李 靜，吳小勝

（池州學院文學與傳媒學院，安徽池州247000）

虛擬仿真實驗與實際實驗相結合，突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，滿足實際課堂教學需要，逐步成為老師得力的實驗制作工具[1]。虛擬仿真實驗不僅節(jié)約了大量的人力物力資源，也使得用戶可以突破時間和空間的局限，利用碎片的時間和碎片的空間進行自主學習?；赩RML技術開發(fā)電視媒體虛擬仿真實驗項目，一方面，可以緩解電視媒體實驗場地和昂貴設備不足的困境；另一方面，通過逼真形象的多媒體、可視化的呈現(xiàn)，彌補了傳統(tǒng)實驗教學表現(xiàn)力不足的問題，使得用戶在視、聽、觸等感官上獲得了良好的感性認識和實踐體驗。

本研究以“電視發(fā)射機虛擬仿真實驗系統(tǒng)”的開發(fā)為例，依托VRML技術建構電視媒體虛擬仿真實驗項目開發(fā)一整套規(guī)程和方法，并詳細介紹了項目開發(fā)中的系統(tǒng)環(huán)境搭建、三維立體建模、交互設計和產(chǎn)品發(fā)布等關鍵技術。

1 VRML技術

隨著互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實技術的應用場景也越來越廣泛。VRML技術是虛擬現(xiàn)實技術中經(jīng)典代表，其代碼簡潔，支持多種交互行為和可擴展自定義對象，是一種低門檻、易實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實技術。

1.1 VRML技術概述

VRML是虛擬現(xiàn)實造型語言（Virtual Reality Modeling Language）的簡稱，本質(zhì)上是一種面向web、面向對象的三維造型解釋性語言[5]。VRML結合Internet和多媒體技術將三維交互對象、虛擬場景搬運上互聯(lián)網(wǎng)，可以看作是HTML(Hyper Text Markup Language)的3D模擬，用戶借助各種交互設備與虛擬場景互動，實現(xiàn)了網(wǎng)絡上2D畫面到3D動畫的轉變，創(chuàng)造了一個真實感強、交互性好的虛擬世界[6-8]。

1.2 VRML的基本特征

VRML有四個基本特征：

一是沉浸性，VRML向用戶提供真實世界的場景模型或虛擬的三維世界的場景模型，人們借助頭盔、眼鏡、耳機等虛擬現(xiàn)實設備進入虛擬場景，獲得場景身臨其境的體驗。作為場景中一個角色，用戶可以通過多種交互手段行走在虛擬場景中，以多種視角觀察、操控場景中的對象。

二是交互性，用戶借助位置追蹤儀、操縱桿、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標等交互設備在虛擬場景做自由漫游、控制場景中某個物體的空間位置、同時系統(tǒng)將用戶與虛擬物體接觸的信息反饋給操作者等，用戶獲得與真實世界同樣的交互體驗，真實感強。

三是多感知性，指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實應該具有一切人所具有的感知功能[9]。VRML支持多種媒體，用戶與場景的交互過程中可以獲得交互圖文信息的提示、各種模擬音效以及對象的觸覺感知和運動感知。

四是構想性，虛擬場景是人構想出來的，VRML支持的交互模式提供了發(fā)揮想象力機制,用戶可以將自己對虛擬場景或對象的行為構想變成可視化的交互行為。

1.3 VRML的工作機制

VRML開發(fā)語言具有代碼簡潔、面向對象等優(yōu)勢，是虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品中經(jīng)典的開發(fā)工具。

作為虛擬現(xiàn)實造型語言，VRML在語法格式上如同HTML一樣。HTML以標記(Tag)指定文字樣式、排版格式、多媒體檔案插入或超鏈接等功能,而VRML則以節(jié)點(Note)作為基本單位[10]。VRML支持的腳本語言有JavaScript,Java,VRMLScript,ECMAScript。

VRML的工作機制是基于客戶端/服務器模式[11]。開發(fā)中借助Cult3D等工具實現(xiàn)對場景、對象的交互控制規(guī)劃，復雜場景采用JavaScript等腳本語言實現(xiàn)對節(jié)點指令的編程設計，然后，客戶端通過本地瀏覽器（安裝如Cult3D View Pulgin插件）進行解釋運行，實現(xiàn)對虛擬場景及對象的交互控制。

目前該技術被廣泛地應用于旅游、媒體、購物、軍事和醫(yī)療等各個領域，例如人們借助頭盔、眼鏡、耳機等虛擬現(xiàn)實設備，體驗360度全景視頻；通過虛擬現(xiàn)實設備，能使媒體受眾體驗到真正的“現(xiàn)場新聞；同時，虛擬現(xiàn)實技術還可以提供整個商店的虛擬導游，提高人們在線購物的體驗等等。

