基于Virtools的虛擬演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于Virtools的虛擬演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【摘要】虛擬演示是近年來興起的一個(gè)研究領(lǐng)域，有各種不同的開發(fā)工具。利用OpenGL 和 VRML技術(shù)開發(fā)的虛擬交互式演示系統(tǒng)，具有虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）的互動(dòng)和沉浸的特征，但是對開發(fā)人員的編程能力有一定的要求，而目前大多數(shù)系統(tǒng)并不具有信息詢問功能?；?D 動(dòng)畫軟件3ds max 和實(shí)時(shí)VR編輯器Virtools，我們?yōu)辁惙迳止珗@開發(fā)了一套虛擬交互式演示系統(tǒng)。其中，3ds max用于場景的構(gòu)建，而Virtools用于場景的可視化，用戶可以通過鼠標(biāo)和鍵盤控制虛擬人物并與其互動(dòng)。此外，植物信息可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊輕松獲取。通過這種方法創(chuàng)建的

2、虛擬交互式演示系統(tǒng)不僅擁有很強(qiáng)的互動(dòng)性和沉浸感，還帶有信息詢問動(dòng)能，所有這些為實(shí)現(xiàn)此虛擬交互式演示系統(tǒng)提供了一個(gè)切實(shí)可行的途徑。【關(guān)鍵字】虛擬演示；人物行動(dòng)；信息詢問；VirtoolsI.引言虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)廣泛集成的技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)VR是采用計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備來創(chuàng)造一個(gè)模擬的三維虛擬環(huán)境，在這個(gè)虛擬環(huán)境中，參與者能夠進(jìn)行虛擬的操作和互動(dòng)，使人產(chǎn)生如同現(xiàn)實(shí)世界的感覺。目前，復(fù)雜情景的虛擬演示是重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也引起了眾多專家和學(xué)者的關(guān)注。虛擬演示已經(jīng)采取的主要技術(shù)有：基于OpenGL 和 Visual C + +1的虛擬演示技術(shù)；基于V

3、RML和JAVA相關(guān)技術(shù)以完成虛擬演示23；基于WTK技術(shù)進(jìn)行建模,同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛擬演示4;基于MultiGen Creator 和 Vega的虛擬演示技術(shù)5?；谶@些技術(shù)的虛擬演示系統(tǒng)的開發(fā)能夠獲得更好的沉浸感和交互性，而在開發(fā)過程中，要求開發(fā)人員具有一定水平的編程能力，且開發(fā)難度也有所增加。II.虛擬演示的實(shí)現(xiàn)方法虛擬演示的實(shí)現(xiàn)大概可以分為兩部分：場景建模和場景演示。場景模型的構(gòu)建是整個(gè)虛擬場景的基礎(chǔ)，它將直接影響到虛擬環(huán)境的自然性和逼真度。場景建模就是將需要模擬的場景通過數(shù)學(xué)方法，以三位圖像的形式儲(chǔ)存在電腦里。場景演示是在虛擬場景的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的，利用演示平臺(tái)、適當(dāng)?shù)乃惴ê蜎_突檢測，實(shí)現(xiàn)虛擬場

4、景的演示。在本篇論文中，該虛擬演示系統(tǒng)是為北京鷲峰國家森林公園所搭建。采用了基于3D和Virtools技術(shù)的開發(fā)方法。圖表1顯示了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程。圖表1 系統(tǒng)示意圖根據(jù)鷲峰森林公園的實(shí)際地表景觀，首先，三維模型或者場景動(dòng)畫在三維動(dòng)畫軟件3ds max中被構(gòu)建好，并以 .nmo 格式輸出(擴(kuò)展名為nmo的文件是在Virtools中用來存儲(chǔ)人物、場景以及物體信息的默認(rèn)文件格式)。其次，.nmo文件將被導(dǎo)入到Virtools軟件中。在Virtools中，通過添加模塊腳本來實(shí)現(xiàn)交互。當(dāng)所有的交互設(shè)置完成后，該虛擬交互系統(tǒng)將被發(fā)布。有兩種方法可以進(jìn)行系統(tǒng)的發(fā)布：一種是打包生成.exe可執(zhí)行文件，另一種是

