成的代碼具有針對(duì)性。在我們的系統(tǒng)中具體的實(shí)現(xiàn)方法是如果用戶想將生成的模型組合到其他模型中去，他只需要將生成的代碼拷貝到剪貼板，然后再?gòu)?fù)制到他所在的VRML編輯環(huán)境中去。如果他是用于另一種目的，則系統(tǒng)將生成的代碼自動(dòng)進(jìn)行包裝并保存到用戶指定的 .wrl文件中去。
2.2 組織與管理大量的VRML模型
隨著模型(代碼引擎)的不斷開發(fā)，其數(shù)量也會(huì)越來(lái)越多。在這種情況下，就要求我們?cè)O(shè)計(jì)出一種能有效地組織和管理眾多的模型的機(jī)制。我們首先想到用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理。但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，如果數(shù)據(jù)庫(kù)能根據(jù)用戶的要求返回模型，那這種模型必然是在數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在的靜態(tài)模型。如果考慮到用戶的各種要求，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)必然會(huì)無(wú)限膨脹以致失去其數(shù)據(jù)庫(kù)管理所具有的任何優(yōu)點(diǎn)。通過分析決定借鑒當(dāng)前應(yīng)用軟件（例如3D MAX）比較流行的管理機(jī)制——插件。這種機(jī)制就是將一類模型組織為一個(gè)插件（即為VRML代碼引擎）放到系統(tǒng)下。每次啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將其目錄下的所有插件裝載到系統(tǒng)中來(lái)擴(kuò)充自己的功能。可以想象采用了這種機(jī)制，肯定會(huì)極大地提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性與開放性。我們受到Windows編程中的“回調(diào)函數(shù)”思想的啟發(fā)：一般操作系統(tǒng)都是由系統(tǒng)提供函數(shù)，由程序來(lái)調(diào)用，而回調(diào)函數(shù)則是由程序提供函數(shù)，由系統(tǒng)調(diào)用，方向剛好相反。
這樣，我們的插件（VRML代碼引擎）也被設(shè)計(jì)成能夠提供一些標(biāo)準(zhǔn)的例程（回調(diào)函數(shù)）來(lái)供系統(tǒng)來(lái)調(diào)用。其與系統(tǒng)協(xié)作的機(jī)理如下圖( 圖1 )：
這些例程包括：
getLibName 返回該插件所代表節(jié)點(diǎn)庫(kù)的名稱
getNodeNameList 返回該插件所提供的模型列表
getArgs 返回當(dāng)前選中模型的參數(shù)描述定義
checkArgs 核對(duì)用戶的輸入是否正確
processArgs 利用代碼引擎生成VRML代碼
根據(jù)以上機(jī)理，我們編制了系統(tǒng)“諾德發(fā)動(dòng)機(jī)（Node Engine）”；而插件則是制作成DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）形式。之所以采用DLL這種形式，是因?yàn)槲覀兛梢岳肈LL的輸出例程及其動(dòng)態(tài)調(diào)用機(jī)制模擬回調(diào)函數(shù)。 鑒于Delphi 4 集成開發(fā)環(huán)境是真正的面向應(yīng)用程序設(shè)計(jì)全過程的可視化應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，其提供的大量實(shí)用工具可以使開發(fā)人員很容易地實(shí)現(xiàn)和完成復(fù)雜的功能。因此我們選擇Delphi 4作為我們的系統(tǒng)及插件的開發(fā)工具。
最后我們通過實(shí)例驗(yàn)證了上述機(jī)制的可行性及實(shí)用性。另外補(bǔ)充一點(diǎn)：由于插件開發(fā)采用了DLL方式，所以只要其提供了符合規(guī)則的例程，至于使用什么開發(fā)工具開發(fā)則是無(wú)關(guān)緊要的。因此說，為了在極大程度上得到第三方開發(fā)人員提供的支持，該系統(tǒng)在開放性上做出了有效的努力。
3 VML網(wǎng)站建設(shè)
只有不斷變化、更新的事物才最具有生命力。由于我們的系統(tǒng)采用了插件機(jī)制，因此對(duì)于模型的更新與補(bǔ)充是相當(dāng)方便的。只需將新的插件替換老的插件即可。問題是新的插件從何而來(lái)。最好的途徑當(dāng)然是利用Internet。這就要求我們首先要建立一個(gè)VML網(wǎng)站，其次在系統(tǒng)中提供一個(gè)連到網(wǎng)站上的接口。對(duì)于后者，實(shí)現(xiàn)的方法非常簡(jiǎn)單，只需在系統(tǒng)中提供一個(gè)連到VML網(wǎng)站的快捷按鈕即可。
VML網(wǎng)站的建設(shè)有兩點(diǎn)是很重要的。第一應(yīng)使訪問者感受到該網(wǎng)站與其他網(wǎng)站的區(qū)別，即應(yīng)體現(xiàn)出VRML的存在。第二對(duì)于眾多的插件，應(yīng)分門別類加以管理，也就要合理安排超級(jí)鏈接。在網(wǎng)站的實(shí)現(xiàn)中，我們用Java編制了動(dòng)態(tài)菜單來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)插件有效的管理。
至于如何體現(xiàn)VRML的存在，我們?cè)诰W(wǎng)站首頁(yè)用VRML編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的三維場(chǎng)景。但是VRML是用VRML瀏覽器播放的，在IE中，三維場(chǎng)景與網(wǎng)頁(yè)其他部分會(huì)被VRML瀏覽器分隔開，不利于整體效果。為了解決這個(gè)問題，我們對(duì)VRML瀏覽器進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其描繪三維場(chǎng)景時(shí)使用了Microsoft公司的DirectX技術(shù)。在DirectX中有一個(gè)組件DirectAnimation是專門用來(lái)配合DHTML（動(dòng)態(tài)HTML）制作網(wǎng)頁(yè)二維和三維動(dòng)畫的。
圖 2
因此我們便直接使用該組件構(gòu)造用來(lái)模擬VRML的三維場(chǎng)景（如 圖 2）。對(duì)于如何在網(wǎng)站上組織管理插件，我們用現(xiàn)今非常流行的Java語(yǔ)言編制了動(dòng)態(tài)菜單來(lái)管理。之所以稱之為動(dòng)態(tài)菜單，是因?yàn)椴藛蔚乃胁藛雾?xiàng)均是根據(jù)一個(gè)外部描述文件來(lái)動(dòng)態(tài)生成。生成的菜單(如圖3)。
有了動(dòng)態(tài)菜單的管理機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)站中插件有了變化時(shí)，維護(hù)人員便可以在最短時(shí)間內(nèi)，最有效的對(duì)連接插件的超級(jí)鏈接進(jìn)行維護(hù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
該課題是在認(rèn)知心理學(xué)理論,教學(xué)設(shè)計(jì)原理的指導(dǎo)下，在多媒體技術(shù)、VRML語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)共享交互技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的。本軟件的目的就是為了簡(jiǎn)化VRML模型制作過程,以便廣大教師,特別是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師應(yīng)用模型開發(fā)課件。教育是一個(gè)永恒的話題，也是一門永無(wú)止境的科學(xué)，在眾多教育工作者的共同努力下，它必將會(huì)綻放出更為璀璨絢麗的光芒。
參考文獻(xiàn)：
1. [美]Andrea L.Ames VRML 資源手冊(cè) 電子工業(yè)出版社
2. [美]Richard C.Leinecker Visual J++ 寶典 電子工業(yè)出版社
3. 詹里 Delphi 4.0 新起點(diǎn) 機(jī)械工業(yè)出版社
4. 李元泰 Windows 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 電子工業(yè)出版社
