虛擬圖書館交互漫游的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張 俊，徐小雙，吳 雷，董雙峰

(1.黃岡師范學(xué)院 圖書館，湖北 黃州 438000；2.黃岡師范學(xué)院 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃州 438000；3.黃岡市教育局 設(shè)備裝備處，湖北 黃州 438000)

虛擬圖書館交互漫游的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張 俊1，徐小雙2，吳 雷2，董雙峰3

(1.黃岡師范學(xué)院 圖書館，湖北 黃州 438000；2.黃岡師范學(xué)院 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃州 438000；3.黃岡市教育局 設(shè)備裝備處，湖北 黃州 438000)

本文以黃岡師范學(xué)院圖書館為例，對虛擬圖書館進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計與制作，包括對圖書館場景的信息采集，圖書館場景三維模型的創(chuàng)建，材質(zhì)的采集、制作、烘焙，圖書館內(nèi)部場景的觀摩的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行空間移動，攝像機(jī)視角變換，最后實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng),對網(wǎng)上圖書館建設(shè)具有一定的啟示。

虛擬現(xiàn)實(shí)；Virtools；圖書館；漫游系統(tǒng)

圖書館是學(xué)生學(xué)習(xí)的優(yōu)秀資源和社會各界人士尋找有價值資料的最權(quán)威場所。大學(xué)圖書館是大學(xué)的重要組成部分，是大學(xué)的文獻(xiàn)信息中心，是為教學(xué)和科研服務(wù)的學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)，是人類知識的寶庫，是尋求知識，追求理想的良師益友，是大學(xué)生的第二課堂[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了一個可以直觀和清晰的表現(xiàn)信息的途徑，越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景[2]。將校園圖書館以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)出來，不僅可以使學(xué)生足不出戶就能了解校園圖書館的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可以使剛剛進(jìn)入大學(xué)的新生迅速了解圖書館結(jié)構(gòu)，也便于校園與校園之間的互相了解和提高[3]。

1 需求分析

虛擬圖書館漫游系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)圖書館內(nèi)部全景漫游的系統(tǒng)?，F(xiàn)代大學(xué)圖書館風(fēng)格各異，功能朝著多層次、靈活性、綜合型、高效性發(fā)展。藏書室、借書室、閱覽室數(shù)量眾多，分布在各個樓層。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館建筑結(jié)構(gòu)，完成功能區(qū)直觀展示，通過交互以第一人稱方式在圖書館內(nèi)走動，方便用戶觀看圖書館功能區(qū)域設(shè)定，達(dá)到對真實(shí)圖書館的預(yù)先了解。

圖書館內(nèi)部具有桌椅、門窗、書柜、儲物柜、地圖、電腦等，瀏覽者可以使用鍵盤上相應(yīng)的鍵進(jìn)行位置和視角的控制，自主觀察內(nèi)部各種模型，水平方向自由行走、360度角環(huán)視、上下樓層自由走動等。因此建立虛擬圖書館，一方面需要在現(xiàn)場信息采集基礎(chǔ)上創(chuàng)建圖書館場景三維模型，制作和烘焙相關(guān)材質(zhì)，以企達(dá)到圖書館內(nèi)部場景的觀摩的實(shí)現(xiàn)[4]。另一方面，虛擬圖書館的內(nèi)部環(huán)境具有交互性、真實(shí)性，需要采用第一人稱視角，在虛擬圖書館任意位置進(jìn)行前后左右的空間移動，碰撞檢測，渲染光效以及沿樓梯的上下移動，使瀏覽者可以感覺到真實(shí)步入圖書館的感覺，從而實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館漫游的目標(biāo)[5]。

