基于Android的3D恐龍博物館系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：在深入分析Android的系統(tǒng)架構(gòu)及其應(yīng)用程序的組成基礎(chǔ)上，設(shè)計和實現(xiàn)了一款基于Android的3D恐龍博物館系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括場景模塊、恐龍展臺模塊和恐龍展示廳模塊。該系統(tǒng)能夠運用3D恐龍模型實現(xiàn)與用戶的互動，具有較強的實用性、開發(fā)指導(dǎo)性和科普知識宣傳的意義。

關(guān)鍵詞：3D恐龍博物館；Android系統(tǒng)；互動；科普

中圖分類號： TP391.9

移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，移動通信和互聯(lián)網(wǎng)是全球增長最快、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬纱髽I(yè)務(wù)，而對于兩者的結(jié)合體，移動互聯(lián)網(wǎng)，必然在未來創(chuàng)造巨大的市場和經(jīng)濟神話。移動互聯(lián)網(wǎng)是一種通過智能移動終端，采用移動無線通信方式獲取網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和服務(wù)的新興業(yè)態(tài)，其包含終端、軟件和應(yīng)用三個層面。近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)取得了飛速的發(fā)展，深刻改變了人們上網(wǎng)和獲取信息的方式。

全球移動互聯(lián)網(wǎng)的終端主要以Android系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)為主，據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）調(diào)查顯示，截止2013年5月，Android系統(tǒng)占據(jù)全球智能手機操作系統(tǒng)市場75%的份額，中國市場占有率為86%。由此可見，手機等移動終端已經(jīng)成為人們接受新知識的重要途徑之一。

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類文化遺產(chǎn)的實物的場所，為公眾提供知識、教育和欣賞的文化教育的場所，其主要以學(xué)習(xí)、教育、娛樂為目的，為公眾提供服務(wù)。目前，國內(nèi)的博物館雖然都有自己的主頁，但基本上僅含該博物館的概況、展覽、活動等信息，并未提供詳細(xì)的物體介紹和精致的物體模型，人們必須身臨其境才能了解實物的情況，且交互性不強，難以達到科普宣傳的效果。

而大多數(shù)家長因為工作或其它原因，沒有時間和精力陪同孩子參觀博物館，使得一些以少年兒童為主要參觀對象的博物館資源未能充分發(fā)揮其作用（比如恐龍自然科技博物館），并且博物館的交互性較弱，導(dǎo)致了少年兒童無法充分應(yīng)用這樣的渠道以更好地接受新知識。

基于此，以Android操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我們開發(fā)一款基于Android的3D恐龍博物館系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用3D虛擬模型，可以做到恐龍模型與用戶的交互，充分調(diào)動使用者的興趣，在與恐龍的互動交流間了解恐龍的基本知識，從而達到寓教于樂的目的。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 碰撞檢測基本技術(shù)

1.1.1 AABB包圍盒原理

所謂的AABB包圍盒就是采用一個長方體將物體包裹起來，在進行兩個物體的相交性檢測時僅檢測物體對應(yīng)包圍盒（包裹物體的長方體）的相交性。另外AABB包圍盒有一個重要的特性，那就是包圍盒對應(yīng)的長方體每一個面都是與某個坐標(biāo)軸平行的，因此AABB包圍盒又稱為軸對齊包圍盒。

在具體實現(xiàn)中，只要記錄6個值即可，這6個值分別代表每個坐標(biāo)軸上的最大值與最小值，即Xmin、Xmax、Ymin、Ymax、Zmin與Zmax，在具體的應(yīng)用中，實際物體上所有的點都必須滿足如下條件：

Xmin

為了便于開發(fā)實現(xiàn)，可以將表示AABB包圍盒的6個參數(shù)分成如下兩組：

Pmin =[Xmin，Ymin，Zmin]

Pmax = [Xmax，Ymax，Zmax]

由此可非常方便的求得AABB包圍盒的幾何中心C，公式如下：

C=（Pmin+Pmax）/2 [4]

1.1.2 AABB包圍盒的計算

首先記錄X、Y、Z三個分量，對每個頂點進行循環(huán)求出X、Y、Z這3個坐標(biāo)的最大/最小值并將其作為包圍盒的6個參數(shù)值。最后通過這6個參數(shù)的值生成包圍盒對象的構(gòu)造器并獲得物體平移后的AABB包圍盒。

1.1.3 AABB包圍盒的碰撞檢測

運用AABB包圍盒的目的是為了簡化物體運動過程中的碰撞檢測計算。其基本原理如圖1所示。

圖1 碰撞檢測的基本原理

區(qū)域A為重疊區(qū)域，主要是用來判斷AABB是否相交，在這里可以設(shè)定該重合區(qū)域的閥值，如果重合度大于設(shè)定的閥值，則認(rèn)為發(fā)生了碰撞。

