面向儿童的科普动漫软件--消化系统虚拟漫游【毕业论文】.doc

1、本科毕业设计（20届）面向儿童的科普动漫软件消化系统虚拟漫游所在学院专业班级计算机科学与技术学生姓名学号指导教师职称完成日期年月摘要【摘要】随着互联网与计算机的快速发展，很多新的技术被推出，并不断地改进，以满足用户的要求。虚拟现实实现了丰富互联网、增强交互性的目标，一经推出就受到了很多的关注。本文中运用了三维虚拟漫游技术，通过3DSMAX和VRML工具，为人体的消化系统进行了建模，形成了一个虚拟的消化系统场景。低龄儿童可以通过漫游这个虚拟的消化系统，了解消化系统的构成以及一些相关的常识。这种寓教于乐的三维互动的形式更加形象，更具有吸引力。【关键词】3DSMAX；VRML；消化系统IIABSTR

2、ACT【ABSTRACT】WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINTERNETANDCOMPUTERS,MANYNEWTECHNOLOGIESAREINTRODUCEDANDCONTINUALLYIMPROVEDTOMEETUSERREQUIREMENTSINTERNETVIRTUALREALITYTOACHIEVEARICH,ENHANCEDINTERACTIVETARGETS,ONCEINTRODUCEDTOBYALOTOFATTENTIONTHISPAPERUSEDTHETHREEDIMENSIONALVIRTUALROAMINGTECHNOLOGY,THROUGH3DSM

3、AXANDVRMLTOOLSFORMODELINGTHEBODYSDIGESTIVESYSTEM,DIGESTIVESYSTEMTOFORMAVIRTUALSCENEYOUNGCHILDRENCANROAMTHEVIRTUALDIGESTIVESYSTEM,TOUNDERSTANDTHECOMPOSITIONOFTHEDIGESTIVESYSTEMANDSOMERELEVANTKNOWLEDGETHISENTERTAININGFORMOFINTERACTIONISMORETHREEDIMENSIONALIMAGEMOREATTRACTIVE【KEYWORDS】3DSMAXVRMLDIGESTI

4、VESYSTEMIII目录摘要IABSTRACTII目录III1课题研究的目的和意义111虚拟现实技术概述1111虚拟现实技术发展史1112虚拟现实技术特点3113虚拟现实技术的价值512虚拟现实技术应用6121虚拟现实技术应用现状6122虚拟现实技术应用前景10123虚拟现实技术在教育领域的应用1013本文研究的主要内容132三维虚拟场景的设计15213DSMAX简介1522消化系统知识准备1623场景设计17231场景组成17232场景绘制193虚拟漫游和互动的实现2731VRML简介2732动画及互动设计28321动画及互动剧本设计28322动画及互动实现3033声音效果实现30331声

5、音剧本设计30332声音互动实现324软件的运行效果3341运行环境说明3342演示效果图335结束语3851本文获得的结论3852感悟和体会38参考文献39致谢错误未定义书签。附录4011课题研究的目的和意义11虚拟现实技术概述虚拟现实（VIRTUALREALITY，VR）技术，是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。VR技术的特点在于，由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的三

6、维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。VR技术实时的三维空间的表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境感受，将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。它不但为人机交互界面开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程大规模的数据可视化提供了新的描述方法，同时，它还能为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察的事物的运动变化规律，提供极大的便利。VR技术一经问世，人们就对它身临其境的真实感和超越现实的虚拟性的追求，以及建立的个人能够沉浸其中、进出自如并具有交互作用的

7、虚拟世界，产生了浓厚的兴趣。近几年，VR技术不但已开始在军事、医学、设计、房地产、考古、艺术、娱乐等诸多领域得到越来越广泛的应用，而且还给社会带来了巨大的经济效益。因此，有关人士认为20世纪80年代是个人计算机的时代；90年代是网络、多媒体的时代；而21世纪初则将是VR技术的时代。1这一部分将从虚拟现实技术的发展史、特点、价值三个发面来对虚拟现实技术进行介绍。111虚拟现实技术发展史虚拟现实的渊源可以追溯到40多年前。1962年，美国专利号3,050,870发布了MORTONHEILIG的一项题为“全传感仿真器”，它是第一个虚拟现实视频设备。在HEILIG完成其发明的时候，没有人能意识到它所代

8、表的技术发展方向。从政府、RCA、MGM到好莱坞，到私营企业，没有人想投资他的发明。HEILIG也设计了一个头戴式电视。这一设计被IVANSUTHERLAND继承和发展。1965年，IVANSUTHERLAND提出“THEULTIMATEDISPLAY”的概念。SUTHERLAND相比HEILIG的进步在于，SUTHLAND意识到可以用计算机生成虚拟场景，代替2摄像机拍摄的模拟图像，并开始设计这样的“场景生成器”（图形加速器的先驱）。早期的图形生成器大约于1973年由EVANS和SUTHERLAND研制成功。这方面的研究引起了美国军方的兴趣。由于飞机模拟器可能花费数百美元，而且只能为特定的机型

