专利名称：虚拟环境生成方法
技术领域：
本发明涉及计算机虚拟环境的生成方法，属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域。
美国一家名为马尔特锦-派拉蒂姆的公司创建了用于开发实时仿真与虚拟现实应用，名为Vega(维格)的高性能软件开发平台。此平台把先进的视觉和听觉仿真功能和易用的工具结合起来，是开发实时视觉和听觉仿真、虚拟现实应用的业界领先产品。但是，由于它集成了多种工具和功能造成了系统庞大、操作繁琐、用户控制能力降低等问题。
为完成上述目的，本发明采用的方案是虚拟环境生成方法，包括图形化用户界面、虚拟场景的组织管理方法、虚拟场景的真实感实时渲染方法、虚拟场景中自由漫游方法、立体显示方法、对虚拟物体的控制方法，实时编辑场景方法，还包括定义虚拟环境的描述文件，生成虚拟环境可视化编辑程序，生成应用程序接口程序，在应用程序中对描述文件的读写的步骤。
定义虚拟环境的描述文件包括对多个虚拟场景的描述，并指明用户在计算机屏幕上的各个区域分别应观看到哪个场景；对虚拟场景的描述主要包括各种数据文件在计算机上的存储路径和文件名、各个虚拟物体在虚拟世界中的位置和方向、用户控制可运动虚拟物体的交互方式、用户观看各个虚拟场景的初始视点等；所述的可视化编辑是所见即所得的实时可视化虚拟环境编辑，用户通过图形界面下达命令，生成方法根据用户命令修改描述文件，并通过三维显示方法实时显示与描述文件相对应的虚拟环境；还支持用户在三维环境中进行任意路径、不同漫游方式的漫游及有立体感的显示；可视化的虚拟环境编辑和应用程序接口都能对描述文件进行读写；虚拟环境编辑采用视窗应用程序用户界面。
虚拟环境生成方法是用户定制虚拟环境的方法，利用它，用户可以进行指定虚拟环境所采用的地形模型，向虚拟环境中添加静态和可控制实体，定义用户的视点，定义用户可同时看到的多个场景等工作。本发明的特点是1、所见即所得的友好编辑方式。具有图形化的用户界面，可实时显示所编辑的三维虚拟环境，同时支持多种漫游方式和立体显示，这使用户可以较好地沉浸于所编辑的虚拟环境中进行工作；使开发虚拟现实应用程序的用户在一定程度上摆脱手工编写代码来构造虚拟环境的繁琐；通过规范化操作而减少手工编制代码易犯的错误。2、灵活方便地编制多种资源。可编辑场景、通道、相机即视点及应用程序读取纹理和几何模型文件的路径；支持同时编制多个通道，多个场景，多个相机；通道的大小、通道中所显示的场景、可同时显示的通道数目等都可随时修改；可随时向场景中添加物体，可在编辑的场景中漫游，支持立体显示方式的场景漫游。3、环境设置和应用程序相分离。可随时方便地对已有的虚拟环境描述文件进行修改而不需修改应用程序代码；同一虚拟环境可以方便地被多个应用程序所使用，而不需重新开发；只需更改所调用的虚拟环境描述文件就可使应用程序在另一个虚拟环境中运行。本发明由于针对性强、功能相对简单，从而能为用户提供更大的灵活性和更简便的操作。
本发明集成了一些现有的技术手段，这些技术包括图形化用户界面技术、虚拟场景的组织管理方法、虚拟场景的真实感实时渲染技术、虚拟场景中自由漫游技术、立体显示技术、对虚拟物体的控制方法。本发明通过集成这些技术手段实现一种新的生成虚拟环境的方法。
其中，本发明虚的拟环境编辑程序的图形化用户界面除了采用标准的视窗应用程序用户界面技术之外，也有自己的特色它由菜单、资源选择工作区、资源编辑工作区及一个实时显示虚拟环境编辑结果的窗口组成。根据用户在资源选择工作区所选择欲编辑的不同资源，在资源编辑工作区会显示出与此资源相对应的编辑表单。编辑表单中采用按钮、编辑框、下拉列表等简单易用的常见方式。三维虚拟环境显示窗口则对用户的编辑操作做出实时反映，以做到所见即所得的可视化编辑。
实时编辑虚拟环境的方法是本发明的重要技术。在虚拟环境编辑程序中，把用户的各种操作定义成相应的命令。这些命令包括要编辑何种资源、指定各个资源的属性及当前视点等。用户下达命令的交互途径采用按钮、下拉列表等方式。程序中需要获取命令的模块通过不断检查命令消息队列来自己获取命令，达到实时处理的目的。对命令的处理主要包括两方面的工作1、修改描述文件。2、三维显示此命令对所编辑虚拟环境的影响，以实现所见即所得的编辑。
参阅
图1，本发明的主要步骤是首先定义虚拟环境描述文件；然后生成虚拟环境可视化编辑程序；生成应用程序接口程序；在应用程序中对描述文件进行读写。
虚拟环境描述文件是虚拟环境编辑和应用程序之间的桥梁，是实现应用程序和环境定制相分离的重要数据。本发明定义它为一个文本文件，其中包括对多个虚拟场景的描述，并指明用户在计算机屏幕上各个区域分别应观看到哪个场景。对虚拟场景的描述主要包括各种数据文件如几何模型文件及纹理文件等、在计算机上的存储路径和文件名、各个虚拟物体在虚拟世界中的位置和方向、用户控制可运动虚拟物体的交互方式如鼠标、游戏杆等、用户观看各个虚拟场景的初始视点等。
