虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平臺的建構(gòu)

李玉剛 李佳凝

沈陽柏年信息技術(shù)發(fā)展有限公司 遼寧 110004

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生于 20世紀 60年代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,VR)，這名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾(Jaron Lanier)在1989年提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。這種技術(shù)是由計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型， 編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在感知上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)較為專業(yè)化，對于一般用戶而言有較大難度，因此，本文探討如何構(gòu)建虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平臺，為一般用戶提供方便快捷的開發(fā)平臺。

1 虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平臺建設(shè)的必要性

虛擬現(xiàn)實是發(fā)展到一定水平上的計算機技術(shù)與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)實的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設(shè)計工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有利的支持。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時三維空間表現(xiàn)能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領(lǐng)域的模擬和訓(xùn)練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。虛擬戰(zhàn)場、虛擬城市、甚至“數(shù)字地球”；無一不是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。

2010年世博會法國館構(gòu)建了與其實體展館對應(yīng)的全3D虛擬展館。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將世博法國館“感性城市”的主題在虛擬空間中展現(xiàn)無疑。全球億萬網(wǎng)民足不出戶就可以身臨其境地享受精彩的3D逼真體驗，實時互動交流。參觀者只需輕點鼠標(biāo)就能在虛擬展館中360度自由參觀，欣賞奧賽博物館的經(jīng)典名畫和館中美麗的法式園林。國慶 60周年閱兵場面非常宏偉壯觀，現(xiàn)場的控制準確無誤，虛擬現(xiàn)實技術(shù)先是對整個閱兵的過程進行了模擬仿真，對可行性進行驗證，確定各方陣的進行速度、方位、音樂及領(lǐng)導(dǎo)人講話的各時間截點。同時還可以展示從不同視角觀看的效果，比如說從天安門城樓的最高處，從人民大會堂樓頂上往天安門廣場看是什么效果等，也就是說，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以事先看到統(tǒng)管全局的彩排效果。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用必將成為一個重要的方向，在這樣的背景下，作為國家的老工業(yè)基地的遼寧，對發(fā)展本地區(qū)的經(jīng)濟與科技發(fā)展起著重要的作用，但是目前遼寧在虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展還是比較落后，在沈陽和大連都有從事虛擬現(xiàn)實制作的公司。但是大部分都應(yīng)用國外的開發(fā)平臺，還有小部分采用自己的一些小的核心模塊做底層的開發(fā)。開發(fā)成本很大，開發(fā)效率比較低下。需要一個價格低廉，應(yīng)用廣泛，開發(fā)效率高的平臺。因此，虛擬現(xiàn)實三維動畫開發(fā)公共服務(wù)平臺建設(shè)將填補這一空白。特別是該平臺的建設(shè)，一方面會提高國內(nèi)虛擬軟件開發(fā)的整體技術(shù)實力，另一方面能夠汲取國外優(yōu)秀軟件的諸多優(yōu)點，發(fā)展國人虛擬平臺，提高中國在互聯(lián)網(wǎng)虛擬的整體地位。

2 虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平臺建設(shè)的可能性

目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺的研究，已具有成熟、可靠的基礎(chǔ)理論和技術(shù)基礎(chǔ)，符合虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展方向，硬件設(shè)計和選擇符合技術(shù)現(xiàn)實，本文作者所在單位經(jīng)過多年來在該領(lǐng)域的專門研究，取得了一批研究成果。

從 2006年開始，作者所在單位與遼寧省教育廳合作，進行遼寧省教育資源信息化資源庫建設(shè)項目的研發(fā)工作，其中大部份內(nèi)容都采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)，并且在多個學(xué)校進行了應(yīng)用，得到了廣大師生的一致認可，取得了一定的成果，現(xiàn)任教育部副部長魯昕給予了的高度評價。此外，還與沈陽體育學(xué)院合作建設(shè)體育旅游虛擬實驗室項目，采用三通道立投影技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，經(jīng)過將近一年時間的時間建設(shè)完成。本實驗室處于國內(nèi)同類型系統(tǒng)的領(lǐng)先地位，所以在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)上有較為深厚的研究基礎(chǔ)，該項目研究在技術(shù)上是可行的。

本平臺建設(shè)的資金籌集本著多方投入的原則，申請沈陽市科技基金投入與申請單位自籌相結(jié)合，其中自籌資金部分已經(jīng)落實，本課題研究工作已經(jīng)全面展開。從資金來源分布上，資金籌集方案合理、可行，能夠保障該課題的順利研制。本平臺建設(shè)的組織管理，成立專門的建設(shè)研發(fā)項目組，項目經(jīng)理負責(zé)制，由項目經(jīng)理長對項目全面負責(zé)，組成由公司高層領(lǐng)導(dǎo)、高級工程師、專業(yè)技術(shù)人員參加的科研隊伍，將項目的各部分工作分解并落實到人，在組織管理上和課題研究的運行機制上保證項目研制計劃的按時完成，本平臺建設(shè)高效的組織管理能保障該項目的順利完成。