9、设计，当那个机型过时后，该飞机的仿真器也变倍淘汰了。如果仿真器能做再通用平台上，飞机型号的改变可能只需要进行少量软件上的更新。20世纪70年代和80年代早期，美国军方投入大量的经费开展了大量有关“飞行头盔”和军用现代仿真器的研究。随着国防资金的削减，这方面的研究资助大量地减少，一些研究开始从军用转向民用，促使VR技术在更广泛领域的发展。NASA是对现代仿真感兴趣的另一个美国政府部分，他们需要仿真器来训练宇航员。因为实际生成一个与外太空或者遥远星球相似的环境很难或者根本不可能。1981年，在一小笔经费的支持下，他们生成了一个机遇LCD的HMD原型，并命名为虚拟显示环境显示器（VIVED）。NAS

10、A科学家把SONY公司生产的产品“WATCHMAN”TV进行了改装，在LCD前安装了特殊的光学镜头，用于把图像聚焦到眼睛相近的位置。NASA科学家继承了DECPDP1140主计算机、由EVANS和SUTHERLAND设计的PICTURESYSTEM2图形计算机和POLHEMUS非接触类跟踪器，研制出了第一个虚拟现实系统。1985年之后，SCOTTFISHER加入该项目，他把新型的传感手套集成到仿真器中。手套最先是由THOMASZIMMERMAN和JARONLANIER作为一个非程序员使用的虚拟编程接口开发的。进入20世纪90年代，虚拟现实研究热潮转移到民间的高科企业。研究出第一套数据手套的JA

11、RONLANIER成为销售虚拟现实产品的第一家商业公司VPL公司的总裁。该公司销售的第一套数据手套被命名为DATAGLOVES，如图11所示。图11DATAGLOVES虚拟现实（VIRTUALREALITY，VR）也是由JARONLANIER在1989年创造的一个新词。虚拟现实通常是指采用头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出的用以体验或感知虚3拟境界的一种计算机软、硬件环境，用户使用这些高级设备以自然的技能（如头的转动、身体的运动以及人类自然语言等）向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。其他方面，标准化的虚拟现实建模语言（VIRTUALREA

12、LITYMODELINGLANGUAGE，VRML）为在INTERNET上构建可共享、可互换的一个虚拟环境奠定了很好的基础，VRML本身也由早期的VRML10发展到VRML20，再发展到VRML97，现在还在不断发展中。分布式交互仿真标准化工作也由早期的SIMNET发展到分布式交互仿真DIS，再发展到如今的高层体系结构HLA。虚拟现实系统已由单击系统发展到分布式虚拟现实系统，现在人们研究的比较热门的是支持协同工作的分布式虚拟现实系统，即协同虚拟现实系统。即由过去只支持多人共享，发展到需要支持多人互相感知、协同操作等位目的的协同感知。112虚拟现实技术特点PHILIPPECOIFFET曾在199

13、3年世界电子年会上发表的“VIRTUALREALITYSYSTEMSANDAPPLICATIONS”一文中，提出一个“VR技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实具有三个突出的特征交互性（INTERACTIVITY）、沉浸感（IMMERSION）和构想性（IMAGINATION），也被人们称为三个“I”特性。13如图12。下面将分别对3个特性进行介绍。图123个“I”特性（1）交互性交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在真实环境中一样，

14、与虚拟环境中的对象进行交互。比如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟现实系4统的交互并随着用户头部的运动，不断更新新的视点新的场景，实时地显示给参观者。用户可以在虚拟故宫中任意走来走去，甚至可以用虚拟手去抓取虚拟场景中的物品。并且在拿起一件“物品”时，同时可以感受到物品的重量，手也会有握着东西的感觉。虚拟现实系统的最大特点在于它与用户的直接交互性。这种交互性虽然只是一个技术上的变化，但是自它出现后，改变了计算机界的一些观念“以计算机为主题”的看法主见被人们所抛弃，大多数人开始接受“人是信息环境的主体”的思想。过去，人们只能通过键盘、鼠标与计算机环境中一维、二维数字信息发生

15、交互作用。现在，VR技术可以让我们通过专用的交互设备和人类的自然技能，与多维化信息的环境发生交互，从而使人机交互达到一个新的境界。（2）沉浸感沉浸感又被称为临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。VR技术最主要的技术特征就是使用户具备一种在计算机环境中的沉浸感，即让用户觉得主角是计算机系统所创建的虚拟环境中的一部分，使人由观察者变为参与者，能全身心地投入计算机实践，并沉浸其中。想象一下，当我们戴上头盔，骑上特制的自行车，然后感到被虚拟景物所包围，看到沿途不断变化的风景，感受吹来的凉风，甚至还闻到了路边的花香；当我们“骑”到不平坦的路面时，可以感受到车身的颠簸；遇到上坡时，特制

