基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

范國華，杜哲明，張友華，樂毅

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計算機學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省電力設(shè)計院質(zhì)量安全部，合肥 230601）

基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

范國華1，杜哲明2，張友華1，樂毅1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計算機學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省電力設(shè)計院質(zhì)量安全部，合肥 230601）

文章設(shè)計了一種基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過三維建模技術(shù)來構(gòu)建火車站三維場景，利用漫游技術(shù)來實現(xiàn)乘客和火車站間的交互，并采用碰撞檢測技術(shù)來保證系統(tǒng)的真實效果．該系統(tǒng)可以以Web形式發(fā)布，乘客利用互聯(lián)網(wǎng)就可以在火車站內(nèi)漫游，使得乘客不用到火車站就可以明確火車站的內(nèi)部路線信息．并以合肥市火車站為例，完成了一個交互式三維虛擬火車站的設(shè)計，實踐了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在火車站漫游中的應(yīng)用．

Virtools；虛擬現(xiàn)實；碰撞檢測；漫游系統(tǒng)

1 引言

虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，簡寫為VR)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，是近十幾年正在逐步興起的高新的科學(xué)技術(shù)，它利用計算機模擬產(chǎn)生虛擬場景，是一種可以產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實環(huán)境的計算機仿真技術(shù) ．這種場景是通過計算機創(chuàng)建的，通過人的各種體驗等作用于人，使人能夠產(chǎn)生身處虛擬環(huán)境的感覺．

目前鐵路交通是人們出遠(yuǎn)門的首選交通方式，中國鐵路總公司已建立12306網(wǎng)來提供火車票查詢、網(wǎng)上訂票、鐵路知識和新聞公告、貨運信息等查詢，方便人們不用去火車站就可以在網(wǎng)上查詢列車時刻并且訂購火車票．但是各地火車站的大小以及內(nèi)部布局各不相同，使得很多人到達(dá)火車站時候并不清楚如何到達(dá)自己班車的候車大廳，很多時候耽誤了乘坐火車的時間．本文設(shè)計了一種基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以以Web形式發(fā)布，使得乘客利用互聯(lián)網(wǎng)就可以了解火車站的內(nèi)部布局，以合肥火車站為例，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入數(shù)字火車站的的建設(shè)，并可與合肥火車站的官方網(wǎng)站相結(jié)合，為乘客提供一個可視化的、多感知的信息介紹與查詢環(huán)境．實現(xiàn)一個有實用價值的三維虛擬火車站漫游系統(tǒng)．

2 虛擬火車站漫游系統(tǒng)概述

虛擬漫游技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要的分支．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)從根本上來說是一種人和計算機交互的技術(shù)的產(chǎn)物，可以使人在所創(chuàng)建的體系結(jié)構(gòu)中進行融入其中的各種行為．虛擬漫游技術(shù)讓人可以從不同方面來體驗各種前所未有的嘗試，用戶和計算機虛擬環(huán)境的交互控制是虛擬漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵，可以讓用戶通過自己的操作來控制模擬環(huán)境內(nèi)實體并且從虛擬環(huán)境得到實時的全面的回饋．技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，人們能夠完全的融入這種技術(shù)創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實場景系統(tǒng)中去，并通過各種傳感器設(shè)備實時捕捉與虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行實時的多角度的相互影響，最后從綜合復(fù)雜的虛擬環(huán)境中得到自己想要的數(shù)據(jù)和反饋效果．

一般來說，一個虛擬漫游系統(tǒng)應(yīng)該包括兩大部分：視景數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以及漫游平臺的設(shè)計．虛擬火車站漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)流程可由圖1來表示．其中，視景數(shù)據(jù)庫包括三維模型以及相關(guān)多媒體素材，漫游平臺設(shè)計則包括對相關(guān)素材的控制以及交互．

圖1 虛擬火車站漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)流程

3 虛擬火車站漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本文所設(shè)計的虛擬火車站漫游系統(tǒng)三維模型部分使用三維動畫渲染和制作軟件3ds Max2010來構(gòu)建火車站的相關(guān)模型，漫游平臺控制部分使用游戲引擎Virtools4.0來完成漫游平臺的控制．

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計目標(biāo)

虛擬火車站漫游系統(tǒng)的主要目的是讓使用者能在虛擬火車站自由漫游，使用者可以通過鍵盤來控制視角進行前后左右四個方向的的行走、仰俯，達(dá)到火車站內(nèi)任何可以到達(dá)的地方，該系統(tǒng)可以使得使用者了解火車站的構(gòu)造，這樣在真去火車站時就不會迷路，可以快速到達(dá)自己想要到達(dá)的地區(qū)．本文著重論述虛擬火車站漫游系統(tǒng)的三維模型設(shè)計以及漫游系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程．

