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虚拟现实从提出此概念发展到现在,随着技术上的逐步成熟,目前已在航空、航天、铁路、建筑、土木、科学计算可视化、医疗、军事、教育等诸多领域得到了应用。但是,虚拟场景的建模是一项技术性很强的工作,需要投入大量的人力和时间,场景建立过程中的人机交互任务复杂,非专业人员很难加入到虚拟现实系统的开发中来。这成为制约虚拟现实技术普遍应用的瓶颈。因此,降低三维虚拟场景建模的复杂度,使没有虚拟现实开发经验的人员也能够轻松构建虚拟场景对于虚拟现实技术的推广有重要的意义。
针对如何降低虚拟场景建模的复杂度,实现高效、自然的虚拟场景建模展开研究,提出基于语义的虚拟场景建模方法。在建立的虚拟场景建模本体语义信息辅助下,用户可以通过简单的人机交互实现复杂的场景建模任务,并通过具体的应用(工控组态软件三维用户界面组态)验证了方法的有效性。本文的主要研究成果如下:
(1)提出基于语义的虚拟场景建模架构基于层次化和组件化思想将基于语义的虚拟场景建模架构设计成模型层、语义层、建模层和代码自动生成层四个层次,对层与层之间的服务关系进行了明确定义。针对X3D表达场景对象语义能力的有限性,在X3D物理模型库上层建立虚拟场景建模本体库,使物理模型成为具有语义信息的语义对象。借助于本体库中的语义信息,用户可以在可视化环境下通过对场景对象简单直接操纵实现复杂的场景建模。为了使建立的虚拟场景能够得到复用,设计了X3D场景图自动生成组件,建模完成后的虚拟场景可以自动生成X3D场景图,并可以继续转换成其它形式的场景图格式。
(2)提出虚拟场景建模本体的逻辑结构以及构建方法对其他领域中所使用的本体的逻辑结构进行了研究,在此基础上,根据虚拟场景建模本身的特点,将虚拟场景建模本体设计为四元组结构O=〈C,P,R,I〉,并对该结构的合理性进行了分析。根据虚拟场景本体在虚拟场景建模中完成的任务不同,将该本体设计为由场景对象概念本体、三维空间关系本体、三维交互本体和本体实例四个子本体构成,并明确定义了四个子本体在虚拟场景建模中的作用。对OWI,语言进行了深入分析,指出该语言具有表达虚拟场景建模本体属性特征的语义能力,提出了四个子本体在OWL中形式化表达机制及构建方法,并论证了所建立的本体在进行虚拟场景建模时的可用性。
(3)提出本体语义约束下的基于虚拟接口的虚拟场景建模方法虚拟场景建模的过程实际上是一个三维人机交互的过程。为了将虚拟场景建模本体的语义信息用于虚拟场景建模的人机交互过程,提出虚拟接口的概念。虚拟接口作为场景对象人机交互语义信息的载体,用其表示场景对象之间可能的连接关系。设计了虚拟接口的表示方式,根据虚拟接口的性质将其设计为四种类型:承载接口、依附基接口、通用接口和专用接口。根据场景对象具有的接口类型以及虚拟场景建模本体中定义的场景对象的组态属性,实现场景对象间的自动连接匹配,进而实现简单人机交互完成复杂的建模任务。
(4)提出基于语义的描述式建模脚本和场景对象成组操作方法针对基于虚拟接口的虚拟场景建模方法的不足,提出基于语义的描述式建模脚本,用含有语义信息的脚本命令辅助直接操纵方式进行建模工作。脚本命令的语义在虚拟场景建模本体中进行描述。这种方式有效弥补了直接操纵方式建模方法的缺陷。同时,提出了基于语义的虚拟场景对象成组操作方法。借助于场景对象的本体语义,可以很大程度上避免复杂的几何运算,直接进行场景对象的成组操作,与几何方法相比更加直观、高效。
(5)实现了基于语义的虚拟场景建模原型系统.分析了基于语义的虚拟场景建模原型系统的结构,设计并实现了原型系统。将该原型系统应用于三维工控组态软件,从而验证了本文所提出的虚拟场景建模方法的有效性,同时对该原型系统的可用性进行了评估。
本文将本体引入到虚拟现实领域,通过语义约束信息降低虚拟场景建模的难度,使非专业人员也能轻松进行虚拟场景的建模工作。是将语义应用于虚拟现实领域的一次有益探索。