陳三等

摘要： 隨著虛擬現(xiàn)實技術的日趨成熟，該技術在很多領域得到應用。該文將虛擬現(xiàn)實技術應用于數(shù)字化校園三維虛擬圖書館的建設。論文實現(xiàn)了基于3DMax技術的虛擬圖書館的總體框架和具體場景的建設以及基于OPENGL實現(xiàn)虛擬圖書館的交互和漫游，并將搭建好的虛擬圖書館放置于數(shù)字化網(wǎng)上圖書館中，作為數(shù)字化校園網(wǎng)上圖書館的有益補充。

關鍵詞： 3D虛擬圖書館；虛擬現(xiàn)實技術； 3DMax；OPENGL；漫游

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）33-8007-04

Abstract： With the rapid development of virtual reality technology， the technology can be applied in many fields. VR is applied in the construction of 3D virtual library in digital campus. The paper realized the general framework of virtual library based on 3DMax and detailed roaming and interactive based on OPENGL. 3D virtual library will be placed on the digital library. It will be a useful supplement to the school online digital library.

Key words：3D virtual library； virtual reality technology； 3DMax； OPENGL； roaming

數(shù)字圖書館是信息時代傳統(tǒng)圖書館的延伸和發(fā)展，以其便于使用和超大規(guī)模的信息存儲成為當今圖書館建設的大趨勢。圖書館新技術與方法的研究一直是圖書館學的熱門研究課題[1]。虛擬現(xiàn)實（Visual Reality， VR）技術誕生至今已有二十多年，被認為是21世紀計算機領域最重要、最新奇的研究之一，具有多感知、沉浸性、交互性、想象性等特征，是集成了多學科、多技術的綜合技術[2]。VR技術在數(shù)字圖書館虛擬空間、三維信息資源建設、可視化信息檢索、虛擬參考咨詢、遠程遙控技術方面的應用有很多值得研究和探討的方面。研究虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字圖書館的應用，在當前三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)建設的環(huán)境下，推動我國數(shù)字圖書館的發(fā)展有著非常重要的意義[3]。

在北京、上海、廣州等地虛擬系統(tǒng)的建設已經(jīng)取得了一些成果[4]。在高校，虛擬現(xiàn)實技術被用于虛擬校園建設。例如，安徽師范大學三維虛擬校園建設，結(jié)合安徽師范大學三維虛擬校園實際需求，分析三維虛擬校園建設的主要內(nèi)容和系統(tǒng)實現(xiàn)的總體框架，通過對校園內(nèi)數(shù)據(jù)的獲取和處理，建立并優(yōu)化模型，并通過二、三維的交互和插件技術的集成實現(xiàn)系統(tǒng)關鍵技術[5]。該文在3D虛擬圖書館的建設中，根據(jù)校園圖書館的實際情況，通過相關數(shù)據(jù)的獲取和處理進行三維建模，在模型建立完成后，實現(xiàn)交互的動態(tài)圖形基礎上，對各個視點進行實時漫游，并且將該系統(tǒng)放置在校園圖書館網(wǎng)站上，便于同學們在獲取資料時可以直觀的了解學校圖書館的布局。

論文首先介紹了相關關鍵技術，包括VR技術、3DMax技術和OPENGL；然后基于3DMax技術分析了虛擬圖書館的模型建設并給出了部分模型實例；接著介紹了利用OPENGL對虛擬圖書館的交互和漫游的設計；最后，對項目的建設過程進行了總結(jié)。

1 關鍵技術概述

1.1 VR技術

VR技術是指采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視覺、聽覺、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助計算機以及相關軟件與平臺上的虛擬世界中的物體進行交互，相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感覺[6]。

1.2 3DMax技術

3DMax是3D Studio MAX的簡稱，是Kinetix公司推出的一款強大的3D建模軟件，其獨有的細分曲面技術、柔性選擇、曲面工具和改進的NURBS技術讓3DMax在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景時異常輕松[7]。在與其他軟件配合方面，由3DMax創(chuàng)建的虛擬模型可以方便地導入到OPENGL環(huán)境中。因此，使用3DMax作為3D虛擬圖書館的建模軟件，可以輕松的結(jié)合所需其他軟件，建設出復雜的3D虛擬圖書管的虛擬模型。

