姬喆

摘 ?要： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)從人的嗅覺、視覺、觸覺和聽覺等多方面來全方位模擬環(huán)境，讓人們在計(jì)算機(jī)構(gòu)筑的虛擬環(huán)境中有身處其中之感，借助于人機(jī)交互可以獲得各種信息。文中首先對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析，然后在Web上利用VR技術(shù)來完成相應(yīng)虛擬校園系統(tǒng)的開發(fā)。在此過程中對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行概述，并結(jié)合校園導(dǎo)向標(biāo)識系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需提出借助于VR實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)向系統(tǒng)的可行性方案;最后給出虛擬校園系統(tǒng)的整體框架、所需技術(shù)與實(shí)現(xiàn)策略，同時(shí)還對該系統(tǒng)的交互與建模方法進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 校園漫游系統(tǒng); 交互設(shè)計(jì); 三維模型; 虛擬系統(tǒng)開發(fā); 人機(jī)交互

中圖分類號： TN919.85?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）15?0086?05

Applied research on interaction design based on VR virtual roaming technology

JI Zhe

（ Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China）

Abstract： The virtual reality （VR） technology can make people seem to be in the virtual environment built by the computer have a sense of being in it， and obtain all kinds of information by means of the help of human?computer interaction. The design objectives and functional structure of the system are analyzed in this study. The development of the corresponding virtual campus system is completed with VR technology on Web2.0. In this process， the VR technology is summarized， and then the feasible scheme of realizing the guidance system with the help of VR technology is proposed according to the design requirements of the campus guidance sign system. The overall framework， required technology and implementation strategy of the virtual campus system are given. The interaction and modeling methods of the system are discussed.

Keywords： virtual reality technology; campus roaming system; interaction design; 3D model; virtual system development; man?machine interaction

0 ?引 ?言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)、平板、手機(jī)等智能設(shè)備的日漸普及，網(wǎng)絡(luò)迅猛飛速的發(fā)展，傳統(tǒng)圖片與文字等相關(guān)交互模式已經(jīng)很難滿足民眾的多元化需求，沉浸式或者多元化的交互模式無疑會成為今后重要的發(fā)展趨勢。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)也由此受到極大關(guān)注與發(fā)展。該技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)、多媒體、仿真等技術(shù)進(jìn)行融合，構(gòu)筑一個(gè)仿真的虛擬三維環(huán)境，可以讓民眾產(chǎn)生一種身臨其境的真實(shí)感，對激發(fā)人們的創(chuàng)新思維與想象力有著頗為重要的作用。當(dāng)前虛擬視景系統(tǒng)開始得到廣泛應(yīng)用，其價(jià)值也日益凸顯，本文就對該系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，其目的就是構(gòu)筑一個(gè)融合易用、實(shí)用于一體化的虛擬視景系統(tǒng)平臺，該平臺的技術(shù)關(guān)鍵就是構(gòu)筑近乎真實(shí)的虛擬環(huán)境。本文對該平臺進(jìn)行開發(fā)，并對其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)討論。這種技術(shù)不僅能夠給用戶帶來更好的真實(shí)感，同時(shí)還能很好地滿足人們多元化的交互需求，可以讓人們沉浸于逼真的虛擬環(huán)境中，進(jìn)而產(chǎn)生一種身處其中的感覺。

1 ?系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

虛擬校園漫游系統(tǒng)應(yīng)該表現(xiàn)出虛擬環(huán)境中的地形、花草樹木、校內(nèi)建筑等對象的三維模型，在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分逼真，使參考者能在構(gòu)筑的栩栩如生的虛擬校園中漫游，并實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)之間的交互功能。在虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)過程中，首先要對虛擬場景進(jìn)行一個(gè)整體的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程如下：

1） 實(shí)地考察，測量場景的外觀、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用照相機(jī)、攝像機(jī)等工具拍攝真實(shí)的場景圖片，收集場景的設(shè)計(jì)圖紙等資料。

2） 利用圖像處理軟件對事先收集的圖片進(jìn)行預(yù)處理，留作幾何建模后作為紋理貼圖。

3） 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

4） 根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及要建立的虛擬場景特點(diǎn)確定開發(fā)的技術(shù)路線及開發(fā)平臺。

5） 利用建模軟件建立場景環(huán)境及實(shí)體模型。

6） 利用仿真軟件把建好的模型整合在一起，然后通過仿真軟件或編程實(shí)現(xiàn)漫游控制，完成場景漫游系統(tǒng)的開發(fā)。

圖1為場景漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖。

圖1 ?虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要流程

1.2 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在構(gòu)筑虛擬校園系統(tǒng)時(shí)必須要創(chuàng)建相應(yīng)的三維模型庫，這樣才能使得系統(tǒng)更具有真實(shí)性，并能為師生提供更為豐富的交互模式。虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：