3 虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平臺擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

為解決動作的制作工作量大，解決專業(yè)模型虛擬現(xiàn)實制作困難的技術(shù)難題。改變我國虛擬現(xiàn)實制作周期長等問題，本項目采用2D/3D高效圖形處理技術(shù)、VRP技術(shù)的嵌入、客戶端技術(shù)、分布式計算技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、動態(tài)內(nèi)核機制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密等技術(shù)將計算機處理的數(shù)字化信息變?yōu)槿藗兯芨惺艿木哂懈鞣N表現(xiàn)形式的多維信息，并通過視、聽、觸覺等作用于使用者， 對使用者的控制行為做出動態(tài)的交互反應(yīng)。

虛擬現(xiàn)實三維動畫開發(fā)公共服務(wù)平臺，具體包括：(1)虛擬現(xiàn)實三維動畫建模系統(tǒng)；(2)虛擬現(xiàn)實三維動畫WEB應(yīng)用系統(tǒng)；(3)虛擬現(xiàn)實三維動畫模型的導(dǎo)入導(dǎo)出系統(tǒng)；(4)虛擬現(xiàn)實三維動畫模型高精度物理碰撞模擬系統(tǒng)；(5)虛擬現(xiàn)實三維動畫編輯器；(6)虛擬現(xiàn)實三維動畫文件發(fā)布系統(tǒng)。

從具體的技術(shù)實現(xiàn)上來講，以下技術(shù)需要進一步加以研究解決：

(1) 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)(有規(guī)則的環(huán)境)，而更多的情況則需采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

(2) 實時三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而這里的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。

(3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

VR應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究VR的開發(fā)工具。例如，VR系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式VR技術(shù)等。

(4) 系統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等等。

(5) 基于WEB的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用

具有獨特的壓縮技術(shù)、真實的畫面表現(xiàn)、豐富的互動功能，三維網(wǎng)頁無需下載，只需輸入網(wǎng)址，即可直接在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽三維互動內(nèi)容。

4 虛擬現(xiàn)實三維開發(fā)服務(wù)公共技術(shù)平的技術(shù)指標(biāo)

本軟件平臺基于 WindowsXP操作系統(tǒng)，使用自建工具庫及其他公開工具庫開發(fā)。公開工具庫包括 OpenGL Performer和MPI通信系統(tǒng)。該平臺在Windows XP系統(tǒng)上運行，該平臺應(yīng)該具有如下指標(biāo)：

(1) 友好的圖形編輯界面；

(2) 高效快捷的工作流程；

(3) 強大的3D圖形處理能力；

(4) 支持導(dǎo)航圖顯示功能；

(5) 高效高精度物理碰撞模擬；

(6) 支持模型的導(dǎo)入導(dǎo)出；

(7) 支持霧效，可增強場景真實度、支持物體尺寸的顯示和修改；

(8) 可導(dǎo)出序列幀，方便后期編輯合成；

(9) 支持動畫相機，可方便錄制各種動畫；

(10) 支持編組，方便整體操作；

(11) 強大的界面編輯器，可靈活設(shè)計播放界面；

(12) 支持撤消恢復(fù)，避免誤操作；

(13) 可任意編輯或替換啟動界面；

(14) 支持對物體的鏡像、旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等操作；

(15) 支持實體顯示、線框顯示、點顯示等多種顯示方式；

(16) 可隨意更改建筑物高度，改變外立面材質(zhì)、顏色、貼圖等；

(17) 支持ATX動畫貼圖；

(18) 支持貼圖管理器；

(19) 自帶材質(zhì)庫，可任意更換物體材質(zhì)；

(20) 支持軟件抗鋸齒，可生成高精度畫面；

(21) 支持點擊物體觸發(fā)動作；

(22) 支持距離觸發(fā)動作；

(23) 支持行走相機、飛行相機、繞物旋轉(zhuǎn)相機等相機；

(24) 作品可設(shè)置密碼保護以及日期限制；

(26) 高效、人性化的動作管理器，可自由設(shè)置各種動作；

(27) 可直接生成.Exe獨立可執(zhí)行文件；

(28) 支持導(dǎo)入3dsmax關(guān)鍵幀動畫和Reactor剛體動畫；

(29) 擁有模型和貼圖素材庫；

(30) 整合連結(jié)外部影像編輯軟件，如Photoshop。

5 結(jié)束語

該項目的研制，能夠拉動沈陽市以及遼寧省的虛擬現(xiàn)實內(nèi)容制作水平，為更多的公司提供服務(wù)，同時也能間接帶動更多就業(yè)崗位。打造成為一個面向沈陽市乃至遼寧省的虛擬現(xiàn)實三維動畫公共開發(fā)服務(wù)平臺，進而推進遼寧省虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展，甚至對中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到促進作用。

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