CN1109320C - 三维虚拟现实中动画的重用 - Google Patents

Abstract

提供一些通过把动画与一种母体转换联系起来，以便对动画的几何体进行转换，使得就三维虚拟环境中的用户而言动画是从预定的视点观看的，从而显示三维虚拟环境中的动画的方法、系统和计算机程序产品。或者，可以在用户处于三维虚拟环境预订区域时为用户播放动画。预定视点最好是面向用户的。在本发明的VRML实施例中，母体转换是VRML布告牌转换，因此，VRML布告牌结点是利用动画作为VRML布告牌结点的子结点而建立的。

Description

三维虚拟现实中动画的重用

技术领域：

本发明涉及虚拟现实，更具体地说，涉及诸如Internet(互联网)上三维web(万维网)页等虚拟现实中的动画。

背景技术：

Internet是一个可以通过TCP/IP(Transmission Control Protocal(传输控制协议)/Internet Protocal(互联网协议))网络协议彼此通信的分散化计算机网络。Internet起源于美国国防部1960年下半年建立的所谓美国高级科研计划局(计算机网络)(ARPANET)的一个机构，它只是最近才成为全球通信介质。Internet的使用和通信量的爆炸性增长在很大程度上是由于1990年代早期万维网(WWW)的开发，后者是在Internet基础上提供的几个服务设施之一。其他设施包括各种各样的通信服务，诸如，电子邮件、telnet(终端仿真协议)、新闻组(usenetnewsgroup)、网际中继闲聊(internet relay chat，IRC)、各种各样信息查询服务，诸如，WIAS(广域信息服务)和Archie(一种客户/服务器应用程序)以及各种各样信息获取服务，诸如，文件传输协议(FTP)和Gopher。尽管这些设施对面向查询的用户服务得很好，但是，万维网的多媒体能力使Internet显得很突出。

WWW是一种基于客户-服务器的设施，它包括若干其上驻留了万维网(web)页和文件的服务器(例如，连接到Internet的计算机)和作为web页与用户界面的客户程序(例如，web浏览器)。具体地说，web浏览器和软件应用程序，  诸如WebExplorer(IBM公司)或NaVigatorR(Nescape 通信公司)通过万维网向服务器发出请求，请求一个用统一资源定位器(URL)识别的web页，URL既标注万维网页驻留的服务器，又标注所述服务器上构成所述页的一个或多个文件。然后服务器把所请求的文件副本送往所述web浏览器，后者向用户显示所述web页。万维网上的web页可能是用一种被称为超级文本标记语言(HTML)的标准化语言来写的超级介质文档。这样，典型的web页包括带有嵌入格式命令的正文，这种格式命令被称为标记，可以用来控制字型大小、字体(例如斜体或粗体)，正文的字号等等。web浏览器解析HTML脚本，以便以规定的格式显示文本。另外，HTML页也可以含有以另一个URL的形式的对另一段多媒体数据，例如影象、视频片段或音频文件的引用。web浏览器通过取出和显示或播放这些数据来响应这样的引用。或者，这样的多媒体数据可以形成自己的web页，而没有任何围绕HTML的正文。有关HTML和WWW的进一步的信息可在Douglas MacArthur著的World Wide Web and HTML一书的18-26页、Dr.Dobbs’Journal，1994，十月号以及Ian Graham著，纽约John Wiley Publisher(1995年)出版的The HTML Sourcebook一书中找到。

为了力求增强WWW的感官感受，开发了虚拟现实模型语言(VRML，读成”VER_MEL”)。VRML是一种标准化的语言，用来描述动画和几何物体的三维模型。VRML允许通过Internet或在本机以交互方式处理三维场景或世界。无论在哪一种情况下，VRML都允许建立可由多个用户共享的虚拟环境。这样，HTML提供正文和影象的中继和格式化，并用来向其他web页提供超级链接，而与此不同，VRML以能真正交互的层次方式提供三维物体和场景的组织。

VRML虚拟世界可以包括任何数量的三维物体。VRML虚拟环境也包含作为三维动画几何体和与所述动画几何体相联系的运动的动画。一旦动画被启动，动画就可以在不必用户进一步干预的情况下进行它的运动。所述动画可以由任何数量的用户输入来启动或者可以连续向用户播放。

