基于VRP的中小學虛擬科技館的設計和實現(xiàn)

馬萍 孟祥增

【摘要】中小學虛擬科技館作為建設數(shù)字化校園的一部分，可以使學生在虛擬科技館中自由瀏覽，體驗或操控虛擬展示的科學技術和產(chǎn)品，彌補實體科技館的局限，培養(yǎng)學生的科學精神和素養(yǎng)。文章闡述了建設中小學三維立體虛擬科技館的步驟、虛擬科技館的數(shù)據(jù)采集與教學設計、虛擬科技館建筑與展品的建模與烘培方法以及利用VR-Platform構建虛擬場景、實現(xiàn)虛擬交互控制的方法。

【關鍵詞】虛擬科技館；三維建模；立體播放；VR-Platform

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2013）04—0114—05

引言

科技館是以展覽科技教育為主要功能的公益性科普教育場所，讓參觀者觀看科普知識，參與體驗具有互動性的科學技術展品和科學技術手段，激發(fā)參觀者對科學技術的興趣，啟迪參觀者的科學觀念和探索思想，實現(xiàn)對公眾的科普教育。中小學學生具有強烈的求知欲望，對科學技術充滿了好奇，參觀科技館會受到很大啟發(fā)和鼓舞，可以了解很多科普知識，也能激發(fā)學生追求科學知識的熱情。但目前我國公益性的科技館建設還不多，中小城市很少，偏遠地區(qū)和廣大農(nóng)村幾乎沒有，而在校園內建設科技館的中小學很少，這就嚴重影響了科技館在中小學科普教育的作用和效果，對展寬中小學學生的科學視野，發(fā)展科學精神，培養(yǎng)創(chuàng)新能力很不利。

隨著數(shù)字媒體技術、立體顯示技術和計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術得到很大發(fā)展，在模擬軍事訓練、工業(yè)仿真、虛擬實驗、虛擬博物館等領域得到廣泛應用。虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機技術對真實世界進行模擬仿真，創(chuàng)建具有真實感的虛擬世界，用戶置身其中仿佛置身在真實世界中，可以觀賞虛擬的真實環(huán)境，還可以與虛擬環(huán)境中的對象進行交互操作。虛擬科技館是將現(xiàn)實存在的實體科技館以三維立體的虛擬方式呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)實體科技館的科普教育功能。虛擬科技館將實體科技館的館外、館內環(huán)境構建成3D模型，展示實體科技館的科技內容，盡可能多地提供虛擬交互操作，同時還提供一些實體科技館難以提供的多媒體交互和網(wǎng)絡信息資料查找功能等。參觀者能在虛擬的科技館中隨意游覽，觀看館內各種展品的三維仿真展示，并可以對三維虛擬展品操作，從各種視角查看三維虛擬展品，可以方便快捷地搜索、查找自己感興趣的各種科技作品的詳細信息資料。

虛擬現(xiàn)實技術在虛擬博物館、數(shù)字科技館中的應用越來越受到重視。中國自然科學博物館協(xié)會、中國圖像圖形學會虛擬現(xiàn)實專業(yè)委員會、中國系統(tǒng)仿真學會虛擬技術及應用專業(yè)委員會等2007年5月在杭州召開了全國首屆數(shù)字（虛擬）科技館技術及應用學術研討會，其中有多篇關于虛擬科技館的展示方式、虛擬科技館中的交互技術論文，如文獻[4]對虛擬科技館和數(shù)字科技館的展品展示方式和功能進行了分析，文獻介紹了利用J2EE與AJAX實現(xiàn)具有實時交互功能的虛擬科技館體系架構的方法。文獻介紹了構建虛擬博物館三維場景及交互漫游實現(xiàn)過程中的若干技術，文獻分別介紹了利用VRML、X-VRML、X3D技術構建網(wǎng)絡虛擬場景、虛擬科技館的模型與漫游、交互實現(xiàn)方法。但是目前關于在中小學數(shù)字校園中建立虛擬博物館的研究未見報道。本文作者從美國EBSCO、英國Taylor&Francis、德國Springer等電子期刊全文數(shù)據(jù)庫中以digital science museum和virtual science museum為題名也未檢索到關于中小學虛擬博物館建設的研究報道。