由于任何一個AABB包圍盒的各個面都是平行于坐標(biāo)平面的，因此判斷兩個AABB包圍盒是否發(fā)生碰撞僅需分別判斷3個軸方向的交疊部分大小是否大于設(shè)定的閥值，若大于則發(fā)生了碰撞，否則沒有發(fā)生碰撞。[4]

構(gòu)造檢測兩個剛體是否碰撞的方法為首先分別計算A、B兩剛體當(dāng)前位置對應(yīng)的AABB包圍盒，然后再計算兩個AABB包圍盒在同一軸向上的交疊值。若最大值中較小的大于最小值中較大的則有交疊，交疊值為最大值中較小的減去最小值中較大的；否則沒有交疊。按照此方法即可計算出兩個剛體對應(yīng)的AABB包圍盒3個軸方向上的交疊部分大小。

1.2 標(biāo)志板的使用

模擬現(xiàn)實世界的場景中經(jīng)常需要放置一些裝飾物，如樹、灌木等。由于這些植物的外形是十分復(fù)雜的幾何形狀，若直接使用三角形進行構(gòu)建將需要海量的頂點，以現(xiàn)在主流智能手機的硬件配置是難以支撐的。因此構(gòu)建場景中的植物時需要其他成本更為低廉的技術(shù)，所以本系統(tǒng)的場景中均采用了標(biāo)志板技術(shù)，使用紋理矩形來繪制恐龍展臺。[4]

1.3 著色器

1.3.1 頂點著色器

頂點著色器是一個可編程的處理單元，功能為執(zhí)行頂點的變換、光照、材質(zhì)的應(yīng)用與計算等與頂點相關(guān)的操作。其工作過程為，首先將原始的頂點幾何信息及其他屬性傳送到頂點著色器中，經(jīng)過頂點著色器處理后產(chǎn)生紋理坐標(biāo)、顏色和點位置等后繼流程所需要的各頂點屬性信息，然后再將其傳遞給圖元裝配階段。

1.3.2 片元著色器

片元著色器是用于處理片元值及其相關(guān)數(shù)據(jù)的可編程單元，其可執(zhí)行紋理采樣、顏色的匯總、計算霧顏色等操作，每片元執(zhí)行一次。片元著色器的主要功能為，通過重復(fù)執(zhí)行將3D物體中的圖元光柵化后產(chǎn)生的每個片元的顏色等屬性計算出來交由后繼階段使用，如剪裁測試、深度測試以及模板測試。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的主要功能

本文所設(shè)計的3D恐龍博物館平臺的主要功能模塊如下：

（1）場景模塊。主要分為博物館和恐龍兩個實體，用于調(diào)整博物館和恐龍模型在系統(tǒng)中的位置。

（2）主角人物模塊。主要用于設(shè)置主角的特性，如視角轉(zhuǎn)換，碰撞檢測等。此外該模塊還負(fù)責(zé)設(shè)置人物的動作。

（3）控制模塊。包括主角移動控制和恐龍旋轉(zhuǎn)控制兩部分。

（4）展臺模塊。該模塊負(fù)責(zé)對展臺中的恐龍進行簡單的圖片介紹和語音介紹。

（5）展示廳模塊。主要負(fù)責(zé)對恐龍進行詳細(xì)介紹，包括語音控制，背景音樂控制和恐龍觸控控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。

圖2 恐龍博物館系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)層次

整個軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為三個層次，每個層次的功能分別如下：

（1）庫和接口層。該層主要提供給應(yīng)用框架層一些基本的類庫和接口，包括Android的C/C++庫、RTP/RTCP庫和多媒體的處理接口。

（2）應(yīng)用框架層。該層采用模塊化開發(fā)方法，通過使用其下層的函數(shù)庫提供的接口，將實現(xiàn)相同或相似功能的封裝成為一個模塊進而供應(yīng)用層來開發(fā)使用。

（3）應(yīng)用層。通過與應(yīng)用框架層提供的模塊相交互、資源分配等，基于Android的四大組件及其他相關(guān)控件完成畫面設(shè)計，為用戶提供一個可視的界面平臺。[3]

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 場景中恐龍展臺的實現(xiàn)