VRML浏览器用来观察三维世界或虚拟环境。VRML浏览器可以是一种帮助程序或web浏览器的插入程序，当web浏览器检测到所下载的文件是一个VRML文件时，上述程序就被启动。VRML浏览器提供一种设施，它允许用户在所述三维世界中移动或航行(游历)。对于VRML浏览器，典型的导航控制有行走、转动、观看、滑动和指点。正如在本专业中众所周知的，行走控制使用户可以在某领域内向前或向后移动，转动控制允许用户以弧形方式转动，观看控制允许用户向特定区域把镜头推近或移开镜头，滑动控制允许用户以弧形方式滑行地移动，而指向控制允许用户返回到起始的有利位置。

除了沿着VRML世界航行之外，用户(客户)可以与其他一个或多个用户共享某领域。就此而言，用户选择一个他们自己的被称为”化身”的三维代表，所述化身是一个或一组物体。然后所述化身就与代表其他客户(例如，其它VRML浏览器)的化身一起游历他的领域。这样，当用户的化身在所述领域中移动时，用户可以看到其他用户的化身也在移动，反之亦然。与化身相联系的导航控制一般与上述相同。

用户或用户化身在VRML领域中的位置由基于矩阵的中央对象服务器跟踪。这样，当化身的位置或行为变化时，所述变化被服务器检测出来，再向其他浏览器广播。正如在业界中众所周知的，目前的导航控制一般都允许化身有6个自由度的运动。具体地说，目前的导航控制允许用户在x，y或z轴的方向周游所述领域。

虚拟环境的一个问题出现在虚拟环境中动画的使用上。因为用户可以从任意个视点观看三维动画，所以动画必须面向用户的视点，以减小不正常的三维环境表观。利用把动画面向所有可能的用户视点的传统动画方法会要求对每一个可能的视点都作一个面向特定视点的动画拷贝。若动画与用户视点不能正确取向，就会造成不正常的视图，后者使虚拟环境的现实性降低。例如，在一个酒吧侍者给用户端饮料的虚拟环境中，若用户的视点与酒吧侍者的动画取向不恰当，所述酒吧侍者就会向在虚拟环境中非用户所在的位置端饮料。这样所述酒吧侍者就会向空位置或向虚拟酒吧上非用户所在的位置端饮料。但是，由于为建立这样的动画而要求的编程时间量或储存或传输众多的动画所要求的信息量，为解决这种不正常行为进行动画备份可能是不现实的。

克服固定视点动画的限制的一个方法是限制虚拟环境中动画可以播放的位置个数。这样，以所述酒吧侍者为例，所述酒吧侍者可能被限制得只能向处于虚拟环境中其取向与所述酒吧侍者动画对齐的用户端饮料。使动画能够播放的这种限制往往假定用户视点与动画是正确取向的。这种解决方案可以防止由于动画错误取向而产生不正常的视图，但是给虚拟环境加上了限制，从而减小虚拟现实的现实性和灵活性。

发明内容：

鉴于以上讨论，有必要改进虚拟环境中动画的建立和表达。

鉴于以上讨论，本发明的一个目的是提供虚拟环境中的这样一种动画，它在整个环境中都表现得对用户取向恰当。

本发明的另一个目的是在不必为每一个可能的用户视点做动画拷贝的情况下提供虚拟环境中正确取向的动画。

本发明的再一个目的是在不必限制可能由之观看动画的虚拟环境中的位置的情况下提供虚拟环境中的动画。

本发明的这些和其他目的是通过一些在三维虚拟环境中显示动画的方法、系统和计算机程序产品提供的，这些方法、系统和计算机程序产品显示动画的方法是：把动画与一种母体转换相联系，而使动画的几何体作这样的转换，以便在三维虚拟环境中从相对于用户的预定的视点来观看动画。当用户或用户的代表处于三维虚拟环境中预定区域时，所述动画可以任选地为用户播放。所述预定的视点最好是面向用户的。在本发明的VRML实施例中，母体转换是VRML布告牌(billboard)转换。

