校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的可行性分析

【摘 要】本課題的研究對(duì)象是大一入學(xué)新生，從新生對(duì)自己所報(bào)的專業(yè)的基本情況、開設(shè)課程以及就業(yè)方向知之甚微這個(gè)事實(shí)出發(fā)，討論校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的可行性與必要性。本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“數(shù)字校園”建設(shè)中的應(yīng)用，討論了建立虛擬校園場(chǎng)景的重要基礎(chǔ)——建模和交互技術(shù)，以河南師范大學(xué)田家炳教育書院為例，給出了虛擬校園三維場(chǎng)景技術(shù)路線的可行性分析。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字校園；可行性；交互

虛擬現(xiàn)實(shí)是指為用戶提供一種仿真的操作環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感觀世界，為人們創(chuàng)造一種前所未有的真實(shí)事物的虛擬對(duì)照體，使人們對(duì)所研究的對(duì)象和環(huán)境獲得身臨其境的感受，從而提高人類認(rèn)知的廣度和深度，拓寬人類認(rèn)識(shí)客觀世界的“認(rèn)識(shí)空間”和“方法空間”，最終達(dá)到更本質(zhì)地反映客觀世界的實(shí)質(zhì)。“虛擬校園”是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和建模技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件制作出的仿真的校園場(chǎng)景。在虛擬校園中，瀏覽者能夠充分地了解校園的建筑布局，甚至可以提前了解自身專業(yè)的課堂情景，并能夠在某些場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而使人們不必親臨校園也能熟悉該校園的概況。[1]

1.研究分析

1.1研究概述

以河南師范大學(xué)為例，對(duì)存在于校園環(huán)境中某一物體進(jìn)行虛擬仿真，這里以田家炳教育書院作為虛擬校園中的一個(gè)重要場(chǎng)景。前期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建模，賦材質(zhì)和貼圖，模型優(yōu)化合并導(dǎo)出后，創(chuàng)建出一個(gè)相對(duì)完善的建筑模型。后期，利用已完成的田家炳教育書院模型進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)漫游和交互的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（Virtual Reality）又稱叫做“真實(shí)幻覺”或“靈境技術(shù)”，是多種技術(shù)綜合的一門技術(shù)，它包括計(jì)算機(jī)三維技術(shù)，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，人機(jī)交互技術(shù)等，利用它能夠使瀏覽者從多種感覺上產(chǎn)生真實(shí)、身臨其境的實(shí)時(shí)感知交互。

1.2.2數(shù)據(jù)分析技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)分析技術(shù)變得愈發(fā)重要。在虛擬校園中，進(jìn)行人機(jī)交互的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們需要一種方法或手段來處理這些數(shù)據(jù)，并且能夠詳細(xì)地分析數(shù)據(jù)，然后反饋給虛擬校園系統(tǒng)之中的瀏覽者，呈現(xiàn)出對(duì)它們有用的信息。這種方法或手段就是數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

1.3研究意義

在該虛擬校園環(huán)境中，尚未入學(xué)的大一新生可以進(jìn)入本學(xué)院的標(biāo)志性建筑（田家炳教育書院）進(jìn)行相關(guān)課程的課堂實(shí)景體驗(yàn)，同時(shí)通過交互的過程了解本專業(yè)的基本情況、開設(shè)課程以及就業(yè)方向。

上述功能的陳述只是虛擬校園場(chǎng)景中所能實(shí)現(xiàn)的其中一個(gè)功能，該功能的實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)研究中其他功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，并且對(duì)于報(bào)考本學(xué)校，本專業(yè)的學(xué)生有很大的幫助，學(xué)生可以利用開學(xué)前的暑假時(shí)間好似親身體驗(yàn)了校園生活，提前對(duì)校園生活尤其是課堂方式的改變、專業(yè)相關(guān)課程有相應(yīng)的了解。上述研究意義的陳述，有效地促進(jìn)了本研究的進(jìn)行，為校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景整體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了支持和信心。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1開發(fā)設(shè)計(jì)流程

分析了本研究虛擬校園所要實(shí)現(xiàn)的具體功能后，開始進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的開發(fā)流程：