每個展臺用一個紋理矩形進行繪制，紋理矩形上采用內(nèi)容為裝飾物的透明背景紋理圖。繪制紋理矩形時要采用恰當(dāng)?shù)幕旌弦蜃?，使裝飾物產(chǎn)生正確的遮擋效果。由于基本標(biāo)志板實現(xiàn)的裝飾物實際上是簡單的紋理矩形，因此適合用來呈現(xiàn)左右軸對稱的物體，對于非左右對稱的物體可能會給人虛假的感覺。同時也正是由于每一個裝飾物僅需要一個紋理矩形，所以此技術(shù)需要的系統(tǒng)資源非常少，效率很高。[4]

3.2 3D模型的設(shè)計與加載的實現(xiàn)

3.2.1 用3DMax設(shè)計3D模型

系統(tǒng)所呈現(xiàn)的3D模型都是在3DMax軟件下進行模型設(shè)計的。在進行模型設(shè)計時，首先用基本幾何圖形構(gòu)造出恐龍模型的輪廓，然后再用擠壓法做出恐龍模型，最后經(jīng)過軟件自帶的優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化后以“*.obj”格式導(dǎo)出。

3.2.2 加載obj文件

（1）加載僅有頂點坐標(biāo)與面數(shù)據(jù)的obj文件

（2）為了使模型具有更強的立體感這一環(huán)節(jié)采用了加載后自動計算面法向量的方法。其計算方法為首先將法向量數(shù)據(jù)由構(gòu)造器參數(shù)中傳入，然后求出三角形中的一個點到另外兩個點的向量，最后將求出的兩個向量進行叉積即可得出三角形面的法向量。

（3）加載后自動計算平均法向量

點平均法向量是指當(dāng)一個頂點屬于不止一個平面時，其法向量采用其所屬多個平面各自法向量的平均值。采用平均值后，繪制出來的物體表面就平滑了。

為了便于計算點平均法向量，首先表示出頂點法向量。在這里要判斷兩個法向量是否相同，由于浮點數(shù)有計算誤差，事實上相等的法向量其浮點值也很難做到絕對一致。因此比較時需設(shè)定一個閥值，當(dāng)差小于閥值時就認(rèn)為相等，本系統(tǒng)在這里采用的閥值為0.0000001。求一組法向量平均值的策略為，首先將所有法向量的X、Y、Z分量值各自求和得到和向量，然后將和向量規(guī)格化即可得到平均法向量。計算出各個面的法向量后并加入到各個頂點對應(yīng)的法向量集合中。當(dāng)所有面的法向量計算結(jié)束后，再求出各個頂點的平均法向量，接著送入法向量數(shù)據(jù)數(shù)組以供創(chuàng)建加載物體對象時使用。

（4）加載紋理坐標(biāo)

為了實現(xiàn)模型紋理的加載，首先要增加接收紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)送入緩沖以備渲染管線使用，值得注意的是繪制方法也要增加紋理ID的入口參數(shù)，這樣在繪制時可根據(jù)需要傳入不同的紋理，方便后續(xù)不同模型的紋理加載。

在將obj文件加載的步驟中也要加載頂點紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到數(shù)組中供創(chuàng)建對象使用，在加載紋理坐標(biāo)時可以將加載后的值除以2，這樣可以減少紋理的重復(fù)次數(shù)。

最后在著色器上也要增加接收紋理坐標(biāo)、紋理數(shù)據(jù)以及進行紋理采樣。[4]

3.3 3D恐龍模型縮放與旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)

為了方便用戶的操作，在縮放與旋轉(zhuǎn)上采用了多點觸控的技術(shù)。

多點觸控是指同時支持兩個或兩個以上的觸控點，一個稱為主點，另一個稱為輔點，每個觸控點都有按下、移動和抬起3個動作。實現(xiàn)多點觸控的原理為：在觸控到下一點后將原來位置記錄為舊位置，設(shè)置新位置然后計算兩個觸控點的直線距離。

縮放的實現(xiàn)。首先判斷用戶是否已觸控到兩個點，若已完成觸控，則計算兩個觸控點之間的距離。根據(jù)兩點間的距離設(shè)置以完成對恐龍模型的縮放。

旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)。首先計算上一位置對應(yīng)的角度和當(dāng)前對應(yīng)的角度，將兩個角度相減得到旋轉(zhuǎn)變化角度，然后將旋轉(zhuǎn)變化角度疊加到總旋轉(zhuǎn)角度中。根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度與恐龍移動的關(guān)系來實現(xiàn)恐龍的旋轉(zhuǎn)。

3.4 主角（展翅飛翔的雄鷹）的動畫實現(xiàn)

