基于VRML的電視媒體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)現(xiàn)

李 靜，吳小勝

（池州學(xué)院文學(xué)與傳媒學(xué)院，安徽池州247000）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)客觀條件的依賴性，滿足實(shí)際課堂教學(xué)需要，逐步成為老師得力的實(shí)驗(yàn)制作工具[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅節(jié)約了大量的人力物力資源，也使得用戶可以突破時(shí)間和空間的局限，利用碎片的時(shí)間和碎片的空間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)?；赩RML技術(shù)開發(fā)電視媒體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一方面，可以緩解電視媒體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和昂貴設(shè)備不足的困境；另一方面，通過(guò)逼真形象的多媒體、可視化的呈現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)表現(xiàn)力不足的問(wèn)題，使得用戶在視、聽、觸等感官上獲得了良好的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐體驗(yàn)。

本研究以“電視發(fā)射機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的開發(fā)為例，依托VRML技術(shù)建構(gòu)電視媒體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)一整套規(guī)程和方法，并詳細(xì)介紹了項(xiàng)目開發(fā)中的系統(tǒng)環(huán)境搭建、三維立體建模、交互設(shè)計(jì)和產(chǎn)品發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)。

1 VRML技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越廣泛。VRML技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中經(jīng)典代表，其代碼簡(jiǎn)潔，支持多種交互行為和可擴(kuò)展自定義對(duì)象，是一種低門檻、易實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

1.1 VRML技術(shù)概述

VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言（Virtual Reality Modeling Language）的簡(jiǎn)稱，本質(zhì)上是一種面向web、面向?qū)ο蟮娜S造型解釋性語(yǔ)言[5]。VRML結(jié)合Internet和多媒體技術(shù)將三維交互對(duì)象、虛擬場(chǎng)景搬運(yùn)上互聯(lián)網(wǎng)，可以看作是HTML(Hyper Text Markup Language)的3D模擬，用戶借助各種交互設(shè)備與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上2D畫面到3D動(dòng)畫的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造了一個(gè)真實(shí)感強(qiáng)、交互性好的虛擬世界[6-8]。

1.2 VRML的基本特征

VRML有四個(gè)基本特征：

一是沉浸性，VRML向用戶提供真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或虛擬的三維世界的場(chǎng)景模型，人們借助頭盔、眼鏡、耳機(jī)等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)入虛擬場(chǎng)景，獲得場(chǎng)景身臨其境的體驗(yàn)。作為場(chǎng)景中一個(gè)角色，用戶可以通過(guò)多種交互手段行走在虛擬場(chǎng)景中，以多種視角觀察、操控場(chǎng)景中的對(duì)象。

二是交互性，用戶借助位置追蹤儀、操縱桿、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)等交互設(shè)備在虛擬場(chǎng)景做自由漫游、控制場(chǎng)景中某個(gè)物體的空間位置、同時(shí)系統(tǒng)將用戶與虛擬物體接觸的信息反饋給操作者等，用戶獲得與真實(shí)世界同樣的交互體驗(yàn)，真實(shí)感強(qiáng)。

三是多感知性，指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至還包括味覺、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能[9]。VRML支持多種媒體，用戶與場(chǎng)景的交互過(guò)程中可以獲得交互圖文信息的提示、各種模擬音效以及對(duì)象的觸覺感知和運(yùn)動(dòng)感知。

四是構(gòu)想性，虛擬場(chǎng)景是人構(gòu)想出來(lái)的，VRML支持的交互模式提供了發(fā)揮想象力機(jī)制,用戶可以將自己對(duì)虛擬場(chǎng)景或?qū)ο蟮男袨闃?gòu)想變成可視化的交互行為。

1.3 VRML的工作機(jī)制

VRML開發(fā)語(yǔ)言具有代碼簡(jiǎn)潔、面向?qū)ο蟮葍?yōu)勢(shì)，是虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中經(jīng)典的開發(fā)工具。