5、將文件保存為html+vmo格式，通過Internet Explorer進(jìn)行發(fā)布。. III.演示平臺(tái)的功能化設(shè)計(jì)在此三維虛擬場景中，用戶通過不同的演示方法觀察和研習(xí)三維模型，為了獲得更多有用的信息，該三維模型是利用三維數(shù)據(jù)創(chuàng)建的6。該虛擬演示系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的，它為用戶提供了不同的演示漫游的方法。A.場景演示的設(shè)計(jì)1) 演示導(dǎo)航演示導(dǎo)航也可被認(rèn)為是通過路徑進(jìn)行演示。人物可以通過在虛擬場景中預(yù)先設(shè)計(jì)好的道路進(jìn)行漫游。在虛擬演示系統(tǒng)中，道路的設(shè)定是與公園中的景點(diǎn)分布相一致的，而這將會(huì)被提前記錄和保存起來。用戶可以令虛擬人物在實(shí)現(xiàn)選擇好的道路上自由漫游，道路沿途的景觀便可一一展現(xiàn)在用戶面前。2)人物演示

6、a)設(shè)計(jì)人物虛擬人物被設(shè)計(jì)在演示系統(tǒng)中，在演示過程中，用戶可以再互動(dòng)模式中控制人物進(jìn)行漫游。用戶可以用鼠標(biāo)或鍵盤，甚至其他交互設(shè)備來控制虛擬人物在虛擬場景中向前移動(dòng)、向后移動(dòng)、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)?？紤]到人在旅途中所體現(xiàn)出的生理特性，我們?yōu)樘摂M人物設(shè)計(jì)了兩個(gè)屬性：體力值和饑餓值，相應(yīng)地我們也設(shè)計(jì)了這些屬性值的變化規(guī)則。與此同時(shí)，我們也為虛擬人物設(shè)計(jì)了背包。用戶如果點(diǎn)擊背包按鈕，便可打開背包。用戶點(diǎn)擊X按鈕，便可關(guān)閉信息面板。還是在圖表2中，在背包中有幾種食物。不同的食物對緩解虛擬人物的饑餓感的程度是不同的。在徒步漫游的過程中，虛擬人物的體力值會(huì)逐漸降低，饑餓程度會(huì)逐漸增加，“饑餓程度”狀態(tài)欄

7、顯示了人物當(dāng)前的饑餓值，如果虛擬人物停下來休息，體力值便會(huì)升高，如果虛擬人物補(bǔ)充一些食物，饑餓值就會(huì)降低。虛擬人物體力值和饑餓值的主要功能模塊見圖表3。圖表2 人物面板圖表3 體力值改變的實(shí)現(xiàn)b)人物的運(yùn)動(dòng)在Virtools中，虛擬人物的移動(dòng)有兩種類型的方法：一種是基于二維圖像連續(xù)的幀來進(jìn)行控制和調(diào)用，另一種方法是對三維模型的實(shí)時(shí)移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測算和響應(yīng)。二維圖像連續(xù)幀的實(shí)現(xiàn)利用了Virtools中獨(dú)有的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。不同的動(dòng)態(tài)連續(xù)圖像由響應(yīng)的鍵盤消息驅(qū)動(dòng)，從而形成了連續(xù)的動(dòng)畫。一般的圖像連續(xù)幀由48幅不同角度的圖像構(gòu)成，從而保證了視覺上的連續(xù)性。在Virtools中，三維模型的虛擬人物的移動(dòng)有兩種

8、類型的設(shè)置方法。一種類型是基于人物動(dòng)畫的交替模擬，一種類型是在三維模型的骨架中插入人物的動(dòng)作。人物動(dòng)畫與二維圖像連續(xù)幀的原則相似，預(yù)先保存好的動(dòng)畫會(huì)以一定的幀速率進(jìn)行播放。然而，人物動(dòng)作的插入是經(jīng)過精確的計(jì)算的。線性插入是相對比較簡單的插入算法7。這種算法速度快，適合于人物身體形狀的轉(zhuǎn)換。當(dāng)初始幀和終止幀給定時(shí)，線性插入算法能夠生成一個(gè)很好的中間插入幀。線性插入算法的具體內(nèi)容如下：我們假設(shè)關(guān)鍵幀a的移動(dòng)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)是Tj (a)和Rj (a)，其中j表示x, y和z。相應(yīng)的關(guān)鍵幀b的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)是Tj (b)和Rj(b)。線性插入將在關(guān)鍵幀a和關(guān)鍵幀b之間完成，我們便可得到關(guān)鍵幀i(a i

