基于VRP的虛擬課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳靜松　程萬(wàn)里

摘 要：本文主要分析研究了虛擬教學(xué)樓外景以及教室內(nèi)部的三維交互展示系統(tǒng)，以面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法為核心，結(jié)合VRP的交互函數(shù)、3DS Max建模軟件，創(chuàng)建出教學(xué)樓、教室的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)了學(xué)院的虛擬場(chǎng)景以及教學(xué)展示，例如上下課展示、黑板寫(xiě)字、教師講話、學(xué)生提問(wèn)等功能。

關(guān)鍵詞：碰撞檢測(cè) 場(chǎng)景漫游 錨點(diǎn)路徑

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0219-02

科技的高速發(fā)展，一直不斷改善著人們的生活及學(xué)習(xí)。虛擬技術(shù)是虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相互聯(lián)系的樞紐，如今，虛擬世界正在越來(lái)越逼真的再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的一切，其中，虛擬三維場(chǎng)景成為決定其是否真實(shí)的關(guān)鍵。虛擬教學(xué)樓展示是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用之一，此設(shè)計(jì)可以讓校外人員在虛擬環(huán)境下，了解并熟悉本學(xué)院的教學(xué)生活，對(duì)教學(xué)樓及其學(xué)院的教學(xué)模式有比較直觀的了解，使現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景通過(guò)網(wǎng)絡(luò)更加立體真實(shí)的展現(xiàn)在人們眼前，提供豐富的相關(guān)信息，使人們仿佛身臨其境，打造一個(gè)可視化的、有聲色的仿真環(huán)境系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文是在VRP編輯器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，借助3DS Max三維軟件制作加工系統(tǒng)所需的三維場(chǎng)景以及相關(guān)模型，通過(guò)VRP for MAX插件在VRP編輯器和3DS Max之間建立聯(lián)系，進(jìn)行渲染烘焙后，導(dǎo)入到VRP編輯器中，為后期進(jìn)行三維場(chǎng)景的漫游與交互操作進(jìn)行基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建。

在場(chǎng)景界面中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“場(chǎng)景初始操作”按鈕，進(jìn)行相機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)及切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)人物的漫游行走，鼠標(biāo)雙擊場(chǎng)景中的任意一個(gè)地方，可以拉近或拉遠(yuǎn)視線，實(shí)現(xiàn)視角的快速定位觀察；設(shè)置行走相機(jī)，通過(guò)碰撞檢測(cè)功能，可以實(shí)對(duì)周?chē)鷪?chǎng)景及障礙物的進(jìn)行自動(dòng)判斷與識(shí)別；通過(guò)在初級(jí)界面設(shè)置的按鈕以及高級(jí)界面的菜單，進(jìn)行場(chǎng)景切換以及背景音樂(lè)控制；最后通過(guò)設(shè)置錨點(diǎn)路徑以及鼠標(biāo)事件，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊學(xué)生行走坐下等動(dòng)作。

2 場(chǎng)景模型的實(shí)現(xiàn)

VRP是虛擬場(chǎng)景交互制作的平臺(tái)，而場(chǎng)景的建立需要模型的支撐，所以模型建立是重中之重，在此介紹主要模型的建立方法。

2.1 教學(xué)樓建立

結(jié)合現(xiàn)實(shí)中教學(xué)樓的模樣比例，利用3DS Max中的長(zhǎng)方體建立制作模型。此模型要使一樓實(shí)現(xiàn)空心放置，以便以后導(dǎo)入教室模型。

2.2 教室布局設(shè)計(jì)

現(xiàn)實(shí)生活中的教室必需品一般和相應(yīng)的課程或者方向有關(guān)，本設(shè)計(jì)主要考慮的是理論課堂教學(xué)的模式所需，因此，主要實(shí)現(xiàn)的物品有桌椅、黑板、白板、講桌、電腦等。

2.3 墻體以及窗戶的建立

墻體的建立，運(yùn)用矩形在頂視圖中繪制矩形，并將其轉(zhuǎn)化為樣條線，在輪廓欄中填寫(xiě)大小，并使用修改其中的擠出命令，設(shè)置合適的高度，實(shí)現(xiàn)墻體的建立。