本文利用VR-Plafform作為虛擬場景開發(fā)工具，針對中小學數(shù)字化校園建設中建立虛擬科技館的需要，闡述了建設中小學虛擬科技館的步驟、數(shù)據(jù)采集與教學設計、建模與烘培方法以及交互實現(xiàn)等操作，希望在我國中小學數(shù)字化校園建設中增加建設具有校本特色的虛擬科技館，彌補實體科技館的局限，用于中小學學生的科普教育，提高學生的科學素質。

一 中小學虛擬科技館的 設計

1 中小學虛擬科技館的設計步驟

中小學虛擬科技館除具有社會上公眾科技館的科學性外，還要有更多的教育性。因此，中小學虛擬科技館的設計在一般虛擬科技館設計的基礎上增加教學設計模塊，設計步驟如圖1所示。

虛擬科技館的建筑、環(huán)境、館內設施、展品模型構造一般比較復雜，如果一次性構建全部場景的模型，多邊形數(shù)量很大將會十分困難，因而需進行場景的分別建模。分別建模時要對建筑物的功能、場景的復雜度和相似度以及貼圖的特點進行綜合考慮，以提高工作效率。

虛擬科技館場景真實性好壞，沉浸感是否強烈，都依賴于模型構建是否逼真?；灸Ｐ偷臉嫿ㄊ巧商摂M世界的基礎。目前建模方式多種多樣，可以使用高級建模軟件如3DSMax、Maya、AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge進行建模。本文利用3DS Max建模，可以直接利用各種多邊形工具對場景進行創(chuàng)建和修改，不需要書寫大量的程序，簡潔直觀。

2 虛擬科技館的數(shù)據(jù)采集與教學設計

虛擬科技館是以實體科技館為基礎，應具有實體科技館的基本功能和組成元素。因此，在建立虛擬科技館前應收集實體科技館基本的資料數(shù)據(jù)，包括獨具特色的科技館建筑、科技館館前環(huán)境、館內展室布局、展品、輔助設施和特色展示等相關數(shù)據(jù)。為準確描述和表現(xiàn)科技館環(huán)境中各建筑物的外觀屬性，實現(xiàn)逼真的建筑外表仿真效果，需要收集科技館建筑的分布位置信息、科技館標志性建筑的長寬高數(shù)據(jù)以及建筑外形信息和紋理材質。使用數(shù)碼相機對建筑物進行照相時，由于受位置、角度的影響，拍攝的照片往往會出現(xiàn)比例失調、光影不均等問題，需使用平面圖形處理軟件（如Photoshop）對照片的像素、亮度、對比度等參數(shù)進行調整，再進行必要的裁剪、扭曲、圖像修復處理，制作成三維模型的外部材質貼圖。

科技館是以展覽教育和科技活動為主要功能的教育場所，包含科學原理、科學應用、科學發(fā)展方面的相關展品，使學生可以通過探索、實踐、親手操作來了解科學知識，是學生學習知識的第二課堂?？萍拣^以豐富多樣、生動形象的科技展品為載體，向學生傳授現(xiàn)代科技知識，展示科學技術的進步以及科技對社會發(fā)展的作用，圍繞教育功能的發(fā)揮提升而發(fā)展，具有突破性的教育意義。虛擬科技館以虛擬現(xiàn)實技術為手段，以普及科普知識為目的，強調使人獲得身臨其境的感受。虛擬展品需能對學生產(chǎn)生強烈刺激，引起其濃厚興趣，激發(fā)其思維和想象，只有這樣才能激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生領悟科學、運用科學的能力。

中小學學生科學知識的積累儲備較少，大多不能理解較專業(yè)的科學技術原理，設計時要考慮到學生的知識結構特點和認知能力，用通俗易懂的語言和簡潔明了的方式來傳遞科學知識；同時依據(jù)中小學學生的注意力持續(xù)時間較短、對知識的學習以感性認識為主等身心發(fā)展特點，設計時需要以生動形象、吸引力強的形式來展示，并且要求精簡內容，確保達到中小學學生能夠理解、接受的程度。依據(jù)以上原則，虛擬科技館主要包括天體奧秘、生命萬象、科技世界、人文百科等方面，采用生動形象直觀的方式來展示相關的科學知識。

3 虛擬科技館的建筑模型與館外環(huán)境設計

利用三維建模軟件3DS Max可以完成虛擬科技館模型構建的前期工作，例如科技館建筑的模型構建、展室與展品的模型構建、模型貼圖、設置燈光、渲染等，是建立虛擬科技館的重要部分。

