基于VRP的虛擬字畫展館設(shè)計與實現(xiàn)

鄧敏杰 蘭廳 溫亞莉

摘要：虛擬現(xiàn)實展示設(shè)計是一種綜合Photoshop、3ds Max、VRP等多項技術(shù)的設(shè)計手段，廣泛應(yīng)用于旅游、教育、航天、軍事、科研等領(lǐng)域。以虛擬字畫為例，對展館系統(tǒng)的模型、材質(zhì)、燈光、人機交互等進行設(shè)計，進而隨時互動參與瀏覽，實現(xiàn)仿真情景體驗。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；字畫展館；VRP；3ds Max

DOIDOI：10.11907/rjdk.161479

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007010103

0引言

目前，面對快節(jié)奏的生活方式，人們雖然越來越注重精神上的需求，卻很難抽出大量的時間和精力到字畫場館里去感受、欣賞。而虛擬字畫展館憑借其獨特優(yōu)勢，使人們可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)享受真實字畫場館的游覽體驗。它利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將字畫展館展示在計算機上，通過搭建一個與現(xiàn)實情況相同的三維場景，并設(shè)置一定的人機互動，讓瀏覽者模仿體驗真實場館中的游覽。本文針對虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢和現(xiàn)實生活存在的問題，利用3ds Max、VRP等工具設(shè)計開發(fā)了一個三維字畫虛擬展館系統(tǒng)，并通過一些交互功能，實現(xiàn)隨時隨地的快速欣賞和字畫學(xué)習(xí)。1虛擬現(xiàn)實展示設(shè)計

1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（簡稱VR）技術(shù)，是利用計算機創(chuàng)造出的一種與現(xiàn)實意境相同的三維逼真世界。它綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)和多傳感技術(shù)等，模擬人的視、聽等感官，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能通過語言、手勢等方式進行實時交互，創(chuàng)建了一種人性化的多維信息空間。近年來，隨著科技的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也在不斷地更新，它突破了傳統(tǒng)的實體限制，可以更直觀、更有效地傳遞信息，讓大眾深入了解實體內(nèi)涵，從而提高自身的文化素養(yǎng)。1.2虛擬展示設(shè)計

虛擬展示設(shè)計是將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計手法相結(jié)合，將多媒體技術(shù)對展示空間進行系統(tǒng)的策劃、創(chuàng)意、設(shè)計和實施過程。它以自身的獨特優(yōu)勢，將技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合，根據(jù)人們的需求及大眾的審美理念對現(xiàn)實場景進行創(chuàng)造性的再現(xiàn)，從而提升人們的生活和學(xué)習(xí)質(zhì)量，具有無限的發(fā)展空間和廣闊的應(yīng)用前景。1.3虛擬字畫展館特點及優(yōu)勢

虛擬字畫展館是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)直觀清晰地重現(xiàn)真實字畫博物館場景的一種虛擬場景。與傳統(tǒng)展館相比，虛擬字畫展館系統(tǒng)具有操作可控性、信息豐富性、內(nèi)容直觀性等優(yōu)勢。它不是以傳統(tǒng)的實體模式而是通過數(shù)字化的方式通過計算機來實現(xiàn)展示功能，使用者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，進入虛擬空間，通過實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會；在展示字畫的同時，可以與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，調(diào)用對應(yīng)的文字、語音解說及視頻介紹等多媒體資源，將各類信息在系統(tǒng)中用不同的形式整合起來，在很大程度上提高了信息的負(fù)載量和獲取量。另外，其互動性主要表現(xiàn)在信息的獲取、字畫導(dǎo)航和場景轉(zhuǎn)換方面，通過地圖導(dǎo)航功能，瀏覽者可以快速找到字畫方位，通過與展品交互實現(xiàn)觀賞，并獲取在實體文物中無法獲取的信息。此外，也可以充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽。2虛擬字畫展館總體設(shè)計

2.1前期準(zhǔn)備

在前期考察中，了解不同國家文化及建筑風(fēng)格的迥異，通過實地測量掌握展館的規(guī)格大小、建筑格局、展品數(shù)量及地方的文化涵養(yǎng)，搜集相關(guān)的文字介紹、字畫圖片、視頻等資料，并在此基礎(chǔ)上，對虛擬場景進行規(guī)劃。2.2三維場景模塊設(shè)計

在前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，對三維場景進行模塊劃分：字畫展廳、休息走廊過道、出入口，設(shè)計草圖如圖1所示。展館的出入口采用精彩震撼的Flash動畫和音頻處理，瀏覽者通過點擊操作轉(zhuǎn)接到字畫展館的內(nèi)部。本展館擁有5個展廳，用戶可以在“自主漫游”或“整體漫游”模式下進入各個展廳。通過模型構(gòu)建、材質(zhì)貼圖處理等內(nèi)容，再現(xiàn)真實的展廳景象。