窗戶的建立，因?yàn)槭乔度雺w內(nèi)的，所以在做好窗戶模型之后，繪制窗體大小的長(zhǎng)方體，厚度可增大。在窗體位置放置長(zhǎng)方體，將長(zhǎng)方體和墻體進(jìn)行布爾運(yùn)算，摳出一部分墻體。最后將窗戶放到此位置后，距離角度進(jìn)行調(diào)整。

2.4 桌椅模型的建立

通過(guò)對(duì)實(shí)物的觀察，用長(zhǎng)方體模型對(duì)各個(gè)邊進(jìn)行多段劃分，適當(dāng)設(shè)置分段。利用對(duì)點(diǎn)的調(diào)整，進(jìn)行NURBS曲面觀察，設(shè)置出逼真模型。將各個(gè)零件制作完成后，調(diào)整位置大小角度，組合成教室桌椅模型。為了方便后期制作剛體動(dòng)畫(huà)，軸心的設(shè)置是一重要問(wèn)題。將椅子旋轉(zhuǎn)部分坐面的軸心設(shè)置在面與橫梁交界處，這樣旋轉(zhuǎn)過(guò)后可防止旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，偏離。

2.5 黑板與門(mén)的建立

根據(jù)實(shí)物大小與樣式制作門(mén)，其中制作合適大小長(zhǎng)方體，對(duì)邊分段，然后對(duì)于各個(gè)小面多次運(yùn)用倒角命令。調(diào)整角度和面的大小之后，形成門(mén)的模型。并將軸心定位為門(mén)的左下角，使其和門(mén)框組合后實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)效果。根據(jù)墻體大小制作黑板，運(yùn)用布爾運(yùn)算命令，將兩個(gè)長(zhǎng)方體調(diào)整大小位置之后，進(jìn)行復(fù)合，形成黑板邊框，再將四個(gè)長(zhǎng)方體錯(cuò)位放置在黑板中，最后黑板制作完成。

3 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

模型制作完成后，將模型導(dǎo)入VRP中就可以開(kāi)始交互部分的設(shè)計(jì)。

3.1 初級(jí)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)制作了三個(gè)按鈕。分別是音樂(lè)、上下課和場(chǎng)景開(kāi)始按鈕。按鈕調(diào)整好位置后進(jìn)行貼圖調(diào)試，然后根據(jù)需要的功能進(jìn)行鼠標(biāo)事件的設(shè)置。

3.2 高級(jí)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要制作了四個(gè)菜單。分別為總菜單、上課菜單、音量設(shè)置菜單和音樂(lè)控制菜單。這里主要描述上課菜單的功能及實(shí)現(xiàn)。上課菜單分為兩個(gè)菜單欄，上課和下課。點(diǎn)擊上課實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，此菜單欄的目的是切入到教室外面開(kāi)始播放路徑動(dòng)畫(huà)并設(shè)置淡入轉(zhuǎn)場(chǎng)效果，主要過(guò)鼠標(biāo)事件函數(shù)實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)擊下課場(chǎng)景跳出，上課場(chǎng)景重置，此菜單欄的目的是跳出播放狀態(tài)，重置路徑動(dòng)畫(huà)并設(shè)置淡出效果，實(shí)現(xiàn)過(guò)程和方法同上課。

3.3 骨骼動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

在場(chǎng)景中增加骨骼動(dòng)畫(huà)人物，并調(diào)試其位置，從動(dòng)作庫(kù)中添加動(dòng)作。為之后的折線路徑和上課展示動(dòng)畫(huà)進(jìn)行鋪墊。