作為虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言，VRML在語(yǔ)法格式上如同HTML一樣。HTML以標(biāo)記(Tag)指定文字樣式、排版格式、多媒體檔案插入或超鏈接等功能,而VRML則以節(jié)點(diǎn)(Note)作為基本單位[10]。VRML支持的腳本語(yǔ)言有JavaScript,Java,VRMLScript,ECMAScript。

VRML的工作機(jī)制是基于客戶端/服務(wù)器模式[11]。開發(fā)中借助Cult3D等工具實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景、對(duì)象的交互控制規(guī)劃，復(fù)雜場(chǎng)景采用JavaScript等腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)指令的編程設(shè)計(jì)，然后，客戶端通過(guò)本地瀏覽器（安裝如Cult3D View Pulgin插件）進(jìn)行解釋運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景及對(duì)象的交互控制。

目前該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于旅游、媒體、購(gòu)物、軍事和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，例如人們借助頭盔、眼鏡、耳機(jī)等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，體驗(yàn)360度全景視頻；通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，能使媒體受眾體驗(yàn)到真正的“現(xiàn)場(chǎng)新聞；同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以提供整個(gè)商店的虛擬導(dǎo)游，提高人們?cè)诰€購(gòu)物的體驗(yàn)等等。

2 基于VRML構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三層體系模型

結(jié)合VRML虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言的功能及其工作機(jī)制，本研究構(gòu)建了模型層、交互層和表現(xiàn)層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三層體系架構(gòu)。三層體系架構(gòu)如圖1：

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三層體系架構(gòu)

其中模型層負(fù)責(zé)實(shí)物模型的構(gòu)造與管理，主要通過(guò)3dsmax、maya等三維軟件建模并導(dǎo)出*.c3d模型文件，生成VRML原型；

交互層利用VRML原型進(jìn)行交互設(shè)定，主要通過(guò)Cult3D Designer及JavaScript腳本編程實(shí)現(xiàn)交對(duì)象的互動(dòng)作設(shè)計(jì)，其中JavaScript腳本用于復(fù)雜場(chǎng)景和對(duì)象的交互控制，包括用戶的鼠標(biāo)動(dòng)作、音效響應(yīng)等，生成*.jas文件與*.co文件；

表現(xiàn)層則是用戶與客戶端的交互界面，通過(guò)Dreamweaver嵌入網(wǎng)頁(yè)代碼，利用HTML+CSS、VRML插件及瀏覽器發(fā)布，也可以通過(guò)office，比如在Powerpoint中瀏覽。

3 VRML技術(shù)平臺(tái)的系統(tǒng)環(huán)境搭建

VRML虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的主要流程包括：三維立體建模、交互設(shè)計(jì)和產(chǎn)品發(fā)布。系統(tǒng)環(huán)境搭建如下：

3.1 硬件環(huán)境

依托VRML技術(shù)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括實(shí)體的測(cè)量、建模、貼圖、交互設(shè)計(jì)及產(chǎn)品發(fā)布環(huán)節(jié)，因此硬件環(huán)境準(zhǔn)備如下：

（1）電視媒體工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。用于各類電視媒體的實(shí)體精確測(cè)量與三維立體建模。

（2）攝影攝像環(huán)境。用于三維立體模型的貼圖烘焙等。

（3）成果測(cè)試、運(yùn)行環(huán)境，包括互聯(lián)網(wǎng)及各類瀏覽器。用于網(wǎng)絡(luò)中多視野、全方位操作情境的整體設(shè)計(jì)，以及產(chǎn)品發(fā)布。

3.2 軟件環(huán)境

基于VRML技術(shù)平臺(tái)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，軟件環(huán)境的搭建是技術(shù)保障，更是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究從三維立體建模、交互設(shè)計(jì)和產(chǎn)品發(fā)布三大系統(tǒng)開發(fā)的主要流程配置軟件環(huán)境，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如下軟件環(huán)境配置的穩(wěn)定性、易用性及可擴(kuò)展性較高。