2 虛擬圖書館設(shè)計軟件平臺

虛擬圖書館漫游系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵需要有一套功能完備的軟件開發(fā)平臺。而在軟件開發(fā)平臺中最主要的是虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，它承擔(dān)三維圖形場景驅(qū)動，提供虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)的接口，連接虛擬外部設(shè)備和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫等重要工作[6]。Virtools 是一款整合軟件,由法國達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)提供，互動性強(qiáng)大,是功能強(qiáng)大的元老級虛擬現(xiàn)實(shí)制作平臺。尤其是Virtools5.0的開放結(jié)構(gòu)支持多種2D、3D文件格式,便于導(dǎo)入或?qū)С鑫募?，與其它資源編輯軟件協(xié)同工作，使3D技術(shù)的應(yīng)用變得輕松。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，可以創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等虛擬產(chǎn)品。另外還有Quest3d,Cult3d,Torque，開源ORGE都是國際公認(rèn)的游戲開發(fā)平臺。國內(nèi)也有類似的開發(fā)平臺推出，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(VRP，Virtual Reality Platform)是中國第一款完全獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，在國內(nèi)市場占有率最高的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。在虛擬現(xiàn)實(shí)制作過程中，常常需要用到如PhotoShop、AutoCAD、3Dmax、Maya、Promiere、AfterEffects等軟件。

相關(guān)功能類似軟件的優(yōu)缺點(diǎn)是相對的。我們從自身的角度和用戶非專業(yè)游戲玩家的特點(diǎn)來選擇Virtools作為虛擬現(xiàn)實(shí)制作平臺。并采用Maya完成三維建模。

3 虛擬圖書館模型建設(shè)

3.1 主要模型的分類

虛擬圖書館場景內(nèi)包含門窗、電腦桌、長桌、教師桌、椅子、書架、電腦、樓梯、稱重柱子、內(nèi)墻和外墻等模型。為了保證場景的簡潔性和統(tǒng)一性，使制作過程簡化，將差異不大的模型制作為同一種模型，比如對于有扶手和沒扶手椅子，在建立模型時只制作沒扶手的椅子，有扶手的椅子均被之代替。不僅場景得到簡化，而且將模型刻畫得更為細(xì)致。在制作模型之前，不僅需要采集相關(guān)圖片信息，還要對需要制作的模型進(jìn)行測量，繪制出圖書館的內(nèi)部場景俯視圖，以便能夠更加準(zhǔn)確的制作模型的相關(guān)比例和模型的具體擺放位置。

3.2 虛擬圖書館主體建模

為了實(shí)現(xiàn)整個虛擬圖書館系統(tǒng)，采用Maya軟件來完成建模任務(wù)，圖書館主體建筑是其中重要的部分。由于黃岡師范學(xué)院圖書館以承載重量的柱子為基礎(chǔ)，圖書館中的幾乎所有格局都是由這些柱子所劃分的，所以首要任務(wù)就是將載重柱子創(chuàng)建出來。首先建立一個平面，并將其放大，附著的材質(zhì)是自己制作的所有承重柱子的位置信息的圖片，這樣有利于定位。然后創(chuàng)建一個多邊形長方體，按照比例調(diào)節(jié)成為柱子的形狀，長寬高比別為1∶1∶112，并通過復(fù)制功能和移動功能將其擺放到合適的位置。

在此基礎(chǔ)上，對外墻和內(nèi)部較大的墻面進(jìn)行制作。首先為模型添加一個地板，新建一個多邊形長方體拉伸至合適的比例，然后調(diào)整位置即可。接下來制作外墻，新建一個多邊形長方體，將其上面和下面刪除，只留下一個“筒子”，使用Insert Edge Loop Tool添加必要的線條，拖動中間的面即可制作成為圖書館外墻的凹面。最后新建三個長方體，調(diào)節(jié)形狀，構(gòu)成電梯和內(nèi)部的主要墻體，保存文件。最后結(jié)果如圖1所示。

圖1 圖書館的整體結(jié)構(gòu)

