基于VRP技術(shù)的人機互動虛擬校園環(huán)境平臺的設(shè)計與構(gòu)建

趙慶華，李 姝

近幾年來，人們對校園環(huán)境建設(shè)及其管理環(huán)節(jié)十分重視，因其關(guān)系到總體教學(xué)質(zhì)量的提升，以及院校的教育培養(yǎng)方向。所以，在目前的技術(shù)水平下，將校園環(huán)境更好地進行規(guī)劃與呈現(xiàn)，是我國現(xiàn)代化校園管理所要重點關(guān)注并積極解決的問題?，F(xiàn)階段，我國高校采用了人機互動虛擬校園模型來解決這一問題，該模型的建立可以讓外界通過計算機設(shè)備來瀏覽并規(guī)劃虛擬校園場景。這就體現(xiàn)出了現(xiàn)代高科技數(shù)字化校園的優(yōu)勢，這一成績的取得有賴于各類型模擬操作軟件以及硬件設(shè)備的有力支撐。

一、虛擬現(xiàn)實校園環(huán)境概述

虛擬現(xiàn)實情景創(chuàng)設(shè)是以計算機技術(shù)為核心來構(gòu)建的模擬環(huán)境，依托現(xiàn)代高科技硬件以及軟件產(chǎn)品生成逼真的虛擬環(huán)境，以此來營造一種直觀的立體化場景，并采取一系列手段來激發(fā)親臨現(xiàn)場環(huán)境中受眾群體的視覺、聽覺、觸覺等感觀感受，讓人們宛如進入到一個真實的現(xiàn)實環(huán)境當(dāng)中，從而獲得更加真實的體驗［1］。在目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種實體產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，如航天航空領(lǐng)域、社會公共醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)設(shè)備制造領(lǐng)域等等。虛擬現(xiàn)實校園環(huán)境也同樣是依賴于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建而成，為了更好地規(guī)劃實景校園環(huán)境設(shè)計，在研究該項目的過程中，主要采取的是3ds Max建模軟件系統(tǒng)來實施具體的操作，每項操作步驟都要通過完善的設(shè)計來執(zhí)行。而且，在VRP（虛擬現(xiàn)實平臺）三維互動仿真系統(tǒng)的支撐下，還構(gòu)建起了互動型虛擬環(huán)境觀摩平臺，為體驗者營造出逼真的主體建筑物室內(nèi)外校園環(huán)境的漫游之旅。

二、人機互動虛擬校園環(huán)境的設(shè)計思路

從人機互動虛擬校園環(huán)境設(shè)計的最初目標來看，該項目是為了強化院校教育規(guī)劃管理而布設(shè)的，同時，也為了加強校園內(nèi)外部之間的溝通。實際上，人機互動虛擬校園環(huán)境的設(shè)計框架結(jié)構(gòu)較為簡單，系統(tǒng)內(nèi)部所采用的技術(shù)型軟件與硬件設(shè)備也較為常見，但因人機互動虛擬模型所調(diào)動的是參與者的整體感觀，所以，該項目只有在實踐的過程中其優(yōu)勢才被徹底激發(fā)出來。

（一）人機互動虛擬校園環(huán)境的設(shè)計初衷

從根本上來講，借助現(xiàn)代科技手段來營造虛擬校園環(huán)境是為了便于院校自身與外界建立良性的溝通關(guān)系，人際互動虛擬校園環(huán)境的布設(shè)有利于人們以最短的時間全面了解該院校，并對虛擬校園環(huán)境有一個直觀的印象。在過去較長的一段時期里，在諸多現(xiàn)代化管理模式未進行實踐的階段，學(xué)校管理系統(tǒng)也大致分為幾個部門在共同運作，如教學(xué)部門、學(xué)籍管理部門、圖書館等。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的升級，將最新的科技引入到學(xué)校管理體系當(dāng)中，為的就是在科技手段的作用下，更好地展示現(xiàn)代化校園環(huán)境，提升校園管理的總體質(zhì)量。