9、 b)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，計(jì)算公式如下：在動(dòng)畫模式下，虛擬人物的空間變化與其在行進(jìn)中的動(dòng)作是相分離的。當(dāng)虛擬人物在行走時(shí)，他看起來似乎是在行走，其實(shí)他并沒有改變在空間中的位置，而是在原地執(zhí)行行走動(dòng)作。然而，在動(dòng)作插入模式下，一旦虛擬人物執(zhí)行行走動(dòng)作，他的空間位置也會(huì)相應(yīng)地隨著他的行走步伐的大小而改變。我們可以比較這兩種方法，動(dòng)作插入模式顯然更加實(shí)際和有效，能夠獲得更好的模擬效果。本演示系統(tǒng)采用了線性插入方法。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程如下：當(dāng)虛擬人物移動(dòng)的框架在3ds max中設(shè)定好后，我們利用3ds max插件Max Exporter把數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成.nmo格式的文件，并將其導(dǎo)入到Virtools中。最后

10、，通過添加控制模塊實(shí)現(xiàn)人物動(dòng)作的插入。虛擬人物的動(dòng)作控制包含兩個(gè)主要的模塊，無限制控制器和鍵盤映射。無限制控制器模塊根據(jù)消息來設(shè)定虛擬人物的動(dòng)作或動(dòng)畫。例如，與人物向前移動(dòng)相對應(yīng)的消息是Joy_Up鍵，與人物向后移動(dòng)相對應(yīng)的消息是Joy_Down鍵等。鍵盤映射模塊則根據(jù)鍵盤來設(shè)定動(dòng)作消息。例如，按W鍵是控制人物向前移動(dòng)，對應(yīng)的消息是Joy_Up鍵；按S鍵是控制人物向后移動(dòng)，對應(yīng)的消息是Joy_Down鍵。如圖表4所示。圖表4 人物漫游的實(shí)現(xiàn)B.信息查詢信息查詢屬于更高級(jí)的互動(dòng)。來自功能實(shí)現(xiàn)視圖的信息可以分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，即根據(jù)鼠標(biāo)的位置選擇樹木的名字，然后通過數(shù)據(jù)表中的名字來找到相應(yīng)的樹木的

11、相關(guān)信息并顯示在信息面板上。根據(jù)鼠標(biāo)的位置獲取樹木的名字主要是通過2D采摘模塊實(shí)現(xiàn)的。這種方法是將鼠標(biāo)在二維屏幕接口上的坐標(biāo)位置與三維物體在屏幕坐標(biāo)上的投影位置進(jìn)行比較，如果他們恰好是鼠標(biāo)要選擇的目標(biāo)。如果這兩點(diǎn)是一致的，則認(rèn)為鼠標(biāo)選擇的是該物體。樹木的信息以數(shù)組的形式存儲(chǔ)，稱為Array。在Virtools 中，Array是一個(gè)小的數(shù)據(jù)庫，它存儲(chǔ)在數(shù)組中。它能夠滿足樹木信息的簡單存儲(chǔ)的要求。在Array中，樹木的信息依照植物名、植物類型、生長地，以列的形式保存。該數(shù)組與顯示面板的坐標(biāo)相一致，使用取元素、取行模塊等。坐標(biāo)的不同位置與數(shù)組中的各種不同的元素相一致，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)位置坐標(biāo)獲取數(shù)組信息。