1） 交互窗體需要做到最大限度的簡單化，可以使得不同層次用戶都能在界面上對系統(tǒng)功能進(jìn)行清晰了解，同時(shí)還能對系統(tǒng)展開操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漫游。

2） 該系統(tǒng)需要結(jié)合校園實(shí)景完成虛擬環(huán)境構(gòu)筑，可以真實(shí)展現(xiàn)出校園的景觀，使得人們產(chǎn)生身臨其境之感。

3） 為了促使該系統(tǒng)中的三維圖像更為逼真，就需要注重紋理的細(xì)節(jié)，使得相應(yīng)紋理影射變得更為詳細(xì)。

4） 在構(gòu)筑虛擬物體模型時(shí)需要使用更為真實(shí)的材質(zhì)，并引入明暗效應(yīng)。

5） 該系統(tǒng)可以支持多角度的對校園的景觀進(jìn)行瀏覽，這樣才能使得漫游功能變得更為優(yōu)秀。

6） 系統(tǒng)需要有良好的碰撞檢測功能，防范存在穿墻功能。

7） 系統(tǒng)要有良好的跨平臺與可擴(kuò)展屬性。

1.3 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

由于場景之中的諸多對象是借助于空間相對關(guān)系完成相應(yīng)的組織，所以還需要構(gòu)筑相應(yīng)的對象，并以此作為基準(zhǔn)對對象位置進(jìn)行明確。道路是虛擬校園系統(tǒng)中的關(guān)鍵對象，可以產(chǎn)生相應(yīng)的基線功能，對應(yīng)的建模流程為：

1） 構(gòu)筑校園主干道模型，利用該道路將校園細(xì)分成諸多模塊，然后對每一塊的主要建筑景點(diǎn)加以明確。

2） 對相關(guān)區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵建筑進(jìn)行相應(yīng)的三維建模。其中，樓梯建?？梢约?xì)分成空心與實(shí)心建筑模型，前者僅僅完成框架的構(gòu)筑，譬如教學(xué)樓與宿舍樓;后者的樓體則涵蓋了相應(yīng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)，主要涉及的樓體包括圖書館與多媒體教學(xué)樓等。在樓體建模環(huán)節(jié)，首先要完成相應(yīng)實(shí)心樓體模型設(shè)計(jì)，然后再對公共特征樓體進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這些樓體之中，要遴選那些具有代表性的樓體進(jìn)行建模，而針對其他樓體則可以利用簡單性的變化即可。

3） 對不同區(qū)塊的相關(guān)景觀構(gòu)成進(jìn)行建模，譬如草地、路燈以及各種類型的景觀樹等。

4） 對諸多模型進(jìn)行優(yōu)化、整合，進(jìn)而成功構(gòu)筑一個(gè)總體的場景模型。

虛擬校園漫游子系統(tǒng)的具體框架如圖2所示。

圖2 ?虛擬校園系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 ?基于VR虛擬校園漫游設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ?數(shù)據(jù)采集

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，必須要到現(xiàn)場進(jìn)行測繪與分析，然后才能更好地對其進(jìn)行相應(yīng)的建模。其中，考察的內(nèi)容包括校園的建筑分布、道路的走向、不同的建筑風(fēng)格等，而且在考察之時(shí)需要選擇一個(gè)晴朗的天氣環(huán)境，要保證有著充足的光照度，然后拍攝相關(guān)關(guān)鍵性物體，比如樓體、道路等。此外，還需要采集一些小型紋理性圖片，譬如門窗、磚紋、草地等，然后將其用作貼圖，使得相關(guān)建模對象更具有真實(shí)感。

2.2 ?系統(tǒng)建模

1） 天空和地面等背景模型的建模

為了讓虛擬環(huán)境更具有真實(shí)性，需要為其添置真實(shí)的藍(lán)天、綠地等，這樣就能夠使得這個(gè)虛擬環(huán)境立足于真實(shí)的場景。在VR技術(shù)中，VRML提供一個(gè)背景節(jié)點(diǎn)對象，也就是所謂的Background，這樣就能夠通過它完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)而完成虛擬校園系統(tǒng)的背景建模。

圖3 ?大地與天空的背景

通常大地需要配置為淺綠色，其原因主要有以下幾點(diǎn)：在真實(shí)環(huán)境之中，顏色具有非確定性;若是將大地顏色配置成土地的顏色，那么道路的顏色就難以確定;由于構(gòu)筑的是虛擬環(huán)境，所以可以借鑒某些必要的想象內(nèi)容，而綠地對于民眾而言是一種美好的想象之一，而且它本身與路面也頗為相近，十分契合人們對校園的感觀。

