馬本源　李占利　馬天　靳紅梅

【摘 要】虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)劃、判斷以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，具有仿真性、開(kāi)放性和交互性等特點(diǎn)，要在效果和操作上盡可能的接近實(shí)際操作，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的目的。本文分析了三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的典型類(lèi)型，總結(jié)了其標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)流程，以及三維建模、實(shí)時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)交互操作等關(guān)鍵技術(shù)。本文工作對(duì)于三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)；三維仿真；交互操作；渲染引擎

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)，是能夠生成多種感官刺激的人機(jī)交互系統(tǒng)，具有想象性、交互性和沉浸感等特點(diǎn)。對(duì)于一些比較危險(xiǎn)的課程實(shí)驗(yàn)，稍微的操作不慎就可能會(huì)對(duì)操作人員構(gòu)成嚴(yán)重的傷害；受到實(shí)際教學(xué)空間和實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量限制，也很難保證每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行充分訓(xùn)練。因此，迫切需要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中。三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過(guò)程，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了徹底改革，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)操作來(lái)做實(shí)驗(yàn)，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)[2]。其擴(kuò)大了人們的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域，得到了普遍的應(yīng)用。

三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)劃、判斷以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，具有仿真性、開(kāi)放性和交互性[3]等特點(diǎn)，要在效果和操作上盡可能的接近實(shí)際操作，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的目的。本文從系統(tǒng)分類(lèi)、實(shí)現(xiàn)流程和關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)層面對(duì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探討，詳細(xì)分析了三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的典型類(lèi)型，總結(jié)了其標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)流程，以及三維建模、實(shí)時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)交互操作等關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)分類(lèi)

目前，關(guān)于三維虛擬實(shí)驗(yàn)的研究越來(lái)越多，被廣泛應(yīng)用到從初中到大學(xué)的化學(xué)、物理、電氣工程、力學(xué)、計(jì)算機(jī)硬件等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及人體解剖、交通駕駛教學(xué)實(shí)驗(yàn)等眾多領(lǐng)域。從實(shí)現(xiàn)平臺(tái)來(lái)看，大致可劃分為這樣兩類(lèi)：

（1）以Virtools、Unity3D、VR-Platform等商業(yè)三維渲染引擎平臺(tái)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。華中師范大學(xué)的朱柱[3]基于Unity3D平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套三維金屬燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可交互展示不同金屬的三維燃燒效果；北京理工大學(xué)的陳巖等[4]基于Virtools平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套三維虛擬液力變矩器性能試驗(yàn)臺(tái)，可在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行油路管道連接等交互操作；山東師范大學(xué)的冀巧玲[5]基于3dMax建立場(chǎng)景三維模型和實(shí)驗(yàn)演示動(dòng)畫(huà)，基于VR-Platform平臺(tái)的紋理烘培和腳本編輯等功能開(kāi)發(fā)了一套中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)操作流程和使用效果進(jìn)行了分析。該類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是商業(yè)軟件一般都提供比較完善的功能模塊，開(kāi)發(fā)周期短，不需要花費(fèi)太多精力在技術(shù)細(xì)節(jié)，可以專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。但是，由于商業(yè)軟件功能和接口限制，顯示效果和再開(kāi)發(fā)自由度受到一定限制。

（2）以O(shè)penGL、OpenSceneGraph、Orge等開(kāi)源三維渲染引擎平臺(tái)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。華中科技大學(xué)的馮清秀等[6]基于VisualC++和OpenGL平臺(tái)，建立了真實(shí)可控的三維虛擬PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PLC運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制仿真。西安科技大學(xué)的馬天[7]等基于OpenSceneGraph平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套三維虛擬高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種通用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)格式和操作處理方法。安徽工業(yè)大學(xué)的謝圣學(xué)[8]基于Orge平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套建筑鋼筋構(gòu)件仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維建筑鋼筋模型的動(dòng)態(tài)生成、三維立體文字生成等功能。該類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)平臺(tái)完全免費(fèi)和開(kāi)放，開(kāi)發(fā)自由度不受限制，可擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，推廣應(yīng)用方便。但是，開(kāi)源軟件功能模塊不完善，需花費(fèi)很多精力在技術(shù)細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)上。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，大致可劃分為這樣兩類(lèi)：

（1）單機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3-6]都是這種結(jié)構(gòu)，該類(lèi)系統(tǒng)專(zhuān)注于個(gè)人的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，只需設(shè)計(jì)獨(dú)立的三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和交互操作，系統(tǒng)之間不存在數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，一般安裝在實(shí)驗(yàn)室的電腦上。但是，這種封閉結(jié)構(gòu)切斷了師生之間的指導(dǎo)交流，使得教師不能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的練習(xí)情況；學(xué)生也只能在實(shí)驗(yàn)室才能使用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