图2是虚拟环境可视化编辑的工作流程图，虚拟环境编辑程序是一个所见即所得的可视化编辑虚拟环境描述文件的工具，是一个图形化用户接口，它主要有三个功能接受用户命令、创建和编辑描述文件及三维实时显示描述文件所定义的虚拟环境。准备编辑命令和场景命令在用于预览的通道和用户设定的通道之间切换，漫游命令和漫游时是否贴近地面的命令用于建立相机和鼠标之间的联系，新建通道、场景命令、装载实体、地形命令及删除命令修改内存中虚拟环境中数据的配置，再修改当前三维显示的配置，打开描述文件命令从描述文件中读取数据到内存，还有保存和推出命令。在虚拟环境编辑程序中，为了避免频繁的文件读写操作，定义一个和文件相对应的位于内存中的数据集作为用户编辑时的操作对象，直到用户要求保存或退出编辑器时才进行写文件的操作。
虚拟环境编辑程序中的三维实时显示功能，支持用户在虚拟环境中的指定地点加入虚拟物体、动态的湖水或海面、特定的地形等编辑虚拟环境所需的基本功能，支持用户在虚拟环境中自由漫游，漫游方式有高空俯视、贴近地面的行进等，同时支持立体显示，这样使得用户可以更加方便、清楚的查看虚拟环境是否符合应用要求，以便有针对的编辑。
用户的编辑工作主要是对场景、通道、相机、路径的编辑。图3是编辑场景的工作流程图，主要是创建场景，加入地形，设置漫游方式及在场景中漫游；图4是编辑通道的工作流程图，它包括编辑通道，创建通道，选择通道所显示的场景、设置通道视口的大小及删除通道；图5是编辑相机的工作流程图，它包括编辑相机，创建相机，设置相机的各个参数、增加架设相机的平台便、删除相机的步骤；图6是编辑路径的工作流程图，它包括编辑路径和增加及删出纹理路径、增加删除模型路径的步骤。
用户采用上述虚拟环境编辑程序所形成的工具，以所见即所得的工作方式编辑了一个描述文件后，在应用程序中则需要通过应用程序接口来读取描述文件中的信息，创建它所描述的虚拟环境。除了依据描述文件创建虚拟环境的基本接口外，应用程序接口提供了和虚拟环境编辑程序完全一致的所有其他对描述文件的编辑接口，也就是说，对描述文件的所有编辑操作都提供了图形化用户接口和应用程序接口两种方式。虽然提倡用户利用虚拟环境编辑程序来创建和编辑描述文件，但考虑到用户可能会有在应用程序中修改虚拟环境并希望保存此种修改的情况，所以在应用程序接口中也提供所有对应的功能。
在应用程序中对描述文件的读写，假设用户已通过虚拟环境编辑器编辑了一个虚拟环境描述文件，现在用户就可在三维视觉仿真的应用程序中通过调用应用程序接口，创建描述文件所定制的虚拟环境、从描述文件中获得信息来组织管理虚拟场景、需要时还可对修改描述文件以保存应用程序对虚拟环境的改变。
权利要求
1.虚拟环境生成方法，包括图形化用户界面、虚拟场景的组织管理方法、虚拟场景的真实感实时渲染方法、虚拟场景中自由漫游方法、立体显示方法、对虚拟物体的控制方法，其特征在于还包括以下步骤(1)定义虚拟环境的描述文件；(2)生成虚拟环境可视化编辑程序；(3)生成应用程序接口程序；(4)读写并交互修改描述文件。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于步骤(1)包括对多个虚拟场景的描述，并指明用户在计算机屏幕上的各个区域分别应观看到哪个场景。
3.根据权利要求2所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于对多个虚拟场景的描述，包括各种数据文件在计算机上的存储路径和文件名、各个虚拟物体在虚拟世界中的位置和方向、用户控制可运动虚拟物体的交互方式、用户观看各个虚拟场景的初始视点等。
4.根据权利要求1所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于所述的可视化编辑是所见即所得的实时可视化虚拟环境编辑，用户通过图形界面下达命令，生成方法根据用户命令修改描述文件，并通过三维显示方法实时显示与描述文件相对应的虚拟环境。
5.根据权利要求1所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于它还支持用户在三维环境中进行任意路径、不同漫游方式的漫游及有立体感的显示。
6.根据权利要求1所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于可视化的虚拟环境编辑和应用程序接口都能对描述文件进行读写。
7.根据权利要求1所述的一种虚拟环境生成方法，其特征在于虚拟环境编辑采用视窗应用程序用户界面。
全文摘要
本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，尤其是涉及一种计算机虚拟环境的生成方法，需要解决现有技术中不能直观地构造虚拟环境，工作效率低下，以及系统庞大、操作繁琐、用户控制能力降低等问题。本发明包括图形化用户界面、虚拟场景的组织管理方法、虚拟场景的真实感实时渲染方法、虚拟场景中自由漫游方法、立体显示方法、对虚拟物体的控制方法的步骤，还包括定义虚拟环境的描述文件，生成虚拟环境可视化编辑程序，生成应用程序接口程序，在应用程序中对描述文件进行读写的步骤。本发明具有友好的所见即所得图形用户界面、灵活方便地编制多种资源、环境设置和应用程序相分离等优点，是一个直观的虚拟环境构造平台。
文档编号G06T17/00GK1409218SQ0213073
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者何兵, 纪玉春, 李新, 郝爱民 申请人:北京航空航天大学