徐東海

（唐山市廣播電視大學，河北 唐山063000）

1 概述

隨著計算機軟硬件技術、人工智能、傳感技術和多媒體等技術的發(fā)展，虛擬現實技術因其沉浸性、交互性和想象性受到廣泛關注和應用。目前虛擬現實技術應用場景主要是游戲、娛樂和各種模擬實驗中。虛擬現實技術實現的是將現實虛擬，再將虛擬仿真，最終在人機交互中得到聽、視、觸等直觀感受。VR 實現的是真實世界和虛擬景象同時展現出來[1]。

2 虛擬現實技術概述

虛擬現實技術在國外發(fā)展較早，起初是美國飛行員進行飛行訓練的系統(tǒng)，后來逐漸民用商業(yè)化。近年來，虛擬現實技術在國內發(fā)展也是突飛猛進，各大高校和科研機構都在從事相關研究。如北航的分布式飛行模擬和浙江大學在建筑工程方面的虛擬實驗環(huán)境都是非常成功的，哈爾濱工業(yè)大學在人工智能和虛擬現實相交互方面取得很大的進展。國家開放大學的互聯(lián)網游戲引擎在實驗模式方面突破了人機交互的瓶頸[2]。

2.1 虛擬現實的定義。虛擬現實技術（VR）是多媒體技術的終極形式，是計算機軟硬件，傳感器技術，人工智能技術相結合的一種計算機技術，通過模擬現實環(huán)境構建起來的虛擬場景，用戶通過外設和系統(tǒng)交互的時候，身臨其境，從視覺、聽覺、觸覺等方面感知。虛擬現實技術有三大特性：沉浸性（身臨其境）、交互性（提升體驗感）、構想性（特色定制）。

2.2 虛擬現實技術分類。（1）沉浸虛擬現實技術。沉浸式虛擬現實技術主要體現在“身臨其境”，沉浸式采用多媒體、仿真、增強現實等技術模擬現實環(huán)境[3]。用戶通過外設注入頭盔式顯示器或者VR眼鏡將用戶完全封閉起來，能夠達到最好的融入環(huán)境效果。在頭盔和VR 眼鏡的輔助下，用戶能夠360°觀察環(huán)境，通過移動或轉動身體能夠觀察到設備中建模的虛擬物體。缺點就是對設備要求高，投資大。（2）桌面式的虛擬技術。桌面式虛擬技術也叫靜態(tài)圖像虛擬技術。通過計算機投影或者投屏等形式，將多個不同位置的圖像有機地聯(lián)系起來，用戶通過觀察屏幕，通過鍵盤鼠標等外設對圖像或者3D圖形進行操作，可以根據建模的定義對屏幕虛擬的物體進行旋轉、前進后退，打開關閉等操作。這種技術的缺點是不能身臨其境；優(yōu)點是設備簡單，效果好。（3）增強現實技術。增強現實技術是指在虛擬現實的基礎上對實際的物體進行操作。它是一種虛擬和真實相結合的模式，它的虛擬模式能夠支持實際環(huán)境，并通過操作終端控制現實環(huán)境的目的，實際上是一種將虛擬對象疊加在實際物體上，并在虛擬設備上對其真實物品進行解析和該物品工作的簡單動畫。比如我們的實驗環(huán)境中的高爐點火操作，在虛擬建模時，對高爐點火裝置進行了詳細的描述和說明，在操作中，用戶使用的是虛擬高爐，但是通過控制器可以對真實的高爐進行點火。（4）分布式網絡虛擬技術。分布式網絡虛擬技術是依托桌面式虛擬技術或者沉浸式虛擬技術的基礎上，通過網絡使不同的人都能使用或者參與進來。分布式網絡沉浸式虛擬技術可以實現不同區(qū)域高度協(xié)調工作，例如虛擬會議、虛擬戰(zhàn)爭環(huán)境等；分布式網絡桌面虛擬技術可以將資源整合起來，網絡上任何位置的人都能對現有的遠程實驗環(huán)境進行遠程模擬操作，用戶只需要動動鼠標鍵盤，就可以在實驗環(huán)境中對模擬的物體進行拖拽、推動、旋轉等操作，隨時隨地完成電大的實驗課程和實訓課程。

3 實體建模及技術實現

3.1 虛擬現實技術的實體建模。虛擬現實技術的三維建模主要涉及的是幾何建模、紋理處理和環(huán)境渲染等方面。三維建模的軟件主要包括3DMax、Unity3D等。

3DMax毋庸置疑是現在使用最多的三維動畫和虛擬現實建模的軟件。它繼承了三維建模、動畫設置和渲染于一體，它在3D 和2D等方面表現突出；3DMax對機器的要求并不高，普通電腦就可以運行；最重要的一點是簡單易學；支持WEB 3D的應用。Unity3D也是一款三維建模、虛擬場景、3D、2D等功能齊全的軟件[4]。它的編程語言是C#和JAVA，學習過這兩種語言的人可以用Unity3D在短時間內開發(fā)出優(yōu)質的產品。它的特點就是交互性，可以實現建筑的可視化，并且支持多平臺的遷移。