16、自行车脚踏板中的力反馈装置又将使我们感受到额外的阻力一切感受都如同现实世界一般。但是，摘下头盔，你会发现自己还是在自行车上，一步都没有动。这就是VR技术沉浸感给我们带来的感受。沉浸感被认为是虚拟现实系统的性能尺度，导致“沉浸感”的原因是用户对计算机化境中虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。多感知性、自主性、图像中的深度信息（是否与用户经验一致）、画面的视野（是否足够大）、实现跟踪的时间或空间响应（是否实时）、以及交互设备的约束程度（用户是否适应）都会影响到沉浸感。（3）构想性人类在许多领域面临着越来越多的前所未有的但是又必须解决和突破的问题，例如，载人航天、核试验、核反应堆维护、气

17、象及自然灾害预报、医疗手术的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等。如果按照传统方法解决这些问题，将花费巨额的资金，投入巨大的人力，消耗非常长的时间，甚至还会承担一定的风险。VR技术的产生与发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。所以说，VR技术并不只是一种媒介或者一个高层终端用户界面，它的应用能解决人类在工程、医学、军事等方面的很多需求。而所有要考虑的关键问题及时如何开发针对虚拟现实的应用并寻找合适的场合和对象，即如何发挥人类的创造力和构想力（又称想象力）。适当的应用对象加上充分的想象力可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。虚拟现实系统的应用是虚拟现实与设计者并

18、行操作，为发挥它们的创建性而设计的。过去，人只能从定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认识。现在，借助VR技术，5人们有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理想的认识，从而深化概念、产生新意和构想，主动寻求、探索信息，而不是被动地接收，这也就进一步地依赖和体现了虚拟现实的创意和构想性。113虚拟现实技术的价值视觉领域中，虚拟现实技术可以追溯到18世纪欧洲出现的全景画。进入20世纪后，人们进一步发展出全景式电影、创建体验剧场等，强烈地表达了人类超越时空的梦想和追求。直至20世纪末出现的多媒体计算机系统，才真正具有了综合处理数据和文字、图形和图像、音频和视频等多种信息的完善功能。通

19、过利用并集成这些高性能的计算机软、硬件，并使之与各类先进的传感器和高级外围设备相连接，人们才有可能创建一个使介入者具有身临其境的沉浸感和完善的交互性能，并能帮助和启发人类想象力的三维信息空间，即创建一个比较完备的虚拟现实系统。如上所述，环境沉浸感是指用户作为主体存在于虚拟环境中所感受到的真实程度，也可以通俗地理解为“身临其境”，这表示用户不仅仅以敏锐的双眼和聪慧的大脑感知虚拟环境，更是要以完整的生物个体融入虚拟系统。通过这种融入，作为生物体的各种生理活动，如视觉、听觉和触觉等感知行为以及喜悦、悲伤与恐惧等心理反应，都将得到充分表达。理想的虚拟环境应该能达到是用户难分真假的程度，实现更逼真的照明

20、和音响效果等。从这种意义上看，沉浸意味着体验，以为这形势和逻辑的结合、认知与感知的统一，意味着“可传二不可授，可得而不可见”的个性化体验过程。而这种体验，本质上也是一种特殊的人类实践。如果说沉浸意味着体验，那么体验的目的终将落实于对环境的操作与改造。这种基于沉浸式体验的操作与改造，正是人类与环境发生交互的过程。人机可交互式指用户对环境内的对象的可操作程度以及从环境得到的反馈等自然属性。具体地说，虚拟环境将生成的用以仿真现实世界的图像、音响乃至触觉、嗅觉等信息作用于人的感官，并通过传感器跟踪测试人的行动和反应；用户则通过交互实际感知并响应虚拟环境。在接受虚拟环境提供的各种感官信息的同时，人类基于

21、过去的经验、现时的体验以及虚拟系统的输出，经过判断和决策而对环境进行操纵和控制，由此改变了用户仅仅作为单纯接受者的被动状态。虽然目前看来，交互技术距离人类的梦想还有很大差距，但是发展的速度是非常快的。我们相信，虚拟现实技术的进一步发展将会创造一个更加和谐的人机环境。虚拟现实中人与虚拟环境的交互，本质上意味着它不是预设的，而是生成的；不是因循的，而是创新的。空间想象力所要表达的正是虚拟现实的这一秉性。入股偶说沉浸是使人具有真实感并获得体验的根本，交互是实现人机和谐的关键，那么空间想象力则是辅助人类进行创作性思维、充分发挥主观能动性的基础。可以说，环境沉浸感、人机交互以及空间想象力的有机结合，使虚