2.3交互設(shè)計

VRP交互屬于一種近距離觸發(fā)式的交互，它具有操作簡單、實用性好、交互功能強等特點，同時支持MAX的多種功能，目前被廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)中的交互設(shè)計主要是控制臺交互、動畫漫游設(shè)計及多媒體嵌入。

（1）控制臺交互。在漫游虛擬場景中，游覽者可以借助導(dǎo)航器進行精確定位并確定轉(zhuǎn)移方向。這是通過控制臺中的“導(dǎo)航”按鈕來實現(xiàn)導(dǎo)航圖的顯示和隱藏，進而實現(xiàn)快速位置轉(zhuǎn)移。

（2）動畫漫游設(shè)計。在運行界面的“漫游”菜單中有“整體漫游”和“自主漫游”兩種方式，分別實現(xiàn)對整個場景的控制，并以第一人稱的視角對整個場景進行瀏覽。

（3）多媒體嵌入。視音頻交互采用近距離式的觸發(fā)交互，當(dāng)瀏覽者靠近字畫展品時，系統(tǒng)會自動播放視音頻，對字畫進行解說，使游客了解字畫的歷史、學(xué)習(xí)畫家設(shè)計的精髓。音頻包括背景音樂和解說詞，當(dāng)瀏覽者退出設(shè)定的交互范圍時，系統(tǒng)就會自動識別，停止原來觸發(fā)的按鈕暫停當(dāng)前音頻播放。多媒體的嵌入在一定程度上彌補了傳統(tǒng)展館的不足，使得可以在舒緩的音樂里感受視覺的沖擊和藝術(shù)的精湛。

3具體實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1工具選取

（1）3ds Max。3ds Max是Autodesk公司開發(fā)的一項基于PC系統(tǒng)的三維動畫制作和視頻渲染軟件，功能強大，兼容性強，擴展性好，主要應(yīng)用于廣告?zhèn)髅?、影視特效、游戲動畫、多媒體制作等，得到了社會的高度認(rèn)可。

（2）VRP（Virtual Reality Platform）。VRP是由中視典數(shù)字科技有限公司開發(fā)出的一款直接面向三維美工的虛擬現(xiàn)實軟件。該軟件主要用于模型導(dǎo)入、后期處理、界面設(shè)計、交互制作、打包發(fā)布等方面。

（3）Photoshop。Photoshop是Adobe公司出品的一款用于平面設(shè)計的軟件，處理的材質(zhì)通常被用于制作建筑效果圖等三維場景的漫反射貼圖，為整體模型增添視覺上的沖擊。

（4）Crazy Bump。Crazy Bump是法線凹凸生成軟件，主要用來處理和導(dǎo)出貼圖，能夠?qū)С龈吖?、置換、法線及OA貼圖，也能夠通過調(diào)整該軟件中相應(yīng)的參數(shù)使貼圖顯現(xiàn)出紋理和機理，既能符合現(xiàn)實要求，也可簡化模型。

（5）AutoCAD。AutoCAD具有很強的圖形繪制功能。該軟件能通過坐標(biāo)的輸入、對象捕捉、柵格捕捉、追蹤等功能精確地對圖形對象進行定位。它可以查詢制作完成模型的長度、面積、體積和力學(xué)性能等，從而對后期進行修改和完善，功能設(shè)計如表1所示。

3.2開發(fā)流程

虛擬字畫展館系統(tǒng)開發(fā)，是在數(shù)據(jù)信息搜集的基礎(chǔ)上，建立二維平面圖，進而在MAX中構(gòu)建三維場景，建立相應(yīng)的三維模型，并進行材質(zhì)貼圖處理、紋理映射以及燈光設(shè)置，后期導(dǎo)入到VRP中進行交互界面設(shè)計及功能實現(xiàn)，經(jīng)過反復(fù)測試及試運行，完成整個系統(tǒng)開發(fā)。其流程如圖2所示。

3.3場景構(gòu)建

（1）主要建模技術(shù)。MAX是目前主流三維建模與動畫制作軟件之一，VR-Platform是比較有特色的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺。該系統(tǒng)中用到的基本建模方法有多邊形建模、修改器建模、面片建模、樣條線建模等，根據(jù)模型特點選擇相應(yīng)的建模方法。

（2）場景優(yōu)化。用最少最簡單的操作并在最短的時間內(nèi)完成設(shè)計，并實現(xiàn)對場景的優(yōu)化，如在建模技術(shù)上，選擇植物、花、門、窗等面片模型來替代三維實體模型，這樣有效地簡化了模型，提高了平臺運行速度；通過減少分段數(shù)、刪除隱藏面、使用紋理貼圖和Optimize修改器等技巧來優(yōu)化模型面數(shù)；模型個數(shù)上，對相同的模型采用Mental Ray代理方法，提高場景烘培時的速度和加快VRP的啟動速度等。