通过把动画与使动画再取向的母体转换相联系，就可以维持一种对用户来说的恒定的视点。例如，利用VRML布告牌转换，一个对于布告牌函数的子动画可以自动再取向而面向用户位置，使得动画始终是面向用户的。当用户在虚拟环境中移动时这种再取向跟踪用户，使得针对虚拟环境中不同的位置和视点，都可以使用单一的动画。这样，通过把布告牌转换与动画联系起来，以建立包含一个动画的布告牌结点，动画就显得在整个环境中都正确地面向用户，就可以提供在虚拟环境中正确取向的动画，而不必为每一个可能的用户视点保留一个动画备份和限制虚拟环境中可能由之观看动画的位置数。

在本发明的另一个实施例中，通过建立一种其中动画包含要制作动画的几何体的动画，并为所述动画建立母体转换，使得母体转换给动画的几何体重定位，以提供对用户的预定视点，来在三维虚拟环境中控制动画。然后，可以确定用户在三维虚拟环境中的位置，而用母体转换根据用户在三维虚拟环境中的位置对动画进行转换，来维持对用户的预定视点。

在本发明的特定的实施例中，通过把VRML时间传感器及VRML坐标内插器与准备制作动画的几何体相联系来建立动画。在本发明这样的VRML实施例中，母体转换对VRML时间传感器和VRML坐标内插器进行重定位来提供对用户的预定视点。可以利用VRML布告牌转换作为母体转换来达到这样的重定位。

在本发明另一个实施例中，若确定用户的位置是在虚拟环境预定区域以内，则为用户播放动画。若确定用户的位置是在虚拟环境预定的区域以内，则可以通过启动所述动画用的VRML时间传感器来播放动画。

正如本专业的技术人员还会意识到的，本发明可以作为一种方法、设备/系统或计算机程序产品来实现。

附图说明：

图1是利用本发明的处理系统方框图；

图2是本发明一个实施例的操作的流程图；

图3A至图3C是捕获的动画屏幕，举例说明本发明的一个实施例。

具体实施方式：

现将参照表示本发明最佳实施例的附图比较充分地描述本发明。但是，本发明可以用许多不同的形式实施，因而不应解释成只限于这里提出的实施例。而是，之所以提供这些实施例是为了使本公开更彻底和完全，并向本专业的技术人员更完全地传达本发明的范围。各图中相同的标号指的是相同的元件。本专业的技术人员都会看出，本发明可以作为方法或装置来实施。因此，本发明可以采取全硬件的实施例、全软件的实施例和软、硬件结合的实施例。

本发明提供三维虚拟环境中的动画显示。这种虚拟环境可以，例如，由从网络接收三维主页的web浏览器建立。用户可以在虚拟环境内移动，并令其向他们播放动画。本发明保证向虚拟环境中的用户所提供的动画是对用户正确取向的，使得用户不会看到不正常透视状态的动画。本发明通过诸如图1举例说明的和下面将要描述的具有显示器和用户输入装置的处理系统向用户播放动画。

图1举例说明可以在其上利用按照本发明的虚拟环境的数据处理系统。如图1所示，数据处理器20可以有一个驻留在所述处理器内的操作系统21。应用程序22可以在操作系统21上运行。处理器20在显示装置23上显示信息。显示装置23具有众多的象素(集合在一起称为屏幕)，它们决定了显示在显示装置上用户界面环境的表观。对于每一个象素，所述象素的的颜色特性包括色调、亮度和饱和值。通过处理屏幕上每一个象素的这些值，就可以建立屏幕的表观和内容。显示装置23的屏幕内容，因而用户界面环境的表观可以由应用程序22或操作系统21单独地或联合地加以控制和改变。

为了从用户获得输入，操作系统21、应用程序22或它们两者利用用户输入装置24。用户输入装置24可以包括指向装置25和键盘26或先有技术中本专业的技术人员都了解的其他输入装置。用户输入装置24可以用来控制显示装置23上所显示的虚拟环境中的运动。

图1还举例说明与处理器20相联系的通信接口27，后者可以用来与所述处理系统以外的装置发送和接收通信。通信接口27可以是一个网络接口、调制解调器、串行口、并行口或其他发送和接收信息的装置。