圖書館外墻上鑲嵌大量的窗戶，所以需要對窗戶建模。創(chuàng)建一個長寬高為0.075、10、7的一個多邊形長方體，然后貼上自己制作的窗子材質(zhì)，材質(zhì)使用Photoshop制作，模仿真實(shí)的窗子框架的劃分，使用白色代表窗子框架，無色代表玻璃，導(dǎo)出PNG格式圖片。貼圖時注意使用布林材質(zhì)，即可產(chǎn)生金屬和玻璃的高亮效果，如圖2所示。

圖2 窗戶

圖書館中的門主要有兩種，玻璃門和不透明的門，不透明的門主要以貼圖的形式來完成，在這里只制作玻璃門，其中包括打開的門和關(guān)閉著的門。門的制作和窗子一樣也主要由貼圖完成，不同的是關(guān)閉著的門比窗子多了兩對把手，把手的創(chuàng)建也較為簡單，創(chuàng)建三個圓柱體，調(diào)整大小和角度拼湊在一起，放置在門中間的位置，然后經(jīng)過復(fù)制完成四個把手的創(chuàng)建，最后將所有的部件選中，使用Mesh菜單中的Combine命令進(jìn)行組合，進(jìn)行保存，如圖3所示。接下來在此基礎(chǔ)上使用Insert Edge Loop Tool，將其劃分成四段，改成面模式之后，選取右邊的兩部分，使用Mesh菜單中的Extract命令將原來的模型破成兩部分，然后對其調(diào)整成為門打開的形狀，將結(jié)果進(jìn)行另存為，避免覆蓋之前的模型，如圖4所示。

圖3 關(guān)閉的門

圖4 打開的門

在門窗制作完畢之后，就可以與之前的框架進(jìn)行結(jié)合，制作出一個完整的圖書館模型。首先，要把樓層制作出來，新建一個多邊形長方體，設(shè)置比例為139∶2∶134，用來分隔樓層，首先將其放置在樓頂?shù)奈恢?，因?yàn)楸緢D書館只有樓頂是一個完整的長方體，而從2樓至6樓的地板都是不規(guī)則的，其中4、5、6三層樓的一致，所以只要做三種地板即可。復(fù)制剛剛所制作出的長方體，調(diào)節(jié)模型的細(xì)分寬度為8，這樣模型就被劃分為8份，然后使用頂點(diǎn)模式，調(diào)整其形狀和圖書館外墻的俯視圖一致，將其復(fù)制成5份，其中三份就是4、5、6三層的地板。接下來修改另外兩份，繼續(xù)使用點(diǎn)模式，調(diào)節(jié)成“工”字形，中間稍窄的作為3樓地板，中間較寬的作為2樓地板。將這5個地板模型插入在圖書館中等分之前的模型。在安裝門窗之前，需要把門窗的相關(guān)位置的墻刪除掉。將外墻和內(nèi)墻按照圖書館的本來面目使用Insert Edge Loop Tool將其需要刪除的地方劃分出來，轉(zhuǎn)化為面模式，刪除門窗應(yīng)該占據(jù)的位置。使用File菜單中的Import命令導(dǎo)入之前保存的門窗文件，通過復(fù)制、調(diào)整角度和位置，將門窗安放在之前刪除墻壁的地方，如圖5所示。

瀏覽者可以在圖書館內(nèi)部進(jìn)行自由移動，擁有非常大的自由度，而不是按照計算機(jī)已經(jīng)設(shè)定好行進(jìn)路線進(jìn)行瀏覽。在此基礎(chǔ)上，爭取使模型面片數(shù)盡可能少，以避免不必要的運(yùn)算，使瀏覽者能夠方便快捷的進(jìn)行瀏覽欣賞。