3.2.1 三維立體建模環(huán)境 3dsmax2018中安裝cult3d3dsmax插件，再運(yùn)行MaxR6_7_8_V4.0.4.59.exe，按提示操作即可。在3dsmax2018中建模，使用導(dǎo)出選項(xiàng)，導(dǎo)出*.c3d文件。

3.2.2 交互設(shè)計(jì)環(huán)境 運(yùn)行三維交互設(shè)計(jì)軟件Culd3D Designer.exe，進(jìn)入Cult3D界面，載入從3dsmax中導(dǎo)出的*.c3d文件。Cult3D支持同時(shí)載入多個(gè)c3D格式文件，中間可以保存工程文件(*.c3p)，最后生成*.co文件和*.html文件。

3.2.3 產(chǎn)品發(fā)布環(huán)境分情況討論

（1）如果是IE瀏覽器，須先安裝Cult3D Viewer for Web browsers，即IE瀏覽器插件，運(yùn)行Cult3D_IE_5.3.0.228.exe文件；直接在其中打開html文件即可以瀏覽了。

（2）如果是在其它瀏覽器（如火狐）中輸出，可先安裝Cult3D_Mozilla_5.3.0.154.exe文件。而后直接瀏覽html文件即可。

（3）如果是在office中，比如在Powerpoint中瀏覽，則需安裝office插件Cult3D Viewer for Microsoft Office，運(yùn)行 Cult3D_IE_5.3.0.228.exe(與 IE 的不一樣)，然后打開Powerpoint,進(jìn)入“視圖”菜單/工具欄/控件工具箱，使用“其它控件”中的Cult3d activex player工具，插入*.co文件，播放即可。

4 基于VRML的電視媒體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)研究以“電視發(fā)射機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”為例，主要流程包括：三維立體建模、交互設(shè)計(jì)及產(chǎn)品發(fā)布三個(gè)階段，開發(fā)實(shí)踐及成果如下：

4.1 電視發(fā)射機(jī)實(shí)體的精確測(cè)量與拍照

為獲得三維模型的真實(shí)感，首先要對(duì)實(shí)體進(jìn)行測(cè)量與拍照，測(cè)量的目的是為了保證三維模型的比例規(guī)范，測(cè)量數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確；拍照?qǐng)D片作為三維模型的紋理和貼圖，拍照環(huán)境要亮度適宜、且無(wú)陰影，實(shí)物的陰影在3dsmax中運(yùn)用燈光實(shí)現(xiàn)。

4.2 三維實(shí)體建模、燈光、渲染

三維實(shí)體建模，采用3dsmax2018三維軟件，貼圖展平的拼接技術(shù)已在軟件中實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫拼接，3D燈光、渲染、貼圖烘焙的綜合運(yùn)用；鑒于實(shí)時(shí)交互的響應(yīng)速度，在三維建模中運(yùn)用天光作主光，輔以O(shè)mini燈光作輔光，而后大象素貼圖展平輸出，再運(yùn)用烘焙技術(shù)回貼，生成模型文件，在交互程序設(shè)計(jì)中運(yùn)用事件切換的方法展示。VRML模型文件如圖2：

圖2 VRML模型文件

4.3 多視野、全方位操作控制的交互設(shè)計(jì)

虛擬仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)采用Cult3D Designer工具進(jìn)行交互事件規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬場(chǎng)景、對(duì)象的交互控制。在事件規(guī)劃中要注意兩個(gè)問(wèn)題：

一是虛擬對(duì)象間的層級(jí)關(guān)系，比如機(jī)械運(yùn)動(dòng)的虛擬仿真系統(tǒng)中的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的關(guān)系，必須是主動(dòng)輪先旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后從動(dòng)輪跟著旋轉(zhuǎn)。

二是交互控制的時(shí)序關(guān)系，比如說(shuō)電視發(fā)射機(jī)的虛擬仿真系統(tǒng)，必須是先打開功率放大器電源開關(guān)，而后其它按鈕及功能才能啟動(dòng)。事件總體規(guī)劃圖如圖3：