22、拟现实技术达到了一个更高的层次，成为了富有创新内涵的高级认知工具。25612虚拟现实技术应用虚拟现实早期应用集中在军事仿真系统和航天领域；现在在科学计算可视化、建筑漫游、产品设计、教育、培训和娱乐等领域都有广泛应用。当前，计算机与现代社会各方面的紧密结合，将使虚拟现实成为计算机系统的一种基本特征。68本节将从虚拟现实应用现状、应用前景以及虚拟现实在教育领域的应用来对虚拟现实技术应用进行介绍。121虚拟现实技术应用现状虚拟现实目前主要在军事、建筑、工业设计、娱乐等领域有较成熟的应用。虚拟现实技术目前在军事领域有很大的运用。近日英国国防部向外界公开了全世界最大和最精确地模拟作战训练系统“合成兵战术

23、训练师”，该系统由170辆全面联网的高技术战车模拟器组成，全面革新了装甲战斗集群的战术仿真训练。美国航天航空局和美国陆军也拥有多个使用虚拟现实技术的仿真训练系统，如图13和14。图13美国军队。迄今为止最广泛最成功的严肃游戏。这个最初作为招募的工具。7图14训练模拟器。尽管有最初的评估者的怀疑，美国军队还是证明这是一种有效的军事训练模拟器。比如，玩过这个游戏的步枪射程部分的士兵在现实生活中的步枪射程获得了更好的分数。美国军队游戏的发展和广泛的发布产生了思想上在非娱乐领域方面视频游戏潜规则的大变革。它也引发了关于如何推进游戏技术的艺术状态以支持未来娱乐和严肃的游戏的讨论。那些玩数字游戏长大的人的

24、经验表明，以游戏为中心的研究和教育课程可以提供许多积极的效益。在建筑领域，不仅仅是建筑设计阶段，还能在实际工程完成后很好的展示建筑物。在现代城市建设中，设计人员更关心的是建筑的整体设计效果。利用虚拟现实技术在设计阶段就可以动态的、可视的、多方位的展现建筑物的外貌、地理环境和辅助设施，设计人员可以在虚拟建筑物中漫游，来查看自己的设计是否合理得当，为建筑的设计带来了很直观的体验和很大的帮助。而在实际工程完成后，为了使更多的游客能够直观的，真实的，身临其境的了解建筑物，虚拟现实技术也有着不可替代的作用。在智慧城市、数字城市概念提成为热点这今天，虚拟现实技术也将有更为广泛的应用。图15为数字城市夜景展

25、示。8图15数字城市夜景虚拟现实技术在娱乐领域的应用应该是大家众所周知的。特别是在网络游戏和影视方面。网络游戏的使人沉迷的特点也一度让虚拟现实在这方面的应用备受争议。但是不得不承认的是，网络游戏充分地体现了虚拟现实的3个“I”的特性。与计算机、其他玩家实时地交互，在虚拟游戏场景中深深的沉浸感，以及既丰富又极具吸引力的剧情，这些都是网络游戏广受欢迎的原因。通常，游戏都采用了第一人称的视角，根据玩家的操作进行打怪，升级等动作，见图16。916网络游戏场景另外，虚拟现实在影视方面的应用也越来越多。不仅仅在于前期制作时的特效应用，还体现在后期地展示上，比如3D影院，见图17。图173D影院10122虚

26、拟现实技术应用前景目前仍有许多领域有待或正在开发，如造形术、精神病学、教学、戏曲、人工智能、机器人学、模拟仿真、艺术设计、时装、信息检索及销售等。在短短的时间内，虚拟现实已失去了面向问题的技术形象，正在应用于人类探索的各个领域，虚拟现实技术的成功与否除临场感、浸入、空间感和交互方式外，与系统的可靠性、易使用性、费用、实际的副作用以及效率有重大关系，这些方面的改进都将促进虚拟现实的进一步发展。计算机硬件技术、网络技术及多媒体技术的融合与高速发展使得VR技术获得长足的发展，使VR技术能在INTERNET上得以实现和发展。目前，网站使用的均为二维图像与动画网页，而在网站上采用VRML，则可以设计出虚

27、拟现实三维立体网页场景和立体景物。利用VR技术可以制造出一个逼真的“虚拟人”，为医学实习、治疗、手术及科研做出贡献，也可以应用于军事领域而设计一个“模拟战场”来进行大规模的高科技军事演习，既可以节省大量费用，又使部队得到了锻炼。在航空航天发射中，也可以制造一个“模拟航天器”，模拟整个航天器生产、发射、运行和回收的全过程。VR技术还可以应用于工业、农业、商业、教学和科研等方面，其应用前景非常广阔。123虚拟现实技术在教育领域的应用虚拟校园是指从INTERNET、VR技术、网上虚拟社区和3S技术的发展角度，对现实大学三维景观和教学环境的虚拟化和数字化，是基于现实大学的一个三维虚拟环境，用于支持现实