（二）人機互動虛擬校園環(huán)境的設(shè)計框架

人機互動虛擬校園環(huán)境的營造需要大型計算機設(shè)備來做鋪墊，其中，大型融合服務(wù)顯示設(shè)備起到了較為關(guān)鍵的作用。整個虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計共分為四個主要流程：其一，校園環(huán)境中的素材收集與甄選。這一步驟需要在校園現(xiàn)實環(huán)境中來完成，實際上就是針對校園的各個角落進行底圖資料的采集，不僅需要收集校區(qū)遙感影像圖案，還要針對校園的整體規(guī)劃以及建筑設(shè)計圖形等內(nèi)容進行整理，為后續(xù)虛擬校園模型的構(gòu)建做基礎(chǔ)的素材準備；其二，運用3ds Max圖形設(shè)計軟件及相關(guān)技術(shù)來擬建校園環(huán)境模型。這一過程要從地面建模開始，再到校園當(dāng)中的實體建筑物，直至將建筑物內(nèi)的各類物質(zhì)擺放完畢，包括細節(jié)物件的勾勒；第三，在之前所構(gòu)建的校園虛擬模型的基礎(chǔ)上，對不同的校園建筑物進行無形的完善處理。這一過程包括給模型進行貼圖，覆蓋真實材質(zhì)，營造出良好的視覺效果；最后，烘焙操作與VRP編輯處理環(huán)節(jié)。這是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型設(shè)計環(huán)節(jié)中最重要的一部分內(nèi)容。虛擬校園環(huán)境設(shè)計總體流程較為復(fù)雜，但大體來說，都是運用現(xiàn)代化計算機技術(shù)及操作軟件來執(zhí)行。在動畫融合以及測試燈光等環(huán)節(jié)的支持下，通過編輯以及檢測等過程來完善虛擬場景，使虛擬模型更具真實感［2］。

（三）突顯人機互動虛擬校園環(huán)境的最佳展示

在VRP技術(shù)影響下的人機互動虛擬校園環(huán)境的構(gòu)建實際上是通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用來實現(xiàn)的，將人本身對所接觸事物的感知和認知能力最大程度地激發(fā)出來，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取環(huán)境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。從總體情況來看，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)本身的優(yōu)勢較為突出，因此，將其應(yīng)用到實際環(huán)境當(dāng)中所呈現(xiàn)出來的效果就更加明顯。簡單來說，人機互動虛擬校園仿真環(huán)境就是一種大型融合顯示工程的實施，利用高科技場景所營造出來的氛圍激發(fā)人們的各種體驗感受。從具體細節(jié)來看，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有多感知性、浸沒感、交互性以及構(gòu)想性等特征，正是由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⒉僮髡咭约笆鼙娨氲揭粋€逼真的模擬實景環(huán)境中，所以，人機互動虛擬校園場景才能如此趨近于真實環(huán)境。另外，人機互動虛擬校園最重要的智能作用主要體現(xiàn)在它的互動性方面，這就有別于單純的大型融合顯示項目的實施，在人機互動虛擬環(huán)境中，體驗者可通過系統(tǒng)的部分模擬功能模塊，與中心系統(tǒng)進行互動與交流，以此便能夠呈現(xiàn)出此類型交互式三維虛擬環(huán)境模型的高技術(shù)融合效能。

三、基于VRP技術(shù)的人機互動虛擬校園環(huán)境體系的構(gòu)建

（一）人機互動虛擬現(xiàn)實校園環(huán)境的總體鋪設(shè)

人機互動虛擬校園平臺是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字化校園環(huán)境中的實踐應(yīng)用，實則是一種經(jīng)計算機技術(shù)規(guī)劃與處理后的校園模型。通過構(gòu)建虛擬校園，人們可以憑借計算機等硬件設(shè)備來瀏覽實景校園環(huán)境，并提出有益的校園規(guī)劃建議。這不僅為院校搭建了一個與外界溝通的虛擬網(wǎng)絡(luò)場景平臺，而且還為更好地規(guī)劃校園建設(shè)提供了強大的技術(shù)支持。借助VRP 三維立體互動仿真模型的搭建，能夠讓校園管理的質(zhì)量提升一個層次，因其能從全局來掌控實景校園建設(shè)，這是以往科技無法企及的高科技平臺。