12、從而信息的交互得到了實(shí)現(xiàn)。圖表5顯示了在虛擬演示中，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊樹木時(shí)所顯示出的樹木信息。圖表5 樹木的信息查詢IV.結(jié)論復(fù)雜情景下虛擬演示的研究是重要的研究議題之一。該研究主要集中在大學(xué)校園和社區(qū)的虛擬演示中，但是對森林公園的研究卻很少，而且他們并不能提供信息查詢功能。在本論文中，基于3ds max和Virtools的森林公園虛擬交互式演示系統(tǒng)得到了實(shí)現(xiàn)和完成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜情景下的虛擬演示功能和信息查詢功能。虛擬交互式演示系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)意義非凡的探索，提供了一個(gè)切實(shí)可行且高效的方法。該交互式系統(tǒng)在交互演示過程中顯示出了平穩(wěn)、良好的視覺效果。附錄資料：不需要的可以自行刪除 VIW虛擬因特網(wǎng)

13、教室概述（ ）因特網(wǎng)教室，是一個(gè)在局域網(wǎng)環(huán)境中模擬因特網(wǎng)的教學(xué)系統(tǒng)，它采用多種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把因特網(wǎng)帶進(jìn)校園，讓學(xué)校的師生在校園網(wǎng)中即可模擬上因特網(wǎng)，無須撥號(hào)，也不必通過代理服務(wù)器，只要在任一瀏覽器中敲入所需網(wǎng)址，就可完成恰似在因特網(wǎng)上才能實(shí)現(xiàn)的全部功能，從而實(shí)現(xiàn)信息的交換、發(fā)布與檢索。這樣，學(xué)生和老師在花費(fèi)極少的校園網(wǎng)環(huán)境中就可遨游樂趣無窮的：搜索瀏覽自己感興趣的網(wǎng)站，查詢收集與課題相關(guān)的信息以輔助教學(xué)或?qū)W習(xí)，使用電子郵件進(jìn)行交流與溝通，在上貼帖子，對某些問題發(fā)表自己獨(dú)特的見解，在談天說地中暢所欲言，大侃特侃，在下載專區(qū)中下載各種軟件，在留言板中提出你的意見等等，讓師生們在校園局域網(wǎng)中充分

14、過把上癮。提供了包羅萬象的 網(wǎng)站和功能強(qiáng)大的系統(tǒng)管理程序。此網(wǎng)站中的因特網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)一欄，為學(xué)生們進(jìn)入上好第一堂入門課。為緊密配合教學(xué)，還集成了十多個(gè)與教學(xué)有關(guān)的網(wǎng)站，使你幾乎在瞬間便可瀏覽眾多網(wǎng)站。同時(shí)，在下載專區(qū)里提供了一系列流行的常用軟件工具，讓你快速下載到本地計(jì)算機(jī)上。另外， 還展示了五花八門的網(wǎng)頁特技， 讓你耳目一新，躍躍欲試。在基于操作系統(tǒng)的服務(wù)器上，增加了系統(tǒng)管理主程序（該程序還可在網(wǎng)站管理頻道中直接調(diào)用），包括用戶管理與網(wǎng)站管理，規(guī)定了有哪些用戶創(chuàng)建，維護(hù)哪些站點(diǎn)等等，師生們可以在這里創(chuàng)建與維護(hù)各年級(jí)、各教研室、各班級(jí)、甚至個(gè)人的網(wǎng)站，從而把校園的信息發(fā)布到中去，達(dá)到資源共享，二

15、次開發(fā)的目的。系統(tǒng)要求硬件配置. 服務(wù)器最低配置標(biāo)準(zhǔn)配置最佳配置 以上 以上 以上內(nèi)存以上以上以上硬盤以上剩余空間以上剩余空間以上剩余空間網(wǎng)卡以上帶寬以上帶寬以上帶寬. 工作站最低配置標(biāo)準(zhǔn)配置最佳配置 以上 以上以上內(nèi)存以上以上以上顯示卡以上顯存以上顯存以上顯存網(wǎng)卡以上帶寬以上帶寬以上帶寬聲卡 全雙工聲卡(可選) 全雙工聲卡(可選) 全雙工聲卡軟件配置. 服務(wù)器 服務(wù)器系統(tǒng)， 服務(wù)器軟件，因特網(wǎng)教室軟件。 工作站 、 、 或 ，通訊協(xié)議，瀏覽器（推薦使用以上的瀏覽器）。產(chǎn)品功能因特網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)電子郵件的收發(fā)網(wǎng)站搜索資料的下載網(wǎng)上留言網(wǎng)上聊天網(wǎng)上公告網(wǎng)上資料庫的管理因特網(wǎng)網(wǎng)頁制作特技網(wǎng)站的管

