1 虚拟现实（VRML）简介

1．1什么是VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（Virtural World）。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML虽然还很不成熟，但已经表现出其百折不挠的强大生命力，它必将成为WWW服务的新一代标准。

VRML的出现使得虚拟现实象多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活，简单地说，以VRML为基础的第二代万维网=多媒体+虚拟现实+因特网。第一代万维网是一种访问文档的媒体，能够提供阅读的感受，使那些对Windows风格的PC环境熟悉的人们容易使用因特网，而以VRML为核心的第二代万维网将使用户如身处真实世界，在一个三维环境里随意探寻因特网上无比丰富的巨大信息资源。每个人都可以从不同的路线进入虚拟世界，和虚拟物体交互，这样控制感受的就不再是计算机，而是用户自己，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中"直接"交谈和交往。事实上，目前采用VRML技术取得成功的案例已经很多，例如探路者到达火星后的信息就是利用VRML在因特网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。

在这利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界中，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实是一个在当今国际上倍受关注的课题。如果真正实现了虚拟现实，那么对整个人类的生活与科学发展将会发生很大的变革。我们可以设想这样一幅情景：当你戴上特制的头盔与手套后，你就发现你已置身于一个虚拟的晶体结构世界中，您就是结构中的一个自由原子，当你向前行走或者转头时，你所看见的景象也会随之改变，你可以穿过结构孔道，挪动结构中的水分子；你甚至可以对结构的上上下下、里里外外仔细地观摩和研究.......这就是虚拟现实技术给你带来地一切--近乎完美的真实感觉。

1.2 VRML的发展及应用

VRML开始于20世纪90年代初期,1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字,至今发展历史仅有8年时间。（见表1）

VRML发展简史
时间 版本  特点 
1994年10月  VRML1.0  可以创建静态的3D景物，但没有声音和动画。它只有一个可以探索的静态世界。 
1996年 8月  VRML2.0  它在 VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。增强了静态世界、增加了交互性、动画功能、编程功能、原形定义功能。 
1997年12月 VRML97  只是在VRML2.0基础进行上进行了少量的修正。 
1999年底  VRML的新编码方案X3D  X3D整合正在发展的XML、JAVA、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。
2000年6月  VRML2000  VRML从此又进入了一个崭新的发展时代。 

表1 
VRML将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体，兼具先进性和普及性，是关心三维图形、多媒体、新一代网页开发和虚拟现实技术应用的人士应密切注意的。如今，在国外VRML已经广泛应用于生活、生产、科研教学、商务甚至军事等各种领域（如表2），并取得了巨大的经济效益。
表2 虚拟现实的应用

 
领 域 用 途 
医学 外科手术，远程遥控手术，身体复建，虚拟超音波影像，药物合成 
教育
 虚拟天文馆，远距教学 
艺术
 虚拟博物馆，音乐 
商业  电传会议，电话网路管理，空中交通管制
 
景观模拟  建筑设计，室内设计，工业设计，地形地图 
科学视觉化  数学、物理、化学、生物、古生物、考古、行星表面重建，虚拟风洞试验，分子结构分析 
军事 飞行模拟，军事演习，武器操控 
太空 太空训练，太空载具驾驶模拟 
机械人 机械人辅助设计，机械人操作模拟，远程操控 
工业 电脑辅助设计 
娱乐 电脑游戏 
 
1.3 VRML浏览器插件
VRML语言是用文档脚本来描述三维物体的。web浏览器就是VRML语言的解释器。微软公司的IE5.0以上版本的浏览器运行VRML文档时，需要安装VRML浏览器插件。VRML浏览器插件多达30余种，但常用的有Cosmo Player, Cortona, blaxxun Contact 和Pivoron Player等，其中以SGI公司的CosmoPlayer最为著名而且还是免费软件。除此之外还可以用JAVA脚本程序显示而无须插件，如Shout3D 和 blaxxun3D ，但这需要服务器端的网站支持，而且效果也没有插件的好。