2） 樹、路燈等輔助性模型的建模

在本次系統(tǒng)開發(fā)過程中選用的工具為VRML，結(jié)合該語言的獨(dú)特優(yōu)勢，進(jìn)一步提出相應(yīng)的遞歸分形算法，具體思路為：將strArr[[n]]與某棵樹信息進(jìn)行對應(yīng)，而strArr[[n-1]]對應(yīng)的則是樹枝，后者通過方式[T]（）進(jìn)行組合便能構(gòu)成前者，而這些樹枝則是進(jìn)一步由更為簡單的樹枝所構(gòu)成，亦即strArr[[n]-2]，而對應(yīng)的構(gòu)成方式亦為[T]（），于是就形成了相應(yīng)的遞歸，使得由最為簡單的樹枝strArr[0]、枝干與樹葉完成整棵樹的建模。在該VRML語言之中可以將這些細(xì)節(jié)進(jìn)行很好的展現(xiàn)，具體的遞歸算法可以表示為：

算法的主要步驟為：

① 借助于Indexed Face Set節(jié)點(diǎn)能夠完成形態(tài)各異、顏色不同樹葉的集合構(gòu)造，這樣就能夠借助于該基礎(chǔ)性的元素進(jìn)行不斷的遞歸算法，完成相應(yīng)枝干集合的構(gòu)造。

② 在樹葉集合之中可以結(jié)合所需節(jié)點(diǎn)加以復(fù)制與重用，針對所需的枝干節(jié)點(diǎn)也可以在相應(yīng)的集合中進(jìn)行遴選，最后再借助于translation與rotate域?qū)⒅Ω膳c樹葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與平移操作，由此便能構(gòu)成一個(gè)更為簡單的樹枝。

③ 將樹枝節(jié)點(diǎn)用作分形元，并對其進(jìn)行復(fù)制，然后使用上述兩域與scale域?qū)@些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放與平移等操作，也就是過[T]（）處理使得這些樹枝轉(zhuǎn)變成更為復(fù)雜的樹枝節(jié)點(diǎn)。

④ 對上述三個(gè)步驟進(jìn)行重復(fù)，便能構(gòu)成更為復(fù)雜的分形樹。譬如將第一個(gè)葉狀分支進(jìn)行縮小，然后對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移處理，便能得到三個(gè)副本，隨后再為其配制樹狀分枝，于是就變成了圖4b），接著再利用復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等處理，便能得到圖4c）。

圖4 ?分形技術(shù)下的樹模型構(gòu)筑過程演示圖

3） 樓群等建筑物的建模

在具體校園中樓群無疑是極為重要的建筑主體對象，而且整體數(shù)量也頗多，想要高效真實(shí)地完成該主體的建模工作，就需要根據(jù)具體情形進(jìn)行建模。在此過程中可以使用VRML中所涉及的幾何與外觀節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。通過這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)完成樓群三維模型構(gòu)筑，接著利用相應(yīng)的紋理圖像等技術(shù)使之得到貼圖，具體流程為：

① 按照校園地形分布情況，借助于Canoma這款三維軟件完成相關(guān)的建筑模型圖片遴選，為后續(xù)的分塊拼合提供基礎(chǔ)。

② 因?yàn)榻ㄖＰ痛嬖诓町愋约y理，為此需要對該模型諸多分塊的相關(guān)面進(jìn)行選擇，然后對關(guān)鍵點(diǎn)與控制點(diǎn)進(jìn)行選擇，并將模型相關(guān)面加以渲染，于是便能使得模型更加契合真實(shí)環(huán)境。

③ 為了使得系統(tǒng)在較多模型之下不會對系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能帶來影響，因此需要將相關(guān)建筑模型作為一個(gè)整體進(jìn)行單獨(dú)輸出，亦即是Export，而[*.WRL]則是其導(dǎo)出格式。

2.3 ?碰撞檢測

在VR技術(shù)中，需要使用者能夠按照十分真實(shí)的方式與虛擬環(huán)境中諸多模型進(jìn)行交互，也就是說，這些對象需要有真實(shí)環(huán)境的物理屬性。為此在VR技術(shù)中提供物體之間的碰撞檢測功能，其中包括“動?靜”物與“動?動”物之間的碰撞檢測。以視線為基礎(chǔ)的向前線段探測無疑是較為常用的檢測之法，具體過程包括：

1） 明確視點(diǎn)[V]，在具體虛擬環(huán)境中即為使用者的頭部區(qū)域;

