基于虛擬現實的交互式舞臺布景系統

江天一

【摘 要】虛擬現實需要通過計算機3D技術合成逼真的三維立體虛擬世界來實現，以此帶給體驗者模擬真實的視覺、聽覺及觸覺感受。現如今，虛擬現實的計算機3D技術不斷發展成熟并普及，逐漸被廣泛地應用到電視動畫、室內設計、城市規劃、舞臺機械等領域。本文主要探究構建虛擬現實的交互式舞臺布景系統所用的主要軟件和方法。

【關鍵詞】虛擬現實；交互式；舞臺布景

中圖分類號：J813 文獻標志碼：A 文章編號：1007-0125（2015）11-0038-01

計算機圖形學在計算機技術的推進下逐步成熟，由靜止的平面圖像發展成立體動態的三維模型再到逼真的視覺、聽覺、觸覺的虛擬世界[1]。一場表演要成功關鍵在其感染力，舞臺布景是其中的重要組成部分。如今，虛擬現實技術已經逐漸普及，在舞臺布景上也有所應用。傳統舞臺布景采用實景布置，修改起來費時又費力，因此采用仿真舞臺布景是一個更為可行且高效的方法[2]。雖然目前的仿真技術還未達到完全再現真實舞臺聲光電的效果，但與真實舞臺效果已十分相近，相信隨著技術的改進能夠逐步提高仿真效果。

目前，建模軟件Autodesk、3DS MAX等的應用十分廣泛且操作較方便，但手工設計的部分仍較為繁瑣，且設計的效果不夠直觀立體。因此本文試圖研究一套更為有效的舞臺仿真布景技術。

一、舞臺設計的虛擬現實技術

虛擬現實技術通過計算機的各種硬件和軟件設計一個逼真的三維立體環境，體驗者通過視覺、聽覺、觸覺進行動態人機自然交互，舞臺設計師也能通過體驗身臨其境之感產生靈感，對舞臺設計進行進一步修改。

沉浸式的虛擬現實技術需要較多設備，如三維立體顯示器、傳感器手套以及立體聲耳機等來達到視覺、聽覺、觸覺等多重立體感受。該體驗可以充分激發使用者的靈感，此外使用者還可以通過操作改變虛擬模型達到互動效果。出于經濟及方便的考量，本文選取非沉浸式的虛擬現實技術，通過鼠標移動視角來實現立體的全面觀。

二、計算機圖形學

計算機三維模型涉及的主要技術有圖形變換、真實感圖形生成以及人機交互技術。圖形變換技術涉及的主要內容有窗口視區變換（建立坐標系）、圖形幾何變換（圖形進行平移、旋轉、縮放等變換）和投影變換（三維模型投射到某一平面）。為了使圖形具有真實感，色彩、陰影、紋理、層次感等必不可少。因此真實感圖形生成包括利用消隱技術消除不可視部分體現物體的層次感；通過公式計算明暗效應表現物體真實的反射及透射現象；有圖案花紋的顏色紋理及凹凸感的幾何紋理更能體現出模型的質感。人機交互主要通過設備，例如鼠標、鍵盤或操縱器等來實現。

三、軟件OpenGL的使用

本文使用的OpenGL軟件是在GL的基礎上由SGI公司開發出來的，其三維圖形具有較強的真實感及較高的性能，被許多公司使用，成為新的三維圖形標準。OpenGL利于用戶使用函數，大大簡化了構建三維模型的工作量，圖形處理形式較豐富且操作簡化，受到許多用戶的喜愛。

OpenGL基本上在各操作系統中都可以使用，一般圖形處理的結構從下到上分別包括以下幾個部分：硬件、操作系統、窗口、OpenGL和應用程序。OpenGL具有多種功能，包括幫助用戶實現三維幾何模型的構建、全面觀察立體物體的各個角度、進行圖像的處理、產生平滑動畫，還可以通過選擇拾取和反饋進行交互。

OpenGL的主要操作步驟為：格式設置、模型的建立、舞臺的布置、設計的更改以及光柵化。使用Visual C++可以方便對OpenGL進行編程。

四、基于虛擬現實的交互式舞臺系統總設計

基于虛擬現實的交互式舞臺系統總設計的方案應該主要包括幾個部分：①對舞臺進行仿真模擬，包括燈光、道具、舞臺等，在設計的過程中要注意各個部分之間的聯系；②虛擬舞臺模型的構建：利用計算機軟件（本文主要使用OpenGL構建模擬的舞臺模型），設計者在設計時隨時可以根據靈感更改其設計，完成舞臺主體部分的構建。在模型的構建過程中可以先調度已有模塊再自己建立不存在的模塊以提高效率；③舞臺渲染：在舞臺模型大致構建好后，可以充分利用OpenGL軟件提供的各種效果處理，使舞臺模型盡量達到仿真的效果，有助于提高實際舞臺搭建的效果；④人機交互：其實人機交互應基本貫穿虛擬設計的整個過程，主要為通過各種變換操作建立修改三維模型的構造技術、選擇待處理部分的拾取技術、發布操作指令的命令技術和直接處理對象的直接操作技術。

五、結束語

雖然目前與舞臺布景仿真方面相關的計算機圖形學技術的發展已日漸成熟，基本上能夠滿足一般舞臺布景的需求，但高規格的復雜舞臺的布局仍需進一步提高虛擬現實技術的效果。本文為基于虛擬現實的交互式舞臺布景提出了一個較為可行的基本框架，可實際操作過程中還有許多部分需要繼續細化和完善。如何更好地呈現聲、光、電及道具在模型中共同作用的逼真感是該系統需要進一步開發的部分。此外，人機交互的部分也是完善設計的關鍵部分，應設計出多種效果較好且經濟方便的人機交互模式，發展出一套較為成熟科學的舞臺布景虛擬現實系統仍是目前研究努力的方向。

參考文獻：

[1]楊波.基于虛擬現實的交互式舞臺布景系統[D].武漢：武漢理工大學，2002.

[2]楊波.基于OpenGL的交互式舞臺布景仿真系統設計[J].武漢冶金管理干部學院學報，2002，（01）：71-73.endprint