28、大学的资源管理、环境规划和学校发展。虚拟校园在很多高校都有成功的例子，如浙江大学、清华大学、上海交通大学、北京大学、中国人民大学、山东大学、西北大学、西南交通大学、中国海洋大学等，都采用VR技术构建了虚拟校园。网络VR（VIRTUALREALITY）技术的用用，使我们可以仿真校园环境。因此，虚拟校园是VR技术与网络教育早期的具体应用，图18是北京林业大学的虚拟校园。11图18虚拟校园VR在学校教育中的应用较多，特别是理工科类课程的教学，尤其在建筑、机械、物理、生物、化学等学科有很大突破。它不仅适用于课堂教学，使其更形象生动，也适用于互动性试验中。VR技术在仿真领域方面，特别是交互性仿真方面尤为

29、突出，如西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用，开发出了一系列有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用产品，在此基础上，还开发了虚拟现实培训系统、交互式仿真系统。中国科技大学运用VR技术，开发了几何光学设计平台，它是全国第一套基于虚拟现实的教学软件。它用计算机制作的虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的试验仪器，具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。另外，虚拟现实在远程教育系统、特殊教育、技能培训等方面也有应用。游戏早已被用来作为一种工具，从理念建设到解决问题，被作为教学的重要题材。通过有趣的学习，学生可进一步发展他们学习的好奇心和兴趣。目前

30、，越来越多的应用将教育和游戏结合起来，采用寓教于乐的方式来达到更好的教育效果。这里，将详细介绍虚拟现实在生物教学方面的应用。用虚拟现实游戏学习生物分子结构的问题。这种生物教学游戏程序解决方案，突出立体可视化，三维建模和游戏互动，它被开发出来让学生学习氨基酸，螺旋，折叠，和其他蛋白质结构信息。例如以生物游戏或者简单的生物极限游戏的极限运动概念为基础的虚拟现12实的生物游戏设计，见图19和110。图19生物极限游戏滑板（上）和滚轴运转（下）13图110新加坡科学中心在登革热病毒蛋白上的虚拟漫游的展示传统上，生物教育依赖于课堂教学和潮湿实验室实验。在课堂教学中，木、金属或塑料材料制成的扩大的物理模型

31、经常被用来作为教学辅助。不幸的是，这个受到物理生产的数量有限的生物模型的限制。由于复杂的三维性质，学习蛋白质的结构对学生来说不是一件简单的事，尤其是对低龄的儿童。910随着虚拟现实技术援助，可以为蛋白质结构的学习创建一个身临其境的三维环境。以身临其境的虚拟现实的环境为基础，设计一些游戏更能有效地辅助儿童学习。不仅是蛋白质，还有很多微观的世界，我们可以借助虚拟现实技术，构建一个虚拟的环境，让学习者们以第一人称的角色深入微观世界漫游，比如人体的消化系统。还记得大话西游里紫霞仙子进入孙悟空的体内的那个场景吗紫霞仙子可以从他的嘴中进入到孙悟空的体内，然后近距离的观察他的心脏。虚拟现实正是可以做到这样的

32、效果，学习者可以在人体内漫游，靠自己的感官以及一些和场景内物体的互动来获得认知。这样，儿童在学习过程中就从完全接收型转变成了主动探索型，可以达到更好的学习效果。13本文研究的主要内容本文主要对人体的消化系统进行建模，并用3DSMAX和VRML实现了消化系统的虚拟漫游。下面就来介绍各个章节的主要内容。第一章重点介绍课题研究的目的和意义。在这一章中又分3个小节进行说明，分别是虚拟现实技术概述，虚拟现实应用，三维建模工具和WEB3D技术。第一节首先介绍了虚拟现14实技术的发展史，并介绍了虚拟现实技术的三个“I”特征，然后又阐述了虚拟现实技术的价值。在第二节中主要介绍虚拟现实的应用现状、前景以及在教育

33、领域的应用。第二章是三维虚拟场景的设计。这章内容可以分为3节，分别是3DSMAX简介，消化系统知识准备，场景绘制。其中第一节中对3DSMAX进行了介绍，作为场景绘制的基础，第二节对消化系统相关知识进行了介绍。最后第三节从场景组成和场景绘制两方面对场景设计作了说明。第三章是虚拟漫游和互动的实现，包括VRML简介、动画及互动设计和声音效果实现。这个章节是实现虚拟漫游的关键一章，是所有互动的设计所在。主要包括各个场景中的动画声音设置。第四章是软件的运行效果，包括运行环境说明和部分重要演示画面。通过演示截图来验证软件的运行效果。第五章是结束语，包括本文获得的结论，感悟和体会。152三维虚拟场景的设计2