2 VRML在晶体学中的实现

VRML在晶体学中的应用是计算机技术与晶体结构的结合，由于晶体结构的空间三维性，而目前除了制作结构模型没有其他方法能完美的表现晶体结构的三维构型，虚拟现实的引用正好实现了计算机对晶体结构三维性的最佳表达。它使3D的晶体结构变得非常容易观察和制作，在观察者的控制下可以在任意位置观察3D的晶体结构,甚至可以进入到晶体结构中的原子位置上去观察周围的环境。虚拟现实在晶体结构中应用的意义在于：通过计算机仿真出真实结构的交互式三度

空间动态环境，能让人们透过人机接口去学习或研究这虚拟环境中的真实晶体结构！

世界上第一个VRML分子结构模型是由Omer Casher 的研究小组在1994年12月在当时最新的英国国家高速计算机网络的计算机上完成的[1]，从1997年开始国外相继出现一些介绍VRML的网站，但这些网站大多是以介绍VRML在晶体结构绘图方面的应用，或在某些文章中含有少量的VRML图形作为演示，比较完整全面的VRML晶体结构数据库方面的网站较为少见。与在其他方面的应用比较，VRML在晶体学方面的应用还是比较薄弱的。

虚拟现实语言实际上是一种网页脚本语言，是在浏览器支持的终端中运行的脚本程序， 一个简单的 VRML 文件[2]的例子如下:

  #VRML V1.0 ascii 　
Separator { #对象开始
Material { diffuseColor 0 1 1 } #定义实体颜色
Cube { } #画立方体
Translation { translation 2 0 0 } #3D置换
Material { diffuseColor 1 0 0 #定义红色实体
specularColor 1 1 1 #定义白色高亮度
shininess 0.1 } #定义光泽
Sphere { radius 1.5 } #画球
} #对象结束 图1 VRML 示例 

以上脚本运行结果如图1

由此可见利用虚拟现实语言VRML 的优点是用少量的代码就实现了复杂的互动3D功能，而这一点正是3D晶体结构绘图和显示中所梦寐以求的.除了直接编写脚本外，快速有效的建立VRML 3D晶体结构图形的方法主要是利用专业软件来完成，其方法主要有晶体结构绘图导出法和直接文件转换法，目前可以用来获得3D晶体结构图形的常用软件有：

1、商业晶体结构绘图软件，如Diamond 2, Crystallographica，ATOMS,以及shelex5.1 for NT 的最新版本中的xhell等， ATOMS V4.0以后的版本都增加了对VRML的导出支持，它是一个专业的晶体结构绘图软件，其中的VRML功能只是它的附加功能，利用导出VRML文件来实现，这种软件操作简单，图形精美，图形制作好后导出VRML格式文件即可，但有时制作的图形数据量大，特别是结构复杂时文件可达数百K。

2、晶体学家编的免费VRML制作软件，晶体学界常用的软件有pdb2vrml, xtal-3d, CRYSTAL, MOLDA 和 STRUVIR，这些软件能制作出图形精美、图形数据优化的VRML文件，多采用数据文件的转换法，即将结构数据文件转换成VRML格式文件，这种方法不直观，操作繁杂，由于是免费软件，目前国外很多网站都用这些软件来制作，已有数十个氧化物材料和沸石的VRML数据的小型数据库网站。

3、网络在线生成并显示。可以发送您的数据给服务器，由服务器上的软件生成.WRL文件后再从网上返回，并支持无机晶体结构数据库数据类型和有机结构数据类型，提供这种服务的网站有Builder 1.2 for membranes, PDB to VRML, the Crystal Packing Visualization by VRML，VRML File Creator for Chemical Structures等[3]，这种方法操作不够灵活、网上生成速度慢，但使用较简便。