場館模型構建時，遵循由大到小、由粗到精、由主到次的原則，依據(jù)實際尺寸和樣式，采用搭積木的方法構建各個場景模型。其創(chuàng)建模型的過程大概分如下幾步：（1）制作框架模型。根據(jù)建筑物的外觀框架形狀，依據(jù)實際尺寸，利用幾何體搭建建筑物基本結構；（2）制作精細模型。根據(jù)建筑物各部分的細節(jié)，對模型進行進一步的細化，使模型更加逼真：（3）添加貼圖和材質。利用材質或貼圖的方式來為模型添加上紋理和凹凸等表面特征；（4）設置光效。利用添加光源的方法來模擬模型在光線照射下的顯示特征，可以使用天光（skylight）、目標聚光燈（Target Spot）及目標平行光（Target Direct）模擬室外光照環(huán)境。天光模擬天空漫反射形成的環(huán)境光。目標聚光燈位于場景高處，模擬太陽光。目標平行光補充場景各側面光亮度。

場館環(huán)境設計主要包括地面以及周邊環(huán)境設計。由于場景中有許多相似的物體，可以采用實例技術，即構建好一個模型，其余相似物體可直接使用該模型。虛擬場景中的樹可以采用十字交叉方式：做兩個十字交叉的平面，再將樹的貼圖做成帶Alpha通道的圖像，然后貼在兩個平面上即可。依據(jù)該方法利用二維的模型結合透明貼圖創(chuàng)造出三維的模型效果，由一個面變?yōu)閮蓚€面，只需要一張貼圖，沒有增加場景的數(shù)據(jù)量，而且除了俯視以外，其他任何角度看都有很好的效果，從而達到效果逼真、事半功倍的目的。我們利用3DS Max構建的某中學三維立體虛擬科技館建筑模型與館外環(huán)境如圖2所示。

4 虛擬科技館的展品與展室環(huán)境設計

虛擬科技館的展室是科技館的主要組成部分，展品主要由模型展示型、互動演示型等組成。虛擬展室的布局和空間位置是在獲取實際空間三維數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)需要建立的對應的虛擬三維空間模型形成的，最大限度地還原科技館的實際情景。學生可以在虛擬三維空間中自由游覽、操作展室中的相關展品。虛擬科技館展示設計時需注意空間的視覺效果和空間相對位置，其基本建模的方法與建筑物建模類似，在此就不一一贅述。我們建立的虛擬科技館中科技世界展廳效果如圖3所示。

5 虛擬科技館的模型優(yōu)化與場景烘焙

利用3DS Max構建虛擬科技館三維場景的模型時，為了提高場景運行的速度，保證虛擬場景的流暢性，必須使用恰當?shù)募夹g對3DS Max文件進行優(yōu)化，降低文件的大小。在利用3DS Max構建虛擬科技館模型時應注意以下幾點：

（1）盡量采用標準幾何體建模

標準幾何體的節(jié)點比較規(guī)則，面片數(shù)較少，運算量小，可降低文件的數(shù)據(jù)量。

（2）去除模型中冗余的點線面

場景中的冗余包括看不見的面、重合的面以及點、線等。比如，科技館的底面，它的存在與否不影響場景的效果。在這樣的情況下，可以刪除冗余面，降低虛擬科技館場景的數(shù)據(jù)量。

（3）利用貼圖技術替代復雜的模型細節(jié)

在虛擬科技館的建模中，對于一些模型細節(jié)，比如科技館的門窗、裝飾品等細節(jié)的地方，在建模時需要用不規(guī)則的幾何體建模，這樣不僅會增加工作量同時會增加場景的復雜度，因此，在不影響場景效果的前提下，可采用貼圖技術代替三維立體建模，即對于細節(jié)建模，可以在對應位置的多邊形面上“貼”上對應的紋理貼圖來代替。利用紋理貼圖替代場景模型的可建模實現(xiàn)或不可建模實現(xiàn)的細節(jié)，提高模型的真實度和降低場景的復雜度，而且可以體現(xiàn)出實體對象本身的鮮明色彩和特征。

（4）利用實例技術展示相似物體

在虛擬場景中有許多位置不同，但幾何形狀相同或者一模一樣的對象，比如展室中的展臺、展框、道具等，這時可使用實例工具。在創(chuàng)建時可使用移動實例和陣列實例工具實現(xiàn)。創(chuàng)建實例實際上沒有創(chuàng)建對象的幾何模型，與復制不同。這樣可以極大地簡化虛擬場景的模型庫，降低文件大小，提高系統(tǒng)的運行速度。