34、13DSMAX简介3DSMAX是是美国AUTODESK公司旗下优秀的电脑三维动画、模型和渲染软件，也是目前市面上最常见的三维动画建模软件，广泛运用于建筑设计、影视动画、广告、游戏等领域。特别是在游戏领域，我们所熟知的魔兽争霸，CS，古墓丽影中3DSMAX都立下了汗马功劳。最近几年，由于房地产市场的火热，3DSMAX在建筑方面的应用也是得到了很到的发展，各种美轮美奂的效果图，样板房都是3DMAX的杰作。下面就在介绍下3DSMAX的主要功能。3DSMAX的提供了两种造型工具，包括基本造型工具和高级造型工具。基本造型工具可以用来创建立方体，球体，半球体，圆柱体、圆管、圆环，椎体和多边形。高级造型工具

35、可制作出山、水、波纹、波浪、颗粒及非规则形体，如人体、植物等。创建好的三维形体可以进行扭曲，弯曲，缩放，摇摆，角度变形，雕刻和锥孔等操作。并且3DSMAX提供了丰富的材质和质感，并可对整个实体或部分实体进行颜色、明暗、色裹、反射，凹凸和透明度等进行编辑，或者进行贴图。为了增加真实感，3DMAX中还可以设置光源和摄像机，光源可分为环境光、泛光灯、聚光灯，并可设置任意多个相机的位置，方向和角度，也可进行灵活调整，给观看者带来良好的视角。此外，3DMAX还支持很多特殊效果，如淡入淡出，模糊，光晕，星光闪烁，雾雨，声等，利用这些特技处理，可产生超乎现实生产的变幻莫测的神奇效果。3DSMAX还具有动画功

36、能，通过创建每一个关键帧或者创建轨迹来完成动画，并且具有动画实时预演功能，以便及时观察物体效果。更值得一提的是，3DSMAX中还带有各种插件，这里就包含了VRML97的辅助工具，具体包括锚，声音，布告牌，触发器，雾等简单的VRML操作，使用起来方便，易懂。1116图21本系统中运用的3DSMAX90的软件界面22消化系统知识准备人体需要食物来提供生长所必须的能量，运行身体的各种功能以及更新细胞。在消化系统中，经过咀嚼的细碎食首先进入胃部，在那里经受胃酸的腐蚀和强有力的肌肉的淹没。之后他们被搅拌成乳液，流进小肠。此时，小肠里的化学酶和消化酶也加入进来，帮助吸收食物中的营养物质。在大肠里，所有参与

37、的营养物质、矿物质和水分都从未经消化的肠道残余物里被吸收出来，剩余物质形成粪便它们是消化系统的最终产物。1213消化系统主要由口腔、食道、胃、小肠、大肠组成，见图22。各部分的详细描述如下。口腔食物被牙齿嚼碎，与唾液混合在一起。食道食道的肌肉壁将咀嚼过的食物从口送入胃部。胃食物在这里停留2小时4小时，胃部肌肉的运动和强酸作用使食物变成糊状。小肠直径约为25厘米，食物在这里停留3小时5小时，食物中的大部分矿物质和水分在这里被人体吸收。大肠直径约为14厘米，从小肠过来的东西在这里停留10小时几天不等，剩余的矿物质和水分在这里被人体吸收。1722消化系统23场景设计本节将从场景组成和场景绘制两方面对

38、场景设计进行介绍。231场景组成考虑到这款科普教育如见的受众为低龄儿童，场景中的对象尽量设置得比较卡通、生动、活泼。并发挥想象力，将场景放大、夸张。从口腔到大肠，消化系统的顺序非常明显。故将消化系统漫游设计为五个场景，分别为饭桌、口腔、食道、胃、小肠大肠。图23为场景组织图。18图23场景组织图设置场景一的目的是为了突出一个生动的人物形象，也设定了一个特定的场景吃饭。这样，对后面的漫游消化系统是很好的铺垫和很自然的过渡。场景一中的对象有中年男人、桌子、米饭、鱼和木板，并插入了一段引出性的声音。点击食物及木板，会有动画。虚拟人可以借助木板行走到中年男人的嘴边（中年男人的身体比例很大）。可以通过点