1.3 OPENGL簡介

OPENGL是繪制高真實感三維圖形、實現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬現(xiàn)實的高性能軟件開發(fā)包，它集成了圖形建模、顏色模式設置、光照和材質(zhì)設置、紋理映射、位圖顯示、圖像增強、圖形變換和雙緩存動畫等復雜的圖形算法[8]。該編程技術可以很好的運用于PC機上，具有很好的開發(fā)環(huán)境，以該技術為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地運用在各種平臺之間，便于將3D虛擬圖書館放置到校園圖書館網(wǎng)站上。同時在OPENGL中建好場景去調(diào)用3DMax中的復雜模型是非常方便的。

2 基于3DMax技術構(gòu)建整體框架

2.1 建設內(nèi)容

三維虛擬圖書館的建設主要包含兩部分內(nèi)容：第一，圖書館總體外部設計和各個場景的模型建設，主要是根據(jù)測量得出的數(shù)據(jù)，將圖書館按比例直接構(gòu)建出相應的模型；第二，虛擬圖書館系統(tǒng)的設計，基于三維場景模型的建設，將實際需求落實到系統(tǒng)上，選擇OPENGL技術作為編程平臺。

2.2 總體場景構(gòu)建

虛擬圖書館的建設包括外觀設計，總體地理位置的建設，內(nèi)部各個樓層之間各個場景的渲染和建設以及部分景物裝飾的建設，各個場景之間的位置擺放和組合，整體比例的設計。

虛擬圖書館的場景模型的建立，是整個項目的數(shù)據(jù)基礎。整個場景的數(shù)據(jù)來源于對圖書館外觀數(shù)據(jù)的采集，即通過對各個部分的測量得出總體比例的數(shù)據(jù)。對于各個景物的設計，直接用相機拍攝圖片，通過實景照片還原圖書館三維模型的真實貼圖。圖1和圖2是圖書館外觀的正反兩面模型圖。

虛擬圖書館包括很多場景的建設，每個場景由各個模型按相對位置擺放在一起來組成。而虛擬圖書館的作用不僅是要模擬真實的場景，更重要的是使得用戶在瀏覽中能了解到各閱覽室的藏書情況。圖3到圖7是圖書館中的一個閱覽室的虛擬圖形，是對圖書館內(nèi)部的一些具體物件的模型建立，在用戶瀏覽的時候，在每個柜子上添上相應的標簽，便于用戶的瀏覽和書目的查閱。

3 虛擬圖書館的交互和漫游

3.1 OPENGL實現(xiàn)交互性場景

為了更好的實現(xiàn)交互沉浸性，我們將運用3DMax制作的三維模型導入到OPENGL環(huán)境中，將讀入的模型數(shù)據(jù)重新整理，生成相應的處理對象列表，并在其中顯示出來[9]。

OPENGL可實現(xiàn)很多場景的多方位顯示，將在3DMax中制作的圖形導入到OPENGL以后，將各個參數(shù)值輸入進去，即可根據(jù)既定的函數(shù)設計出相應的模型，實現(xiàn)交互性。在交互使用中，首先通過USE引用相關的模型，在通過Transform節(jié)點將相關位置安置好，最后通過PlaneSensor平面檢測節(jié)點使虛擬對象在xy平面相對移動。

3.2 OPENGL實現(xiàn)虛擬漫游

三維場景漫游中，觀察者可以通過鼠標或者鍵盤來控制視點的位置、視向和參考方向。系統(tǒng)中，視點相當于現(xiàn)實中人的眼睛，其功能相當于現(xiàn)實世界中的照相機。人通過眼睛將外部影像刻入大腦，而虛擬現(xiàn)實就是對這一效果的實現(xiàn)，在計算機3D圖形處理技術中運用類似人眼睛的東西gluLookAt觀察函數(shù)，在OPENGL場景中利用位置變化在計算機屏幕上實現(xiàn)位置轉(zhuǎn)變。