2 基于VRML構建虛擬仿真實驗系統(tǒng)三層體系模型

結合VRML虛擬現(xiàn)實造型語言的功能及其工作機制，本研究構建了模型層、交互層和表現(xiàn)層虛擬仿真實驗系統(tǒng)的三層體系架構。三層體系架構如圖1：

圖1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)三層體系架構

其中模型層負責實物模型的構造與管理，主要通過3dsmax、maya等三維軟件建模并導出*.c3d模型文件，生成VRML原型；

交互層利用VRML原型進行交互設定，主要通過Cult3D Designer及JavaScript腳本編程實現(xiàn)交對象的互動作設計，其中JavaScript腳本用于復雜場景和對象的交互控制，包括用戶的鼠標動作、音效響應等，生成*.jas文件與*.co文件；

表現(xiàn)層則是用戶與客戶端的交互界面，通過Dreamweaver嵌入網(wǎng)頁代碼，利用HTML+CSS、VRML插件及瀏覽器發(fā)布，也可以通過office，比如在Powerpoint中瀏覽。

3 VRML技術平臺的系統(tǒng)環(huán)境搭建

VRML虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)的主要流程包括：三維立體建模、交互設計和產(chǎn)品發(fā)布。系統(tǒng)環(huán)境搭建如下：

3.1 硬件環(huán)境

依托VRML技術平臺的虛擬仿真實驗包括實體的測量、建模、貼圖、交互設計及產(chǎn)品發(fā)布環(huán)節(jié)，因此硬件環(huán)境準備如下：

（1）電視媒體工作環(huán)境。計算機與網(wǎng)絡實驗環(huán)境。用于各類電視媒體的實體精確測量與三維立體建模。

（2）攝影攝像環(huán)境。用于三維立體模型的貼圖烘焙等。

（3）成果測試、運行環(huán)境，包括互聯(lián)網(wǎng)及各類瀏覽器。用于網(wǎng)絡中多視野、全方位操作情境的整體設計，以及產(chǎn)品發(fā)布。

3.2 軟件環(huán)境

基于VRML技術平臺開發(fā)虛擬仿真實驗，軟件環(huán)境的搭建是技術保障，更是關鍵環(huán)節(jié)。研究從三維立體建模、交互設計和產(chǎn)品發(fā)布三大系統(tǒng)開發(fā)的主要流程配置軟件環(huán)境，經(jīng)過實驗測試，如下軟件環(huán)境配置的穩(wěn)定性、易用性及可擴展性較高。

3.2.1 三維立體建模環(huán)境 3dsmax2018中安裝cult3d3dsmax插件，再運行MaxR6_7_8_V4.0.4.59.exe，按提示操作即可。在3dsmax2018中建模，使用導出選項，導出*.c3d文件。

3.2.2 交互設計環(huán)境 運行三維交互設計軟件Culd3D Designer.exe，進入Cult3D界面，載入從3dsmax中導出的*.c3d文件。Cult3D支持同時載入多個c3D格式文件，中間可以保存工程文件(*.c3p)，最后生成*.co文件和*.html文件。

3.2.3 產(chǎn)品發(fā)布環(huán)境分情況討論

（1）如果是IE瀏覽器，須先安裝Cult3D Viewer for Web browsers，即IE瀏覽器插件，運行Cult3D_IE_5.3.0.228.exe文件；直接在其中打開html文件即可以瀏覽了。

（2）如果是在其它瀏覽器（如火狐）中輸出，可先安裝Cult3D_Mozilla_5.3.0.154.exe文件。而后直接瀏覽html文件即可。

（3）如果是在office中，比如在Powerpoint中瀏覽，則需安裝office插件Cult3D Viewer for Microsoft Office，運行 Cult3D_IE_5.3.0.228.exe(與 IE 的不一樣)，然后打開Powerpoint,進入“視圖”菜單/工具欄/控件工具箱，使用“其它控件”中的Cult3d activex player工具，插入*.co文件，播放即可。

4 基于VRML的電視媒體虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

開發(fā)研究以“電視發(fā)射機虛擬仿真實驗系統(tǒng)”為例，主要流程包括：三維立體建模、交互設計及產(chǎn)品發(fā)布三個階段，開發(fā)實踐及成果如下：

4.1 電視發(fā)射機實體的精確測量與拍照

為獲得三維模型的真實感，首先要對實體進行測量與拍照，測量的目的是為了保證三維模型的比例規(guī)范，測量數(shù)據(jù)要準確；拍照圖片作為三維模型的紋理和貼圖，拍照環(huán)境要亮度適宜、且無陰影，實物的陰影在3dsmax中運用燈光實現(xiàn)。