3.2 虛擬場景與虛擬物體的建模。在虛擬現實實驗室建模的過程中，需要建模的主要是虛擬實驗室、虛擬實驗設備、虛擬實驗器材等。我們這里主要是采用3DMax 完成復雜物體建模和使用Unity3D建立繼承關系的模型的混合建模模式[5]。

3.2.1 模型創(chuàng)建。本文電大的實驗環(huán)境主要采用的是3DMax和Unity3D混合建模。一個優(yōu)秀的虛擬環(huán)境可以使用戶完美的融入進去，有更好的體驗感。在采用虛擬現實技術的云平臺開發(fā)的建模過程中，虛擬實驗室和虛擬設備都是非常關鍵的部分，這就要求在建模過程中使用適當的建模軟件進行建模，并且能夠在2D和3D之間恰當的組合，圖形拼接的時候要做到細膩，精確，不能出現粗糙的多邊形。三維建模基本上的流程為（以虛擬實驗室為例）：（1）實驗室墻體建立：墻體模型建立主要是光照、紋理、多邊形簡化，遮擋剔除以及碰撞檢測技術，防止人物穿墻。（2）墻體外型建模：不同的物體建模外型不一樣，對復雜物體建模更應該具體問題具體分析，有的位置是多邊形而個別地方為橢圓等曲面這就需要用帶非同一有理B樣條。（3）材質的選擇：我們在對虛擬物體進行建模時，不光是外型需要和真實物體一致，還需要材質也要接近。這就需要用到大量的紋理素材以及光線等參數的調節(jié)。（4）模型的導出：導出模型前需要進行檢查，檢查材質和實物的對應關系，同材質的物體組合之后的總面數不能超過62K，全都無誤后才可以導出，格式fbx。

3.2.2 解決關鍵技術。（1）場景建模。虛擬實驗環(huán)境包括實驗室、器材、各種線路，因此對物體的逼真度和細膩程度做了要求。采用3DMax和Unity3D軟件對現實環(huán)境進行1：1 建模。（2）實驗腳本。虛擬現實實驗室的用途就是和用戶的交互性，每個實驗腳本的輸入和輸出能不能準確的執(zhí)行是整個虛擬實驗環(huán)境開發(fā)的關鍵。Unity3D內置了mono腳本編輯器，該腳本編輯器支持Java 和C#，開發(fā)者可以使用自己熟悉的變成語言。（3）動畫制作。動畫以其生動形象的直觀表達作為虛擬現實實驗室的靈魂。選擇好的動畫制作軟件至關重要。常用的方法是采用專業(yè)的建模軟件、專業(yè)的動畫系統(tǒng)相結合的方式制作高質量的動畫。

4 基于虛擬現實技術的云平臺的應用

4.1 硬件基礎。開發(fā)環(huán)境采用的是操作系統(tǒng)windows7 64 位；處理器為inter core i7-4710MQ CPU@2.5GHz；筆記本顯示器；顯卡為英偉達獨立顯卡GTX 850M；內存8G。

服務器端安裝windows 系統(tǒng)，web 服務器軟件為Apache，數據庫采用的是Mysql 數據庫，編譯軟件PHP。由于條件有限，服務器采用的是單點運行，但是網卡采用雙網卡綁定形式，從Apache 軟件層面實現負載均衡。在部署軟件后，進行多次壓力測試，主要測試方面為：短鏈接與長連接。短鏈接主要測試鏈接數量，而長連接主要測試在持續(xù)的壓力作用下，多少條用戶連接才會停止服務。

4.2 軟件平臺。現實環(huán)境的虛擬實驗環(huán)境和云平臺的虛擬現實環(huán)境還是不同的。云平臺的虛擬現實環(huán)境主要受網絡、帶寬、緩存等方面的影響。這時的主要工作側重點在：（1）檢查交互腳本和動畫的連貫性；（2）系統(tǒng)是否會出現延遲，一般延遲為多久；（3）實驗環(huán)境的圖片和動畫是否顯示正常；（4）控件觸發(fā)的動作和信息是否存在偏差。

5 結論

未來的虛擬現實技術必將融合更多的高科技技術，如人工智能、大數據技術、移動技術等，像意念控制物體，神游四海甚至“靈魂出竅”也是可能的。虛擬現實遠程實驗環(huán)境的研究對電大遠程實驗的意義重大。它改變了電大的傳統(tǒng)實驗理念，演示者變成了導師，用戶變成了主體，被動變?yōu)橹鲃樱桓觿?chuàng)新，創(chuàng)新不再是口號，而是與時俱進，享受高科技；實驗手段多樣化，只要想的到，就能做的到，設計者可以根據用戶需求量身打造實驗環(huán)境，而不受現實條件的制約。