当按照本发明被利用时，显示装置23显示虚拟环境的三维视图。这种三维虚拟环境可以由应用程序22或操作系统21产生。虚拟环境可以利用来显示用户选定的信息、通过通信接口27接收的信息，诸如，可以是Internet上web页的虚拟环境的情况，或者虚拟环境可以是数据处理系统20用户接口的一部分。这样，虚拟环境可以利用数据处理系统20本机的信息产生，或者虚拟环境可以利用数据处理系统20接收的信息，诸如，从所述数据处理系统20所访问的网络接收的信息来产生。

在操作中，数据处理系统20在显示装置23上显示三维虚拟环境。然后，用户通过用户输入装置24提供用户输入，在虚拟环境中交互作用，使用户在虚拟环境中移动。在虚拟环境中，用户可以由化身代表，它是用户在虚拟环境中的代表，它可以由虚拟环境中的用户或其他用户观看。用户可以利用化身与虚拟环境中的对象或虚拟环境中的其他用户交互作用。然后当用户在虚拟环境中交互时，向利用本发明教导的用户呈现动画。

举例示于图1的数据处理系统可以被利用来建立虚拟环境，更具体地说，建立利用本发明的虚拟环境。这些虚拟环境可以由操作系统21或应用程序22建立。在本发明一个实施例中，虚拟环境是通过从本机来源或诸如Internet等网络接收的VRML信息建立的。这样，正如下面将要描述的，所述数据处理系统可以为用户建立三维虚拟环境中用的动画。

现将参照图2，举例说明本发明一个实施例的流程图，描述本发明。下面将指出，流程图举例说明的每一个方框，或流程图举例说明的各方框的组合都可以用计算机程序指令来实现。计算机程序指令可以提供给处理器，以产生一种机器，使得在处理器上执行的指令建立实现流程图一个或多个方框的功能的设施。计算机程序指令可以由处理器执行，以引起一系列由处理器完成的操作步骤，以实现流程图中一个或多个方框所规定的功能。

相应地，流程图举例说明的方框支持用于完成所规定功能的装置的组合、用于完成所规定功能的步骤的组合以及用于完成指定功能的程序指令。还将指出，流程图举例说明的每一个方框，以及流程图举例说明的每一个方框的组合，可以通过完成所规定的功能或步骤的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令相结合来实现。

本发明一个实施例举例说明于图2。如图2所示，建立一个动画(方框50)。所述动画典型地将其与定义动画表观的几何体及定义所述几何体运动的时间顺序相联系。这样，几何体与时间顺序相结合就可以考虑动画。在一个实施例中，所述动画是用虚拟现实模型语言(VRML)来定义的。在这种情况下，动画可以将VRML时间传感器和坐标内插器与准备制作动画的几何体相联系来定义，以产生一个动画结点。当时间传感器启动时，它建立时间事件，后者是坐标内插器的输入，然后，坐标内插器输出位置事件，后者送到所述几何体用的位置转换。这些操作的结果是，对于每一个位置事件，所述几何体移动到新的位置(x，y，z)。

回到图2，所建立的动画结点与母体转换相联系(方框52)，以便对动画的几何体进行转换，使得动画是从对三维虚拟环境中用户代表的方向而言预定的透视关系来观看的。换句话说，所述动画与一种转换相联系，所述转换使动画的几何体重定向，使得动画是由用户从固定的视点观看的。一个这样的转换可以是面向动画的转换，使得所述动画永远就象用户总在动画前面似地观看的。在本发明一个VRML实现中，母体转换可以是布告牌转换。这样，VRML动画可以与VRML布告牌转换相联系，以建立一个包含动画结点作为子结点的布告牌结点。在这样一种情况下，动画是从预定的迎面的透视关系呈现给用户的。

建立动画和把动画与母体转换相联系之后，利用所述动画和转换的应用程序或操作系统就可以监视用户在虚拟环境中的位置(方框54)。这个位置可以被母体转换利用来使动画对用户重定向。然后，根据用户的位置，母体转换使动画对用户定向(方框54)。这个取向可以是向着用户的位置，或者，事实上是向着用户代表，诸如化身在虚拟环境中的取向。在VRML的环境中，重定向是根据在布告牌结点定义语句中所定义的轴进行的。