（二）構(gòu)建人機互動虛擬校園環(huán)境所采用的核心技術(shù)

1.3ds Max模型處理技術(shù)

VRP場景模型的優(yōu)化對VR－DEMO 的演示速度影響很大，前期如果不對場景的模型進行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對模型進行優(yōu)化時就需要重新回到3ds Max里重新修改模型，并進行重新烘焙后再導(dǎo)入到當(dāng)前的VRP 場景里。這樣就出現(xiàn)了重復(fù)工作情況，大大降低了工作效率。從實際情況來看，3ds Max軟件技術(shù)及模型優(yōu)化策略的實施是構(gòu)建人機互動虛擬校園場景過程中最重要的技術(shù)，也是構(gòu)建虛擬校園環(huán)境漫游系統(tǒng)的核心程序，甚至可以說，3ds Max軟件技術(shù)的應(yīng)用狀況直接影響到人機互動虛擬校園場景的總體運作效果，對虛擬現(xiàn)實校園項目而言有著極為特殊的意義。具體來看，3ds Max軟件技術(shù)在應(yīng)用的過程中可以將建筑物內(nèi)外環(huán)境中的同質(zhì)素材圖形進行合并處理，從而使模型構(gòu)建得更加簡潔明了，同樣，模型面數(shù)的優(yōu)化處理也是如此。將模型之間的重疊面或底部面進行刪除處理，這樣便可以提升校園模擬環(huán)境布設(shè)內(nèi)容的直觀可視感。而且，如果能夠重復(fù)利用制備完的圖形或模塊，則要盡可能善用這些重復(fù)內(nèi)容來進行同質(zhì)編輯。這樣一來，就可以有效減少模型環(huán)境中的貼圖量，進而降低同質(zhì)圖形或設(shè)計模塊之間的差異性，提高人機互動虛擬校園模型設(shè)計的真實感。

2.VRP場景烘焙及其關(guān)鍵點

烘焙能把在非實時環(huán)境中渲染完成的燈光材質(zhì)等效果轉(zhuǎn)換到實時交互的環(huán)境中去，因此烘焙紋理的質(zhì)量直接影響最終效果，提高烘焙技術(shù)非常重要。而良好的烘焙技術(shù)固然重要，但是在VRP場景烘焙之前做好充分的準備也是十分重要的。因為在具體的操作中物體的UV 平鋪情況、烘焙所默認的紋理情況等都會對最終的場景烘焙結(jié)果造成不同程度的影響。因此，在進行VRP場景烘焙之前，需要首先針對整個場景進行渲染，并同時排查場景模型中的燈光效果。當(dāng)做好基礎(chǔ)的渲染處理以后，則需要對模型貼圖的名稱進行修正。除此之外，還要注意VRP 編輯過程中的模型破面與重面狀況，為了更好地進行烘焙處理，則要在執(zhí)行指令之前，對場景中的破面以及重面現(xiàn)象進行排查，當(dāng)排查無誤以后再將其導(dǎo)入到VRP編輯器中進行操作。

（三）技術(shù)細節(jié)處理與完善

在構(gòu)建人機互動虛擬校園場景模型時還需要注意諸多細節(jié)的完善處理，例如：在渲染場景中的長條形狀的物件時，則避免采用模型貼圖的處置方法來完成，而是要盡可能保證物件本身的真實屬性。在進行遠距離同質(zhì)模型的布設(shè)時，即便所使用的模型材質(zhì)相同，也不要將其進行合并處理，以此來保證虛擬校園場景模型的完整性。從具體的實踐過程中可以看到，構(gòu)建一套基于VRP技術(shù)的人機互動虛擬校園模型并非易事，需要進行周密的設(shè)計，才能達到最終設(shè)計效果。