系統(tǒng)漫游命令包括上升、下降、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、俯視、仰視、左移、右移等。該文采用OPENGL的gluLookAt函數(shù)，通過PageUp和PageDown鍵來控制上下位置，利用上下鍵來控制向前或者向后的方向，用左右鍵來控制視點的左右移動。響應左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、仰視、俯視命令時視點保持不變[10]。前進和后退主要是沿視線方向沿坐標系移動一定距離即可。而左移和右移主要是平移一定的距離。對于邊界采用碰撞式技術，將邊界固定住，對于漫游的整體位置和視點的調(diào)節(jié)做出整體的設計。

由于不斷按下鍵盤操作重復性太多，較為繁瑣，所以系統(tǒng)設計時對相關的漫游過程進行記錄。記錄漫游過程的處理是，首先記錄初始的視點和角度，然后對每種連續(xù)鍵盤操作命令按照“動作類型，執(zhí)行次數(shù)”進行記錄，最后通過相反過程播放，從文件中讀取上述初始化參數(shù)并進行設置，而后通過相應的讀取操作命令調(diào)用處理函數(shù)處理，實現(xiàn)漫游過程的實現(xiàn)和記錄。

通過漫游的實現(xiàn)，可以給使用者帶來身臨其境的感受，跟現(xiàn)在很多3D游戲帶來的效果有些類似，這樣更貼近生活實景的感受，完成我們的設計目標。

4 總結(jié)

在三維虛擬圖書館的建設中，首先利用3DMax對學校圖書館進行總體模型設計。其次，在OPENGL中建設場景，將3DMax中設計好的模型導入到其中，利用相關函數(shù)實現(xiàn)交互性和漫游功能。最后，將整體構(gòu)建好的模型導出，放入學校的數(shù)字圖書館網(wǎng)站上，供校內(nèi)學生使用。隨著研究的深入展開，還需要進一步做好以下幾方面的工作：

1） 改進館內(nèi)各物件的精細程度和真實度，通過對模型貼圖使場景的渲染更加逼真。對于不同位置的視點情況進行多方位的調(diào)整，進一步完善系統(tǒng)的交互性和漫游功能。

2） 將虛擬圖書館正式運用到數(shù)字化圖書館的平臺上，通過學生的體驗和建議，對整體設計做出進一步的改善。

參考文獻：

[1] 王晨晨.虛擬現(xiàn)實技術及其在圖書館的應用[J].圖書館學研究，2011（10）：35-37.

[2] Burdea G，Coiffet P.Virtual Reality Technology[M].NJ：John Wiley and sons，1994.

[3] 陸穎雋.虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字圖書館的應用研究[D].武漢：武漢大學，2013.

[4] 錢剛.從數(shù)字化、網(wǎng)絡化看圖書館虛擬過程[J].圖書情報工作，1998（7）：11-14.

[5] 吳慶雙，王楠.安徽師范大學三維虛擬校園系統(tǒng)建設研究[J].重慶文理學院學報：自然科學版，2012，31（1）：62-66.

[6] Fisher S S ，Humphries J，McGreevy M，et al.The virtual environment display system. In： ACM Workshop on Interactive 3D Graphics[M].New York： ACM Press， 1986：77-87.

[7] 陳建華.基于3DSMAX的虛擬現(xiàn)實建模技術[J].漳州師范學院學報：自然科學版，2002，15（3）： 18-20.

[8] 李瑩，陳啟祥.基于OPENGL技術與3DS Max的3D虛擬校園情景開發(fā)[J].武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2007（2）：37-40.

[9] 林銳，石教英.基于OPENGL的可復用軟件庫與三位交互設計[J].計算機研究與發(fā)展，2000， 37（11）：1360-1366.

[10] 僧德文，李仲學，王紅霞. 基于OPENGL的虛擬漫游技術研究及應用[J].金屬礦山，2007（9）.