3.2 系統(tǒng)三維模型設(shè)計

三維建模技術(shù)是虛擬火車站漫游系統(tǒng)重要的組成部分之一．系統(tǒng)漫游是否真實可信取決的就是三維建模的結(jié)果是否真實生動．虛擬火車站的三維建模使用3ds Max2010來完成，利用目測畫出合肥火車站的CAD圖，然后根據(jù)CAD圖構(gòu)建三維模型及優(yōu)化．

3.2.1 建筑模型構(gòu)建

利用目測和相關(guān)材料，畫出合肥市火車站的CAD圖，再將CAD圖轉(zhuǎn)換為dwg文件格式導(dǎo)入3ds Max，在此基礎(chǔ)上，先構(gòu)筑火車站的墻體，所有墻體構(gòu)造完成后，利用墻體的形狀搭配出火車站內(nèi)部的空間，再在每個空間內(nèi)導(dǎo)入其余模型，比如：椅子、樓梯、行李托運機等，最后將相關(guān)的文件合并成一個文件，效果如圖2．

圖2 合肥火車站max文件

3.2.2 植物模型構(gòu)建

植物是建筑建模的重要組成部分，3ds Max中制作植物有遠(yuǎn)景、中景、近景、平面拼插貼圖法等方法．考慮到實時漫游的需求，應(yīng)盡量減少植物的面數(shù)，因此采用平面拼插貼圖法，即建立一個平面，然后利用貼圖通道中的不透明貼圖建立植物的平面，接著用2至3個平面交叉到一起形成立體的植物形狀，也可以只使用一個平面，然后利用Virtools中的billboards技術(shù)，使得植物正面貼圖始終面向攝像機．

3.2.3 整體模型優(yōu)化

實時漫游對電腦的CPU和GPU要求較高，因此3d模型在導(dǎo)入Virtools前要進行優(yōu)化，盡量減少模型面數(shù)，將多個次要對象通過布爾運算合并成一個對象，減少virtools的渲染負(fù)擔(dān)，將場景進行適當(dāng)切割，利用Portal組件，使場景中只有攝像機看得見的部分資料載入內(nèi)存中，檢查場景有無孤立的點和面，予以刪除，調(diào)整貼圖模式、減少燈光的使用等，通過這些措施對模型進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)運行時的幀數(shù)．

4 漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

目前進行虛擬漫游設(shè)計的開發(fā)，在平臺的選擇上大致有二種選擇，一種是直接利用面向硬件底層API 的調(diào)用，從而達(dá)到自主開發(fā)引擎的目的，這種方式運行效率較高、設(shè)計靈活、有自主產(chǎn)權(quán)但花費的代價比較大；第二種是用第三方軟件商開發(fā)提供的帶有商業(yè)意義的虛擬現(xiàn)實引擎，使用者不需要對具體的技術(shù)細(xì)節(jié)進行研究即可以通過該引擎制作出比較實用的虛擬漫游產(chǎn)品．虛擬火車站漫游系統(tǒng)采用第二種方法，使用法國達(dá)索公司開發(fā)的游戲引擎Virtools來完成實時漫游．

4.1 漫游引擎功能

Virtools引擎是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等，其豐富的互動行為模塊，可以讓設(shè)計人員利用內(nèi)置的行為模塊(BB)快速制作出許多不同用途的3D互動產(chǎn)品．Virtools與中視典的VRP是國內(nèi)最知名的兩大虛擬現(xiàn)實平臺軟件．

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 漫游視角

根據(jù)火車站漫游的特點，系統(tǒng)采用的是自由漫游，首先設(shè)定一個角色，將一臺攝像機與該角色綁定，這樣，角色的眼睛就是攝像機的鏡頭，用戶可以操作鍵盤控制角色在虛擬火車站里隨意前進、后退、左右旋轉(zhuǎn)，也可以通過鍵盤或者鼠標(biāo)，改變攝像機角度來模擬人仰視、俯視的狀態(tài)．系統(tǒng)使用的第三人稱攝像機，位置在角色頭部上方偏后，效果為角色眼睛仰視看到的場景．第三人稱攝像機使用"Keep At Constant Distance"行為模塊來讓攝像機始終跟隨角色，，還用"Look At"行為模塊來保證攝像機鏡頭方向與角色眼睛仰視方向相同．第三人稱攝像機設(shè)置的腳本如圖3所示：