主角動畫采用關(guān)鍵幀動畫，就是給頂點著色器提供動畫中每個關(guān)鍵幀對應(yīng)的各個頂點的位置數(shù)據(jù)以及融合比例。頂點著色器根據(jù)兩套位置數(shù)據(jù)集當(dāng)前融合的比例融合出一套結(jié)果頂點位置數(shù)據(jù)。只要在繪制每一幀時提供不同的混合比例即可。

老鷹用到了3個關(guān)鍵幀包含4個動畫階段。

第一階段是對1、2號關(guān)鍵幀中頂點數(shù)據(jù)的融合。

第二階段是對2、3號關(guān)鍵幀中頂點數(shù)據(jù)的融合。

第三階段是對3、2號關(guān)鍵幀中頂點數(shù)據(jù)的融合。

第四階段是對2、1號關(guān)鍵幀中頂點數(shù)據(jù)的融合。

重復(fù)執(zhí)行上述四個階段即可完成雄鷹展翅飛翔的動畫。具體效果如圖3所示。[4]

圖3 雄鷹運行效果圖

具體實現(xiàn)方法如下：

（1）在用3dmax設(shè)計好雄鷹模型后導(dǎo)出obj文件。

（2）加載雄鷹模型，創(chuàng)建第一個頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖，設(shè)置字節(jié)順序轉(zhuǎn)換為浮點型緩沖，向緩沖區(qū)放入頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)置緩沖區(qū)起始位置。重復(fù)此方法將3個關(guān)鍵幀的頂點數(shù)據(jù)加載進應(yīng)用程序并存放到緩沖中。

（3）為了在頂點著色器中能夠根據(jù)比例融合關(guān)鍵中的頂點數(shù)據(jù)，因此需要將融合的比例傳入渲染管線。由于有3個關(guān)鍵幀，因此融合比例在0-2之間連續(xù)變化。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 恐龍博物館場景

點擊應(yīng)用圖標(biāo)便可以進入到開場動畫，進入開場動畫后會看到該應(yīng)用的主界面，在這里滑動可選擇不同的博物館場景，每個場景中有不同的博物館和恐龍。點擊一下屏幕后我們會進入到恐龍博物館的加載界面。系統(tǒng)在恐龍模型和場景模型加載完成后進入博物館。完成后的效果如圖4所示。

圖4 恐龍博物館場景

4.2 恐龍展臺

進入博物館后，接近恐龍點擊右上角圖標(biāo)進入個體恐龍展臺，在展臺界面中可以得到該恐龍的一些簡單信息，如身高、體重、生存時期等。完成后的效果如圖5所示。

圖5 恐龍展臺

4.3 恐龍展示廳

在展臺中點擊左上角的球形圖標(biāo)即可進入單個恐龍的展示廳，在這里調(diào)用的是恐龍的3D模型，用戶可對模型進行放大縮小，旋轉(zhuǎn)等操作。觸摸恐龍的部位，會自動跳轉(zhuǎn)到對該部位的單獨介紹界面，同時該部位會發(fā)亮以提醒用戶為該部位的單獨介紹。完成后的效果如圖6所示。

圖6 恐龍展示廳

5 結(jié)束語

作為時下最熱門的手機系統(tǒng)，Android的應(yīng)用擁有廣大的用戶群，所以Android的應(yīng)用開發(fā)也顯得尤為重要。

目前本系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)已經(jīng)基本達到了，整體系統(tǒng)運行良好，在本系統(tǒng)中添加了大量的恐龍模型和相關(guān)的資料，起到了較好的科普宣傳作用。美中不足的是娛樂性方面還存在欠缺，這是本系統(tǒng)的進一步重點完善的內(nèi)容。

參考文獻：

[1]柯元旦，宋銳.Android程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：12-35.

[2]宋小青，周東升.基于Android平臺的應(yīng)用開發(fā)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2011，10（2）：104-106.

[3]周時偉，謝偉波.基于Android的智能家居終端設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2012，7：11-13.

[4]吳亞峰.Android 3D游戲開發(fā)技術(shù)寶典[M].北京：人民郵電出版社，2013：227-289.

[5]吳亞峰.Android 3D游戲開發(fā)技術(shù)詳解與典型案例[M].北京：人民郵電出版社，2011：49-55.

[6]火星時代.3ds Max 2011白金手冊[M].北京：人民郵電出版社，2011：235-271.

作者簡介：張鵬（1991.3-），男，學(xué)士，主要研究方向：軟件工程；魏嘉銀（1986.3-），男，博士，主要研究方向：算法設(shè)計與分析；秦永彬（1980.11-），男，博士，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為：企業(yè)ERP研究與應(yīng)用、智慧計算與智能計算、大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、移動互聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用。