在举例说明于图2的本发明实施例中，动画直到用户进入虚拟环境中预定的区域或位置时才开始的。这样，利用所述动画的应用程序可以测试用户的位置，以确定用户是否进入预定的区域(方框58)，而且只有当用户在预定区域内时才启动动画。然后，将重定向的动画播放给用户(方框60)。

正如本专业的技术人员都会看到的，本发明可以利用来显示与用户在虚拟环境中的位置无关的动画，其中不必等用户移动到预定位置才将动画显示给用户或播放给用户。另外，通过使用本发明，单独一个动画可以为多个处于不同位置的用户重用，而不必为每一个可能的用户位置建立适当取向的动画。

动画的重用对诸如用作Internet web页的虚拟环境中的应用程序可能特别有用，在这里虚拟环境是传送给远程用户的。由于通信延迟是由所传输的数据量确定的，所以，最好将传输给远程用户的用来建立虚拟环境的数据量减到最小。通过动画为多个位置和视点重用，所述动画只须向远程用户传送一次。这样，本发明就减少了准备传输给远程用户以建立虚拟环境的数据量，它包括可以从虚拟环境中多个位置观看的动画，而同时保证所述动画将是由用户从恰当的视点观看的。

本发明对建立VRML虚拟领域特别有用。在这样一种应用中，动画是如上所述地建立的。然后用以下语法将这种动画包含在布告牌结点中：

Billboard{

  eventIn      MFNode     addChildren

  eventIn      MFNode      remmoveChildren

  exposedField SFVec3f  axisOfRotation 0 1 0

  exposedField MFNode    children        []

field   SFVec3f    bboxCenter    000

field   SFVec3f    bboxSize    -1-1-1}

其中，addChildren，removeChildren和children定义分组和子结点，axisOfRotation定义布告牌绕其旋转的轴(内定＝0，1，0)，而bboxCenter和bboxSize定义包围布告牌子结点的约束矩形。通过把动画定义为布告牌结点的子结点，并规定包括动画的约束框，所得布告牌结点通过使所述动画绕旋转轴旋转，将自动将子动画对用户或位置重定向。

应用本发明VRML实施例的例子举例说明于图3A至3C，它们是可能由处理器20利用本发明显示在显示装置上的捕获的虚拟环境屏幕。如图3A所示，建立了一种虚拟环境，它包括圆形的咖啡吧和一个咖啡吧侍者。所述虚拟环境中的其他三维对象还包括诸如钢琴和壁炉。

当用户借助于通过输入装置24向处理器20提供输入而在整个虚拟环境中移动时，处理器20修改通过显示装置23向用户显示的内容。这样，用户，或者他们在虚拟环境中的代表可以走近图3A举例说明的咖啡吧。当用户在咖啡吧上时，咖啡吧侍者动画就启动，以便给用户倒一杯咖啡。图3B举例说明咖啡吧侍者开始为已从图3A的位置走近咖啡吧的用户倒一杯咖啡。咖啡吧侍者动画被定义为具有与吧顶平面垂直的旋转轴的布告牌结点。这样咖啡吧侍者动画就可以绕圆形的咖啡吧旋转，使得始终是从咖啡吧向着用户看的。

图3C举例说明正在从一个角度和从图3B所示方向以外的方向走近咖啡吧的用户。正如在图3C看到的，咖啡吧侍者也采取面向用户的取向，尽管用户向着咖啡吧并成一定角度，而且从不同于图3B中用户走近咖啡吧的方向走近咖啡吧。然后咖啡吧侍者动画就会为用户倒一杯咖啡，而这杯咖啡会是向着用户的，尽管用户改变向着咖啡吧的取向。咖啡吧侍者动画的这种重取向是用单一套动画达到的，所述动画已经与布告牌转换相联系，以建立布告牌结点。这样，通过利用本发明，咖啡吧侍者旋转，使得咖啡吧侍者永远面向用户，而不管用户在何处走近圆形咖啡吧。

尽管本发明已经就圆形咖啡吧进行描述，正如本专业的技术人员将会看出的，只要固定的几何体与布告牌结点的旋转、因而与动画的旋转适当地相关，与任何固定几何体结合的动画的使用都可以利用。这样，矩形、正方形或其他形状的咖啡吧都可以在本例子中应用，只要柜台面积包围准备制作动画的几何体的圆形半径，而旋转轴在柜台表面垂直的平面内选择。