16、理產(chǎn)品特色因特網(wǎng)教室具有以下特點(diǎn)：安裝簡便，由于采用性能優(yōu)越的架構(gòu)，服務(wù)器端僅需裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與因特網(wǎng)教室系統(tǒng)管理主程序，客戶端安裝任意類型的瀏覽器即可 。穩(wěn)定性強(qiáng)，由于服務(wù)器端基于大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)，該平臺(tái)具有強(qiáng)大的技術(shù)后盾，可靠性強(qiáng)、安全性高。經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，由于在局域網(wǎng)中操作，沒有電話費(fèi)，也沒有上網(wǎng)費(fèi)，極大減少了教學(xué)成本。兼容性強(qiáng)，客戶端支持 ， 和 操作系統(tǒng)和任意類型的瀏覽器。操作簡易，模擬上網(wǎng)極其簡單，無須撥號(hào)，也不必通過代理服務(wù)器，只要在校園網(wǎng)任一瀏覽器中敲入所要網(wǎng)址即可。效率高，由于網(wǎng)站實(shí)際是在本地服務(wù)器上，所以上網(wǎng)相當(dāng)于全部在寬頻網(wǎng)絡(luò)上高速運(yùn)行，你盡可瞬時(shí)一覽無遺。功能全，濃縮了的全部

17、功能，只要互聯(lián)網(wǎng)有的，這里都可以找到。中還集成了十多個(gè)與教學(xué)有關(guān)的網(wǎng)站，使你呆在校園里便知天下事。同時(shí)，還可以把其它網(wǎng)站的信息下載到本地服務(wù)器中，由網(wǎng)站系統(tǒng)管理員經(jīng)過篩選來進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到減少上網(wǎng)次數(shù)與資源共享的目的。中增加的教學(xué)示范，比如因特網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)、電子郵件、網(wǎng)頁特技、 資料庫管理示范等，讓學(xué)生們邊學(xué)習(xí)、邊實(shí)踐，是一本不可多得的百科全書。 在中的用戶管理與網(wǎng)站管理程序，讓師生們積極創(chuàng)建與維護(hù)各個(gè)站點(diǎn)，完全調(diào)動(dòng)了他們的主動(dòng)性，激發(fā)了他們的創(chuàng)造力， 從而讓校園在大舞臺(tái)上充分展示自己的風(fēng)采。適應(yīng)范圍校園網(wǎng)培訓(xùn)教室多媒體教室企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)產(chǎn)品安裝和設(shè)置產(chǎn)品包含：藍(lán)點(diǎn)系統(tǒng)盤、 主程序光盤、范例網(wǎng)站

18、光盤； 產(chǎn)品使用手冊一本； 網(wǎng)卡一塊；安裝與啟動(dòng)因特網(wǎng)教室采用性能優(yōu)越的架構(gòu)，服務(wù)器端必須在功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，而客戶端（僅需安裝瀏覽器）可任意在、 、 操作系統(tǒng)上執(zhí)行，且支持所有類型的瀏覽器。安裝服務(wù)器端服務(wù)器端必須安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（含服務(wù)器）、因特網(wǎng)教室。安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)關(guān)于安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)， 請參閱的安裝手冊。在安裝過程中，選擇定制安裝后，出現(xiàn)待安裝軟件列表，建議安裝該列表中的全部軟件。安裝完后，在服務(wù)器上用命令來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)定窗口，進(jìn)行一些配置：在客戶端工作區(qū)域里，用上下箭頭鍵選擇主機(jī)基本資料選項(xiàng)，然后按回車鍵，進(jìn)入這部主機(jī)的基本設(shè)定窗口。在主機(jī)名文本框中，輸入 服務(wù)器名稱，然后用上下箭頭把