基于VR技術的3D展廳交互系統(tǒng)研究

楊麗英

（山西大學商務學院信息學院，太原 030031)

基于VR技術的3D展廳交互系統(tǒng)研究

楊麗英

（山西大學商務學院信息學院，太原 030031)

作為虛擬現(xiàn)實技術與展覽館功能相結合的產物，虛擬展廳相對于實體展廳突破時間和空間局限性，增加觀眾的參展欲望，使得參展更加靈活和安全，讓用戶體驗“身臨其境”的逼真性。提出將虛擬展廳設計為用戶可定制的思想。由用戶交互式的添加展廳模型、展品模型、多媒體說明信息等，配置展廳運行參數、展板和展品的展示方式、參展路徑等，以此實現(xiàn)用交互式虛擬展廳平臺。

虛擬展廳；虛擬現(xiàn)實與仿真；自主漫游

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是仿真技術的一個重要方向是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛擬現(xiàn)實技術（VR）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。虛擬現(xiàn)實技術成為近幾年來國內外計算機界關注的一個技術研究熱點，虛擬現(xiàn)實技術的興起，為人機交互的發(fā)展開辟了新的研究領域，廣泛應用于教育培訓、醫(yī)學實習、軍事訓練、建筑設計、航空航天等眾多領域[1]。展廳產業(yè)是當今社會急速發(fā)展的服務產業(yè)，預計在未來幾十年內，將迎來展廳產業(yè)的巨大發(fā)展。

展廳的發(fā)展受限于天氣、交通、時間、場地、成本和安全等眾多因素。將虛擬現(xiàn)實技術與展覽館技術相結合是很好的解決展廳產業(yè)發(fā)展障礙的重要手段。虛擬展廳已經成為展廳產業(yè)不可避免的發(fā)展趨勢，目前已經有不少的成功案列，例如應用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建的德化陶瓷虛擬展廳[2]，中小企業(yè)展產品展示平臺[3]，虛擬美術館[4]，農產品展示平臺[5]，汽車、服裝展示平臺等，可以將展示和產品的在線預訂相結合，極大地降低企業(yè)的展示成本，增加了銷售效率。

虛擬現(xiàn)實技術與展覽館功能相結合，具體化信息的表達方式，以虛擬展廳的形式展現(xiàn)出來，給人們一種更易于接受的形式，是虛擬現(xiàn)實技術的主要應用領域之一。

本文提出了一種新的設計思路，使其通用性和交互性得到充分體現(xiàn)。交互地設定組件的多媒體說明信息，從而最大化虛擬展廳的可重用性。系統(tǒng)配置完成的展廳將能夠根據用戶的設定進行展示、自主漫游、第一人稱視角漫游、自主路線規(guī)劃等功能，使得虛擬展廳技術得到更好的發(fā)展和推廣。

1 基于虛擬現(xiàn)實的3D展廳交互系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)可以分為兩個主要部分即虛擬展廳配置生成部分和虛擬展廳運行部分。用戶在配置展廳時，交互式添加展板或展品的多媒體信息，當用戶參展時，點擊相應展板或展品可以展示其多媒體說明信息。展廳運行部分中，路線規(guī)劃方面，系統(tǒng)提供第一人稱視角漫游和系統(tǒng)自主漫游兩種參展方式。在系統(tǒng)自主漫游模式中，保證攝像機漫游路徑能夠有效快速地進行每一個展品的參展，而且不會放生碰撞。具體系統(tǒng)結構層次模塊分析如下：

（1）底層模塊

底層模塊包括鍵盤、鼠標輸入過程系統(tǒng)的控制和CEGUI界面交互的UI輸入控制。其中鍵盤、鼠標輸入控制采用Delta3D的dtCore功能模塊。Delta3D包含了OSG場景管理引擎，采用OSG場景管理引擎來進行整個場景的三維模型的狀態(tài)管理和渲染。展品可以添加視頻說明信息。音頻播放采用Delta3D的OpenAL（Open Audio Library）自由軟件界的跨平臺音效API，視頻采用視頻動態(tài)鏈接庫開發(fā)。

（2）中層模塊

違規(guī)檢測模塊包括參數的違規(guī)檢測和展廳運行時的違規(guī)檢測。其中參數的違規(guī)檢測包括輸入的參數是否在有效范圍內，加載的模型是符合系統(tǒng)要求等；展廳運行時違規(guī)檢測包括沒有按制定路線漫游、行走超出場景范圍等問題。界面邏輯控制模塊包括按鈕、菜單等UI控件的管理，搭建程序的UI控制邏輯框架。

（3）高層模塊

用戶通過UI配置展廳的運行參數和展覽內容，生成配置文件，整個應用程序的實際裝載數據和操作流程由配置文件決定。解析模塊與配置文件讀取，并對配置文件的解析和讀取，以達成滿足使用者實際需要的最終模擬效果。