四、在VRP技術(shù)支撐下的虛擬校園環(huán)境展示

在人機互動虛擬校園場景所采用的先進性技術(shù)的融合背景之下，該項目的研究有了較大的進步。通常情況下，需要借助3ds Max模型處理技術(shù)以及VRP技術(shù)的融合，VRP 技術(shù)與實踐的整合應(yīng)用展示出了較為逼真的校園建筑環(huán)境。從現(xiàn)實的角度來看，憑借VRP 技術(shù)的應(yīng)用可以進一步強化校園規(guī)劃與管理［3］。

（一）VRP 技術(shù)與實踐的整合應(yīng)用展示出了較為逼真的校園建筑環(huán)境

虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。營造一個逼真的校園建筑環(huán)境，有助于外界深入了解校園環(huán)境，從而有利于學(xué)校本身的推廣與建設(shè)，也有利于其內(nèi)部管理層制定出有關(guān)校園規(guī)劃的正確決策。

（二）憑借VRP 技術(shù)的應(yīng)用可以進一步強化校園規(guī)劃與管理

當(dāng)VRP技術(shù)在我國某重點大學(xué)虛擬校園建設(shè)項目中具體實施以后，獲得了諸多實踐性成果，并在VRP技術(shù)平臺的支持下，最終實現(xiàn)了人機互動虛擬校園環(huán)境，為強化校園管理基本架構(gòu)的規(guī)劃帶來便利。從總體來看，校園虛擬設(shè)計項目的架設(shè)過程有一定的科學(xué)性，并且，在其設(shè)計步驟上也有章可循。因此，將依托于VRP 技術(shù)的虛擬環(huán)境建設(shè)策略應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域中也是可以實現(xiàn)的。無論如何，現(xiàn)階段所實施的人機互動虛擬模型框架架設(shè)已經(jīng)成熟，從實踐過程來看，VRP技術(shù)與校園管理的整合應(yīng)用較為可行。VRP技術(shù)為我國現(xiàn)代化高校校園的數(shù)字化管理提供了強有力的技術(shù)支撐，促使我國各類型教育機構(gòu)都朝向數(shù)字化校園的方向發(fā)展，為全社會培養(yǎng)出一批批符合時代需求的高素質(zhì)人才。

電子信息技術(shù)等現(xiàn)代化科技與諸多實踐項目的整合應(yīng)用給人們以新的體驗，逼真的模擬現(xiàn)實場景充斥著人們的感觀。通過創(chuàng)設(shè)人機互動虛擬校園環(huán)境，讓步入到該環(huán)境中的體驗者有一種身臨其境的感覺，其總體設(shè)計思路圍繞著人們的視覺、聽覺、觸覺等直觀感知能力而展開?？偠灾?，基于VRP 技術(shù)的人機互動虛擬現(xiàn)實校園模型的架設(shè)，對于更好地規(guī)劃現(xiàn)代化校園風(fēng)貌以及教學(xué)軟環(huán)境建設(shè)起到了極為重要的作用。從各類先進性技術(shù)的應(yīng)用策略來看，基于VRP技術(shù)的人機互動虛擬現(xiàn)實校園環(huán)境的構(gòu)建實際上是將多種類型的軟件技術(shù)與硬件設(shè)備集中到統(tǒng)一的環(huán)境當(dāng)中，并在多媒體技術(shù)的支撐下，為人們展示出虛擬校園場景。

［1］ 梁智杰，李眾立，鄧慶娜.VR－Platform 校園漫游系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2010（9）：125－127.

［2］ 杜棋東，張文金，陳國林.基于VRP 技術(shù)的機車車輛虛擬演示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)字工程，2012（3）：110－111.

［3］ 馬賀清，陳建平，于萍萍.VRP虛擬校園建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012（5）：155－157.