（2）C/S或B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]采用C/S模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備零件三維模型本機(jī)存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)文件和成績(jī)信息數(shù)據(jù)庫(kù)放在服務(wù)器端。西安電子科技大學(xué)的苗曉鋒[9]采用B/S模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基于HTML和VRML技術(shù)，構(gòu)建了三層體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程教育網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行電路分析課程二維連線(xiàn)實(shí)驗(yàn)和三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼故?。該?lèi)系統(tǒng)部署和維護(hù)復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是，其彌補(bǔ)了單機(jī)系統(tǒng)的不足，客戶(hù)端位置可不僅局限于實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在任何電腦進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行練習(xí)，教師也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的練習(xí)情況。三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)放性特點(diǎn)決定其更適合采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)現(xiàn)流程與關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上文獻(xiàn)的分析，三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程與關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

（1）開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇，根據(jù)開(kāi)發(fā)周期和技術(shù)水平選擇合適的三維渲染引擎。為了系統(tǒng)后續(xù)升級(jí)、維護(hù)和推廣方便，推薦選擇開(kāi)源引擎。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)部署情況進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果只是部署在實(shí)驗(yàn)室電腦，可設(shè)計(jì)成單機(jī)結(jié)構(gòu)或者C/S結(jié)構(gòu)；如果希望能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放使用，可設(shè)計(jì)成B/S結(jié)構(gòu)或者C/S結(jié)構(gòu)，需要配置專(zhuān)門(mén)的外網(wǎng)服務(wù)器支持。

（3）三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景建模與實(shí)時(shí)渲染管理，一般是通過(guò)3DMax、Maya等主流三維建模工具制作高品質(zhì)的設(shè)備模型，然后采用選擇的三維渲染引擎平臺(tái)進(jìn)行場(chǎng)景模型導(dǎo)入、繪制和管理。為了保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互的性能，模型的幾何復(fù)雜度可通關(guān)紋理映射的技術(shù)簡(jiǎn)化；高級(jí)光照效果可通過(guò)紋理烘培的技術(shù)預(yù)先渲染成圖片，以避免實(shí)時(shí)渲染計(jì)算。如果場(chǎng)景對(duì)象多而復(fù)雜，可采用場(chǎng)景圖的技術(shù)來(lái)管理和繪制三維場(chǎng)景，即采用自頂向下的分層樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)組織場(chǎng)景對(duì)象，以提升渲染的效率。

（4）實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)管理，為了實(shí)現(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)操作和判斷正誤的程序邏輯，需要設(shè)計(jì)合適的方式來(lái)管理操作步驟等信息。一種方式是直接將信息放在程序判斷邏輯或模型文件中，這可以滿(mǎn)足單一實(shí)驗(yàn)的需求；對(duì)于實(shí)驗(yàn)對(duì)象不同的多種復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，另一種方式是將這些信息寫(xiě)在單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件中，在程序中取出需要信息，然后采用通用邏輯進(jìn)行操作控制判斷。

（5）實(shí)驗(yàn)交互操作，首先需要分析歸納實(shí)驗(yàn)操作類(lèi)型，然后為每種類(lèi)型設(shè)計(jì)交互方式。對(duì)于傳統(tǒng)的桌面式三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一般是通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)來(lái)交互，需要細(xì)分鼠標(biāo)的三個(gè)按鍵的每一種操作方式。對(duì)于沉浸式的系統(tǒng)，可配合立體眼鏡，通過(guò)數(shù)據(jù)手套等更直觀的方式進(jìn)行交互，需要為每種操作類(lèi)型設(shè)計(jì)合理的手勢(shì)動(dòng)作。

3 結(jié)語(yǔ)

三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過(guò)程，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了徹底改革，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)操作來(lái)做實(shí)驗(yàn)，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。其擴(kuò)大了人們的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域，得到了普遍的應(yīng)用。三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)劃、判斷以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，具有仿真性、開(kāi)放性和交互性等特點(diǎn)。本文從系統(tǒng)類(lèi)型、實(shí)現(xiàn)流程和關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)層面對(duì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探討，詳細(xì)分析了三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的典型類(lèi)型，總結(jié)了其標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)流程，以及三維建模、實(shí)時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)交互操作等關(guān)鍵技術(shù)。本文工作對(duì)于三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]苗志宏，馬金強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.5.

[2]李耀麟，張呂彥.虛擬實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，2（20）：118-121.

[3]朱柱.基于Unity3D的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012.

[4]陳巖，姚壽文，劉樹(shù)成，等.Virtools底層開(kāi)發(fā)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，3：70-73.

[5]冀巧玲.基于VR_Platform的中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2011.

[6]馮清秀，夏俊力.基于OpenGL的交互式PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，2（30）：47-50.

[7]Tian Ma， Hongmei Jin， Benyuan Ma， etc. Study on 3D virtual experiment teaching system[C].ICSPCC 2015，Ningbo，2015.9：1-5.

[8]謝圣學(xué).基于OGRE的建筑鋼筋構(gòu)件仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)技術(shù)研究[D].合肥：安徽工業(yè)大學(xué)，2014.

[9]苗曉鋒.遠(yuǎn)程教育網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

[責(zé)任編輯：王楠]