場景模型構建完成后，需要對整個場景進行烘焙。烘焙是將場景表面的光影存入到文件中，提高場景的真實感，增加場景的視覺效果。在3DS Max中選中需要烘焙的模型，選擇渲染到紋理選項，在彈出的對話框中設置相關的系數(shù)。對面積較大且平鋪的模型用LightingMap進行烘焙，對于面積較大且無貼圖文件或有貼圖但不平鋪的模型用CompleteMap進行烘焙，對于面片、植物等小物體可以不用烘焙。

二 基于VR-Platform的中小學虛擬科技館實現(xiàn)

虛擬科技館的最重要性能之一是交互性。交互性的體現(xiàn)主要在以下兩方面：一個方面是指計算機通過聲音、圖像等媒介給用戶反饋信息，用戶能夠在獲取各種數(shù)據(jù)的同時在感官上得到各種刺激；另一方面則是用戶參與，即通過鼠標、鍵盤等外部輸入設備對模型、視點進行操作和控制。如果用戶和虛擬環(huán)境的交互性強，則更能形象地模擬真實的環(huán)境。

目前用于創(chuàng)建三維虛擬場景的工具多種，如國外的3DVIA Virtools、Vega、Mutilgen Creator、EON studio Dimension公司的VirtualRealityToolkit，國內中視典的VR-Plafform、吉奧公司CCGIS和適普公司的ImaGIS，以及用于網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實的VRML、X3D等。VR-Platform是中視典公司獨立開發(fā)的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，能夠兼容多種windows操作系統(tǒng)，具有強大的3D圖形處理能力、高效快捷的工作流程，支持單機版、網(wǎng)絡版、多通道現(xiàn)實版，能夠進行任何角度、實時的三維立體播放顯示，具有完善的三維播放軟件，性價比較高?；谝陨蠋c，本文選擇利用VR-Platform虛擬現(xiàn)實平臺創(chuàng)建。下面介紹利用VR-Platform創(chuàng)建中小學三維立體虛擬科技館的方法。

1 導入場景模型

在3DS Max中完成虛擬科技館場景的基礎建模之后，還需要生成虛擬環(huán)境，這一部分需要在VR-Platform中進行。為了將用3DS Max創(chuàng)建的虛擬場景模型導入VR-Platform（以后簡稱VRP）編輯器中，需要安裝相應的插件。利用VRP導出三維模型時，需要先進行自動修改重名模型操作，然后依據(jù)需要進行導出全部或者選擇集操作，最后將模型調入到VRP編輯器，并進行編輯、調整。

2 添加天空盒和太陽光暈

天空盒也是虛擬科技館場景中的重要內容，用于實現(xiàn)對天空的模擬。當視點在場景中移動時，加上適當?shù)墓庹招Ч?，可以使人感到天空所產(chǎn)生的強烈的縱深感。通常天空盒可以采用一個半球或者長方體作為“屋頂”，在其表面映射相應天氣效果的紋理圖來實現(xiàn)。本文采用一個能夠籠罩整個地形的半球形作為天空，在其表面映射相應天氣效果的紋理圖，也可以選擇VRP編輯器自帶的天空盒。VRP編輯器還有自帶的太陽光暈，可以依據(jù)場景中模型的位置和大小設置光暈的角度，進而達到更好的仿真效果。天空球效果如圖4所示。

3 設置碰撞檢測

碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實中的重要內容，只有設置碰撞檢測，才可以避免用戶穿墻破壁、上天入地等不真實的情況發(fā)生，并且可以與虛擬場景中的物體發(fā)生互動等效果。例如，當用戶經(jīng)過臺階時會有逐步上升的感覺。在VRP編輯器中可以直接設置碰撞檢測，需要注意的是在設置時僅需要對可能發(fā)生碰撞的模型操作，其他的模型（如天花板、花壇等）不必設置。

4 設置交互

在VRP中通過編輯二維界面，設置按鈕的腳本命令，實現(xiàn)行走、動畫相機切換等動作，進而自主選擇觀看的視角。通過設置腳本命令，用戶可以利用鼠標和鍵盤選擇以第一人稱在場景中自由行走、漫游等。利用腳本編輯器可以為虛擬場景添加說明文字、背景音樂、解說詞等，如交互設置的解說腳本代碼設置如下：pane102，鼠標左鍵按下；播放音樂，F(xiàn)：＼解說詞＼蛇形擺原理.mp3，0，0，0。漫游動畫的腳本代碼設置如下：鼠標左鍵按下；顯示隱藏物體，0，group1，0：顯示隱藏物體，0，group3，0；切換相機（通過名稱），動畫01，0。行走腳本代碼設置如下：行走，鼠標左鍵按下；顯示隱藏物體，O，groupl，0；顯示隱藏物體，0，group3，0；切換相機（通過名稱），行走相機，0。