圖3 第三人稱攝像機

4.2.2 角色設(shè)置

在虛擬火車站漫游系統(tǒng)中，角色相當(dāng)于用戶本身，角色的眼睛就是攝像機的鏡頭，用戶通過角色對整個火車站場景進行漫游．Virtools自帶了7個人物角色，也可以在3ds Max中建立三維角色，然后導(dǎo)入Virtools，不過如果在3ds Max中建立三維角色，角色的骨骼動畫就要在3ds Max中自己建立，比較浪費時間，因此，虛擬火車站漫游系統(tǒng)使用Virtools自帶的人物角色Pierre，因為在Virtools自帶了7個人物角色中，Pierre的形象比較符合國人審美觀，并且Pierre的骨骼動畫也是7個人物角色中最豐富的．Virtools中人物角色如下圖4.

圖4 Virtools中人物角色

確定角色后，接下來就要對角色進行設(shè)置，包括：動作控制、陰影設(shè)置、聲音設(shè)置以及碰撞檢測等．本系統(tǒng)采用Virtools自帶的角色Pierre，主要操控使用行為模塊中的不限量動作控制（Unlimited Controller）和鍵盤地圖（Keyboard Mapper）．不限量動作控制使得角色的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及等待動作同角色自帶的動畫相綁定，鍵盤地圖則將鍵盤上的WAD鍵同前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)相綁定．角色設(shè)置的腳本如圖5所示:

圖5 虛擬火車站漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)流程

4.2.3 碰撞檢測

碰撞檢測對增強虛擬火車站場景漫游的真實感有重要的作用，在漫游時，用戶絕對不希望看到自己操作的角色能夠穿越墻壁，因此要對虛擬場景進行碰撞檢測．Virtools提供多種碰撞檢測的方法，考慮到場景中墻壁等模型眾多，系統(tǒng)采取將會與角色發(fā)生碰撞的物體組合成一個Group，然后對角色添加行為模塊"Object Slider"，將"Object Slider"中的Group設(shè)置為剛才組合的Group，實現(xiàn)角色的碰撞檢測．

4.3 漫游效果展示

虛擬火車站漫游系統(tǒng)采用Virtools4.0開發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)了合肥市火車站的虛擬漫游場景，效果如圖6、圖7所示，該系統(tǒng)設(shè)計效果良好且場景逼真，并能以網(wǎng)頁形式發(fā)布，支持所有的瀏覽器，宣傳效果極佳．

圖6 虛擬火車站正面

圖7 虛擬火車站站臺

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過三維建模技術(shù)來構(gòu)建火車站三維場景，利用漫游技術(shù)來實現(xiàn)乘客和火車站間的交互，并采用碰撞檢測技術(shù)來保證系統(tǒng)的真實效果．系統(tǒng)設(shè)計效果良好且場景逼真，宣傳效果極佳．但設(shè)計仍有不足之處，如場景細(xì)節(jié)不夠豐富，交互性依舊比較簡單．豐富場景細(xì)節(jié)、同數(shù)據(jù)庫連接以讀取動態(tài)數(shù)據(jù)使系統(tǒng)交互性更加豐富將是我們下一步的研究重點．參考文獻：

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[2]曲寶,趙婭,等.基于Virtools的虛擬家居漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué),2008,31(12).

[3]王啟榮.3D VR互動設(shè)計[M] .臺灣:文魁資訊,2010.

[4]王瑜.Virtools 在開發(fā)虛擬旅游區(qū)漫游系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(7).

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[責(zé)任編輯張燦邦]

Design and Implementation of Roaming System of Virtual Train Station Based on Virtools

FAN Guo-hua1,DU Zhe-ming2,ZHANG You-hua1,YUE Yi1
(1.School of Information and Computer,HFUT,Hefei 230036,China;2.Quality and safety department,Anhui electric power design institute,Hefei 230601,China)

This thesis describes the design of a roaming system of virtual train station based on Virtools.The system through the three-dimensional modeling technology to build a 3D scene train station,to realize the interaction between passengers and train station by roaming technology,and use the collision detection technology to ensure the real effects of the system.The system can be issued in the form of web,passengers can roam the train station on the internet,and they can understand the internal structure of the train station on the internet.Example of HeFei train station,i completed a design of a 3D interactive virtual train station,practicing of the application of virtual reality technology in roaming in the train station.

Virtools;virtual reality;collision detection;roaming system

F224-39

：A

：1008-9128（2014）05-0030-03

2014-01-13

安徽省科技攻關(guān)項目（12010302079）

范國華（1982-），男，安徽合肥人，講師，碩士，研究方向：計算機圖形可視化，虛擬現(xiàn)實。