虛擬圖書館內(nèi)部包含儲物柜、書架、電腦桌、椅子、樓梯等等，對其建模就不一一論述。

3.3 虛擬圖書館場景組合

當(dāng)模型建立完成后，需要將其放入同一個文件中。打開大場景，對場景中還沒有材質(zhì)的地方添加已經(jīng)準(zhǔn)備好的材質(zhì)，當(dāng)模型比較大而圖片比較小，貼圖的時候需要仔細(xì)調(diào)節(jié)位置。組合的模型一共分為兩部分，一部分是需要參與碰撞檢測的，而另一部分則不需要，要將兩部分分別進(jìn)行組合。選擇想要制作碰撞檢測的部分，包括場景模型內(nèi)部有關(guān)于墻壁、物體、柱子等模型，通過Mesh菜單下的Combine命令，可以將這些模型組合為一個模型。將其他的物體選中，使用同樣的方法將其組合，方便碰撞檢測。

4 虛擬圖書館的漫游

4.1 模型文件的導(dǎo)入

使用Virtools來完成交互的實(shí)現(xiàn)。首先在Maya軟件安裝nmo格式的導(dǎo)出插件，確保Window菜單下的Settings/Preferences中的Plug-in Manager選項(xiàng)所彈出的窗口中設(shè)置插件可使用，然后使用File菜單下的Export All選項(xiàng)即可將文件導(dǎo)出成nmo格式的文件。運(yùn)行Virtools將該導(dǎo)入，圖6是導(dǎo)入后的效果圖。

4.2 “人物”腳本的制作

將所需要實(shí)現(xiàn)碰撞檢測的物體全部放置在一個新建的組內(nèi)，命名為Slider Group。新建一個攝像機(jī)，命名為Main Camera。新建一個立方體并命名為Person，并設(shè)置其初始位置為二樓大廳處。調(diào)節(jié)其透明度為全透明。為Person設(shè)置腳本。在Virtools中的腳本是以Building Block為基礎(chǔ)，使用箭頭連接數(shù)個Building Blocks并賦予相關(guān)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)程序的流程。Switch On Key模組可以實(shí)現(xiàn)通過按下鍵盤上的相應(yīng)的鍵，來完成相應(yīng)的功能。Switch On Key模組初始創(chuàng)建的時候只有兩個輸入?yún)?shù)和輸出節(jié)點(diǎn)，其模組的左下角有一個“v”符號，代表該模組的參數(shù)數(shù)量或者參數(shù)類型是可變的，這樣在制作過程中如果需要使用多于兩個相應(yīng)的參數(shù)只是就不許要創(chuàng)建多個Switch On Key，只要右擊該模組然后選擇增加參數(shù)即可。這次使用的Switch On Key輸入?yún)?shù)一共有四個，分別是W、A、S、D，是因?yàn)橄胍ㄟ^按下這四個鍵即可完成視角的前后左右移動。

圖6 導(dǎo)入Virtools的圖書館模型

Translate模組可以實(shí)現(xiàn)在Virtools中任何3D實(shí)體的平移，最初創(chuàng)建這個模組的時候只擁有三個可輸入?yún)?shù)，分別是“平移坐標(biāo)”“平移的3D實(shí)體”“是否可以移動子實(shí)體的BOOL值”，但是根據(jù)需要還可以添加一個目標(biāo)3D實(shí)體，將其改成四個可輸入的參數(shù)，但是這次的設(shè)計中，物體的平移是根據(jù)鍵盤輸入來完成的，所以不需要這個額外的參數(shù)。創(chuàng)建四個Translate模組，分別代表了前后左右四個方向的移動，所以平移坐標(biāo)分別設(shè)置為(0，0.04，0)、(0，-0.04，0)、(-0.04，0，0)和(0.04，0，0)，即向自身坐標(biāo)的Y軸前進(jìn)和后退0.04個單位和沿著自身X軸左移和右移0.04個單位。數(shù)值0.04是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)而得到的一個比較理想的速度參數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)沿著樓梯進(jìn)行移動，需要實(shí)現(xiàn)一個關(guān)于縱向移動的功能，上樓梯可以直接利用Virtools自身碰撞檢測模塊提供的沿物體表面進(jìn)行滑動的功能，但是下樓梯卻不能實(shí)現(xiàn)。為了解決這一難題，直接在所有水平移動的后面銜接一個垂直向下的移動。添加一個Translate模組讓其產(chǎn)生一個向下0.04單位的位移，這個功能就能夠很好的實(shí)現(xiàn)。Op模組的功能非常強(qiáng)大，它所接收的參數(shù)可以是Virtools中支持的全部類型，而且可以將兩個參數(shù)進(jìn)行智能運(yùn)算得到所需要的結(jié)果，正因?yàn)檫@個模組如此之靈活，在它的左下方標(biāo)記著一個“s”符號，該符號表明其模組可以進(jìn)行更高層次的設(shè)定。這里通過添加一個Op直接獲得Person的坐標(biāo)，通過添加第二個Op將獲得豎坐標(biāo)提高4個單位，這個新的坐標(biāo)就是攝像機(jī)視角的位置。模組的特殊標(biāo)記除了“s”和“v”以外還有“c”,其含義為本模組擁有自己特色的編輯界面。