图3A至3C举例说明本发明的应用，以提供可以被从不同的位置走近吧台的不同用户重用的单一动画。这样，不象以前的动画显示方法，这里没有必要为用户对动画的每一个可能取向建立动画。动画启动时取向不正确从而造成动画不向着用户，即，向不存在的用户倒一杯咖啡的问题，也由于动画的适当取向而消除了。因此，由于使用布告牌转换，结果已没有必要限制动画由其开始的位置数，以保证恰当地面向用户，作为正确取向。

本发明已就VRML和VRML布告牌结点做了描述。但是，本专业的技术人员都会看出，其他转换也可以利用，而仍旧从本发明的教导中得到好处。这样，例如，可以利用允许多个重定位轴的母体转换。

另外，本发明已就用户的视点进行了描述。正如本专业的技术人员都会看出的，用户的视点可以是用户所操作的浏览器的视点。或者，化身或用户代表可以用在虚拟环境中。在这样一种情况下，用户的视点可以是虚拟环境中用户代表(亦即用户化身)的视点。类似地，尽管本发明被描述成”用户位置”，正如本专业的技术人员都会看出的，这样的参照是对用户在虚拟环境中的虚拟位置的。这样，用户的位置可以由用户通过例如用户的浏览器或对虚拟环境的其他界面进行控制。

在附图和说明书中，已经公开了本发明典型的最佳实施例，尽管使用了专业术语，它们仍只以原意和描述意义使用的，而不是用于限制目的，本发明的范围由后附的权利要求书提出。

Claims (8)

1.一种控制三维虚拟环境中动画的方法，所述方法包括以下步骤：

建立一种动画，其中所述动画包含要制作动画的几何体；

为所述动画建立一种母体转换，使得母体转换给动画的几何体重定位，以提供对用户的预定视点；

确定用户在三维虚拟环境中的位置；以及

根据用户在三维虚拟环境中的位置用母体转换对所述动画进行转换，来维持对用户的预定视点；

其中所述建立动画的步骤包括通过把VRML时间传感器及VRML坐标内插器与准备制作动画的几何体相联系来建立动画的步骤；以及

所述建立母体转换的步骤包括为所述动画建立这样的母体转换，使得所述母体转换对VRML坐标内插器和VRML时间传感器进行重定位来提供对用户的预定视点。

2 按照权利要求1的方法，其特征在于：所述母体转换包括VRML布告牌转换。

3 按照权利要求1的方法，其特征在于还包括以下步骤：

若所述确定步骤确定用户的位置是在虚拟环境预定区域以内，则为用户播放所述动画。

4 按照权利要求1的方法，其特征在于还包括以下步骤：

若所述确定步骤确定用户的位置是在虚拟环境预定的区域以内，则启动所述动画用的VRML时间传感器。

5.一种控制三维虚拟环境中动画用的系统，所述系统包括：

建立动画用的装置，其中所述动画包含要制作动画的几何体；

为所述动画建立母体转换用的装置，使得母体转换给所述动画的几何体重定位，以提供对用户的预定视点；

确定用户在三维虚拟环境中的位置用的装置；以及

根据用户在所述三维环境中的位置用母体转换对所述动画进行转换，来维持对所述用户的预定视点用的装置；

其中所述建立动画用的装置包括通过把VRML时间传感器及VRML坐标内插器与准备制作动画的几何体相联系来建立动画的装置；以及

所述建立母体转换的装置包括为所述动画建立母体转换用的装置，使得所述母体转换对VRML坐标内插器和VRML时间传感器进行重定位来提供对用户的预定视点。

6.按照权利要求5的系统，其特征在于：所述母体转换包括VRML布告牌转换。

7.按照权利要求5的系统，其特征在于还包括：

若所述确定步骤确定所述用户的位置是在所述虚拟环境预定区域以内，则为所述用户播放所述动画用的装置。

8.按照权利要求5的系统，其特征在于还包括：

若所述确定步骤确定所述用户的位置是在所述虚拟环境预定的区域以内，则启动所述动画的所述VRML时间传感器用的装置。

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