具體層次模塊圖如圖1所示。

圖1 3D展廳交互系統(tǒng)層次模塊圖

2 基于虛擬現(xiàn)實的3D展廳交互系統(tǒng)技術設計路線

采用CEGUI制作界面，使用戶方便地進行展廳配置和展品加載，載入系統(tǒng)的展板或展品可以通過鼠標拖拽方式再次調控，也可以通過鍵盤進行位置的微調。系統(tǒng)提供三種展板、展品和路標導覽模型的配置方式，采用改進的柵格法進行路徑規(guī)劃[6]，基于K_DOPS包圍盒層次結構的碰撞檢測方[7]進行碰撞檢測。具體由CEGUI生成UI，用戶配置相關信息：如相機節(jié)點序列，導覽工具參數，相機包圍盒參數，展板參數，詳細展示膠片參數，展廳運行參數，展廳模型，圖片按鈕參數，腳本列表參數等，生成XML資源文件，通過開源的TinyXml解析器進行讀取解析，加載入程序，包括3D引擎，場景管理，交互控制，音頻處理，視頻處理，事件綁定，碰撞檢測等，生成三維場景后可利用鼠標和鍵盤完成配置等。系統(tǒng)技術路線如圖2所示。

圖2 3D展廳交互系統(tǒng)技術路線圖

3 基于虛擬現(xiàn)實的3D展廳的配置和運行效果

3.1 展廳配置功能和效果實現(xiàn)

虛擬展廳的配置可分為模型建立與導入模塊、模型位置和參數設定模塊、交互式界面制作模塊、邏輯容錯模塊等。

圖3 交互界面制作和展廳配置效果圖

3.2 展廳運行功能和效果實現(xiàn)

系統(tǒng)在展廳配置完成后，將會進入展廳運行階段。展廳運行過程中主要包含自動腳本執(zhí)行模塊，展板、展品展示模塊，多媒體說明信息展示模塊，第一人稱視角漫游模塊，自主漫游模塊，碰撞檢測模塊。第一人稱視角漫游主要涉及到鍵盤輸入控制、攝像機控制和碰撞檢測。系統(tǒng)提供第一人稱視角漫游和自主漫游兩種漫游方式如圖4為第一人稱視角漫游效果圖。

圖4 第一人稱視角漫游效果

自主漫游路徑為系統(tǒng)規(guī)劃路徑，主要分為各個視點間相機的平滑過渡如圖5左圖所示，視點的詳細展示如圖5右圖。

圖5 自主漫游效果

4 結語

本文針對虛擬展廳的可重用性和改動困難的缺點，提出了可定制虛擬展廳的概念。分析了可定制虛擬展廳的需求，從底層、中層和高層分別對系統(tǒng)進行了功能模塊劃分，進而確定系統(tǒng)的整體架構和技術路線，并且針對模塊中的技術難題，論述了采用的解決方案。

[1]于海鳳，邢桂芬，張凱.虛擬現(xiàn)實技術在視景仿真系統(tǒng)中的應用[J].計算機工程與設計,2006,06:1108-1110.

[2]陳柏生，張志陽，杜吉祥.德化陶瓷虛擬展廳[J].信息化縱橫，2009，6:025.

[4]李明.談計算機建設虛擬美術館[J].科學時代，2012（10）.

[5]馬海霞，王恒煒，楊博超，等.基于Web3D技術的甘肅省農業(yè)科學院虛擬展館設計及實現(xiàn)[J].甘肅農業(yè)科技，2013（10）:19-22.

[6]梁嘉俊，曾碧，何元烈.基于改進勢場柵格法的清潔機器人路徑規(guī)劃算法研究[J].廣東工業(yè)大學學報，2016，04:30-36+43.

[7]姜光焱.基于包圍盒的碰撞檢測算法的研究及應用[D].電子科技大學，2012.

Research on the Interactive System of 3D Exhibition Hall Based on Virtual Reality Technology

YANG Li-ying
（Business College of Shanxi University，Information Faculty，Taiyuan 030031）

The combination of virtual reality technology and exhibition hall functions,relative to the entity exhibition hall,virtual exhibition hall broke through the time and space limitations,to increase the audience participation desire,make the more flexible and safe.It allows audience immersed in the virtual world.Proposes the idea of user's customization.By user interactive adds exhibition hall model,exhibition model,multimedia information and so on.Deploys exhibition ball operation parameters,display of Panel and exhibits,the exhibition path, etc.to meet with interactive virtual exhibition platform.

Virtual Exhibition Hall;Virtual Reality and Simulation;Automatic Roaming

山西大學商務學院科研基金項目（No.2015010）、山西省重點研發(fā)計劃項目（No.201603D321112）

1007-1423（2016）36-0063-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.36.016

義輝.中小型企業(yè)機械產品的虛擬展示研究與開發(fā)[D].陜西科技大學，2009.DOI:10.7666/d.y1643985.

楊麗英（1982-），女，山西太原人，碩士研究生，講師，研究方向為中文信息處理、數據挖掘

2016-11-08

2016-12-10