39、击他的面部跳转到场景二口腔。场景二模拟了消化系统的第一部分口腔。场景中的对象有牙齿、舌头、卡通牙齿向导、牙虫、牙刷和牙刷杯。点击芽芽（戴蝴蝶结领带的卡通牙齿向导），就会有对牙齿的一些介绍和对刷牙的小提醒。牙刷一旦被触动，就会有牙虫活动的动画和刷牙的动画，并有正确刷牙方法的讲解。场景三的环境是舌根至食道这些部分。场景中的对象有扁桃体小精灵、扁桃体、梨、鱼刺、细菌、抗体、门、食道。这里的重点在于扁桃体分泌的抗体对抗由食物带入的细菌的动画。鱼刺最容易卡住的部位是扁桃体，所以将讲解鱼刺卡住后的正确处理方法。场景四是一直不断缩放的胃。场景中的对象有胃、胃酸、胃蛋白酶、蛋白质、门。这里要呈现的是胃蛋白酶消

40、化蛋白质的过程。整个过程的演绎生动形象，有利于低龄儿童的认知和理解。场景五为消化系统的最后两部分小肠和大肠。因为这两者的关系比较紧密，并且在形态上也比较相似，故将这两者放在一个场景中。场景中的对象有小肠、蛔虫、消化酶、大肠、大肠寄生虫。这个场景中主要说明的是小肠和大肠中的寄生虫问题，为寄生虫也设置了19动画。232场景绘制上一小节已经对整体的场景进行了描述。这一小节将从环境、物品、卡通角色三个部分对具体的场景绘制进行介绍。（1）环境绘制牙齿牙齿的绘制过程如图24所示。首先创建一个立方体，然后用对其和另一个长方体进行布尔操作，使形成如图24（B）图的形状。接着将此选中，转化为可编辑面片，并选择“

41、点”。在修改器中选择涡轮平滑操作，便形成了图24（C）的形状。然后对已完成的牙齿进行克隆，将她们的位置移动成如图24（D）。这样，牙齿就完工了。ABCD图24牙齿模型绘制A）创建一个长方体；B）用“布尔”将长方体转变成如图形状；C）将其转化成可编辑面片，选取曲面CV，然后涡轮平滑；D）克隆牙齿。舌头20首先创建一个球体，然后选中球体，将其转化成NURBS，并选择曲面CV，如图25（A）。改变曲面上各点的位置，将它们拖拽成如图25（B）。点的位置的调整不能定量计算，只能靠定性的判定，使其像要绘制的舌头。AB图25舌头模型绘制A）创建一个球体；B）将球体转化为NURBS，并拖动各点，形成舌头形状。

42、食道绘制食道的方法和舌头所用方法一样。首先创建一个管状体，然后将管状体转化为NURBS，选中曲面CV。调整曲面表面点的位置，使管状体表面出现凸凹和弯曲。因为食道的特征是有三个特别窄的地方。如图26所示，可以观察到所绘制的食道有三个部分向里凹陷，比其他地方要窄。图26食道胃首先创建一个半球，并克隆此半球。修改其中一个半球的半径，使之稍小于另外一个。21对这两个半球进行布尔操作，得到空心半球。将其转化成可编辑网格，拖动半球内部的点，形成凸起，模拟胃内的褶皱。给其贴类似胃壁的图。创建一个高度值小、半径大的圆柱体，并贴上水的贴图，模拟胃液。最终效果如图27。图27胃小肠大肠如图29，对小肠大肠模型的顶

43、视图基本和图28的二维图形似。下面来介绍如何对小肠和大肠进行建模。创建长度比较长管状体和同样长度的立方体，对立方体和管状体做布尔操作，只留下管状体的下半部分。将其转化为可编辑网格，并选取顶点。调整顶点位置，使其弯曲成肠子状。大肠的前部分都是由三分之一的管状体拼接而成，后面部分则和食道的绘制方法一致。图28小肠大肠图图29小肠大肠模型（2）物品人头22由于原先导入的人物模型的面部表情不易改变，所以利用另一款生成人头模型的软件FACEGEN来生成一个眼睛往下看、嘴巴张开的人头模型，如图210。生成人头模型后导入到3DSMAX中，将导出的材质贴图分别贴到脸部、头发、牙齿、眼睛部位上，如图211。从图

44、211中也可以看出，导到3DSMAX中的头像贴图出现了一些瑕疵，这个问题没有很好的解决。图210利用FACEGEN生成头像211头像导入到3DSMAX梨进入“创建”命令面板。选择“图形”按钮进入创建图形命令面板，单击“线”按钮，在“前”视图中新建下图所示线条，如图212。使用“贝塞尔”调节线条的形状。选择线条，进入“修改”命令面板，在下拉列表中选择“旋转”命令，选择“对齐”栏中的“最小”按钮。然后贴图，贴图也可以选择在材质编辑器里新建。最终效果如图213，贴图还不够真实。图212画“线”图213梨的模型鱼刺首先创建一个三条边的圆柱，然后将其转化为可编辑多边形，利用挤出功能对形状进行调整，最后进