4.2 三維實體建模、燈光、渲染

三維實體建模，采用3dsmax2018三維軟件，貼圖展平的拼接技術已在軟件中實現(xiàn)了無縫拼接，3D燈光、渲染、貼圖烘焙的綜合運用；鑒于實時交互的響應速度，在三維建模中運用天光作主光，輔以Omini燈光作輔光，而后大象素貼圖展平輸出，再運用烘焙技術回貼，生成模型文件，在交互程序設計中運用事件切換的方法展示。VRML模型文件如圖2：

圖2 VRML模型文件

4.3 多視野、全方位操作控制的交互設計

虛擬仿真系統(tǒng)的交互設計采用Cult3D Designer工具進行交互事件規(guī)劃，實現(xiàn)用戶與虛擬場景、對象的交互控制。在事件規(guī)劃中要注意兩個問題：

一是虛擬對象間的層級關系，比如機械運動的虛擬仿真系統(tǒng)中的主動輪和從動輪的關系，必須是主動輪先旋轉起來，然后從動輪跟著旋轉。

二是交互控制的時序關系，比如說電視發(fā)射機的虛擬仿真系統(tǒng)，必須是先打開功率放大器電源開關，而后其它按鈕及功能才能啟動。事件總體規(guī)劃圖如圖3：

圖3 電視發(fā)射機虛擬仿真系統(tǒng)事件總體規(guī)劃圖

為使用戶獲得真實感強、沉浸感好的視覺效果，作者在虛擬現(xiàn)實構想環(huán)節(jié)中采用多視野、全方位操作情境的整體設計技術。實現(xiàn)的方法是在三維建模過程中使用多機位設計，在交互設計中運用控制球操作與鼠標鍵盤結合的方式共同控制電視媒體。

交互演示效果如圖4，鍵盤交互控制功能如圖4中A區(qū)所示操作提示，鼠標交互控制功能如圖4中B區(qū)所示操作提示：

圖4 電視發(fā)射機虛擬仿真實驗系統(tǒng)演示效果

程序中運用了行為序列與情境特寫的方式解決了媒體多視野、全方位的展示問題。通過鍵盤左右鍵實現(xiàn)全方位旋轉展示，鍵盤事件規(guī)劃圖如圖5：

圖5 鍵盤事件規(guī)劃圖

虛擬仿真實驗不僅僅是對虛擬場景、對象的交互控制，還包括對實驗設備的認識、操作說明等。本研究涉及的網(wǎng)絡情境中交互圖文信息的撰寫與顯示技術，在三維建模時運用虛實結合的方式建立模型，對于開關、儀表指針等采用雙重疊位創(chuàng)建，操作中的信息顯示采用鼠標跟蹤方式的交互程序設計完成，使得信息顯示運用自如。鼠標事件規(guī)劃圖如圖6（節(jié)選）：

圖6 鼠標事件規(guī)劃圖

鼠標左鍵點擊電源開關，發(fā)射機啟動（伴有啟動音效），與此同時發(fā)射機其它功能按鈕啟用；鼠標左鍵點擊功放表按鈕，功放表按鈕01彈起，并設置彈起音效，實現(xiàn)電視發(fā)射機設備的虛擬仿真實驗演示，設備中其它功能開關及參數(shù)的交互控制同理設計，功率放大器電源開關打開如圖7所示：

圖7 功率放大器電源開關打開

4.4 多終端產(chǎn)品發(fā)布

考慮到用戶的差異化需求，客戶端界面的設計、客戶端數(shù)據(jù)訪問與多媒體控制部分的編程技術，使用了網(wǎng)頁交互方式和單機課件展示兩種方式提供給使用者操作?？蛻舳私缑娴脑O計、客戶端數(shù)據(jù)訪問與多媒體控制部分的編程技術，使用了網(wǎng)頁交互方式和單機課件展示兩種方式提供給使用者操作，提示界面友好，運用多媒體交互控制技術使得控制提示一鍵完成、一鍵隱退，大大方便使用者。

對于互聯(lián)網(wǎng)用戶，采用服務器與客戶機方式進行網(wǎng)上發(fā)布，將網(wǎng)頁交互插件嵌入到客戶端頁面中，便于操作者下載；對于局域網(wǎng)則直接使用通用辦公軟件交互操作(如PPT)，極大強化了軟件的易用性。

5 結束語

關于虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)技術，目前主流的虛擬仿真產(chǎn)品的開發(fā)工具是Unity3D系統(tǒng)，該系統(tǒng)開發(fā)對人員要求較高，學科教師較難完成虛擬現(xiàn)實資源的開發(fā)。因此在教育實踐領域探索技術門檻低、可視化程度高、易實現(xiàn)的虛擬仿真實驗技術尤為重要。本研究為該問題解決提供了方案。

基于VRML技術的“電視發(fā)射機虛擬仿真實驗系統(tǒng)”的實現(xiàn)，不僅為用戶提供了一個虛擬仿真實驗項目，也是建構了一整套的基于VRML的虛擬仿真實驗開發(fā)的規(guī)程和方法，可為同類系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。