3.4 形狀欄折線路徑設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中在進(jìn)入教室前、進(jìn)入教室后以及講臺(tái)上都設(shè)置了錨點(diǎn)事件。第一個(gè)錨點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能為從教室外要進(jìn)入教室里時(shí)進(jìn)行相機(jī)切換，同時(shí)切換至室內(nèi)相機(jī)，進(jìn)入教室后，在講臺(tái)旁進(jìn)行講話效果展示，繼而上講臺(tái)，此時(shí)相機(jī)切換至黑板場(chǎng)景中，播放文字出來(lái)的剛體動(dòng)畫(huà)，當(dāng)動(dòng)畫(huà)播放完成時(shí)切換至室內(nèi)相機(jī)。

第二個(gè)錨點(diǎn)路徑是實(shí)現(xiàn)學(xué)生從教學(xué)樓外進(jìn)入樓內(nèi)，在電視機(jī)前駐足觀看，再根據(jù)設(shè)置的錨點(diǎn)路徑在走出教學(xué)樓。此行走動(dòng)畫(huà)是循環(huán)執(zhí)行的，錨點(diǎn)事件主要函數(shù)如下：

path02.008..錨點(diǎn)到達(dá)

路徑動(dòng)畫(huà)暫停，path02，1

設(shè)置定時(shí)器，2，0，1，

路徑動(dòng)畫(huà)暫停，path02，0

path02.013..錨點(diǎn)到達(dá)

路徑動(dòng)畫(huà)暫停，path02，1

設(shè)置定時(shí)器，1，0，12000，1

插播骨骼動(dòng)作，小女孩，0，3，1

第三個(gè)錨點(diǎn)路徑是實(shí)現(xiàn)學(xué)生在教室站立，或者靠在桌椅上，然后當(dāng)點(diǎn)擊人物時(shí)，根據(jù)錨點(diǎn)路徑行走，在座位處播放坐下動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)桌椅旋轉(zhuǎn)的剛體動(dòng)畫(huà)。

3.5 相機(jī)設(shè)計(jì)

為了實(shí)線漫游效果，設(shè)置相機(jī)并設(shè)置參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中添加了五個(gè)相機(jī)分別為室外飛行相機(jī)、任務(wù)角色控制相機(jī)，室內(nèi)飛行相機(jī)、任務(wù)跟蹤相機(jī)和定點(diǎn)觀察相機(jī)。飛行相機(jī)位于教學(xué)樓外圍正前方，人體形狀為任務(wù)高度1.6英尺，開(kāi)啟碰撞，隨后在物理碰撞欄中，對(duì)于各個(gè)物體進(jìn)行適時(shí)開(kāi)啟碰撞。這樣會(huì)避免出現(xiàn)任務(wù)行走過(guò)程中產(chǎn)生墻體分離視野被物體遮擋；角色控制相機(jī)綁定相關(guān)人物，水平視角設(shè)定為40度，奔跑速率比定為10，這樣可實(shí)現(xiàn)運(yùn)用鼠標(biāo)，點(diǎn)擊那里人物移動(dòng)，使人物跟隨鼠標(biāo)移動(dòng)；室內(nèi)飛行相機(jī)，在本設(shè)計(jì)中定位在教室后門(mén)墻中間，可在展示教室講課場(chǎng)景時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.6 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)人物走近大門(mén)，門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，人物走過(guò)門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)則需要3DS Max中制作的剛體動(dòng)畫(huà)，并且需要進(jìn)行距離出發(fā)設(shè)置。在3DS Max中門(mén)前設(shè)置長(zhǎng)方體，然后在VRP中進(jìn)行方塊的隱藏，在距離觸發(fā)設(shè)置中，有設(shè)置進(jìn)入距離觸發(fā)和離開(kāi)距離觸發(fā)設(shè)置，在進(jìn)入距離出發(fā)設(shè)置中設(shè)置腳本Box001，當(dāng)進(jìn)入觸發(fā)距離時(shí)，播放相應(yīng)的觸發(fā)函數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文對(duì)所研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)例的應(yīng)用，驗(yàn)證了本文討論的系統(tǒng)技術(shù)路線方法在思路、技術(shù)等方面的基本可行性。由于時(shí)間及其他的原因，有一部分功能可以更詳細(xì)化，使之有更加貼切的逼真的效果，這將在以后的過(guò)程中加以完善。

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