圖3 電視發(fā)射機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)事件總體規(guī)劃圖

為使用戶獲得真實(shí)感強(qiáng)、沉浸感好的視覺效果，作者在虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)想環(huán)節(jié)中采用多視野、全方位操作情境的整體設(shè)計(jì)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)的方法是在三維建模過(guò)程中使用多機(jī)位設(shè)計(jì)，在交互設(shè)計(jì)中運(yùn)用控制球操作與鼠標(biāo)鍵盤結(jié)合的方式共同控制電視媒體。

交互演示效果如圖4，鍵盤交互控制功能如圖4中A區(qū)所示操作提示，鼠標(biāo)交互控制功能如圖4中B區(qū)所示操作提示：

圖4 電視發(fā)射機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示效果

程序中運(yùn)用了行為序列與情境特寫的方式解決了媒體多視野、全方位的展示問(wèn)題。通過(guò)鍵盤左右鍵實(shí)現(xiàn)全方位旋轉(zhuǎn)展示，鍵盤事件規(guī)劃圖如圖5：

圖5 鍵盤事件規(guī)劃圖

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅僅是對(duì)虛擬場(chǎng)景、對(duì)象的交互控制，還包括對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的認(rèn)識(shí)、操作說(shuō)明等。本研究涉及的網(wǎng)絡(luò)情境中交互圖文信息的撰寫與顯示技術(shù)，在三維建模時(shí)運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的方式建立模型，對(duì)于開關(guān)、儀表指針等采用雙重疊位創(chuàng)建，操作中的信息顯示采用鼠標(biāo)跟蹤方式的交互程序設(shè)計(jì)完成，使得信息顯示運(yùn)用自如。鼠標(biāo)事件規(guī)劃圖如圖6（節(jié)選）：

圖6 鼠標(biāo)事件規(guī)劃圖

鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊電源開關(guān)，發(fā)射機(jī)啟動(dòng)（伴有啟動(dòng)音效），與此同時(shí)發(fā)射機(jī)其它功能按鈕啟用；鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊功放表按鈕，功放表按鈕01彈起，并設(shè)置彈起音效，實(shí)現(xiàn)電視發(fā)射機(jī)設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示，設(shè)備中其它功能開關(guān)及參數(shù)的交互控制同理設(shè)計(jì)，功率放大器電源開關(guān)打開如圖7所示：

圖7 功率放大器電源開關(guān)打開

4.4 多終端產(chǎn)品發(fā)布

考慮到用戶的差異化需求，客戶端界面的設(shè)計(jì)、客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)與多媒體控制部分的編程技術(shù)，使用了網(wǎng)頁(yè)交互方式和單機(jī)課件展示兩種方式提供給使用者操作?？蛻舳私缑娴脑O(shè)計(jì)、客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)與多媒體控制部分的編程技術(shù)，使用了網(wǎng)頁(yè)交互方式和單機(jī)課件展示兩種方式提供給使用者操作，提示界面友好，運(yùn)用多媒體交互控制技術(shù)使得控制提示一鍵完成、一鍵隱退，大大方便使用者。

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)用戶，采用服務(wù)器與客戶機(jī)方式進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，將網(wǎng)頁(yè)交互插件嵌入到客戶端頁(yè)面中，便于操作者下載；對(duì)于局域網(wǎng)則直接使用通用辦公軟件交互操作(如PPT)，極大強(qiáng)化了軟件的易用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，目前主流的虛擬仿真產(chǎn)品的開發(fā)工具是Unity3D系統(tǒng)，該系統(tǒng)開發(fā)對(duì)人員要求較高，學(xué)科教師較難完成虛擬現(xiàn)實(shí)資源的開發(fā)。因此在教育實(shí)踐領(lǐng)域探索技術(shù)門檻低、可視化程度高、易實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)尤為重要。本研究為該問(wèn)題解決提供了方案。

基于VRML技術(shù)的“電視發(fā)射機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的實(shí)現(xiàn)，不僅為用戶提供了一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也是建構(gòu)了一整套的基于VRML的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的規(guī)程和方法，可為同類系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。