Set Position模組可以設(shè)置3D實(shí)體的位置。它的參數(shù)類似于Translate，初始參數(shù)也是三個，可以添加一個目標(biāo)，而正好需要這個目標(biāo)。添加目標(biāo)參數(shù)后將目標(biāo)設(shè)置為Main Camera，將上一步所得到的坐標(biāo)賦予第二個參數(shù)。這樣Person每次移動之后都會設(shè)置一次攝像機(jī)Main Camera的位置，即可做到“眼隨人動”。

Object Slider模組可以制作有關(guān)于碰撞檢測的相關(guān)內(nèi)容。在一些引擎中中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測需要使用非常復(fù)雜的代碼，卻也不能避免錯誤的發(fā)生，而Virtools對于碰撞檢測方面的處理非常人性化，只需要將參與到碰撞檢測的物體與人物之間添加一個Object Slider模組并設(shè)定參數(shù)即可完成。具體方法就是創(chuàng)建一個Object Slider模組，為這個模組設(shè)置參數(shù)：半徑設(shè)置為2，這樣可以避免自身離墻壁太近，也可以避免自己走到很窄的縫隙中去，出現(xiàn)卡住位置的情況；第二個參數(shù)設(shè)置為之前創(chuàng)建的組Slider Group中，將開始節(jié)點(diǎn)連接至Person根節(jié)點(diǎn)上面。完成后Person能夠移動和碰撞檢測，并且根據(jù)自身的位置設(shè)定Main Camera的位置。具體腳本如圖7所示。

圖7 Person腳本

4.3 攝像機(jī)腳本的制作

在Virtools引擎之中允許存在數(shù)個攝像機(jī)，多個攝像機(jī)可以同時工作，實(shí)現(xiàn)像監(jiān)控攝像一樣的效果，也可以單獨(dú)工作。Set As Active Camera模組可以將一個攝像機(jī)設(shè)置為當(dāng)前的攝像機(jī)，這樣就可以單獨(dú)使用多個攝像機(jī)中的一個，也可以根據(jù)需要將其它攝像機(jī)設(shè)置為當(dāng)前攝像機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)視角的變換。Main Camera腳本的主要實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動和Person方向的設(shè)置。需要使用一個Switch On Key模組，是用來獲取控制旋轉(zhuǎn)功能的鍵信息。使用“↑”“↓”“←”“→”控制攝像機(jī)的仰視、俯視和環(huán)視，其余的設(shè)置于獲取平移信息的Switch On Key模組沒什么區(qū)別。