2.1.1前期

對(duì)田家炳教育書院進(jìn)行照片拍攝和卷尺測(cè)量，拍攝的照片經(jīng)后期處理后，可制作成精美的貼圖使用；卷尺測(cè)量的數(shù)據(jù)作為建模的重要依據(jù)，校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景中的建筑物體同真實(shí)環(huán)境中的建筑要具有高度的相似性，因而必須保證卷尺測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。上述操作完成后，開始進(jìn)行建模，注意建模方法的恰當(dāng)選擇，要求渲染速度盡可能快，能夠避免不必要的計(jì)算機(jī)耗時(shí)。

2.1.2中期

了解實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)及本研究主要功能的具體方法：

第一種：可以采用高級(jí)編程語言VisualC++6.0（簡(jiǎn)稱VC）結(jié)合三維圖形開發(fā)接口OpenGL作為軟件開發(fā)平臺(tái)。具體實(shí)現(xiàn)是基于面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括3D模型設(shè)計(jì)和3D引擎設(shè)計(jì)。第二種：利用3DSMax 和DirectX 結(jié)合建模，用 DirectX 實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的交互等功能，開發(fā)語言為 C++。第三種：選擇利用 VR-Platform 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)創(chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的交互操作。[4]第四種：選擇3Dmax和VRMLPAD作為校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景中建筑模型的建立和實(shí)現(xiàn)部分VRML交互的開發(fā)工具軟件。[5]

總結(jié)上述所陳述的四種方法，可以歸納為兩種方案，分別是：

第一種：利用高級(jí)語言和三維圖形開發(fā)庫(kù)的方法來實(shí)現(xiàn)虛擬校園中三維場(chǎng)景的功能，其中常用的開發(fā)語言是C++，常用的圖形開發(fā)庫(kù)是 OpenGL3D、DirectX3D。

第二種：使用專用的三維虛擬開發(fā)工具，如：VRML語言（虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言）。VRML 是一種描述交互式三維世界和對(duì)象的文件格式。[3]用于創(chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景的工具有很多種，如國(guó)內(nèi)中視典的VR-Platform（簡(jiǎn)稱VRP）是目前被廣泛使用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)工具。作為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺(tái)的UE4目前已開始流行。

從上述可以看出實(shí)現(xiàn)本研究的功能有多種方法，在深入了解過這些方法的基礎(chǔ)上，我們需要做的是根據(jù)我們的具體需求選擇最為適合的方法，所依據(jù)的原則是：高效性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性。

2.1.3后期

選擇合適的方法后，開始實(shí)現(xiàn)校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的展示和交互功能。

2.2細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

創(chuàng)建一個(gè)人物角色后，用戶可以用鼠標(biāo)或鍵盤控制該角色。

該人物角色到達(dá)田家炳大門前時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別，大門可以自動(dòng)打開，也就是說實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的自動(dòng)門功能。

角色進(jìn)入田家炳后，可以穿過走廊，選擇進(jìn)入一間教室，進(jìn)行課堂實(shí)景的呈現(xiàn)，用戶能夠選擇本專業(yè)的相關(guān)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。

在學(xué)習(xí)的過程中，用戶可以同環(huán)境中的某些事物實(shí)現(xiàn)交互功能。

3.總結(jié)

本研究把虛擬校園三維場(chǎng)景與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，不單單是展示校園的地標(biāo)性建筑，還結(jié)合了本專業(yè)學(xué)生的需求，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向?qū)W生展示本專業(yè)的基本情況，這對(duì)于入學(xué)前的學(xué)生是一件很有幫助的事。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張捷.基于VRML的虛擬校園中交互和動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，09：36-37.

[2]劉國(guó)慶.虛擬校園的建模技術(shù)研究[D].中國(guó)石油大學(xué)，2008.

[3]邱有春.虛擬校園場(chǎng)景建模和漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2009.

[4]馬萍.三維虛擬校園立體場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東師范大學(xué)，2013.

[5]徐明娟.三維交互式虛擬校園系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)，2005.