3 VRML在晶体结构中的应用

3.1晶体结构课程教学

多媒体ＣＡＩ教学,是当前教学改革深入发展的一个重要组成部分。ＶＲＭＬ在教育方面的应用机会可以说数不胜数。将交互式三维世界的描述用于讲课、试验，使学生能够以亲身参与的体验轻松愉快地获得知识。作者经过对晶体结构教学的研究与实践,利用ＶＲＭＬ,Ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ和ＨＴＭＬ编程语言,开发出一个基于Ｗｅｂ的虚拟现实网上虚拟晶体结构模型室,学生进入模型室后 ,可以打开某类模型柜 ,即以超链接进入模型柜虚拟空间 ,对其中的模型进行观察及操作等工作。例如 ,学生打开模型柜后 ,可以取出空间格子模型 ,观看各晶系空间格子模型的特征及各方位投影视图（图2）,对模型进行剖视、并观看效果 ;打开硅氧骨干模型柜，可以对硅氧骨干在结构中的空间展布做深入的了解（图4），进入典型晶体结构模型柜,则可以可以看到所有矿物的典型晶体结构模型（图5）。这一虚拟模型室不仅可以改善一些院校教学设备不足的问题。而且在教学方式上也改变了以往到模型室讲授晶体结构的授课模式,使学生能够按自已的需要来进行实时的交互式学习,主动地获取所需要的知识,由被动式的接受转化为主动式的学习。这种交互式的学习方式,能最大限度地发挥学生的主观能动性,激发学习热情和空间想象力,取得良好的教学效果 并深受学生们的欢迎。基于Ｗｅｂ的虚拟现实在晶体结构教学中的应用,为晶体结构教学注入了新的活力,从根本上改变了传统教与学的方式 ,使学生真正参与到教学活动中去 ,成为教育过程中的主体 ,变被动接受为主动学习,有效地提高了教学质量及学生综合运用知识的能力。解决了过去教师在课堂中讲授抽象、难理解的晶体结构问题，这是"黑板和粉笔"的效果所不能比拟的。

3.2网络远程教学

随着网络技术的日趋成熟 ,基于 Web的虚拟教室或虚拟校园 ,将会成为未来教育的一种全新的教学方式。因此 ,开发 Web网上教学资源 ,建立相适应的良好网络教学环境 ,利用 Web实施远程教学 ,已成为当前世界各国教育科技界的研究热点。从目前世界教育改革的发展潮流来看 ,基于 Web的虚拟课堂在今后的普通教育、高等教育、职业训练、继续教育和终身

教育中将会扮演极为重要的角色。前几年开始 ,基于Web的虚拟教室、网上学校等在国外已陆续出现。由于VRML是以WEB为基础的，因此更适合于进行网络远程教学。随着计算机信息技术的飞速发展、虚拟现实技术的不断完善 ,开发基于Ｗｅｂ的虚拟现实远程教育软件具有很现实的意义和广阔的前景。

ＶＲＭＬ (虚拟现实 )制作等技术 ,实现了既可用于课堂教学 ,又可以用于学习者通过网络和通用的浏览器自学、复习。在信息高速公路飞速发展的今天 ,计算机网络辅助教学 ,是一种完全不同于传统方式的新式的教学手段。它可以实现不受时空限制的、交互式的、图文并茂的、智能型的、分布式的教学。计算机网络辅助教学已成为教育科学与教育技术的重要组成部分 ,是教学革新的重要方向。

3.3晶体结构绘图和晶体结构分析

在晶体结构的描述和研究中，图形是最不可缺少的组成部分，早期的绘图工作都由手工来完成的，这不仅速度慢，而且错误也较多，随着计算机的发展，晶体结构绘图也逐步由计算机来担当，但多是静态的图形。网络和VRML技术的发展给晶体结构图形展示带来了勃勃生机，其晶体结构图形也向动态化、3D化的直观时实交互性图象方向发展。有效地展示了对三维显像具有特定重要性的晶体结构特征。

在晶体结构分析中,通过结构分析软件获得的是一系列的坐标参数，如何直观地检验结构坐标参数的合法性，最有效的方法就是观察结构模型，而VRML就成为理所当然的首选。由于它的时实性、交互性和动态三维可视化可以帮助我们发现结构模型的不合理之处，以便及时修正。最新的VRSTPLOT绘图工具软件已加入到GSAS (Rietveld software)软件包，它能产生从傅立叶变换到精修晶体结构的精美3D VRML图形，为晶体结构分析提供了方便有效的工具。