45、行圆滑。就形成了图214（A）和（B）的形状。23AB图214鱼刺（3）卡通角色牙虫牙虫构思来自于菜虫。为了体现夸张的效果，就将其形象设置成如图215。牙虫是由球形、环、圆柱这些图形组成的。触须是由圆柱处理而成；头部是球体，对贴图进行了处理，使眼睛和鼻子正好可以出现在合适的位置；身体由环组成；尾巴是由球形转化成NURBS,然后调整而成。最后为牙虫设置了四个姿势。图215牙虫芽芽芽芽是牙齿小精灵，作为口腔的向导，形状类似牙齿。同样用布尔操作绘制其身体，又将圆柱体转化成NURBS，做成芽芽的脚和手。芽芽的处理重点在贴图。用PHOTOSHOP软件处理芽芽的贴图（见图216），将眼睛、嘴巴和蝴蝶结结合

46、起来，最终形成活泼可爱的芽芽形象，如图217。24图216芽芽贴图图217芽芽细菌和抗体细菌的形象是模仿了QQ表情中的衰表情。将QQ的二维表情做成了三维模型。细菌的三根头发是用球体通过NURBS转化调整而来。不管是细菌还是抗体，这里的重点工作在调整贴图。首先将头像球形转化成可编辑网格，选择贴图出现问题的网格，再在修改器中选中UVW展开，对其进行编辑，将其调整到正常模样，如图218。贴图见图219和图220图218细菌和抗体模型图219细菌贴图图220抗体贴图25胃蛋白酶蛋白酶的原型来自于海绵宝宝。主要由长方体、圆柱体、圆台组成。绘制方法和芽芽类似。在此不做累述，效果如图221。图221胃蛋白酶

47、模型消化酶首先对消化酶的形象进行了构思。为了体现他们的活泼可爱，将消化酶的形象设置如图222。消化酶手脚的绘制和芽芽一致。身体为球体，并贴了不同的图。图222消化酶模型蛔虫真实世界的蛔虫形象为条状、体长。于是加入卡通元素，设置其形象为如图223。蛔虫由圆柱体、球形这两种基本几何体变化而来。其尾巴绘制与牙虫一致。身体由圆柱体做NURBS转化得到。头部、眼睛、鼻子均有球体变换而来。26图223蛔虫模型大肠寄生虫大肠寄生虫是从网上借鉴过来的模型。因为其贴图比较符合大肠杆菌的邪恶可怕的感觉，符合大肠杆菌的形象，如图224。图224大肠杆菌模型273虚拟漫游和互动的实现31VRML简介在21世纪的今天，

48、是一个信息爆炸的时代，WWW的出现产生了HTML（超文本标识语言），同时CGI（公共网关接口）能使WEB有更强的交互功能。随着WWW的普及和人们对WEB日益增长的需求，于是VRML虚拟现实建模语言（VIRTUALREALITYMODELINGLANGUAGE就应运而生了。它改变了原来WWW上单调、交互性差的弱点，将人的运动作为浏览主体，提供给用户虚拟空间，在其中任意翱翔。它是以虚拟现实为特征的3DWEB技术的核心，集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，并可以内嵌JAVA/JAVASCRIPT等语言编写的程序代码。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实

49、例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可生成逼真的三维视觉、听觉、触觉、嗅觉等虚拟感觉世界，通过INTERNET直接作用于用户，使用户产生身临其境的效果，尤其是与其中的物体进行实时交互后，使人产生与计算机融为一体的真实感。下面就来具体介绍VRML六大基本功能。第一是VRML的建模功能。VRML定义了类型丰富的几何、编组、定位等节点，建模能力较强。这些类型分别是基本几何形体，构造几何形体，造型编组、定位、旋转和缩放，特殊造型。其中基本几何形体包括立方体、球体、圆锥，它只能作十分有限的几种造型，用点、线面索引节点及拉伸节点就可以构造任意复杂的实体形式。构造几何形体包括坐标、点集、索引线集、索引面集、挤出面、高级网格），造型编组可以用来描述装配关系，其中变换节点可以度额定装配位置和方向。特殊造型包括布告牌、背景和文本，可以用于场景中的文字、背景颜色等设置。第二是真实感及渲染功能。通过提供的丰富的相关节点的渲染，可以很精细地实现光照、材质及着色、纹理、雾、明暗控制说明和三维声音。其中场景光照的设置直接影响观察者的视觉效果，配合光照节点可以提供各种虚拟场景的光源。VRML的材质及着色节点的使用可以仿造若彤真实物体给出的视觉效果。纹理节点可以对尸体表面粘贴图片或进行像素点的设置以使实体具有同食物一样的表面花纹。雾、明暗控制都对场景的光线发射有影响。声