2） 基于視線沿著運(yùn)動向的距離用[d]表示，選擇其中的一個(gè)點(diǎn)用[M]表示;

3） 將[V]與[M]進(jìn)行對接，形成線段;

4） 計(jì)算和[VM]有著相交關(guān)系的對象，若沒有，則當(dāng)前沒有碰撞;若存在多個(gè)相交對象，則選擇與[V]最近的交點(diǎn)即[C]作為碰撞監(jiān)測點(diǎn)，此時(shí)[VC]即為碰撞距離。

在此碰撞算法中，不同實(shí)體模型的構(gòu)成為多邊形，相應(yīng)線段與物體之間存在著求交運(yùn)算，此時(shí)需要從兩點(diǎn)進(jìn)行考量：線段和長方體之間的對接;線段和多邊形之間的對接。然而，若視點(diǎn)與對象距離遠(yuǎn)超過線段長度，那么只需要判斷它們難以相交即可，無需計(jì)算出交點(diǎn)。所以，該虛擬系統(tǒng)只需要計(jì)算出視點(diǎn)與物體包圍范圍之內(nèi)是否有相交即可。

2.4 ?虛擬場景交互

本文系統(tǒng)的最大優(yōu)勢就是交互具有良好的實(shí)時(shí)性，該VRML語言有著極強(qiáng)的交互性能，可以分成兩類：第一，交互節(jié)點(diǎn)構(gòu)成視場、感應(yīng)器與插值節(jié)點(diǎn)等;第二，編程節(jié)點(diǎn)可以借助于程序設(shè)計(jì)來形成。在前者交互環(huán)節(jié)，系統(tǒng)形成的事件被交互節(jié)點(diǎn)所捕獲，然后加以處理。隨后借助于Route/To傳遞至場景，使得后者形成改變。若是交互操作復(fù)雜還能借助于Java來完成，這樣該VRML交互功能就能得到更大的拓展。此外，虛擬校園系統(tǒng)中的交互與動畫都是事件在經(jīng)過相應(yīng)階段之后構(gòu)成，具體流程如圖5所示。

圖5 ?以交互事件路徑為基礎(chǔ)的流程

2.5 ?系統(tǒng)優(yōu)化

對于三維場景而言，實(shí)際上就是將瀏覽器用作默認(rèn)視點(diǎn)，進(jìn)而對相關(guān)場景描述文件進(jìn)行解釋，若是鼠標(biāo)或者相關(guān)箭頭被觸發(fā)，或者是在場景中進(jìn)行走動，那么視點(diǎn)就會動態(tài)改變。由于復(fù)雜場景渲染所需資源極大，為了確保實(shí)時(shí)性，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化就十分重要。

1） 對可視距離進(jìn)行明確。此時(shí)每次渲染只需要對該距離之內(nèi)場景進(jìn)行渲染，因?yàn)槿藗冊谔摂M環(huán)境中也只能看到局部，很難對整個(gè)場景進(jìn)行瀏覽。

2） 利用層次細(xì)節(jié)模型亦即LOD進(jìn)行優(yōu)化。這種方式對遠(yuǎn)處不重要對象采用較少多邊形進(jìn)行建模，而近處則使用更多的多邊形進(jìn)行建模，這樣也能夠通過動態(tài)調(diào)整節(jié)約系統(tǒng)資源。

3） 將一個(gè)復(fù)雜的三維場景進(jìn)行切分使之形成較小的場景，然后再進(jìn)行分階段下載與裝入，這樣就能明顯提升執(zhí)行效率。

3 ?系統(tǒng)發(fā)布

為了使得該系統(tǒng)有著更高的體驗(yàn)度與真實(shí)感，將VRML開發(fā)的相關(guān)模型置入相應(yīng)的網(wǎng)頁之中。這樣就能夠與HTML，JavaScript進(jìn)行融合，通過網(wǎng)頁使用該三維虛擬漫游系統(tǒng)。圖6中給出相應(yīng)的全景圖，同時(shí)，圖6b）還給出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)學(xué)院內(nèi)部細(xì)節(jié)圖。

圖6 ?系統(tǒng)效果圖

4 ?結(jié) ?論

將CAD與3D Max等軟件系統(tǒng)進(jìn)行融合，可以更好地構(gòu)筑真實(shí)的三維模型，然后借助于VRML代碼使得這些模型對象與人們在VR系統(tǒng)中進(jìn)行交互。VR與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，可以構(gòu)筑一個(gè)更為方便使用的融合影像、聲音等諸多多媒體元素為一體的3D虛擬環(huán)境，它不僅對立體模型進(jìn)行復(fù)制，同時(shí)還能在其中進(jìn)行漫游，產(chǎn)生身臨其境之感。

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