3.4晶体结构学术交流

科学界的交流一直依赖期刊杂志等出版物。交互式三维图像与万维网的分布式功能相结合 ,代表着在科学出版方面的重大改进。科学家现在可以分享比文本和图像更多的信息,他们可以用交互式的、动态三维可视化对象来表达他们的科学思想,这在过去是无法依靠常规出版物来实现的。对于在三维显像具有特定重要性的晶体学领域,ＶＲＭＬ提供面向对象的方法来描述分子模型 ,它对于将三维分子结构可视化来说是一个极好的工具。ＶＲＭＬ也将成科学家们交流的合作式、交互式应用的标准数据交换格式。目前 ,在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上已经有不少ＶＲＭＬ晶体结构的应用例子。如 ,德国Ｄａｒｍｓｔａｄｔ的物理化学研究所的ＷＷＷ服务器上提供一系列ＶＲＭＬ应用演示例子 ,从蛋白质研究到分子结构和原子轨道的显像；再如xtal-3d for WWW，ILL's most popular WWW page等网站,提供了上百个的超导氧化物和沸石的VRML数据。

3.5 在晶体学其他方面的应用

VRML在粉末衍射数据的3D图形化[5]、STM、AFM、TEM等晶体学图形处理和研究中也有广泛的用途，但由于AFM、TEM产生的是二维图象，需做一次3D的转换（参见图6）[9]. 经过3D化的VRML图形就可以很方便地从不同侧面观察到平面图象所不能观察到的表面结构起伏特征.
详细的晶体结构VRML演示及资料库可以参见笔者的个人网站：www.crystalstar.org 或www.crystalstars.org。

作者简介：李国武（籍贯：云南华坪），男，1964年生，副研究员（硕士），研究方向：晶体结构与晶体化学

参考文献

1．Omer Casher,a Christopher Leachb, Christopher S. Pageb，Virtual Reality Modelling Language (VRML) in Chemistry，Chemistry in Britain, 1998, Vol 34, 26.

2．M.Hewat,Simple examples of 3D crystal structures in VRML,see http://www.ill.fr/dif/3D_simple.html ，10 Feb 1996

3．A. Le Bail, VRML AS A TOOL FOR EXPLORING COMPLEX STRUCTURES ,can be seen at http://sdpd.univ-lemans.fr/vrml/seattle/seattle.html#VRML ，The XVII Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography August 8-17, 1996

4．Alan Hewat and Armel Le Bail, VRML - Virtual Reality Modeling Language can be seen at http://www.lmcp.jussieu.fr/cww-top/int.vrml.html ,16th September 1997.

5．Benjamin Nunes ，Visualise 3D diffraction patterns with VRML，can be seen at http://193.49.43.3/dif/surf/ ，updated 6 May 2002 .

6．A. W. Hewat. VRML 3D-visualisation with xtal-3d for WWW, can be seen at http://www.ill.fr/dif/3D_crystals.html ,updated 6 May 2002.

7．周　勤 , 基于Web的远程教学展望,计算机与现代化 ,1999年第6期, 61-65

8．温俊文 ,冯开平, ＶＲＭＬ在图学教育软件中的应用技术, 西南交通大学学报, 2001年6月 第36卷　第3期 291-293

9．Pittet, J.-J., Henn, C., Engel, A. & Heymann, J. B. Visualizing 3D data obtained from microscopy on the Internet. J. Struct. Biol. 1999,Vol 125, 123-132.

Virtual Reality Modelling Language (VRML) Models
in Crystal Structure
Li guo

wu
(China University of Geoscience 100083,liguowu@163.net)

bstract: The Virtual Reality Modeling Language (VRML) is the seting up 3D scene modeling language that the de facto standard for delivering platform-independent virtual reality over the Internet, on the 3D graphics crystallographic filed, VRML offer object method describe crystal structure model ,it is a superexcellence tools for viewing 3D crystal structure graphics. In this paper I depicted VRML generated methods and set up to virtual crystal structure models room on the web for the teaching and education in Crystallography, and application to crystal structure analysis and ploting, science exchange . etc.
Key words :crystal structure, VRML, plotting
 
 

上一页1234