（3）UV展開。該系統(tǒng)中模型的UV展圖主要用到兩種修改器：UVW展開修改器和UVW貼圖修改器。UVW展開是3ds Max中的一款強大的修改器，賦予模型材質(zhì)時更加靈活易操作。為了提高貼圖的利用率，相同的貼圖通道中要求紋理相同的UV面最大限度的重疊，展開的面要具有條理性且大小相同，然后根據(jù)展開UV面的復(fù)雜程度，靈活地調(diào)節(jié)其在整張UVW貼圖中所占的面積，紋理復(fù)雜的面可以適當(dāng)增大其面積，紋理簡單、單一的面則縮小其在整張UVW貼圖中的面積，使整張UVW貼圖達(dá)到一定的協(xié)調(diào)性、合理性與美觀性，最后將展好的UVW貼圖以PNG格式的圖片導(dǎo)出。UVW貼圖的大小可以通過調(diào)節(jié)長、寬、高來實現(xiàn)，貼圖的位置以及平鋪數(shù)量則由UVW坐標(biāo)來決定，通過通道面板可以給多個模型面賦予不同的貼圖，UVW貼圖多用于模型簡單貼圖相對單一的幾何面。

（4）貼圖設(shè)計。貼圖處理包括兩方面：繪制貼圖和烘培貼圖。貼圖呈現(xiàn)的是物體表面的紋理，能在減少模型面數(shù)的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)。為了使模型更加符合現(xiàn)實感，可以借助Photoshop處理搜集的字畫，并保存成PSD格式的漫反射貼圖，然后將其導(dǎo)入Crazy Bump中并更改Crazy Bump中的相應(yīng)參數(shù)來實現(xiàn)法線貼圖和高光貼圖。貼圖以增加模型的質(zhì)感、完善模型造型為準(zhǔn)則使三維場景更加逼真與現(xiàn)實。

3.4交互功能實現(xiàn)

由于MAX中自帶VRP插件，可以將創(chuàng)建好的模型通過插件直接導(dǎo)入VRP。虛擬字畫展館的交互功能是為了讓瀏覽者方便、愉快地去觀賞字畫，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）場景控制臺設(shè)計。為便于用戶游覽，在場景控制臺中設(shè)置了場景切換內(nèi)容，主要有“花鳥圖”、“唐宋字畫”和“明清字畫”3個部分，能夠幫助用戶快速轉(zhuǎn)移位置，如圖3所示。首先在VRP的編輯界面里創(chuàng)建一系列按鈕，調(diào)整右側(cè)的屬性面板來詳細(xì)設(shè)置按鈕的大小、顏色以及樣式等，最后通過腳本來實現(xiàn)場景之間的切換。控制臺中還設(shè)置了聲音按鈕，用戶在場景中可以隨意選擇。圖3虛擬字畫展館運行界面

（2）動畫漫游設(shè)計。漫游的設(shè)計原理是VRP中的錄制相機，創(chuàng)建整體漫游動畫是在VRP中創(chuàng)建一個以某個物品為參照物的旋轉(zhuǎn)相機，按下F5運行該程序，并通過鍵盤中的上下左右鍵來完成相機的運動。同時，按下F11開始實時錄制，再次按下F11結(jié)束錄制過程。此外，本系統(tǒng)還利用行走相機實現(xiàn)自由行走觀賞的效果，在創(chuàng)建行走相機之前，開啟場景中模型的碰撞并優(yōu)化碰撞選項，然后調(diào)整相機高度和行走速度，完成“自主漫游”設(shè)計，并利用鍵盤中的W、S、A、D鍵和上、下、左、右鍵模擬人在場景中的游走?？筛鶕?jù)場景規(guī)模的大小，設(shè)置多個相機，滿足觀賞者對整個展館的瀏覽。

（3）多媒體嵌入設(shè)計。視頻和Flash 媒體的嵌入有內(nèi)嵌和外部鏈接兩種方式。內(nèi)嵌是通過ATX 貼圖、Flash控件和渲染到貼圖3種方式將視頻或Flash 媒體加載到場景中的三維模型上或者UI 的界面元素上；外部鏈接是在模型或者按鈕上添加“腳本文件”組中的“打開任意文件”的腳本，點擊時使用外部程序（主要指媒體播放器）打開相應(yīng)的媒體文件。為便于管理，本系統(tǒng)采用內(nèi)部嵌入方式，通過點擊界面上的按鈕來控制多媒體的播放與暫停，如圖4所示。

3.5測試

調(diào)整好交互功能后，通過VRP進行發(fā)布，發(fā)布文件為可以脫離VRP的開發(fā)環(huán)境而獨立運行的EXE文件。測

第7期 焦振華：基于Visual C#.NET的有毒氣體監(jiān)測儀與力控組態(tài)軟件數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)軟 件 導(dǎo) 刊2016年標(biāo)題