5 場景生成及立體播放

三維立體虛擬科技館創(chuàng)建后可以在普通顯示器計算機和立體顯示器計算機或立體播放系統(tǒng)中播放。在普通顯示器計算機中播放，需要將建立的虛擬科技館源文件編譯打包成可獨立執(zhí)行Exe文件，編譯時根據(jù)需要設置窗口大小和初始相機參數(shù)等。編譯完成后即可在普通顯示器計算機中運行播放，可以利用鍵盤、鼠標等普通交互工具在虛擬科技館場景中漫游，也可以操控虛擬展品，進行虛擬體驗，但展示的畫面沒有立體感。若要產(chǎn)生立體視覺效果，需要在立體顯示器計算機或立體播放系統(tǒng)中播放。目前立體場景的播放主要是利用人的雙眼視差實現(xiàn)。人的雙眼橫向排列，之間約有5～6厘米的間隔，左右眼看到的影像有細微的差異，大腦在解讀雙眼的視差時會產(chǎn)生立體視覺。立體顯示基于人的立體視覺感受，通過人工方式重現(xiàn)人的雙眼視差。常見的立體顯示方式有分色技術、分光技術、分時技術和光譜分割技術等。目前立體顯示器、電視機等大多采用分時技術，左右眼看到的圖像通過時差區(qū)分，即左右眼看到的圖像分時顯示，觀察者佩戴立體眼鏡，眼鏡的左右鏡片分時顯示圖像，與顯示器顯示的左右眼圖像同步。大型立體顯示系統(tǒng)通常采用分光技術，左右眼看到的圖像通過偏振光區(qū)分，即左右眼看到的圖像采用偏振光顯示，觀察者佩戴偏振光眼鏡，眼鏡的左右鏡片只能通過對應偏振方向的偏振光，顯示左右眼圖像的偏振光互相垂直。我們使用三星SAM04EA SyncMaster立體顯示器和NVIDIA的3D Vision立體眼鏡，連接好立體顯示器和同步訊號發(fā)送裝置，使用VRP播放器打開虛擬科技館文件，設置為全屏模式播放，頭戴立體眼鏡即觀察到良好的立體場景顯示效果。使用普通鼠標和Space Explorer六自由度三維鼠標可以很方便地實現(xiàn)在虛擬科技館中漫游和對虛擬展品的操控。我們建立的某中學三維立體虛擬科技館機器人展室立體播放場景的截圖如圖5，可以看出左右眼圖像明顯的視差。

6 虛擬場景創(chuàng)建應注意的問題

創(chuàng)建虛擬場景時需要注重真實感，使用戶在虛擬環(huán)境中的感覺就像在真實世界中一樣，有身臨其境的感覺，同時用戶也可以成為虛擬環(huán)境中的一部分。需要注重系統(tǒng)運行的高效性，盡量優(yōu)化場景，提高運行速度，做到在普通計算機上仍然可以流暢運行。同時需要強調系統(tǒng)的交互性。交互是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要特征，要保證用戶可通過鼠標、鍵盤等工具對虛擬環(huán)境中的對象進行操作，并從虛擬環(huán)境中得到反饋。

三 結語

創(chuàng)建中小學虛擬科技館是虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字化校園的一個重要應用，為中小學學生提供了解和體驗科學技術的新途徑?；赩RP建立的三維立體虛擬科技館為中小學學生提供了一個三維立體的虛擬科學探索環(huán)境，學生可以以第一人稱的感覺通過鍵盤和鼠標自由地操縱展品、選擇瀏覽路徑，進行任意的游覽、操控，體驗科學技術的魅力。虛擬科技館突破了實體科技館陳列展示的基本方式，采用虛擬現(xiàn)實技術改進展示方式，讓學生能夠從中汲取知識，同時也可以發(fā)揮學生的主觀想法，培養(yǎng)學生的探索精神。當然，虛擬科技館的建設還需要不斷地完善和改進，對于該系統(tǒng)來說，還可以嘗試開發(fā)更多的特殊效果。在交互方面可以通過數(shù)據(jù)庫增加與場景中的模型進一步互動以及不斷優(yōu)化貼圖與場景的大小，提高場景運行速度。