Rotate模組可以實(shí)現(xiàn)3D實(shí)體的旋轉(zhuǎn)，其初始參數(shù)一共有四個，分別是“用矢量來表現(xiàn)一個給定的指向”、“角度和旋轉(zhuǎn)次數(shù)”、“旋轉(zhuǎn)的3D實(shí)體”、“是否可以移動子實(shí)體的BOOL值”，與前面的幾個模組一樣，它也可以增添一個目標(biāo)參數(shù)。這四個Rotate分別實(shí)現(xiàn)向上旋轉(zhuǎn)，向下旋轉(zhuǎn)，向左旋轉(zhuǎn)，和向右旋轉(zhuǎn)的四個功能，其中向上旋轉(zhuǎn)和向下旋轉(zhuǎn)有旋轉(zhuǎn)上限為90度。這里仍然使用兩個Op模組，第一個模組的參數(shù)是攝像機(jī)Main Camera，這里主要是想要獲得其所指向的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)，Y坐標(biāo)沒有必要動，這一項(xiàng)設(shè)定由第二個Op進(jìn)行設(shè)置。之前提到過，Op模組具有非常大的靈活性，其返回的結(jié)果也會隨著計算的不同而出現(xiàn)不同的類別，兩個Op模組所得到的結(jié)果均為向量，要對這兩個向量進(jìn)行組合，就需要提取其中的X，Y，Z坐標(biāo)，很容易想到的是使用另外三個Op模組接收一個向量，導(dǎo)出其中一個坐標(biāo)的數(shù)值。但是Virtools提供了另外一個非常簡便的設(shè)定，當(dāng)使用連線將Op模組的向量結(jié)果傳遞給另一個模組的數(shù)值參數(shù)時，會自動提示要求用戶獲得其中一個坐標(biāo)。由于所獲得的坐標(biāo)只是三個數(shù)字，所以使用Set Component模組將其合并為一個真正的向量坐標(biāo)。最后通過Set Orientation設(shè)置方向，這里只需要第二個參數(shù)和通過添加目標(biāo)實(shí)體所產(chǎn)生的一個額外參數(shù)。把通過Set Component合并的向量傳遞給該模組，然后添加目標(biāo)實(shí)體，也就是需要設(shè)置方向的Person。如圖8所示。

圖8 Main Camera腳本

5 測試與運(yùn)行

在測試期間，首先打開所制作的圖書館漫游系統(tǒng)，初始的視角為圖書館二樓的大廳位置，和真實(shí)進(jìn)入黃岡師范學(xué)院圖書館的情況一致。使用鍵盤上的W、S、A、D鍵進(jìn)行前后左右的行走，檢測平移是否會出現(xiàn)問題。使用鍵盤上的方向鍵進(jìn)行視角的變換，檢測旋轉(zhuǎn)過程是否會出現(xiàn)問題。通過移動至圖書館內(nèi)部物體的邊上，檢查碰撞檢測是否正常。圖9分別展示了漫游虛擬圖書館二樓大廳，上下樓層所示和漫游人文社科流動部的情景。

圖9 虛擬圖書館漫游場景

在測試期間，整體的場景互動比較流暢，系統(tǒng)并未出現(xiàn)跳幀和卡死的現(xiàn)象。圖書館是公共的服務(wù)性場所，模擬真實(shí)環(huán)境能讓讀者快速了解圖書館，更好利用圖書館的相關(guān)資源。相對以往單一的文本介紹圖書館，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直觀的三維交互更能達(dá)到對圖書館的身臨其境的體驗(yàn)。通過Photoshop，Maya和Virtools構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景，從整體來說系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到了交互圖書館漫游的效果。

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責(zé)任編輯 喻曉敏

G434

A

1003-8078(2016)06-0079-05

2016-09-20 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2016.06.21

張俊，女，湖北黃岡人，圖書館館員，主要研究方向?yàn)閭€人知識管理、虛擬漫游。

徐小雙，男，湖北天門人，教授，博士，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)支撐的協(xié)作學(xué)習(xí)。

教育部人文社會科學(xué)研究一般項(xiàng)目(11YJA880125);湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題(2010A051)；黃岡師范學(xué)院科研項(xiàng)目(2013021803)。