楊麗英

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，太原 030031)

基于VR技術(shù)的3D展廳交互系統(tǒng)研究

楊麗英

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，太原 030031)

作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與展覽館功能相結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬展廳相對(duì)于實(shí)體展廳突破時(shí)間和空間局限性，增加觀眾的參展欲望，使得參展更加靈活和安全，讓用戶體驗(yàn)“身臨其境”的逼真性。提出將虛擬展廳設(shè)計(jì)為用戶可定制的思想。由用戶交互式的添加展廳模型、展品模型、多媒體說明信息等，配置展廳運(yùn)行參數(shù)、展板和展品的展示方式、參展路徑等，以此實(shí)現(xiàn)用交互式虛擬展廳平臺(tái)。

虛擬展廳；虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真；自主漫游

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為近幾年來國內(nèi)外計(jì)算機(jī)界關(guān)注的一個(gè)技術(shù)研究熱點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起，為人機(jī)交互的發(fā)展開辟了新的研究領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、軍事訓(xùn)練、建筑設(shè)計(jì)、航空航天等眾多領(lǐng)域[1]。展廳產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今社會(huì)急速發(fā)展的服務(wù)產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)在未來幾十年內(nèi)，將迎來展廳產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展。

展廳的發(fā)展受限于天氣、交通、時(shí)間、場(chǎng)地、成本和安全等眾多因素。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與展覽館技術(shù)相結(jié)合是很好的解決展廳產(chǎn)業(yè)發(fā)展障礙的重要手段。虛擬展廳已經(jīng)成為展廳產(chǎn)業(yè)不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，目前已經(jīng)有不少的成功案列，例如應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的德化陶瓷虛擬展廳[2]，中小企業(yè)展產(chǎn)品展示平臺(tái)[3]，虛擬美術(shù)館[4]，農(nóng)產(chǎn)品展示平臺(tái)[5]，汽車、服裝展示平臺(tái)等，可以將展示和產(chǎn)品的在線預(yù)訂相結(jié)合，極大地降低企業(yè)的展示成本，增加了銷售效率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與展覽館功能相結(jié)合，具體化信息的表達(dá)方式，以虛擬展廳的形式展現(xiàn)出來，給人們一種更易于接受的形式，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

本文提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，使其通用性和交互性得到充分體現(xiàn)。交互地設(shè)定組件的多媒體說明信息，從而最大化虛擬展廳的可重用性。系統(tǒng)配置完成的展廳將能夠根據(jù)用戶的設(shè)定進(jìn)行展示、自主漫游、第一人稱視角漫游、自主路線規(guī)劃等功能，使得虛擬展廳技術(shù)得到更好的發(fā)展和推廣。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D展廳交互系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以分為兩個(gè)主要部分即虛擬展廳配置生成部分和虛擬展廳運(yùn)行部分。用戶在配置展廳時(shí)，交互式添加展板或展品的多媒體信息，當(dāng)用戶參展時(shí)，點(diǎn)擊相應(yīng)展板或展品可以展示其多媒體說明信息。展廳運(yùn)行部分中，路線規(guī)劃方面，系統(tǒng)提供第一人稱視角漫游和系統(tǒng)自主漫游兩種參展方式。在系統(tǒng)自主漫游模式中，保證攝像機(jī)漫游路徑能夠有效快速地進(jìn)行每一個(gè)展品的參展，而且不會(huì)放生碰撞。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次模塊分析如下：

（1）底層模塊

底層模塊包括鍵盤、鼠標(biāo)輸入過程系統(tǒng)的控制和CEGUI界面交互的UI輸入控制。其中鍵盤、鼠標(biāo)輸入控制采用Delta3D的dtCore功能模塊。Delta3D包含了OSG場(chǎng)景管理引擎，采用OSG場(chǎng)景管理引擎來進(jìn)行整個(gè)場(chǎng)景的三維模型的狀態(tài)管理和渲染。展品可以添加視頻說明信息。音頻播放采用Delta3D的OpenAL（Open Audio Library）自由軟件界的跨平臺(tái)音效API，視頻采用視頻動(dòng)態(tài)鏈接庫開發(fā)。

（2）中層模塊

違規(guī)檢測(cè)模塊包括參數(shù)的違規(guī)檢測(cè)和展廳運(yùn)行時(shí)的違規(guī)檢測(cè)。其中參數(shù)的違規(guī)檢測(cè)包括輸入的參數(shù)是否在有效范圍內(nèi)，加載的模型是符合系統(tǒng)要求等；展廳運(yùn)行時(shí)違規(guī)檢測(cè)包括沒有按制定路線漫游、行走超出場(chǎng)景范圍等問題。界面邏輯控制模塊包括按鈕、菜單等UI控件的管理，搭建程序的UI控制邏輯框架。

（3）高層模塊

用戶通過UI配置展廳的運(yùn)行參數(shù)和展覽內(nèi)容，生成配置文件，整個(gè)應(yīng)用程序的實(shí)際裝載數(shù)據(jù)和操作流程由配置文件決定。解析模塊與配置文件讀取，并對(duì)配置文件的解析和讀取，以達(dá)成滿足使用者實(shí)際需要的最終模擬效果。

具體層次模塊圖如圖1所示。

圖1 3D展廳交互系統(tǒng)層次模塊圖

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D展廳交互系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)路線

采用CEGUI制作界面，使用戶方便地進(jìn)行展廳配置和展品加載，載入系統(tǒng)的展板或展品可以通過鼠標(biāo)拖拽方式再次調(diào)控，也可以通過鍵盤進(jìn)行位置的微調(diào)。系統(tǒng)提供三種展板、展品和路標(biāo)導(dǎo)覽模型的配置方式，采用改進(jìn)的柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃[6]，基于K_DOPS包圍盒層次結(jié)構(gòu)的碰撞檢測(cè)方[7]進(jìn)行碰撞檢測(cè)。具體由CEGUI生成UI，用戶配置相關(guān)信息：如相機(jī)節(jié)點(diǎn)序列，導(dǎo)覽工具參數(shù)，相機(jī)包圍盒參數(shù)，展板參數(shù)，詳細(xì)展示膠片參數(shù)，展廳運(yùn)行參數(shù)，展廳模型，圖片按鈕參數(shù)，腳本列表參數(shù)等，生成XML資源文件，通過開源的TinyXml解析器進(jìn)行讀取解析，加載入程序，包括3D引擎，場(chǎng)景管理，交互控制，音頻處理，視頻處理，事件綁定，碰撞檢測(cè)等，生成三維場(chǎng)景后可利用鼠標(biāo)和鍵盤完成配置等。系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 3D展廳交互系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D展廳的配置和運(yùn)行效果

3.1 展廳配置功能和效果實(shí)現(xiàn)

虛擬展廳的配置可分為模型建立與導(dǎo)入模塊、模型位置和參數(shù)設(shè)定模塊、交互式界面制作模塊、邏輯容錯(cuò)模塊等。

圖3 交互界面制作和展廳配置效果圖

3.2 展廳運(yùn)行功能和效果實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在展廳配置完成后，將會(huì)進(jìn)入展廳運(yùn)行階段。展廳運(yùn)行過程中主要包含自動(dòng)腳本執(zhí)行模塊，展板、展品展示模塊，多媒體說明信息展示模塊，第一人稱視角漫游模塊，自主漫游模塊，碰撞檢測(cè)模塊。第一人稱視角漫游主要涉及到鍵盤輸入控制、攝像機(jī)控制和碰撞檢測(cè)。系統(tǒng)提供第一人稱視角漫游和自主漫游兩種漫游方式如圖4為第一人稱視角漫游效果圖。

圖4 第一人稱視角漫游效果

自主漫游路徑為系統(tǒng)規(guī)劃路徑，主要分為各個(gè)視點(diǎn)間相機(jī)的平滑過渡如圖5左圖所示，視點(diǎn)的詳細(xì)展示如圖5右圖。

圖5 自主漫游效果

4 結(jié)語

本文針對(duì)虛擬展廳的可重用性和改動(dòng)困難的缺點(diǎn)，提出了可定制虛擬展廳的概念。分析了可定制虛擬展廳的需求，從底層、中層和高層分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊劃分，進(jìn)而確定系統(tǒng)的整體架構(gòu)和技術(shù)路線，并且針對(duì)模塊中的技術(shù)難題，論述了采用的解決方案。

[1]于海鳳，邢桂芬，張凱.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在視景仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,06:1108-1110.

[2]陳柏生，張志陽，杜吉祥.德化陶瓷虛擬展廳[J].信息化縱橫，2009，6:025.

[4]李明.談?dòng)?jì)算機(jī)建設(shè)虛擬美術(shù)館[J].科學(xué)時(shí)代，2012（10）.

[5]馬海霞，王恒煒，楊博超，等.基于Web3D技術(shù)的甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院虛擬展館設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2013（10）:19-22.

[6]梁嘉俊，曾碧，何元烈.基于改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)柵格法的清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃算法研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，04:30-36+43.

[7]姜光焱.基于包圍盒的碰撞檢測(cè)算法的研究及應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)，2012.

Research on the Interactive System of 3D Exhibition Hall Based on Virtual Reality Technology

YANG Li-ying
（Business College of Shanxi University，Information Faculty，Taiyuan 030031）

The combination of virtual reality technology and exhibition hall functions,relative to the entity exhibition hall,virtual exhibition hall broke through the time and space limitations,to increase the audience participation desire,make the more flexible and safe.It allows audience immersed in the virtual world.Proposes the idea of user's customization.By user interactive adds exhibition hall model,exhibition model,multimedia information and so on.Deploys exhibition ball operation parameters,display of Panel and exhibits,the exhibition path, etc.to meet with interactive virtual exhibition platform.

Virtual Exhibition Hall;Virtual Reality and Simulation;Automatic Roaming

山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（No.2015010）、山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.201603D321112）

1007-1423（2016）36-0063-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.36.016

義輝.中小型企業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的虛擬展示研究與開發(fā)[D].陜西科技大學(xué)，2009.DOI:10.7666/d.y1643985.

楊麗英（1982-），女，山西太原人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橹形男畔⑻幚?、?shù)據(jù)挖掘

2016-11-08

2016-12-10